Artykuł

• Wprowadzenie
• Prądnica rowerowa
  • Koło zamachowe
  • Maksymalna produkcja energii
• Sztuka pedałowania - wyzwania techniczne
  • Dostosowanie napięcia
  • Dostosowanie natężenia prądu
  • Ładowanie akumulatorów
• Tablica rozdzielcza - kolejne wyzwania
  • Dostosowanie napięcia: przetwornice buck i boost
  • Dostosowanie mocy prądu: obwody przełączające i ściemniacze
• Jak wykorzystać generator - testy
  • Elektronarzędzia przewodowe
  • Czajnik elektryczny
  • Lodówka Peltiera
• Alternatywne konfiguracje - generator rowerowy ze stołem roboczym
• Hybrydowy system zasilania energią solarną/ludzką

Instrukcja obsługi

• Generator rowerowy
  • Jakiego typu prądnica jest potrzebna?
  • Jak obliczyć przełożenie i rozmiar wrzeciona?
  • Jakiego typu wrzeciona są potrzebne i gdzie je znaleźć?
  • Jak przymocować wrzeciono do prądnicy?
  • Jak przymocować napęd cierny do roweru?
• Panel sterowania
  • Przetwornica buck i boost, ściemniacz
  • Kontroler ładowania wiatrowego (do ładowania akumulatorów kwasowo-ołowiowych)
  • Przewody, złącza, diody, bezpieczniki, przyciski włączania/wyłączania
  • Przyrządy tablicy rozdzielczej
  • Panel tablicy rozdzielczej i mocowanie
• Okablowanie
  • Kompletny panel sterowania
  • Obwód 5V
  • Obwód 12V
  • Obwód 14.4V
  • Obwód 220V
• Komponenty + koszty + narzędzia
• Pierwszy prototyp

Wprowadzenie

Podsumowanie

W Internecie i w książkach znajdziemy wiele instrukcji opisujących, jak zbudować własny generator prądu na pedały. Jednak gdy postanowiliśmy sami zbudować taki generator rowerowy, stwierdziliśmy, że jeśli idzie o jego praktyczne wykorzystanie, to dostępne instrukcje są niepełne. Koncentrują się przede wszystkim na budowie samego źródła energii, a stosunkowo mało uwagi poświęcając temu, co się z wygenerowaną energią dzieje.

Postanowiliśmy więc zająć się praktyczną kwestią wykorzystania energii generowanej przez człowieka. Nie tylko zbudowaliśmy generator prądu, ale także skonstruowaliśmy panel sterowania w postaci “deski rozdzielczej” przymocowanej do kierownicy. Deska rozdzielcza umożliwia zasilanie lub ładowanie wielu różnych urządzeń, niezależnie od napięcia, jakiego potrzebują. Ponadto nasz projekt daje możliwość jednoczesnego zasilania wielu urządzeń naraz, dzięki czemu rowerzysta może regulować opór na pedałach w celu dostosowania go do zamierzonego treningu.

Staraliśmy się również ulepszyć sam generator rowerowy. Choć dobre podręczniki są dostępne, chcieliśmy, aby źródło prądu było łatwe w budowie (nie wymagało spawania ani korzystania ze skomplikowanych narzędzi), wygodne podczas pedałowania, możliwie kompaktowe i aby nie rzucało się w oczy. Nasz generator rowerowy stoi w małym salonie i jest używany regularnie. Rozwiązanie znaleźliśmy we wcześniej nam nieznanym, zabytkowym rowerze stacjonarnym wyposażonym w koło zamachowe.

Próby i błędy

Generator rowerowy i tablica rozdzielcza zostały zaprojektowane i wykonane we współpracy z Marie Verdeil w ramach jej stażu w Low-tech Magazine. Nie mogliśmy znaleźć potrzebnej specyfikacji technicznej, więc zastosowaliśmy metodę prób i błędów. Okazało się to czasochłonne i kosztowne, ale dzięki temu nauczyliśmy się wiele i wyciągnęliśmy cenne wnioski. Popełniliśmy wiele błędów, których Wy będziecie mogli uniknąć.

Nie jesteśmy inżynierami, więc z radością wysłuchamy Waszych propozycji ulepszeń technicznych.

Osoby pierwszy raz odwiedzający naszą stronę mogą przeczytać kilka wcześniejszych artykułów, na których opiera się ten projekt generatora rowerowego (tłumaczenia na język polski nie są jeszcze dostępne): The short history of pedal powered machines (2018).

Generator rowerowy

Istnieje wiele sposobów na zbudowanie prądnicy rowerowej, a każdy z nich ma swoje zalety i wady. Oparliśmy naszą elektrownię na pedały na zabytkowym rowerze stacjonarnym z lat 50. ubiegłego wieku. Nasz rower został wyprodukowany przez hiszpańską firmę BH, ale podobne zabytkowe modele można znaleźć w każdym miejscu uprzemysłowionego świata.

Koło zamachowe

Wybraliśmy stary rower z kilku powodów. Po pierwsze i najważniejsze, stare rowery treningowe mają z przodu duże koło zamachowe. Generatory rowerowe bez koła zamachowego - a te stanowią obecnie większość - prawdopodobnie skończą, zbierając kurz w garażu, ponieważ pedałowanie na nich jest męczące i niewygodne.

Koło zamachowe jest niezbędne, ponieważ pedałowanie na rowerze stacjonarnym to zupełnie inne doświadczenie niż jazda na rowerze. Siła, z jaką nasze stopy naciskają na pedały, osiąga najwyższą wartość co 180 stopni obrotu korby. Ma to niewielki wpływ na wysiłek rowerzysty, kiedy jedziemy po drodze, ze względu na bezwładność poruszającego się pojazdu i rowerzysty.

Z kolei na rowerze stacjonarnym nierównomierny wydatek mocy powoduje szarpanie i dodatkowe obciążenie elementów roweru. Koło zamachowe, dzięki swoim dużym masie i prędkości obrotowej, rozwiązuje ten problem. Wyrównuje ono różnice pomiędzy szczytami obciążenia i zapewnia komfortowe pedałowanie. Rowerzysta męczy się wolniej i może generować więcej energii. Dzięki kołu zamachowemu generator utrzymuje stabilniejsze napięcie prądu.

Nasze podejście umożliwia zbudowanie generatora na pedały przy użyciu prostych narzędzi i przy wykorzystaniu podstawowych umiejętności. Nie ma potrzeby cięcia ani spawania metalu - rower pozostaje taki, jaki jest. Nie ma też potrzeby budowania ramy - korzystamy z istniejącej. Musieliśmy jedynie dodać napęd cierny, czyli mały wałek przymocowany do wału prądnicy i dociskany do koła zamachowego.

Dzięki naszemu podejściu powstał bardzo kompaktowy generator. Ma on niewiele ponad 1 m długości. Naszym zdaniem, choć jest to kwestia gustu, nasz generator rowerowy jest wysoce estetyczny. Rower kupiliśmy od osoby z sąsiedniej wsi, u której stał w salonie jako ozdoba.

Wadą naszej konstrukcji jest niższa sprawność napędu ciernego w porównaniu do napędu uzyskiwanego za pomocą przekładni lub paska. Jednak wyższa sprawność koła zamachowego rekompensuje ten fakt. Połączenie koła zamachowego z przekładnią zębatą lub pasową dałoby lepsze wyniki, jednak takie rozwiązanie jest trudniejsze do zbudowania. Kolejną wadą jest to, że nasze urządzenie nie ma zmiennych przełożeń, ale więcej na ten temat później.

Maksymalna produkcja mocy

Moc wyjściowa (W) prądnicy rowerowej odpowiada napięciu (V) pomnożonemu przez natężenie prądu (A). Podczas krótkiego i intensywnego treningu uzyskujemy około 100 watów (12 V, 8-9 A) mocy. Podczas umiarkowanego wysiłku, który możemy kontynuować przez dłuższy czas, produkcja mocy wynosi od 45 do 75 watów. Moc wyjściowa zależy nie tylko od roweru, ale także od osoby, która go napędza. Osoby wysportowane mogą wytwarzać więcej mocy, podczas gdy kanapowcy (początkowo!) będą wytwarzać jej mniej. [*2] [*3]

Maksymalną moc wyjściową zmierzyliśmy zaraz za prądnicą. Aby uzyskać taką wartość, trzeba włożyć w pedałowanie dużo siły. Po pierwsze, żaden generator nie jest w 100% wydajny. Nasz generator osiąga swoją maksymalną sprawność (75-78%) przy mocy wyjściowej powyżej 6 A (72 W). Sprawność maleje przy mniejszej mocy: spada do 60% przy prądzie 3 A i poniżej 45% przy prądzie 2 A. Po drugie, w układzie napędowym między pedałami a generatorem występują straty energii. Nie możemy ich zmierzyć, ale ze znalezionych danych wynika, że napęd cierny powoduje średnio 15% dodatkowych strat energii.

Aby uzyskać moc 100 W, trzeba włożyć w pedałowanie co najmniej 150 W, przy uwzględnieniu strat wydajności zarówno w generatorze, jak i w napędzie ciernym. W rowerowym układzie napędowym występują dodatkowe straty energii. W teorii przekładnie rowerowe charakteryzują się niskimi stratami energii, rzędu kilku procent. W praktyce jednak te straty energii mogą być duże. Udowodniliśmy to w sposób niezamierzony. Po dokładnym wyczyszczeniu i naoliwieniu układu napędowego roweru, produkcja energii wzrosła dwukrotnie. Popełniliśmy błąd, czyszcząc rower dopiero na samym końcu. To wymusiło dostosowanie panelu sterowania do wyższego natężenia prądu, który po czyszczeniu zaczął przez niego płynąć.

Sztuka pedałowania - wyzwania techniczne

Jako cykliści-generatorzy musicie dopasować napięcie (V) i natężenie (A) urządzenia, które zasilacie lub ładujecie. Jednak łatwiej to powiedzieć niż zrobić. Urządzenia elektryczne pracują przy różnych napięciach i mają bardzo różne zapotrzebowanie na energię. Napięcie wynika z prędkości obrotów korbą, a natężenie prądu z siły, jaką wkładamy w pedałowanie.

1. Dostosowanie napięcia

Generator rowerowy wytwarza prąd stały o niskim napięciu, podobnie jak system fotowoltaiczny (12/24 V). Napięcie wyjściowe zależy od prędkości, z jaką obraca się prądnica rowerowa. Prędkość pedałowania i przełożenie przekładni określają prędkość wału generatora. W naszej instrukcji szczegółowo opisano, jak ustawić prawidłowe przełożenie. W skrócie, należy zmierzyć średnicę zewnętrzną trzech części (przedniej zębatki, zębatki koła zamachowego i koła zamachowego) i na podstawie tych danych obliczyć prawidłowy rozmiar wrzeciona w odniesieniu do zamierzonego napięcia wyjściowego.

Po ustawieniu przełożenia można uzyskać niższe lub wyższe napięcie, pedałując odpowiednio wolniej lub szybciej. Umożliwia to zasilanie urządzeń różnymi napięciami. Zakładając jednak, że przy średniej prędkości pedałowania generator da napięcie 12 V, to uzyskanie napięcia 5 V wymagałoby bardzo wolnego pedałowania, a 24 V niezwykle szybkiego. Przerzutki ułatwiłyby zmianę napięcia wyjściowego, ale nasz rower ich nie posiada.

Praktycznym rozwiązaniem tego problemu może być zasilanie urządzenia bezpośrednio z generatora, jeśli potrzebuje ono mniej więcej 12 V. Koło zamachowe pomaga utrzymać względnie stałe napięcie wyjściowe. Urządzenia elektroniczne i akumulatory wymagają jednak ściśle określonego napięcia. W przeciwnym razie mogą one nie działać lub ulec uszkodzeniu. Ponadto zasilanie urządzenia bezpośrednio z generatora uniemożliwia jednoczesne zasilanie lub ładowanie kilku urządzeń o różnych napięciach.

2. Dostosowanie natężenia prądu

Urządzenia elektryczne i elektroniczne mogą mieć bardzo różne zapotrzebowanie na moc, nawet jeśli pracują przy tym samym napięciu. Niestety, znacznie trudniej jest dostosować natężenie prądu niż napięcie. To, jak mocno trzeba pedałować, zależy wyłącznie od zasilanego urządzenia. W niektórych przypadkach skutkuje to optymalnym oporem. Częściej jednak opór na pedałach jest albo zbyt mały, albo zbyt duży.

Z jednej strony, podczas ładowania smartfonu lub stosunkowo niewielkiego akumulatora kwasowo-ołowiowego, opór na pedałach jest niemal zerowy. Z drugiej strony, opór na pedałach jest zbyt duży przy zasilaniu czajnika lub lodówki. Niektóre urządzenia mają zmienne zapotrzebowanie na prąd. Na przykład drukarka pobiera od 25 do 70 watów mocy, w zależności od tego, co dokładnie robi. Zapotrzebowanie na prąd wzrasta po uruchomieniu urządzenia i pomiędzy wydrukiem kolejnych stron. Drukowanie grafik wymaga więcej mocy niż drukowanie tekstu.

3. Ładowanie akumulatorów

Pozasieciowe systemy fotowoltaiczne często służą do ładowania akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Dostępność ludzkiej energii nie zależy od pogody i pory dnia, ale warto byłoby ją zmagazynować na przyszłość w akumulatorze.

Jeśli do obliczeń czasu potrzebnego do naładowania akumulatora weżniemy wartość 100 W, to możemy dojść do zbyt optymistycznych konkluzji. Na przykład, skoro do naładowania akumulatora potrzeba 100 Wh, można to zrobić w ciągu godziny. Prawda? Nieprawda. Nawet gdybyś był w stanie utrzymać produkcję mocy na poziomie 100 W przez godzinę, to akumulator ograniczy ilość energii, z jaką można go ładować. Nie wystarczy intensywniejszy trening, żeby przyśpieszyć ładowanie.

Akumulatory kwasowo-ołowiowe ładują się w zakresie od 10 do 25% swojej maksymalnej pojemności. My we wszystkich testowanych akumulatorach uzyskaliśmy 10%. W przypadku dużych akumulatorów nie stanowi to takiego problemu. Naładowanie jednego kwasowo-ołowiowego akumulatora samochodowego (około 60-80 Ah) wymaga wytworzenia 85-115 W z generatora, czyli trzeba mocno napracować się nogami. Pełne ładowanie (prądem 12 V do 13 V) trwa pięć godzin, nie licząc strat związanych z ładowaniem i rozładowywaniem.

Jednak w przypadku mniejszych akumulatorów kwasowo-ołowiowych niskie zapotrzebowanie na moc jest problematyczne. Opór na pedałach jest niewielki lub żaden (nie ma mowy o prawdziwym treningu), sprawność procesu jest bardzo niska (generator ma duże straty energii), a pomimo to ładowanie zajmuje tyle samo czasu, co ładowanie znacznie większego akumulatora. Na przykład ładowanie akumulatora 12 V o pojemności 14 Ah (podobnego do tego zasilającego stronę internetową, którą właśnie czytacie) wymaga zaledwie 1,4 A. To nie jest duży wysiłek (20 W).

Ten sam problem występuje w przypadku urządzeń ładowanych za pośrednictwem USB. Najczęściej wymienianym zastosowaniem generatora na pedały ma być ładowanie smartfonu. To jednak wymaga bardzo niewielkiej mocy (5-10 W) w porównaniu z tym, co może wytworzyć rower. (Niektóre nowsze modele umożliwiają szybsze ładowanie). Może Ci się wydawać, że ładowanie baterii telefonu o pojemności 10 Wh zajmie tylko 6 minut przy maksymalnej mocy 100 W, ale trwa to tak samo długo, jak w przypadku podłączenia go do gniazdka elektrycznego. Do naładowania smartfonu wystarczyłaby znacznie mniejsza ręczna ładowarka, ale wtedy mamy zajęte ręce.

Tablica rozdzielcza - kolejne wyzwania?

Aby rozwiązać wszystkie problemy ze zmiennymi parametrami prądu, zbudowaliśmy panel sterowania rozdzielający energię generatora na obwody o różnym napięciu do obsługi różnych urządzeń. Obwody te można wykorzystywać pojedynczo lub łącząc je, co pozwala na precyzyjną regulację oporu na pedałach w celu uzyskania optymalnego treningu. Można także bezpośrednio sterować niektórymi urządzeniami, zmniejszając ich zapotrzebowanie na moc.

1. Dostosowanie napięcia - przetwornica buck i boost

Żeby dostosować napięcie do różnych urządzeń, nie ma trzeba zmieniać kadencji pedałowania. Zamiast tego można użyć przetwornic buck-boost, czyli modułów elektronicznych przekształcających zmienne napięcie wejściowe w stałe napięcie wyjściowe.

Przetwornice buck mają wyższe napięcie wejściowe niż wyjściowe (obniżają napięcie), natomiast przetwornice boost mają wyższe napięcie wyjściowe niż wejściowe (podwyższają napięcie). Napięcie wyjściowe reguluje się, obracając małą śrubkę na module. Więcej informacji o przetwornicach buck-boost znajdziecie w instrukcji.

2. Dostosowanie mocy prądu - obwody przełączane i ściemniacze

Używając tylko jednej przetwornicy buck-boost można zbudować jeden obwód elektryczny. Gdy podpinamy urządzenie potrzebujące innego napięcia, wystarczy obrócić małą śrubkę, aby wyregulować napięcie. Jednak lepiej jest zbudować wiele obwodów przełączalnych o różnych napięciach. Dzięki temu można nie tylko łatwo przełączać się między różnymi typami urządzeń bez użycia śrubokręta, ale także regulować opór na pedałach, uruchamiając kilka obwodów jednocześnie.

Panel sterowania zawiera:

• dwa obwody do zasilania lub ładowania urządzeń USB (5V)
• trzy obwody do zasilania urządzeń o napięciu 12 V
• jeden obwód do ładowania akumulatorów kwasowo-ołowiowych (14,4V)
• jeden obwód do zasilania urządzeń sieciowych (220 V w UE)
• jeden obwód nieregulowany, w którym napięcie wyjściowe jest zgodne z napięciem wejściowym.

Jeśli zapotrzebowanie na moc jest niewystarczające, można - włączając więcej obwodów - zwiększyć opór na pedałach. Podniesie to również sprawność generatora. Aby rozwiązać problem niskiego zapotrzebowania akumulatorów na moc, można pozostawić obwody 5 V i 14,4 V zawsze otwarte. Wprowadza to podstawowe obciążenie wynoszące około 20 W (dwa do pięciu urządzeń USB i akumulator kwasowo-ołowiowy 14 Ah). Jeśli chcemy potrenować ciężej, to należy zwiększyć obciążenie, otwierając inne obwody i zasilając większą liczbę urządzeń. Takie podejście nie skraca czasu potrzebnego do naładowania akumulatorów. Sprawia jednak, że wysiłek staje się bardziej opłacalny.

Innym podejściem będzie budowa tablicy rozdzielczej, która ma wyłącznie obwody USB 5 V. W tym przypadku panel sterowania jest wykorzystywany w ten sam sposób z niewielkimi zmianami. Przy maksymalnym poborze mocy 10 W (5 V/ 2 A) do jednego wyjścia USB można podłączyć kilka urządzeń. Nasza deska rozdzielcza ma dwa obwody 5 V - jeden służy głównie do zasilania lampki, ale można do niego dodać rozdzielacz USB i zyskać kolejne 10 W dla innych urządzeń.

Możesz dodać sześć wyjść zasilania USB przez podłączenie złącza USB do trzech wyjść 12 V, pamiętając, aby dołożyć trzy żeńskie złącza 12 V. Dzięki temu całkowite zapotrzebowanie na moc wyniesie 80 W, czyli wystarczająco, by ładować jednocześnie od 10 do 15 smartfonów. W dzisiejszych czasach nie brakuje urządzeń ładowanych za pośrednictwem USB: telefonów, tabletów, ebooków, powerbanków, lampek rowerowych, aparatów fotograficznych, słuchawek bezprzewodowych, ładowarek baterii AA itd.

Ściemniacz

Jeśli zapotrzebowanie na moc jest zbyt duże, można wyłączyć jeden lub więcej obwodów. W przypadku niektórych mocniejszych urządzeń 12-woltowych deska rozdzielcza umożliwia także, bezpośrednio za pomocą zmiennego opornika lub potencjometru (popularnie nazywanego ściemniaczem), obniżenie natężenia prądu, a tym samym oporu na pedałach.

Kiedy “ściemnisz” urządzenia takie jak czajnik elektryczny lub lodówka Peltiera, będą one działały tak samo dobrze, tylko że wolniej. Bez potencjometru tylko atleci daliby radę je zasilać (100-120 W). Możesz również dodać ściemniacz do obwodu 14,4 V, jeśli planujesz ładować duże akumulatory kwasowo-ołowiowe. Ściemnianie nie działa jednak w przypadku wszystkich urządzeń. Laptop wyłączy się jeśli nie otrzyma odpowiedniej mocy.

Przełączając i łącząc różne obwody oraz dostosowując natężenie prądu w obwodzie 12 V, można regulować opór na pedałach tak precyzyjnie jak na trenażerze, tym samym optymalizując trening oraz produkcję energii.

Jak wykorzystać generator - testy

Generator rowerowy najlepiej nadaje się do bezpośredniego zasilania urządzeń elektrycznych, bez uprzedniego magazynowania energii w akumulatorze. Pozwala to uniknąć strat przy ładowaniu i rozładowywaniu (do 30% w akumulatorach kwasowo-ołowiowych) oraz zmniejsza złożoność i koszty budowy ludzkiej elektrowni. W tym celu wyposażyliśmy deskę rozdzielczą w kilka obwodów 12 V i jeden obwód 220 V.

Urządzenia, które zasilamy bezpośrednio napięciem 12 V to: eksperymentalna lodówka Peltiera, czajnik elektryczny, laptopy - zasilane przez zasilacz 12 V, bez baterii lub z baterią naładowaną w 100%, lampy, lutownica, wiertarka i szlifierka. Na rynku dostępnych jest wiele innych urządzeń zasilanych napięciem 12 V, przeznaczonych głównie dla kierowców samochodów ciężarowych i osobowych, żeglarzy, użytkowników przyczep kempingowych (oraz drobnych majsterkowiczów, którzy wyposażają swoje mieszkania, jakby to były żaglówki).

Oto lista wszystkich urządzeń, które do tej pory zasilaliśmy lub ładowaliśmy:

• Wszystkie typy urządzeń USB (5V)
• Akumulatory kwasowo-ołowiowe różnych rozmiarów (14,4 V)
• Lodówka Peltiera (12 V)
• Czajnik elektryczny (12 V)
• Lutownica (12 V)
• Przewodowa wiertarka elektryczna (12 V)
• Szlifierka przewodowa (12 V)
• Kompresor (12V)
• Kolejka (12V)
• Maszyna do szycia (220V)
• Drukarka igłowa (220V)
• Wzmacniacz stereofoniczny + odtwarzacz CD (220V)
• Laptopy (12V, 220V)
• Oświetlenie (5V, 12V, 220V)
• Wiatraki (5V, 12V, 220V)

Oświetlenie wygodniej jest zasilać z akumulatorów, ponieważ pozwala to na korzystanie ze światła bez konieczności jednoczesnego pedałowania. Niemniej jednak, chociaż może Was to zaskoczyć, na rowerze da się czytać książkę, jednocześnie zasilając światła. Zima jest szczególnie dobrą porą na taką praktykę. Nie wymaga to dużego wysiłku, jest zdrowsze niż siedzenie w miejscu, no i rozgrzewa. Innymi urządzeniami dobrze nadającymi do zasilania przez ludzki “napęd bezpośredni” są elektronarzędzia oraz urządzenia grzewcze i chłodzące. ### 1. Elektronarzędzia przewodowe

Praktycznie wszystkie popularne elektronarzędzia o napięciu 12 V są zasilane z baterii litowo-jonowych, które można ładować za pomocą energii ludzkiej. Jest to niemniej jednak czasochłonne, nie daje zbyt wiele możliwości treningu i powoduje znaczne straty energii. Dlatego dobrym rozwiązaniem jest przerobienie tych urządzeń na elektronarzędzia przewodowe. W ten sposób użytkownik wytwarza energię tylko wtedy, gdy jest ona potrzebna, i to przy znacznie wyższej wydajności. Ponadto narzędzie przewodowe jest zawsze gotowe do pracy - nie trzeba czekać na naładowanie baterii.

Przeróbka narzędzia bateryjnego na przewodowe jest dość prosta. Po wyjęciu baterii należy znaleźć styki dodatni i ujemny, a następnie przylutować do nich dwa przewody. Trzeba pamiętać, że decyzja, który z nich jest dodatni, a który ujemny, jest jednorazowa. W przypadku wiertarki było to bardzo łatwe do rozgryzienia. W przypadku szlifierki oscylacyjnej poprosiliśmy o pomoc, ponieważ okablowanie było bardziej skomplikowane. Elektronarzędzia 12-woltowe bez baterii lub z martwymi akumulatorami można tanio kupić na rynku wtórnym.

Przewodowa wiertarka elektryczna jest chyba najbardziej uniwersalnym elektronarzędziem na świecie. Trochę wyobraźni i będzie służyć za trzepaczkę (do ubijania jajek), szczotkę (do usuwania farby lub czyszczenia przedmiotów), tarczę szlifierską (do ostrzenia noży) czy tarczę polerską (do nadawania połysku chromowi lub innym metalom i materiałom). Precyzyjne narzędzia do wyrobu biżuterii lub modelowania również dobrze współpracują z bezpośrednim napędem z pedałów. Jesteśmy we wczesnej fazie testowania możliwości przerabiania i używania narzędzi zasilanych prądem 12 V.

Narzędzia zasilane rękami kontra zasilane nogami

Urządzenia elektryczne zasilane siłą ludzkich mięśni są mniej sprawne energetycznie w porównaniu z ręcznymi narzędziami mechanicznymi. Zasilanie elektryczne prowadzi do dodatkowych strat energii w generatorze, przetwornicy buck, przewodach i układzie napędowym. Jednak straty te są z nawiązką rekompensowane przez bardziej energooszczędne wykorzystanie ludzkiego zasilania. Nasze nogi są około cztery razy silniejsze niż ręce.

Urządzenia elektryczne są za to bardziej ergonomiczne, ponieważ oszczędzają nasze stawy i mięśnie rąk. Ręczne przykręcanie dziesiątek śrubek może i jest bardziej zrównoważone niż wkręcanie ich wkrętarką elektryczną, jednakże łatwo przeciążyć nadgarstki. Generator rowerowy pozwala więc na szybszą i bardziej ergonomiczną pracę, bez konieczności korzystania z zewnętrznego źródła energii.

Pomimo pewnej przewagi elektronarzędzi, mechaniczne narzędzia ręczne mają swoje zalety: są ciche i łatwiejsze do przenoszenia, a ich produkcja zużywa mniej materiałów i energii. Istnieją także narzędzia mechaniczne zasilane nogami, umożliwiające ergonomiczną pracę i zrównoważoną produkcję energii. Jednak nie lada wyzwaniem jest skonstruowanie kompaktowego roweru stacjonarnego, który mógłby zasilać wiele różnych narzędzi. Zaprojektowaliśmy nasz generator rowerowy tak, aby był jak najbardziej kompaktowy i wielofunkcyjny.

Elektronarzędzia mają często duże zapotrzebowanie na moc, ale to nie powinno Was zrazić. Szlifierka potrzebuje co najwyżej 30 W, ale nasza wiertarka może wymagać prądu o natężeniu do 20 A - to za dużo dla prądnicy rowerowej i panelu sterowania (12 V × 20 A = 240 W). Jednak rzadko będzie potrzeba wygenerowania tak dużej mocy, chyba że będziesz wiercił w twardych materiałach.

Zapotrzebowanie na moc elektronarzędzi rośnie ze wzrostem momentu obrotowego, więc użytkownik czuje, że wiertło przebiło się przez materiał lub że śruba została zamocowana lub poluzowana. Narzędziem można posługiwać się równie precyzyjnie za pomocą stóp, jak i rąk.

2. Czajnik elektryczny

Grzanie i chłodzenie za pomocą prądu elektrycznego zużywa wiele energii. Bardziej zrównoważone są alternatywne rozwiązania, takie jak bezpośrednie wykorzystanie ciepła słonecznego. Niemniej jednak można włączyć ogrzewanie i chłodzenie do codziennych ćwiczeń na generatorze i dzięki temu zoptymalizować produkcję ciepła i chłodu.

Stosujemy to podejście do grzania wody w czajniku elektrycznym i chłodzenia w eksperymentalnej lodówce Peltiera. Oba urządzenia są bardzo dobrze zaizolowane termiczne. Dzięki temu zamiana ludzkiej energii w ciepło lub zimno staje się kolejną (bardzo tanią i skuteczną) formą magazynowania energii, bez konieczności godzenia się na problematyczne przechowywanie energii w bateriach.

Zasilane z sieci czajniki elektryczne są często bardzo wydajne i są w stanie zagotować wodę w ciągu kilku minut lub nawet sekund. Zagotowanie wody przy użyciu prądnicy rowerowej zajmie znacznie więcej czasu, ale jest wykonalne. Kupiliśmy komercyjny czajnik elektryczny 12 V z izolowanym próżniowo litrowym zbiornikiem. Zagotowanie wody na jedną filiżankę herbaty zajęło podczas testu nieco ponad godzinę, przy średniej mocy 60 W.

W czajniku elektrycznym nie tylko zagotujemy wodę na herbatę, ale również podgrzejemy wodę do termofora. Trzeba zagrzać większą ilość wody, ale za to do niższej temperatury (około 60ºC). W czasie testu podgrzanie jednego litra wody do małego termoforu zajęło 1 godzinę i 30 minut, przy średniej mocy 60 W.

Po takim wysiłku ostatnią rzeczą, jaką człowiek potrzebuje, jest termofor. Rozsądniej zużyć naszą energię do zasilenia grzejnika o mocy kilkuset watów i podnieść temperaturę powietrza w małym pomieszczeniu. Zaizolowany próżniowo czajnik można jednak włożyć do kuchenki bezogniowej i użyć go wiele godzin później, gdy skończycie aktywność i będziecie potrzebowali ciepła.

3. Lodówka Peltiera

Lodówki zasilane napięciem 12 V są drogie. Badania i testy nad generatorami termoelektrycznymi (TEG) doprowadziły do powstania lodówki Peltiera. Lodówka Peltiera to w zasadzie dobrze zaizolowana kuchenka bezogniowa wyposażona w moduł TEG. Moduł podłączony do zasilania nagrzewa się z jednej strony i wyziębia z drugiej, chłodząc wnętrze chłodziarki. Chłodzenie za pomocą TEG nie jest szczególnie wydajne, jest za to ciche, nie wymaga gazów chłodzących i jest najprostszym sposobem na samodzielne zbudowanie lodówki.

Lodówka TEG to jeszcze prototyp, wymagający dalszych testów i ulepszeń. Zasilanie jednej chłodziarki TEG pełną mocą wymaga ok. 60 watów (12 V × 5 A), mierzonych tuż za generatorem. To oznacza intensywny trening. Ściemniacz pozwala precyzyjnie zmniejszyć opór na pedałach, ale okazało się, że jeden moduł TEG to za mało na nasze rozmiary przestrzeni chłodzącej. Podczas cięższego treningu (60-100 watów) będziemy dołączać drugi moduł zasilania.

Urządzenia sieciowe 220 V

Nasza tablica rozdzielcza posiada również obwód 220 V. Dzięki temu jest ona kompatybilna z urządzeniami zasilanymi z sieci energetycznej (110 V w USA, 240 V w Wielkiej Brytanii). Obwód 220 V wymaga przetwornicy. Przetwornica jest zbyt duża, aby zmieścić ją w desce rozdzielczej, więc umieściliśmy ją w skrzynce na zbudowanym z przodu roweru bagażniku.

Gniazdko 220 V nie jest niezbędne. Wiele urządzeń zasilanych napięciem 220 V ma alternatywne gniazda 12 V (lub 24 V), które są bardziej energooszczędne w przypadku zdecentralizowanej produkcji energii. Niemniej jednak, włączyliśmy obwód 220 V do zasilania urządzeń, które nie zostały (jeszcze) zastąpione lub przerobione na źródła niskiego napięcia: drukarki igłowej, maszyny do szycia, wieży stereo i routera.

Obsługa drukarki igłowej i maszyny do szycia jest trudna ze względu na ich szybko zmieniające się zapotrzebowanie na energię. Trzeba na przykład pedałować bardzo szybko (około 20 V), aby zapewnić odpowiednią bezwładność koła zamachowego w celu uniknięcia spadku napięcia poniżej 12 V podczas momentów szczytowego poboru mocy. Problem może rozwiązać zastosowanie superkondensatora - spróbujemy tego w nadchodzących miesiącach. Znacznie bardziej energooszczędne byłyby napędzane stopami mechaniczna maszyna do szycia i drukarka, ale zajmowałyby znacznie więcej miejsca.

Alternatywne konfiguracje - generator rowerowy ze stołem roboczym

Nasz panel sterowania został skonstruowany do zasilania szerokiej gamy urządzeń, ale Wy możecie przyjąć inne podejście i uzyskać podobną funkcjonalność. Na przykład, jeśli chcecie ładować tylko akumulatory, wystarczy jeden obwód 14,4 V. Możecie użyć przetwornic buck i boost, aby uzyskać dowolne napięcie, na przykład zbudować obwód 3 V, 6 V, 9 V lub 24 V.

Jeśli jednak chcecie przede wszystkim zasilać urządzenia 24 V, to lepiej będzie dostosować przełożenie generatora. To samo dotyczy ładowania akumulatorów kwasowo-ołowiowych 14,4 V w systemie 12 V: dostosujcie przełożenie tak, aby generować napięcie 16-17 V (aby skompensować straty energii w przetwornicy buck).

Nasza sporej wielkości deska rozdzielcza umieszczona na kierownicy ma swoje wady i zalety. Umieszczenie panelu sterowania na samym rowerze ułatwia odczyt i obsługę, a także przenoszenie roweru. Jeśli sąsiad potrzebuje awaryjnego zasilania, bierzecie rower i w ciągu minuty jesteście na miejscu. Z drugiej strony, umieszczenie tablicy rozdzielczej na rowerze generuje wibracje, zwiększające hałas i straty energii. Konieczne jest również okresowe regulowania napięcia wyjściowego z przetwornic buck i boost.

Największą wadą panelu sterowania na kierownicy jest brak możliwości zamontowania w tym miejscu dużego pulpitu. Przydałby się do obsługi elektronarzędzi lub laptopa, a jednocześnie zapewniałby zasilanie. Nasza obecna konfiguracja nie jest idealna do korzystania z elektronarzędzi. Wymaga dwóch osób - jednej do obsługi roweru i drugiej do obsługi elektronarzędzia. Z laptopem jest podobnie - możecie zasilać czyjś komputer, ale nie możecie jednocześnie zasilać swojego i na nim pracować.

Planujemy zbudować generator rowerowy z mniejszą tablicą rozdzielczą, obejmującą jeden obwód 12 V i dwa porty USB , oraz z dużą przestrzenią roboczą na kierownicy. Taki generator rowerowy nawiązuje do podobnych (mechanicznych maszyn rowerowych z początku XX wieku). Inną opcją jest przykręcenie panelu sterowania do ściany lub postawienie go na półce i umieszczenie obok niego prądnicy rowerowej. Inwerter, akumulator kwasowo-ołowiowy i regulator ładowania wiatrowego, które teraz są zamontowane na rowerze, będzie można z niego zdjąć.

Hybrydowy system zasilania energią solarną/ludzką

Niektórzy z Was mogą uważać, że nasz generator rowerowy to raczej gadżet niż praktyczne źródło energii dla gospodarstwa domowego. Po części jest to prawda. Nasza ludzka elektrownia jest idealną maszyną do ćwiczeń - wytwarzanie energii jest motywujące. Jest praktyczna w sytuacjach awaryjnych, zwłaszcza gdy dostępna jest wystarczająca ilość energii generowanej przez ludzi - może wytworzyć do 2,4 kWh dziennie. Nie zapewni jednak wystarczającej ilości energii na dobę, nawet dla mało zaawansowanego technologicznie gospodarstwa domowego. Brakuje wystarczającej liczby osób chętnych do jazdy na rowerze.

Niemniej jednak generator rowerowy jest doskonałym uzupełnieniem systemu fotowoltaicznego, przynajmniej w gospodarstwach domowych o niskim zużyciu energii. Moc generatora rowerowego nie zależy od pogody, pory roku ani pory dnia. Siła ludzka może zapewnić dodatkową energię podczas złej pogody, co zmniejsza zapotrzebowanie na drogie i nietrwałe akumulatory. Będzie to szczególnie przydatne w zimie, kiedy system fotowoltaiczny wytwarza znacznie mniej energii, a wysiłek potrzebny do obsługi roweru dodatkowo ogrzewa użytkownika. W lecie nie brakuje energii słonecznej, a poza tym nieraz jest zbyt gorąco na trening na rowerze.

Generator rowerowy o mocy 50-100 W jest bardziej wydajny niż stojące na balkonie obok niego dwa panele słoneczne: panel 50 W zasilający oświetlenie w salonie, oraz panel 30 W zasilający stronę internetową. Rzadko, jeśli w ogóle, panele osiągają maksimum swojej mocy, a podczas złej pogody produkują znacznie mniej energii niż generator rowerowy. Przy dużym zachmurzeniu produkcja energii spada niemal do zera, a jeśli taka sytuacja trwa przez dwa dni, przestają działać oświetlenie i strona internetowa. Jedna lub dwie godziny dziennie na rowerze z generatorem mogłyby temu zapobiec. Alternatywą jest zasilanie elektronarzędzi lub innych urządzeń rowerem, bez obciążania akumulatorów z systemu fotowoltaicznego.

Zamiast generatora rowerowego można także używać tablicy rozdzielczej z panelem solarnym. Wystarczy zastąpić regulator ładowania wiatrowego regulatorem ładowania słonecznego. Dzięki temu wykorzystamy energię słoneczną do bezpośredniego zasilania urządzeń - bez konieczności stosowania solarnego regulatora ładowania i akumulatora. Zastąpcie regulator ładowania wiatrowego hybrydowym regulatorem ładowania słoneczno-wiatrowego, a będziecie mogli ładować akumulatory i bezpośrednio zasilać urządzenia z obu źródeł. Można również połączyć energię słoneczną i ludzką, zwiększając w ten sposób moc wyjściową.

Połączenie energii ludzkiej i słonecznej powinno umożliwić podjęcie dalszych kroków w kierunku stworzenia funkcjonującego poza siecią miejskiego gospodarstwa domowego. W planach jest dodanie kolejnego panelu słonecznego o mocy 50 W, wyłączenie z sieci kolejnych urządzeń (przede wszystkim lodówki) i utrzymanie akumulatorów na dotychczasowym poziomie.

Instrukcja obsługi: generator rowerowy

Jakiego typu prądnica jest potrzebna?

Do przekształcenia energii mechanicznej koła zamachowego w energię elektryczną potrzebny jest generator prądu stałego z magnesem trwałym o napięciu 12/24 V i maksymalnej mocy około 150-250 W. Nie każdy generator nadaje się do tego. Potrzebny jest taki, który pozwala uzyskać napięcie 12 lub 24 V przy stosunkowo niskiej prędkością obrotowej (<5000 obr./min bez obciążenia) przy wygodnym przełożeniu (patrz dalej). Wiele generatorów do wygenerowania 12 V lub 24 V wymaga wyższej prędkości, a przy średnim tempie pedałowania nie będziecie w stanie wygenerować na nich więcej niż kilku woltów.

Pamiętajcie, aby kupić silnik szczotkowy prądu stałego. Bezszczotkowe silniki DC nie zadziałają, ponieważ wymagają bardzo dużej prędkości obrotowej. Należy pamiętać, że prądnica to silnik pracujący w odwrotnym kierunku. Szukajcie w Internecie hasła “silnik prądu stałego” zamiast “prądnica prądu stałego” - otrzymacie więcej wyników. Alternatory samochodowe również się sprawdzają. Często stosuje się je w małych elektrowniach wodnych, ponieważ są tanie i łatwe do zdobycia. Są one jednak wyjątkowo nisko sprawne i wymagają akumulatora 9 V do rozruchu.

Generatory prądu stałego można pozyskać ze zezłomowanych skuterów elektrycznych lub rowerów, ale my kupiliśmy nowy: Ampflow Pancake Motor P40-250. Jego prędkość obrotowa bez obciążenia wynosi 1700 obr./min przy napięciu 12 V, a maksymalna moc wyjściowa to 250 W. Można go bezpiecznie przykręcić do metalowej lub drewnianej powierzchni, co oszczędza wielu kłopotów.

Jak obliczyć przełożenie przekładni i rozmiar wrzeciona?

Napięcie wytwarzane przez generator jest wprost proporcjonalne do prędkości obrotowej generatora (RPM lub “obrotów na minutę”). Prędkość obrotowa prądnicy zależy od szybkości pedałowania (liczby obrotów na minutę, inaczej kadencji). Zależy ona także od przełożenia między pedałami a prądnicą. Średnia prędkość obrotowa pedałów w rowerze stacjonarnym - komfortowe tempo pedałowania, które można utrzymać przez dłuższy czas - to około 60 obr./min. Można ją dokładnie zmierzyć za pomocą licznika rowerowego z czujnikiem kadencji lub policzyć “w głowie”. ¹

Nasz generator rowerowy wykorzystuje napęd cierny. Składa się on z małego kółka (wrzeciona) przymocowanego do wału prądnicy, które obraca się w kontakcie z kołem zamachowym. Obliczenie przełożenia wymaga zmierzenia zewnętrznej średnicy czterech elementów: tarczy mechanizmu korbowego, tarczy koła zamachowego, koła zamachowego i wrzeciona. Pierwsze trzy elementy są znane, natomiast ostatni musimy ustalić sami. Rozmiar wrzeciona, jakiego potrzebujemy, zależy od specyfikacji generatora i dokładnego napięcia, jakie ma być wytwarzane. Obliczenie tego może być trudne, chyba że ktoś zna odpowiedni wzór (dziękuję, Gabrielu Verdeilu!).

Po pierwsze, należy znaleźć “obroty bez obciążenia” generatora. Informacja ta powinna być podana przez producenta. Nasz generator ma prędkość obrotową bez obciążenia 3400 obr./min przy napięciu 24 V. Współczynnik ten jest proporcjonalny - możecie obliczyć wymaganą liczbę obrotów bez obciążenia dla dowolnego napięcia. Na przykład przy napięciu 12 V jest to 1700 obr./min (3400 / 24 × 12), a przy napięciu 16 V - 2267 obr./min (3400/24×16). Następnie zmierzcie średnicę tarczy mechanizmu korbowego, tarczy koła zamachowego i samego koła zamachowego. Nie ma znaczenia, czy użyjecie milimetrów, centymetrów, czy innej jednostki, ale pamiętajcie, aby korzystać z jednej. Teraz macie już wszystkie dane potrzebne do obliczenia rozmiaru wrzeciona. Poniżej znajduje się wzór, a pod nim obliczenia w odniesieniu do naszego konkretnego przypadku (przy założeniu kadencji równej 60 obr./min):

Średnica wrzeciona = (PS × W × RPM pedałów)/(WS × RPM generatora)

• PS = PS = średnica tarczy mechanizmu korbowego
• W = średnica koła zamachowego
• RPM pedałów = prędkość pedałowania/kadencja
• WS = średnica zębatki koła zamachowego
• RPM generatora = liczba obrotów na minutę bez obciążenia generatora

Średnica wrzeciona w przypadku naszej konfiguracji (w mm) do wytwarzania różnych napięć:

• 12 V = (190 × 525 × 60) / (60 × 1700) = 58,68 mm średnicy wrzeciona
• 13 V = (190 × 525 × 60) / (60 × 1842) = 54,15 mm średnicy wrzeciona
• 14 V = (190 × 525 × 60) / (60 × 1983) = 50,30 mm średnicy wrzeciona
• 15 V = (190 × 525 × 60) / (60 × 2125) = 46,94 mm średnicy wrzeciona
• 16 V = (190 × 525 × 60) / (60 × 2267) = 44,00 mm średnicy wrzeciona
• 17 V = (190 × 525 × 60) / (60 × 2408) = 41,42 mm średnicy wrzeciona
• 24 V = (190 × 525 × 60) / (60 × 3400) = 29,34 mm średnicy wrzeciona

To jakiego dokładnie napięcia potrzebujecie, a tym samym dokładny rozmiar wrzeciona, zależy od tego, do czego tak naprawdę chcecie używać roweru. Szczegółowe umówienie tego tematu znajduje się w instrukcji obsługi panelu sterowania. Wyobraźcie sobie, że chcecie ładować akumulatory kwasowo-ołowiowe, które wymagają napięcia 14,4 V. Używacie przetwornicy buck (obniżającej napięcie wejściowe), więc, aby nadrobić straty w procesie konwersji napięcia, będziecie musieli wytworzyć napięcie bliskie 17 V. W takim razie wymagana średnica wrzeciona wyniesie 41,42 mm. Taka konfiguracja jest pokazana na poniższej ilustracji.

Powyższy wzór możecie przekształcać, aby obliczać różne parametry. Można go użyć do obliczenia minimalnych obrotów na pedałach dla danego wrzeciona; do obliczenia obrotów generatora na podstawie danej kadencji i rozmiaru wrzeciona; oraz do obliczenia napięcia, które będzie wytwarzane w danej konfiguracji. Poniżej podano wzory, a następnie przykład oparty na konfiguracji przedstawionej powyżej.

Obliczanie minimalnej kadencji dla danego rozmiaru wrzeciona (S):

• RPM generatora / [(PS × W)/(FS × S)] * 2260 / [(190 × 525) / (60 × 41)] = 55,81 obr./min na pedałach.

Oblicz obr./min generatora dla danego rozmiaru wrzeciona i liczby obr./min na pedałach:

• (PS / FS) × (W / S) × RPM na pedałach * (190 / 60) × (525 / 41) × 55 = 40,61 (przełożenie) × 56 = 2274 obr./min

Oblicz napięcie dla danych obr./min w generatorze:

• Prędkość obrotowa generatora × stosunek prędkości obrotowej bez obciążenia * 2274 × (3400 / 24) = 16,1V

Jakiego typu wrzeciona są potrzebne i gdzie je znaleźć?

Dobranie rozmiaru wrzeciona to dopiero połowa pracy. Znalezienie wrzeciona o odpowiedniej średnicy, wykonanego z właściwych materiałów i pasującego do wału generatora może być nie lada wyzwaniem. Żeby znaleźć właściwe, wypróbowaliśmy kilkanaście różnych wrzecion. Koło zamachowe ma twardą powierzchnię i wymaga miękkiego wrzeciona, wykonanego z gumy lub poliuretanu. Uznaliśmy, że solidny odbojnik do drzwi, wykonany z metalu i gumy, zapewnia optymalne tarcie z naszym kołem zamachowym. Zanieśliśmy go do warsztatu, gdzie wywiercono w nim otwór o średnicy 10 mm.

Zamiast gumowego odboju można użyć pełnych kółek poliuretanowych lub gumowych podkładów amortyzujących. Kółka do łyżworolek nie będą dobrze pasować do wałka o średnicy 8-10 mm, ponieważ mają większą średnicę otworu. Pamiętajcie, że materiał musi dobrze znosić tarcie - niektóre tworzywa sztuczne mają tendencję do nagrzewania się i topienia. Dobór wrzeciona wymaga prób i błędów, będziecie prawdopodobnie musieli wypróbować kilka, aby znaleźć odpowiednie. Innym sposobem jest zaprojektowanie niestandardowego elementu i wykonanie go na tokarce - jak to zrobić, opisano w poradniku na stronie magnificientrevolution.org. Uniwersalna piasta montażowa może pomóc w zamocowaniu kół z otworami na śruby, takich jak koła do robotów.

Najprostszym rozwiązaniem wydaje się kupno generatora prądu stałego z fabrycznie zamontowanym wrzecionem. Na przykład firma Pedal Power Generator oferuje generator o mocy 360 W, z wrzecionem o średnicy 37,5 mm. Niestety wrzeciona o innej średnicy są niedostępne. Oznacza to, że nie można regulować napięcia wyjściowego, chyba że zmieni się zębatki w układzie napędowym roweru. W naszym przypadku wrzeciono o średnicy 37,5 mm wytworzyłoby napięcie 18 V, które jest zbyt wysokie.

Jak przymocować wrzeciono do prądnicy?

Generator jest wyposażony w zintegrowaną zębatkę lub koło pasowe, które trzeba zdjąć. Koło zębate lub napęd pasowy przytrzymuje nylonowa nakrętka zabezpieczająca z gwintem lewym. Odkręca się ją w prawo (nie w lewo, jak większość nakrętek). Prawdopodobnie potrzebny będzie zacisk, aby sobie z tym poradzić.

Nasz generator ma wał o średnicy 8 mm, a nasze wrzeciono pasuje na wał o średnicy 10 mm. Dlatego używamy dwuczęściowego wrzeciona ze sworzniem mocującym i kółkiem. Do zamocowania wrzeciona można wykorzystać nacięcia na wale w kształcie litery D (“wał okrągły z płaskownikiem napędowym”). Za pierwszym razem próbowaliśmy mocowania za pomocą gwintu, ale to nie zadziałało. Ponieważ gwint jest lewy, wrzeciono będzie się odkręcać podczas obracania.

Uznaliśmy, że najbardziej uniwersalnym rozwiązaniem, umożliwiającym testowanie różnych kół, jest gwintowany trzpień mocujący z wkrętami ustalającymi. Sworzeń zamocowaliśmy za pomocą wkrętów dociskowych umieszczonych na płaskiej części wału. Jest to pręt gwintowany M10. Można na nim, za pomocą kilku podkładek i nakrętki, zamocować koło. Sztywny łącznik z otworem wewnętrznym może posłużyć jako małe wrzeciono, można go również użyć do przymocowania wału generatora do innej osi z kołem. W przypadku naszej konfiguracji to rozwiązanie nie sprawdziło się, ponieważ śruby ustalające wystają ze sprzęgła i niszczą koło zamachowe.

Jak przymocować napęd cierny do roweru?

Przykręciliśmy prądnicę do drewnianej deski, a następnie docisnęliśmy ją do koła zamachowego za pomocą drewnianego wspornika. Deska jest przymocowana do roweru za pomocą mocnego zawiasu drzwiowego. Umożliwia to dostosowanie kąta, pod jakim wrzeciono styka się z kołem zamachowym. Podpórka opiera się na klinie korkowym tłumiącym drgania. Jeśli chcecie zapoznać się z innym rozwiązaniem, zobaczcie nasz pierwszy prototyp.

Instrukcja obsługi: panel sterowania

Przetwornica buck i boost, ściemniacze

Przetwornica buck i boost to moduły elektroniczne, które przetwarzają zmienne napięcie wejściowe na stałe napięcie wyjściowe. Konwertery buck mają wyższe napięcie wejściowe niż wyjściowe (obniżają napięcie), natomiast konwertery boost mają wyższe napięcie wyjściowe niż wejściowe (podwyższają napięcie).

Napięcie wyjściowe reguluje się przez obrót małej śrubki na module. Niektóre przetwornice buck i boost są wyposażone w mały ekran pokazujący napięcie wyjściowe. Jeśli go nie mają, to do regulacji napięcia wyjściowego można użyć multimetru.

Należy pamiętać, że potrzebna jest albo przetwornica buck, albo boost. NIE używaj przetwornicy buck/boost. Jest to rodzaj mikrozasilacza, na którym przy każdym włączeniu zasilania trzeba regulować napięcie wyjściowe. Jest to niepraktyczne i grozi uszkodzeniem zasilanych urządzeń. Jednofunkcyjne konwertery zapamiętują napięcie wyjściowe i nie trzeba go regulować przy każdym uruchomieniu.

NIE kupuj też regulatora napięcia. Pozwala on regulować napięcie wyjściowe, ale tylko w stosunku do napięcia wejściowego. Jeśli zmieni się napięcie wejściowe, zmieni się również napięcie wyjściowe. Potrzebna jest przetwornica buck lub boost, ponieważ napięcie wyjściowe jest stabilne, nawet kiedy zmienia się napięcie wejściowe.

Przed zakupem przetwornicy buck lub boost należy sprawdzić maksymalny prąd znamionowy. Niektóre znoszą obciążenie tylko 2 A, a to za mało dla generatora rowerowego. Potrzebny jest przynajmniej taki, który w zależności od mocy wyjściowej, może przyjąć prąd 5 A, a najlepiej taki, który przyjmie prąd 10 A lub 15 A.

Przetwornica buck czy boost?

Wybór przetwornicy buck lub boost zależy od napięcia wytwarzanego przez generator oraz od napięcia zasilanego lub ładowanego urządzenia (urządzeń). Jeśli prądnica rowerowa wytwarza napięcie 12 V, a użytkownik chce ładować urządzenia USB o napięciu 5 V, musi zmniejszyć napięcie, a więc zastosować konwerter buck. Te małe moduły ze złączem USB przekształcają zmienne napięcie wejściowe w stałe napięcie wyjściowe 5V. ²

Jeśli chcecie zasilać urządzenia o napięciu 12 V lub ładować akumulatory kwasowo-ołowiowe (14,4 V), możecie zastosować zarówno przetwornice buck, jak i boost. Jeśli zdecydujecie się na konwerter buck, to Wasz generator rowerowy musi dać nieco wyższe napięcie wyjściowe niż 12 V lub 14,4 V (odpowiednio 13-14 V i 16-17 V). Wyższe napięcie wejściowe jest niezbędne do skompensowania strat energii powstających podczas konwersji mocy. Jeśli używasz przetwornicy podwyższającej napięcie, napięcie wyjściowe generatora musi być niższe niż 12 V lub 14,4 V.

Przetwornica buck nigdy nie przekroczy wybranego napięcia wyjściowego, niezależnie od tego, ile woltów wytwarza generator. Z kolei przetwornica boost gwarantuje minimalne napięcie wyjściowe, ale nie ustala jego wartości maksymalnej. Jeśli pedałujesz zbyt szybko, napięcie wyjściowe może przekroczyć ustawioną wartość i uszkodzić zasilane czy ładowane urządzenie lub akumulator.

W naszym pierwszym prototypie deski rozdzielczej zastosowaliśmy wyłącznie przetwornicę buck. W kolejnej wersji zastosowaliśmy przetwornicę boost do ładowania akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Aby możliwe było uzyskanie napięcia wyjściowego 14,4 V za pomocą przetwornicy buck, generator musi wytwarzać napięcie 16-17 V. To dobre rozwiązanie, jeśli chcecie tylko ładować akumulatory kwasowo-ołowiowe, ponieważ możecie wtedy dostosować przełożenia tak, że uzyskacie napięcie 16-17 V przy komfortowej kadencji. Jeśli jednak zoptymalizujecie przełożenie dla niższych napięć, to chcąc włączyć do sesji treningowej ładowanie akumulatorów, będziecie musieli za każdym razem bardzo szybko pedałować.

Kontroler ładowania wiatrowego

Generator rowerowy musi dostarczać napięcie 14,4 V, aby naładować akumulatory kwasowo-ołowiowe - jest to maksymalne napięcie, jakiego potrzebują tego typu akumulatory. W zasadzie wystarczy zastosować przetwornicę buck lub boost, ale trzeba być ostrożnym: akumulator może zostać przeładowany i eksplodować.

Żeby uniknąć tego ryzyka bez stosowania wyrafinowanych urządzeń, wystarczy kontrolować amperomierz. Gdy natężenie prądu spadnie do 3% znamionowej pojemności akumulatora (w Ah), znaczy to, że akumulator jest całkowicie naładowany - należy przestać pedałować. Ponieważ to Wy jesteście źródłem zasilania, na pewno jesteście obecni i przytomni podczas ładowania. Jest to mniej ryzykowne podejście niż ładowanie akumulatora z zasilacza prądu stałego lub panelu słonecznego bez kontrolera ładowania.

Jednak dobrze jest zabezpieczyć się dodatkowo. W systemie fotowoltaicznym bezpieczeństwo zapewnia solarny regulator ładowania. Odcina on dopływ prądu za każdym razem, gdy napięcie wzrośnie powyżej 14,4 V. Jednak solarny regulator ładowania nie działa w połączeniu z generatorem rowerowym. Zamiast niego potrzebny jest regulator ładowania wiatrowego, który działa na odwrotnej zasadzie.

Zamiast zmniejszać obciążenie do zera, regulator ładowania wiatrowego nagle je zwiększa i “hamuje”. Jeśli używacie przetwornicy buck, to rzadko kontroler ładowania wiatrowego będzie aktywował przerwę, ponieważ przetwornica buck ograniczy napięcie wyjściowe do 14,4 V. Wyhamuje tylko wtedy, gdy pojawi się zagrożenie przeładowania akumulatora. Jeśli używacie przetwornicy boost, to kontroler ładowania wiatrowego będzie hamował za każdym razem, gdy przypadkowo przekroczycie napięcie wyjściowe 14,4 V.

Kontrolery ładowania wiatrowego mają trzy zielone przewody do podłączenia do źródła zasilania. Można wziąć dowolne dwa z tych trzech przewodów i podłączyć je do plusa i minusa wejścia zasilania - nie ma znaczenia, który gdzie zostanie podłączony.

Większość dostępnych na rynku kontrolerów ładowania wiatrowego ma zbyt dużą moc jak na generator prądu na pedały, więc kupcie najmniejszy jaki znajdziecie. Odesłaliśmy dwa kontrolery ładowania do producenta. Jedno urządzenie z ekranem przyszło bez instrukcji obsługi i nikt nie był w stanie odgadnąć jak działa. Drugi wypróbowany przez nas regulator był hybrydowy - wiatrowo-słoneczny. Okazał się niebezpieczny. Ogniwo fotowoltaiczne przeładowywało akumulator. Ponadto za każdym razem, gdy przekroczyliśmy próg napięcia, kontroler uruchamiał na pół godziny hamulec elektryczny, blokując w ten sposób możliwość produkcji energii przez człowieka.

Przewody, złącza, diody, bezpieczniki, przyciski włączania/wyłączania

Żeby połączyć wszystkie elementy, potrzebujecie przewodów, złączy, diod, bezpieczników i przycisków włączania/wyłączania. Możecie być zdezorientowani mnogością części, więc poniżej wyjaśniamy co będzie potrzebne.

Przewody

W panelu sterowania znajduje się około dziesięciu metrów przewodów elektrycznych. Najważniejszą kwestią nie jest długość, lecz grubość przewodu. Jeśli wybierzecie zbyt cienkie przewody, podczas intensywnego treningu deska rozdzielcza może się zapalić. Dokonanie właściwego wyboru może być trudne, ponieważ istnieje [kilka] (https://www.powerstream.com/Wire_Size.htm) standardów. Okablowanie deski rozdzielczej wykonaliśmy przewodem 20AWG 0,52 mm2 , który przyjmuje prąd o natężeniu 11 A. Lepszym rozwiązaniem byłby przewód 18AWG 0,52 mm2, który przyjmie 16A. Należy zachować ostrożność podczas zdejmowania izolacji z przewodów: zbyt głębokie cięcie może uszkodzić przewód, zmniejszając możliwy przepływ prądu.

Złącza

Przewody można łączyć na wiele różnych sposobów. My wybraliśmy szybkozłączki z dźwigniami - duże i drogie, ale praktyczne. Dzięki nim można bezpiecznie połączyć przewody bez lutowania czy dociskania śrubkami. Złączki te mają od dwóch do dziesięciu styków. Uważajcie, aby okablowanie deski rozdzielczej nie stało się plątaniną kabli. Nie przycinajcie przewodów zbyt krótko.

Bezpieczniki

Można zbudować generator i sterownik rowerowy bez bezpieczników, ale nie jest to dobry pomysł. Bezpiecznik zapobiega pożarowi i uszkodzeniu podzespołów, przerywając obwód elektryczny po przekroczeniu określonego progu natężenia prądu, Umieściliśmy bezpiecznik 12 A przy wejściu do deski rozdzielczej (nasza maksymalna moc to 8-9 A). Dodaliśmy również bezpieczniki do większości zasilanych urządzeń.

Przełączniki

Jeśli chcemy przełączać się pomiędzy obwodami, potrzebujemy przycisków włączania i wyłączania. Nasza deska rozdzielcza ma ich dziewięć. Chcieliśmy, aby przełączniki świeciły, gdy są aktywne, ponieważ dzięki temu widać, które obwody działają podczas uruchamiania generatora. Jednak obecność diod sprawia że okablowanie włączników i wyłączników jest bardziej skomplikowane.

Woleliśmy uniknąć lutowania połączeń, więc kupiliśmy przełączniki z już podłączonymi przewodami. Ostatecznie i tak musieliśmy je przylutować, ponieważ grube przewody zajmowały zbyt dużo miejsca. Przyciski włączania/wyłączania bez lampek i z dołączonymi wcześniej cieńszymi przewodami uprościłyby tę część systemu.

Dioda Schottky’ego

Dioda Schottky’ego zapewnia, że prąd będzie płynąć przez kabel tylko w jednym kierunku. Jest to niezbędna część systemu, którego częścią są baterie. Bez diody bateria mogłaby zacząć zasilać generator (i obracać pedałami), a nie odwrotnie. Aby temu zapobiec, tuż za generatorem umieściliśmy wspomnianą diodę Schottky’ego. Dioda musi mieć odpowiednie natężenie prądu, tj. powyżej natężania spodziewanego przy produkcji energii. Nasza maksymalna produkcja energii wynosi 8-9 A, dioda Schottky’ego przyjmuje 10 A.

Przyrządy tablicy rozdzielczej

Panel kontrolny zawiera kilka wyświetlaczy, które pokazują napięcie i natężenie prądu w różnych obwodach elektrycznych. Najważniejszy są analogowy woltomierz i amperomierz na górze. Pokazują one produkowaną moc (V × A = W). Woltomierz informuje, jak szybko pedałujecie, a amperomierz - jak mocno.

Wybraliśmy woltomierz o zakresie do 30 V i amperomierz o zakresie do 15 A, ponieważ analogowe mierniki V&A są najbardziej precyzyjne w środku zakresu. Cyfrowy miernik V&A jest bardziej kompaktowy, ale analogowe mierniki są czytelniejsze i lepiej pokazują drobne zmiany. Powyżej miernika znajduje się obwód USB, do którego można podłączyć małą lampkę LED i obserwować wskazania przyrządów w ciemności. Pokazują one także, czy system w ogóle działa.

Poniżej miernika V&A znajdują się trzy mierniki napięcia każdej przetwornicy buck i boost. Pokazują napięcie wyjściowe każdego z obwodów. Napięcie wyjściowe powinno wynosić 12,0 V w przypadku obwodów elektrycznych 12 V i 220 V oraz 14,4 V w przypadku obwodu 14,4 V. Napięcie w dwóch pierwszych obwodach może spaść poniżej tej wartości, jeśli nie będziecie wystarczająco szybko pedałować, natomiast w ostatnim może przekroczyć tę wartość przy zbyt wysokiej kadencji - regulator ładowania wiatrowego również to pokaże. Na obwodzie 5 V także został zainstalowany miernik V&A. Pomaga to zmaksymalizować produkcję energii po podłączeniu jak największej liczby urządzeń USB (do 2 A).

Na desce rozdzielczej brakuje jeszcze dwóch przyrządów: miernika napięcia akumulatora kwasowo-ołowiowego oraz mierników temperatury czajnika elektrycznego i lodówki Peltiera. Nie są wymagane, jednak mogą być dodatkową motywacją dla “napędu”. Na trasie Wasz wysiłek przekłada się na pokonany na rowerze dystans, ale na rowerze stacjonarnym nigdzie się nie jedzie, co może śmiertelnie znudzić. Przyrządy pomagają uatrakcyjnić jazdę i wyznaczyć cele treningowe. Na przykład: przez prysznicem obniżmy temperaturę w lodówce o 2ºC.

Panel tablicy rozdzielczej i mocowanie

Panel sterowania przymocowaliśmy do kierownicy, a z przodu dodaliśmy bagażnik, który pomieści dodatkowe elementy, takie jak falownik, regulator ładowania wiatrowego i akumulator kwasowo-ołowiowy. Na górze skrzynki znajdują się wyjścia zasilania każdego obwodu oraz rozdzielacz USB. Skrzynka ma kowariantną pokrywę i otwory, przez które przechodzą przewody z deski rozdzielczej (najpierw przechodzą one przez kierownicę).

Do wykonania panelu użyliśmy wycinarki laserowej w warsztacie (MADE Barcelona). Wszystkie elementy są zamontowane w dwóch warstwach płyty MDF o grubości 4 mm lub umieszczone pomiędzy nimi. Jeśli trzeba coś zmienić lub naprawić, to łatwo można zdjąć przedni panel. Przezroczysta płyta akrylowa chroni przetwornice buck i boost. Trzeba ją zdjąć, aby wyregulować napięcie. Deskę rozdzielczą przymocowaliśmy do uchwytu rowerowego za pomocą gumowych zacisków do rur, nakrętek kołpakowych M8 i śrub.

Okablowanie?

Kompletny panel sterowania:

Obwód 5V:

Obwód 12V

Obwód 14.4V

Obwód 220V:

Instrukcja obsługi - lista komponentów

Generator rowerowy:

1. silnik (x1) - Ampflow P40 - 250 W, silnik szczotkowy prądu stałego typu “pancake” 24-12 V;
2. trzpień mocujący wał (x1) - zamiana trzpienia gwintowanego z 8 mm na M10;
3. koło (x1).

Tablica rozdzielcza:

1. dioda Schottky’ego (x1) - BOJACK Dioda Schottky’ego 10SQ045 (10A 45V);
2. amperomierz analogowy (x1) - amperomierz analogowy DH-670 0-5A Klasa 2.0 oraz woltomierz analogowy (x1) - woltomierz analogowy DH-670 DC 0-30V Klasa 2.0;
3. włącznik/wyłącznik LED (x8) - włącznik/wyłącznik kołyskowy serii KR1-5 12V 20A 3-pinowy z diodą LED;
4. złączki przewodów (≈16 różnych formatów);
5. światełko LED 5V USB - wystarczy dowolna lampka LED USB na giętkim ramieniu;
6. Przetwornica buck 5V (x2) - przetwornica buck MH KC24 DC-DC 24-12V z funkcją ładowania Step Down do 5 V USB z protokołem szybkiego ładowania;
7. woltomierz i amperomierz 5 V USB;
8. wtyczka uniwersalna 5V USB;
9. przetwornica buck 12 V 5A (x2) - przetwornica buck DC-DC z regulacją 12-24-36V 5A;
10. ściemniacz i gniazdo 12V DC (x1) - RUIZHI DC 12V wodoodporne żeńskie gniazdo zapalniczki samochodowej;
11. przetwornik boost (x1);
12. kontroler ładowania turbiny wiatrowej (x1) - Asixx wodoodporny kontroler ładowania wiatrowego 24-12 V 300/600 W;
13. woltomierz elektroniczny do akumulatorów;
14. przetwornica buck 12V 15A - przetwornica buck 200 W 15 A DC 3-60 V do 1-36 V step-down, regulowany regulator napięcia, synchroniczny moduł prostowniczy;
15. falownik (x1) - 300 W lub mniej, przetwornica DC 12 V na AC 220-240 V;
16. kabel (+10m) - 0,52 mm2, 10 m żył równoległych silikonowych 20AWG 11 A (10 m z każdej żyły).

Elementy montażowe

• śruby M3 - służą do montażu elementów elektronicznych do deski;
• śruby M6 - służą do przymocowania silnika do drewnianej płyty;
• śruby M8 - do przymocowania dwóch części deski rozdzielczej;
• duży zawias drzwiowy - do zamocowania silnika pod odpowiednim kątem;
• metalowe wsporniki montażowe (wszystkie rozmiary i kształty) - do wzmocnienia konstrukcji;
• gumowe zaciski metalowe - do przymocowania deski rozdzielczej do uchwytu rowerowego;
• klej do drewna, wkręty (wszystkie rozmiary), śruby, podkładki i nakrętki (zwykłe, zamkowe, zaokrąglone, w kształcie skrzydełek), drewniane knagi i deski, czarna farba akrylowa itp.

Koszty

Uwzględniamy tylko te elementy, które rzeczywiście użyliśmy:

Generator:

• stary rower treningowy (używany): 60 euro;
• generator: 60 euro
• wałek z trzpieniem: 10 euro
• wrzeciono: 3 euro
• Suma: 133 euro

Tablica rozdzielcza (wszystkie obwody):

• kable: 17 euro
• złącza: 25 euro
• analogowy woltomierz: 9 euro
• analogowy amperomierz: 9 euro
• przełączniki: 20 euro
• dioda: 1 euro
• bezpiecznik: 1 euro
• Suma: 82 euro

Obwód 5V

• 5V USB przetwornica buck (2x): 8 euro
• 5V USB analogowy wskaźnik V&A: 8.50 euro
• rozdzielacz USB: 30 euro
• Suma: 46.5 euro

Obwód 12V

• 12V 5A przetwornica buck (2x): 24 euro
• 12V 5A przetwornica boost: 8 euro
• 12V 15A przetwornica buck: 25 euro (dodatkowy układ dodaliśmy później)
• ściemniacz: 7.50 euro
• Suma: 64.5 euro

Obwód 14.4V

• falownik: 50 euro
• akumulator (14Ah): 31 euro
• kontroler ładowania wiatrowego: 34 euro
• Suma: 115 euro

Elementy mocujące

• do zamocowania tablicy rozdzielczej i generatora: +/-30 euro

Łączny koszt

• Suma całkowita: 471 euro

Maksymalne natężenie prądu wszystkich komponentów (ograniczenie obwodu):

Wszystkie komponenty muszą wytrzymać moc prądu, który będzie przez nie płynąć. Napięcie zwykle nie stanowi problemu, ale trzeba uważać na natężenie prądu. Produkcja energii była ograniczona do 60 watów (12 V, 5 A) - jednak po dokładnym czyszczeniu i nasmarowaniu napędu odkryliśmy, że rower może wytwarzać prawie dwa razy więcej mocy (12 V, 8-9 A). Wymagało to od nas dokonania pewnych modyfikacji.

Komponenty stają się droższe, gdy wzrasta ich maksymalne znamionowe natężenie prądu. W przypadku systemów 12 V, 220 V i 14,4 V trzymaliśmy się limitu 5 A. Chociaż prądnica rowerowa może wytwarzać więcej prądu, zwykle łączymy kilka obwodów - każdy z nich jest ograniczony do 5 A. Dodaliśmy obwód 12V z przetwornicą buck 15 A i grubszymi przewodami, aby zasilić urządzenie o większej mocy. Obwód ten całkowicie omija deskę rozdzielczą. Planujemy przenieść go do nieregulowanego obwodu elektrycznego na desce rozdzielczej (i zmodernizować okablowanie).

• Kable: 11 A, 18 A do dodatkowego obwodu
• Konwertery buck USB: 2 A
• 2 x przetwornica buck: 5 A
• 1 x przetwornica buck: 15 A
• Przetwornica boost: 5 A
• Wyłączniki: 20 A
• Dioda: 10 A
• Bezpiecznik: 12 A
• Złącza: 20 A

Potrzebne narzędzia

• Obcinak do drutu
• Mały śrubokręt (do regulacji napięcia wyjściowego w przetwornicach buck i boost)
• Kalkulator, multimetr, licznik rowerowy
• Lutownica - przylutowaliśmy przełączniki on/off i dwie przetwornice buck USB. Można jednak tego uniknąć. Przełączniki można kupić wstępnie okablowane, a w przypadku konwerterów USB istnieją alternatywne rozwiązania
• Piła do drewna - do wykonania bagażnika
• Piła do metalu - do wycięcia niestandardowych prętów gwintowanych
• Wiertarka - do montażu półki na bagaż i deski rozdzielczej
• Zestaw kluczy nasadowych: bardzo przydatny podczas prac przy rowerze

Pierwszy prototyp

Panel sterowania może przybrać różne formy, można przy nim korzystać z różnych narzędzi i materiałów. Pierwszy prototyp zbudowaliśmy z kawałków drewna i klocków Meccano, następnie przymocowaliśmy go do kierownicy za pomocą żelaznego drutu i kilku drewnianych klocków.

Na początku przykręciliśmy generator do dużej drewnianej deski i postawiliśmy na nim rower. W desce zrobiliśmy otwory na cztery nogi, tak aby rower zawsze stał dokładnie tam, gdzie powinien. Taka konfiguracja działała i nadawała się do wypróbowania różnych rozmiarów wrzecion, ale zajmowała znacznie więcej miejsca niż nasza ostateczna konfiguracja.

Specjalne podziękowania dla Adriana Parra, Eris Belil, Gabriela Verdeila i Manvela Arzumanyana.

Tłumaczenie: Michał Kolbusz

Korekta przekładu polskiego: Natalia Wójcik