Bicycle generator: The ultimate DIY guide (With examples!)/자전거 발전기: 최고의 DIY 가이드 (예시 포함!)

아마 여러분은 적어도 가장 기본적인 형태인 자전거 타기를 통해 페달 동력을 접해 보셨을 겁니다! CCAT 에서는 페달을 밟아 에너지를 생성하고 이를 작업으로 전환하는 아이디어를 기존의 형태를 넘어 확장했습니다. 자전거 페달을 밟아 텔레비전, 노트북, 세탁기, 드릴 프레스 등 다양한 가전제품을 작동시킬 수 있습니다. 가능성은 여러분의 상상력에 달려 있습니다.

이 페이지의 목적은 자전거 동력 발전기를 만드는 방법을 안내하는 것입니다 . 처음 두 단계는 기계식 페달 동력 발전기를 만들고자 하는 사람들에게도 유용할 것입니다 . 구성 요소는 기본적으로 동일하지만, 각 경우에 따라 약간의 차이점을 설명하겠습니다.

물론 페달 동력 전문가인 바트 올랜도 에게 도움을 요청하는 것도 나쁘지 않습니다 . CCAT에서는 학생들이 제작한장치 목록을 프로젝트 참고 자료로 제공하고 있습니다 .

다음은 페달을 밟아 작동하는 전기 DIY 장치를 만드는 데 필요한 부품입니다.

• 실내 자전거 또는 운동용 자전거
• 벨트와 풀리
• 발전기
• 다이오드
• 퓨즈
• 배터리
• 인버터
• 간단한 기계

페달 동력 장치의 첫 번째 요소는 자전거입니다. 다단 변속 자전거, 산악 자전거, 심지어 실내 운동용 자전거( CCAT 페달식 전기 믹서기 에 사용된 것과 같은 )까지 거의 모든 자전거를 사용할 수 있습니다! 여기서 가장 중요한 특징은 팔이나 다리로 크랭크를 돌려 기어를 통해 바퀴를 회전시킨다는 점입니다.

로완의 휴대용 페달 발전기 처럼 일반 자전거를 이용해 페달로 작동하는 장치를 설계하는 데에는 여러 장점이 있습니다. 하지만 고정식 운동용 자전거를 사용하는 것보다 더 많은 노력이 필요합니다. 자전거는 매우 저렴할 수 있습니다 (캘리포니아주 아카타에는 자전거를 거의 무료로 빌릴 수 있는 ' 바이크 라이브러리 '라는 훌륭한 지역 자원이 있습니다 !). 자전거를 이용해 장치에 전력을 공급하면 전기 요금을 절약할 수 있을 뿐 아니라 자전거에 새로운 용도를 부여할 수 있습니다.

페달 구동 장치를 설계할 때 가장 중요한 과제 중 하나는 자전거의 안정성입니다. 앞바퀴가 움직이지 않도록 고정해야 합니다. 앞바퀴를 분리하고 콘크리트 블록 사이에 프레임을 끼워 고정하거나, 적절한 타이어 지지대를 사용해야 합니다. 뒷바퀴는 자유롭게 회전할 수 있도록 높이를 조절해야 합니다. 이를 위한 최적의 해결책은 WaterPod Tour de Volts 에 사용된 것과 같은 자전거 트레이너 스탠드를 사용하는 것입니다 . 이 스탠드는 타이어를 분리하거나 자전거를 영구적으로 개조할 필요가 없어 자전거를 계속 사용할 수 있습니다. 좀 더 수고로운 방법으로는 2x4 목재와 합판을 사용하여 타이어가 떠 있는 받침대를 만드는 방법이 있습니다. 자전거가 견고하고 안정적인지 반드시 확인해야 합니다.

자전거를 제대로 고정시킨 후에는 플라이휠을 사용하여 페달 회전을 제어해야 합니다. 플라이휠 은 기본적으로 회전하는 무거운 원반으로, 운동량을 저장하는 역할을 합니다. 플라이휠은 속도 변화에 저항하여 자전거에서 발생하는 불규칙한 토크를 발전기 축의 회전을 안정적으로 유지하는 데 도움을 줍니다. 플라이휠의 설계 특징을 포함한 더 자세한 설명은 여기를 클릭하십시오 . 자전거를 일시적으로 사용할 수 없게 되는 것을 신경 쓰지 않는다면, 뒷바퀴의 타이어와 튜브를 제거하고 발전기에 연결된 풀리에 벨트를 연결할 수 있습니다(일반적인 10단 자전거의 경우 2.5인치 풀리에 B 사이즈 V벨트를 사용하면 됩니다).

페달 파워 미오우(Pedal Power MEOW) 에 사용된 것과 같은 실내 자전거는 훌륭한 선택입니다. 고정된 상태로 사용하도록 설계되었기 때문에 이미 안정적입니다. 또한, 일반 자전거에 필요한 여러 추가 부품이 필요하지 않습니다. 대부분의 경우, 플라이휠이 이미 회전하는 바퀴 주위에 장착되어 있습니다. 팬 벨트를 수용할 수 있는 홈이 있는 전면 장착형 플라이휠을 사용하는 것이 바람직합니다. 효과적인 것으로 입증된 실내 자전거 기어는 52T 체인링과 16T 프리휠이 있는 플라이휠로 구성된 것입니다. 플라이휠의 직경은 15.5인치(약 38.5cm)의 견고한 금속 플라이휠이 효과적인 것으로 나타났습니다.

자전거의 회전 바퀴(또는 플라이휠)를 풀리를 통해 발전기에 연결하려면 벨트가 필요합니다. 구성에 따라 벨트를 제대로 장착하기 위해 약간의 기계 가공이 필요할 수 있습니다. 바퀴가 준비되면 벨트를 바퀴 홈에 끼우고 (벨트가 헐렁하지 않도록) 발전기에 연결된 풀리에 연결하면 됩니다. 벨트와 풀리 사용 예시는 Samoa Hostel Pain in the Axle 에서 확인할 수 있습니다 .

풀리는 자전거 바퀴처럼 작동합니다. 벨트는 풀리를 발전기에 연결합니다. 이를 통해 자전거에서 발생하는 힘이 발전기로 전달됩니다. 벨트와 풀리는 각각 6가지 단순 기계 중 하나이며, 다양한 기계 프로젝트에 흔히 사용됩니다.

페달 동력 장치에서 필요한 풀리의 종류는 페달 동력 장치가 모터 장치를 대체하는지(예: CCAT 페달 세탁기 ) 또는 페달 동력 장치가 전기를 생성하는지(예: CCAT 페달식 TV )에 따라 나뉩니다. 모터 대체 장치는 일반적으로 축에 장착되는 구동 풀리를 사용합니다. 발전기용 풀리는 직경 3~4인치가 권장됩니다. 풀리 직경을 더 크게 하면 풀리를 회전시키는 데 필요한 힘을 줄일 수 있습니다. 그러나 전기를 생성하는 장치에는 팬 벨트가 사용됩니다.

CCAT 페달식 TV 및 VCR 에 사용되는 것과 같은 팬 벨트는 플라이휠, 발전기 휠의 둘레와 각 휠 사이의 거리를 모두 감쌀 수 있을 만큼 충분히 커야 합니다. V 벨트는 페달링 노력의 약 20%를 마찰로 낭비하는 반면, 톱니 벨트는 약 95%의 효율을 자랑합니다.

플록 하우스 핸드카 발전기 에 사용된 것과 같은 크랭크 세트의 레버 암은 출력(전력)을 50% 이상 증가시킬 수 있습니다. 그러한 시스템 중 하나는 모리스 후브라켄 이 설계했습니다 .

체인 구동 장치의 스프로킷 휠을 원형이 아닌 타원형으로 만들면 비슷한 효과를 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 자전거 페달에 연결된 스프로킷이 타원형이고, 장축이 페달 크랭크 축에 수직이며, 페달 축이 타원의 중심을 통과한다고 가정하면, 페달 회전에 따라 구동 장치의 기어비가 달라집니다. 라이더의 발이 아래쪽으로 힘을 줄 때는 기어비가 가장 높아져 최고 속도를 낼 수 있습니다. 반대로 발이 수평으로 움직일 때는 힘이 거의 들지 않아 기어비가 가장 낮아져 최적의 기계적 이점을 얻고, 발이 이 상태를 최대한 빠르게 통과할 수 있습니다.

각 구성은 서로 다른 설계 매개변수를 가지고 있지만, 목적은 동일합니다. 즉, 회전하는 벨트 형태로 기계적 에너지를 발전기에 전달하여 발전기가 전기 에너지를 생산하도록 하는 것입니다.

발전기는 마치 마법이 일어나는 곳이라고 할 수 있습니다. 발전기는 회전 운동(우리 경우에는 자전거 페달을 밟는 것)을 이용하여 자석을 회전시켜 전자기 전류를 생성합니다. 이 전류는 다양한 용도로 사용될 수 있지만, 함부로 사용하면 전기 또는 전자 기기가 고장 나거나 파손될 가능성이 매우 높습니다. 발전기에 대한 자세한 정보는 여기에서 확인할 수 있습니다 .

이 가이드의 경우, 여러분이 정말로 중요하게 생각해야 할 것은 올바른 발전기를 선택하는 것입니다. 일반적으로 이러한 용도에 가장 적합한 발전기는 600rpm에서 24볼트를 생성하는 영구 자석 DC 모터입니다. (다이오드와 퓨즈를 발전기와 배터리 사이에 직렬(전기 공학 용어로 n번째 줄)로 연결하면 모터가 발전기처럼 작동합니다.)

또한 효과가 입증된 24볼트 직류 발전기는 분당 1800회전(rpm)으로 정격 회전하고 최대 1/3마력의 출력을 낼 수 있는 영구 자석 발전기입니다. 전압 출력은 회전수에 비례하며, 이 시스템은 발전기를 900rpm으로 회전시킬 수 있습니다. 이 경우 12볼트의 출력이 발생합니다.

자동차 발전기를 사용하지 마세요. 자동차 발전기 는 너무 빠른 속도(3000~10000rpm)로 회전해야 하고, 페달링 힘의 1/3을 소모하여 전자석을 작동시키는데, 전력을 전혀 소모하지 않는 영구 자석을 사용하는 것이 훨씬 효율적입니다.

거의 다 왔어요! 이제 모든 작업은 전기 작업입니다. 배터리를 발전기에 연결할 차례입니다 (중간에 몇 가지 부품이 필요해요).

10게이지 연선 구리선을 사용하십시오. 단선 구리선은 사용하지 마십시오. 전기는 구리선의 표면을 따라 전도됩니다. 표면적이 넓을수록 저항(전기가 열로 변환될 때 발생하는 에너지 손실)이 줄어듭니다. 구리 가닥 수가 많을수록 좋습니다.

지하철역이나 놀이공원에서 사람들이 한 방향으로만 이동하도록 회전식 개찰구를 본 적이 있나요? 다이오드는 전류에 있어서 본질적으로 같은 방식으로 작동합니다. 양극 또는 음극 배선에 설치하는 단방향 전기 밸브라고 할 수 있죠. 정격 전류는 25암페어 이상, 전압은 최소 35볼트 이상이어야 합니다. 모터는 양방향으로 전류가 흐르는 장치이기 때문에 전류가 역류하는 것을 막아야 합니다. 그렇지 않으면 모터가 발전기처럼 작동하지 않고 모터처럼 작동하게 됩니다. (모터는 전류를 입력받아 기계 에너지로 변환하는 발전기와는 반대되는 역할을 합니다.)

라디오셱(Radioshack)에서 다이오드를 약 1달러에 구입할 수 있습니다. 다이오드는 발전기와 배터리 사이에 연결되며, 배터리와 다이오드 사이에는 퓨즈만 연결하면 됩니다. 다이오드에는 양극과 음극 단자가 있으므로, 반드시 양극에는 양극에, 음극에는 음극에 연결해야 제대로 작동합니다. 다이오드 포장에 표시된 단자를 확인하여 어느 쪽이 양극이고 어느 쪽이 음극인지 확인하십시오. 그래도 잘 안 되면 라디오셱이나 다른 전자제품 매장의 고객 서비스 담당자에게 문의하세요.

퓨즈의 원리는 일반적으로 잘 알려져 있습니다. 전기 시스템에 과부하가 걸려 퓨즈를 통해 과도한 전류가 흐르면 퓨즈가 끊어지면서 회로에 틈(개방 회로)이 생깁니다. 이 틈은 전류의 흐름을 차단하여 기기의 작동을 멈추게 합니다. 또한 과도한 전류로 인해 기기가 손상되는 것을 방지합니다. 퓨즈 교체 비용으로 기기를 다시 사용할 수 있게 되는 것입니다!

퓨즈는 25암페어짜리를 사용해야 하며, 배터리의 양극 단자와 다이오드의 양극 단자 사이에 연결해야 합니다.

퓨즈를 사용하는 자전거 발전기의 예를 보려면 WaterPod 자전거 에너지 발전기를 참조하십시오.

전압 조절기는 배터리가 완전히 충전되면 전류 흐름을 제한하여 배터리 손상을 방지합니다.

운동용 자전거에 부착되어 있습니다.

배터리는 사용자가 생성한 에너지를 저장하고, 구입 시 설정한 전압과 전류로 일정한 속도로 방출합니다. 따라서 배터리는 사용하려는 기기의 요구 사항에 맞춰 선택해야 합니다. 최적의 배터리 용량을 얻기 위해 여러 개의 배터리를 병렬로 연결(동일한 기기, 예를 들어 발전기에 나란히 연결)할 수 있습니다. 다시 한번 말씀드리지만, 특정 구성에 대해서는 전자제품 판매점에 문의하여 조언을 구하는 것이 좋습니다. 배터리 매개변수를 파악한 후에는 발전기-다이오드-퓨즈의 양극 단자를 배터리의 양극 단자에, 음극 단자를 배터리의 음극 단자에 연결하기만 하면 됩니다.

12볼트 딥사이클 배터리는 페달 동력으로 추가 충전이 가능하지만, 배터리나 인버터를 통해 전력을 공급받는 가전제품의 부하에 맞춰 페달 동력을 사용하는 것이 더 효과적입니다. 소형 손전등이나 휴대폰 배터리를 충전하는 데에도 적합합니다. 페달 동력식 전기 믹서기의 배터리처럼 아예 배터리를 사용하지 않는 것이 가장 이상적입니다.

이제 한 걸음만 남았습니다...

인버터는 발전기에서 나오는 직류(DC)를 벽면 콘센트에서 나오는 교류(AC)로 변환합니다. 즉, 12볼트 DC를 110볼트 AC로 바꿔줍니다. 발전기에는 기기 연결을 쉽게 하기 위해 3구 플러그가 있어야 합니다. 기기의 플러그를 발전기 소켓에 연결하고, 발전기의 전선을 배터리의 양극과 음극에 연결하면 됩니다. 항상 양극은 양극에, 음극은 음극에 연결해야 합니다.

인버터는 최대 전력 부하를 처리할 수 있어야 합니다. 부하를 확인하려면 가전제품 뒷면에 표시된 소비 전력(와트)을 확인하십시오. 이 계산을 통해 인버터가 전력 부하를 감당할 수 있는지 확인해야 합니다. 대부분의 인버터는 전력 부하에 따라 효율이 다르며, 12볼트 직류 전류의 60%~90%를 110볼트 교류로 변환합니다.

자, 이제 끝입니다! 운동도 하면서 전기도 생산할 준비가 되셨어요! 전등처럼 비전자식 전기 기기를 작동시킬 때는 인버터가 필요하지 않습니다. 길고 힘든 과정을 거쳐 드디어 테스트해 볼 시간입니다.

이 부분은 프로젝트에 따라 달라지겠지만, 핵심은 하나 이상의 벨트와 풀리를 사용하여 전기 동력으로 작동하는 메커니즘을 회전시키는 것입니다. 매튜 로즈의 그림 에서는 벨트가 세탁기를 회전시키는 모터에 직접 연결되어 있습니다. 이것이 가장 간단한 구성입니다. 간단한 기계에 대해 더 자세히 알아보려면 여기를 클릭하세요 .

• 자전거 관련 자료:
  • 캘리포니아주 아카타에 있는 바이크 라이브러리 에서는 20달러에 6개월 동안 자전거를 빌릴 수 있습니다. 6개월 이내에 자전거를 반납하면 돈을 돌려받을 수 있습니다!
  • ScienceShareware에는 고정식 자전거에서 생성된 직류 전압의 예시가 있습니다.
• 자전거 거치대/트레이너:
  • 컨버전스 테크(Convergence Tech) 는 페달 동력 생성에 특화된 훌륭한 스탠드를 제작합니다. 이 회사는 조립 설명서와 부품 목록을 제공하여 구매 과정을 간소화합니다. 대부분의 어려운 작업은 이미 완료되어 있습니다!
• 발전기:
  • 전기 발전기가 어떻게 작동하는지 보여주는 자바 애플릿을 확인해 보세요 . 정말 멋지네요!
  • 토마스 레지스터 디렉토리에는 발전기 판매업체 목록이 있습니다.
• 다이오드:
  • 다이오드의 역할에 대해 더 자세히 알아보려면 여기를 클릭하세요.
• Mouser Electronics 에서는 배터리, 퓨즈, 인버터, 발전기 및 기타 전기 장비를 구입할 수 있습니다 .

• CCAT 공식 사이트
• CCAT 에서 게시한 페달 동력 관련 최신 연구 자료를 확인하세요 .
• 집 안의 전류에 대해 자세히 알아보려면 여기를 클릭하세요.
• 교류 발전기는 일부 페달 동력 자전거 설계에 유용할 수 있습니다. 여기에서 자세히 알아보세요.

▼이 프로젝트는 훔볼트 주립대학교 적정기술캠퍼스센터 에서 진행한 것입니다 .

Appropedia에서 다른 CCAT 프로젝트를 확인하시거나 CCAT 홈페이지를 방문해 보세요 .