TV com pedal CCAT

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Em 1978, um grupo de estudantes colaborou para criar o 'Campus Center for Appropriate Technologies' ( CCAT ) em Cal Poly Humboldt. (HSU) em Arcata, Califórnia. O CCAT oferece muitos serviços à comunidade estudantil da HSU, alguns exemplos são:

• fornecendo informações sobre tecnologias apropriadas
• oferecendo experiências práticas de aprendizagem e
• demonstrando diferentes usos de tecnologias apropriadas em um ambiente residencial

Com a ajuda dos alunos e o apoio da comunidade, o CCAT conseguiu adquirir a casa Buck no campus da HSU. Desde então, o CCAT tem sido usado como campo de testes para práticas alternativas de construção e energia.

Este projeto serve como uma excelente ferramenta educacional que abrange todas as faixas etárias. A bicicleta está equipada com um medidor de voltagem e amperagem para que os alunos mais avançados possam calcular a potência, enquanto os alunos mais jovens podem aprender quanta energia é necessária para alimentar um dispositivo diário, como uma TV.

Quando abordamos o projeto pela primeira vez, em fevereiro de 2010, a TV não estava funcionando corretamente. Suspeitamos que isso fosse resultado da falta de regulação de tensão no projeto inicial. Portanto, decidimos projetar um novo sistema.

Definição de oportunidade

Quem:

Este projeto foi concebido como uma ferramenta educacional para CCAT por John Hackett, Thorin Somers, Bart Orlando e outros.

O que:

Este projeto, sugerido pelo CCAT, foi uma renovação da sua existente “TV com pedal”. O objetivo era redesenhá-la e atualizá-la com tecnologias mais atuais. Melhorias foram feitas no design da eletrônica, bem como na transportabilidade e resiliência. Como o valor educacional é vital para o CCAT, tornamos o design mais transparente. Agora, outras pessoas podem ver visualmente todos os componentes e as funções que desempenham no sistema. Redesenhamos a estrutura física, tornando-a uma unidade completa e equipada com rodízios travantes. Isso permite que ele seja movido facilmente, mas permaneça estável quando estiver na posição travada. Mecanicamente, primeiro diagnosticamos as causas da falha do sistema anterior e integramos novas tecnologias para promover um sistema mais duradouro.

Por que:

A TV a pedal pode ser uma ferramenta educacional poderosa para demonstrar como a eletricidade é gerada e como ela pode operar um aparelho comum, a TV. O projeto também tem aplicações práticas como:

• entretenimento
• comunicação de emergência
• geração de energia alternativa para a casa

Quando:

Começamos a trabalhar neste projeto em fevereiro de 2010 e terminamos em maio de 2010.

Onde:

A pesquisa e o design deste projeto foram realizados principalmente no Campus Center for Appropriate Technology da Cal Poly Humboldt em Arcata, CA, EUA. Este projeto foi concebido principalmente como uma ferramenta de demonstração para geração de eletricidade em microescala. Pode ser feito em todos os locais que tenham acesso a bicicletas, TV's e eletrônicos básicos.

Revisão da literatura

Esta seção apresenta uma revisão da literatura disponível que é pertinente ao sistema de TV/VCR acionado por pedal no CCAT .

Noções básicas de potência do pedal

Os princípios básicos por trás da potência do pedal começam com a energia que você cria ao pedalar sua bicicleta. Na maioria das vezes usamos esse movimento para criar energia para nos transportar para onde queremos ir. Outros usos menos comumente considerados incluem:

• alimentando ferramentas manuais
• bombeamento de água
• outras aplicações que requerem geração de eletricidade ^[1]

"A TV/VCR a pedal foi projetada e construída por Bart Orlando para exibição no laboratório a pedal do CCAT em 1998. Os componentes incluem:

• uma bicicleta ergométrica reclinada Schwinn modificada
• 1800 rpm - gerador de ímã permanente de 24V
• TV colorida Panasonic 12V com tela de 13"

O gerador é acionado por uma correia de ventilador que envolve a circunferência externa ou o volante de 15 "de diâmetro - 40 lb da bicicleta e a polia de 4" de diâmetro no eixo de transmissão do gerador. O gerador é montado na parte inferior de um pedestal de madeira sobre o qual repousa a parte frontal da bicicleta. Os tamanhos relativos do volante e da polia determinam a faixa de tensão que o gerador pode fornecer (até 20V). A tensão de saída exata é determinada pela rapidez com que se pedala. A voltagem ideal, com base na facilidade de esforço de pedalada, parece ser de aproximadamente 15 volts ao pedalar a 90 rpm. Não há bateria usada neste sistema. A eletricidade flui diretamente do gerador para a TV/VCR Panasonic.

Preocupações com a potência do pedal

Existem três preocupações principais que temos com o design deste sistema:

1. Não há regulação natural de tensão, forçando você a controlar cuidadosamente a velocidade de pedalada
2. Dispositivos que não consomem energia de maneira uniforme podem exceder sua capacidade de geração quando precisam de uma explosão de energia
3. A energia para quando a pedalada para. ^[2]

Aplicações da potência do pedal

Algumas aplicações incluem laptops movidos a pedal, moedores movidos a pedal e poços de água movidos a pedal. Alguns projectos de desenvolvimento do Terceiro Mundo transformam actualmente bicicletas usadas em ferramentas movidas a pedais para o desenvolvimento sustentável. Os artigos nesta página são sobre as muitas aplicações maravilhosas da tecnologia de potência de pedal. ^[3]

Potência Direta

Com energia direta, nenhuma eletricidade é usada. A energia é criada a partir da pedalada, que é fornecida aos dispositivos diretamente por meio de uma conexão mecânica. Alguns exemplos comumente usados ​​disso são um liquidificador movido a pedal ^[4] ou uma máquina de lavar. ^[5]

Vantagem

• O mais eficiente

Desvantagem

• Nem todos os dispositivos podem ser acionados mecanicamente ^[6]

Energia do Gerador

Pedalar alimenta um gerador que cria eletricidade que pode ser usada para alimentar dispositivos elétricos do dia a dia. Exemplos desse tipo de sistema são a TV com pedal CCAT e os laptops com pedal criados no MIT. ^[7]

Vantagem

• Pode alimentar mais do que apenas dispositivos mecânicos, por isso tem versatilidade e capacidade de alimentar dispositivos eletrônicos

Desvantagem

• Menos eficiente devido à perda de energia no gerador, fiação, etc, e a tensão deve ser regulada adequadamente ou pode causar danos aos dispositivos

Carregamento da bateria

Nesta aplicação, a pedalada alimenta um gerador que por sua vez carrega uma bateria, armazenando a energia para uso posterior. Os exemplos incluem o sistema movido a pedal de David Butcher, que fornece luz constante em sua casa após apenas 15 minutos de pedalada. ^[8]

Vantagem

• Dispositivos podem ser usados ​​sem pedalar

Desvantagem

• Menos eficiente de todos os 3 tipos mencionados, principalmente devido às perdas associadas à conversão de energia entre mecânica, elétrica em química

Critério de avaliação

Esta seção inclui todos os aspectos possíveis pensados ​​pelos membros do grupo para este projeto, bem como pelos diretores do CCAT. Esses critérios foram escolhidos para avaliar o projeto com base na facilidade de uso, capacidade educacional e transportabilidade. Esses critérios nos ajudarão a determinar quanto tempo, dinheiro e esforço devem ser investidos em cada aspecto do sistema com base na sua importância para o nosso cliente (CCAT).

Orçamento

Cronograma do projeto

Projeto

Estrutura

Quando começamos a projetar a estrutura havia várias coisas que queríamos alcançar: transparência, simplicidade, mobilidade e resistência. Para torná-lo transparente, montamos o motor de ímã permanente e todos os circuitos relacionados ao ar livre, em vez de ficarem escondidos sob uma plataforma de madeira, como no design antigo. Para simplificar o design decidimos torná-lo uma única unidade móvel. Anteriormente, o projeto estrutural consistia em várias peças: a frente da bicicleta ergométrica ficava sobre uma plataforma onde o motor era montado, um grande bloco era colocado na parte traseira para nivelá-la e era necessária uma pequena mesa para colocar a TV. . Para torná-la uma unidade única, combinamos a mesa onde a TV precisava ser apoiada com a plataforma necessária para montar o motor e, em seguida, adicionamos rodas na parte traseira da bicicleta para nivelá-la. Em vez de aparafusar a bicicleta estática diretamente à plataforma, decidimos mantê-la no lugar com a fricção de pequenos blocos, desta forma a bicicleta pode facilmente separar-se da plataforma/suporte de TV em duas partes menores para transporte na comunidade. Utilizamos um total de 6 rodízios de travamento, cada um com capacidade de carga de 150 libras, o que nos deu mobilidade e resistência. Também para promover durabilidade e resistência utilizamos madeira 2x4 e 2x6 aparafusada com parafusos de deck de 2".

Elétrico

O desenho elétrico do projeto original já era muito simples e queríamos mantê-lo assim para que as pessoas pudessem entendê-lo facilmente. Ao pesquisar outros sistemas, descobrimos que muitas pessoas usam baterias para pedalar, mas decidimos não usar nenhuma em nosso sistema devido à perda de eficiência e ao fato de necessitarem de manutenção. Sem uma bateria, nosso projeto precisava de duas coisas para funcionar: primeiro, uma maneira de estabilizar a ampla faixa de volts produzida pelo motor para sólidos 12 volts antes de chegar à TV e, segundo, sem uma fonte de energia constante, como uma bateria que precisávamos. proteção para que, se uma pessoa não pedalasse rápido o suficiente, o sistema desligasse antes que ocorressem danos de baixa tensão na TV. Depois de um pouco de pesquisa encontramos dois produtos específicos disponíveis na internet que resolveram cada um dos nossos problemas. O protetor contra surtos de tensão da Amperor foi projetado para suportar uma faixa de volts de 10 a 24 e equilibrá-los até um sólido 12. A segunda parte é um relé que não completará o circuito e permitirá energia ao protetor contra surtos até que a pessoa pedale o mínimo de 10 volts, ponto em que ele clica. Se o mascate cair abaixo do limite de 10 volts, o relé interromperá o circuito para evitar danos aos componentes.

Construção

Algumas das ferramentas básicas usadas incluem: fita métrica, serra, furadeira, parafusos e cavilhas, soquetes, voltímetro e tinta. Para construir o estande medimos os pontos mais altos e largos do volante e dos pedais e depois construímos uma caixa em torno dessas medidas. Depois que a caixa foi construída, anexamos uma folha superior feita de compensado de madeira serrada grau A manchada com óleo mineral. O restante do estande foi pintado com tinta externa à base de óleo. Para fixar os rodízios ao suporte, simplesmente os marcamos, fizemos furos e depois os aparafusamos. No entanto, fixar os rodízios na parte traseira foi mais difícil, e para isso pegamos parafusos que circundavam a bicicleta através de um pedaço de 2x6 (então os rodízios tinha uma superfície plana para montar) e depois aparafusado nos rodízios. Depois que todos os 6 rodízios estavam no lugar, centralizamos e montamos o gerador e, em seguida, montamos o receptáculo CC e os medidores. Com o gerador instalado, tivemos que criar tensão na correia entre a polia e o volante, puxando a bicicleta para trás. Uma vez que o cinto estava com a tensão adequada, simplesmente prendemos pequenas tiras de madeira compensada no suporte, que funcionam como blocos de fixação para a perna dianteira da bicicleta.

Teste

Testes Estruturais - Para testar a resistência do conjunto do rodízio, aplicamos peso lentamente até colocar 250 libras na bicicleta, que consideramos o peso máximo recomendado para o piloto. Uma pessoa mais pesada só poderia usar nossa bicicleta se um bloco fosse colocado sob as rodas traseiras para suportar o peso no bloco em vez das rodas.

Testes elétricos - Para testar nossos circuitos elétricos usamos um voltímetro básico, para testar continuidade, tensão de teste e amperagem. Originalmente, nosso projeto não tinha relé e apenas o estabilizador. No entanto, depois de alguns testes apenas com o estabilizador de tensão, descobrimos que quando uma pessoa parava de pedalar e caía abaixo da entrada recomendada de 10 volts do produto, o estabilizador liberava muito lentamente sua tensão até zero devido a um pequeno capacitor dentro do estabilizador. que lhe permite desempenhar a sua função. Este teste nos disse que precisávamos de algum tipo de proteção contra baixa tensão porque as TVs LCD são muito sensíveis a baixas tensões e, conforme alertado pelo fabricante, podem causar danos irreparáveis. Decidimos usar um relé que colocamos após o estabilizador em nosso diagrama. Depois de conectado, começamos os testes, as leituras iniciais do voltímetro mostraram que a tensão estava estabilizada quando nenhum aparelho (carga) estava sendo usado. No entanto, quando a TV foi conectada e o sistema estava sob carga, começamos a ver a luz LED de energia da TV começar a piscar, levando-nos a acreditar que ela estava recebendo energia flutuante ou que algo estava errado. A seguir, decidimos testar o que aconteceria se o estabilizador viesse depois do relé e fosse conectado diretamente na TV. Inicialmente, recebemos resultados semelhantes ao nosso primeiro teste, a tensão era regulada quando não estava sob carga, mas essa tensão se dissipava lentamente quando a pedalada parava antes que o relé interrompesse o circuito. Por causa do que estávamos vendo, ficamos céticos em testar o sistema sob carga devido à baixa voltagem que a TV poderia receber. No entanto, depois de passar algum tempo conversando com os fabricantes de todos esses produtos e com especialistas de diversas áreas elétricas, recebemos uma resposta contundente de que o sistema funcionará de maneira muito diferente quando estiver sob carga e que a tensão extra que estávamos vendo seria dissipada em nanossegundos. Este teste foi bem-sucedido ao alimentar a TV sem fluxo e, quando a pessoa parou de pedalar, nenhum dano óbvio ocorreu à TV.

Manutenção

Pretendíamos que o projeto fosse praticamente livre de manutenção e, na maior parte, é. No entanto, há várias coisas que devem ser feitas para manter a TV com pedal nas melhores condições: Primeiro, toda a unidade, especialmente a TV, deve receber limpeza regular. Em segundo lugar, os rolamentos do gerador e dos rodízios se desgastarão com o tempo, portanto, verifique se não há ruído e se todos estão funcionando perfeitamente. Além disso, inspecione a correia quanto a desgaste e tensão adequada e substitua-a se necessário. Infelizmente, o relé que compramos tem uma vida útil definida, mas deve durar muitos anos, mas eventualmente morrerá e precisará ser substituído. Caso contrário, este projeto será bastante autossuficiente e exigirá muito pouca manutenção.

Contratempos do projeto e possíveis soluções

Enquanto trabalhávamos no projeto de TV com pedal CCAT, encontramos alguns contratempos desafiadores que poderiam ser analisados ​​no futuro para possíveis atualizações no design existente. Listados estão alguns dos problemas que encontramos, mas que não conseguimos resolver devido a restrições de orçamento e tempo.

Possível atualização no design da roda traseira

Durante as tentativas de encontrar uma solução para tornar a TV e a bicicleta acionadas por pedal mais móveis para as necessidades do CCAT, encontramos alguns problemas com a força do nosso design. Nosso primeiro projeto foi elaborado usando blocos pré-medidos de compensado 2 * 6 com parafusos em U que conectariam a bicicleta às rodas giratórias. Os parafusos em U que decidimos usar na primeira tentativa tinham 3,5 "de comprimento. Para podermos fazer esse trabalho tivemos que contra-perfurar um todo nos blocos de madeira, diminuindo assim a resistência da madeira. Como uma possível solução para Para esse revés, decidimos usar parafusos em U de formato quadrado mais longos e um bloco sólido de madeira de 24 "2 * 6. Isso ainda mostrava sinais de tensão no bloco de madeira que poderia falhar.

Uma solução possível para este problema seria, em vez de adicionar rodízios para mobilidade em nosso projeto, há a possibilidade de nossa máquina adicionar um eixo reto com duas rodas de vagão na parte traseira da estrutura, que é um tubo oco de alumínio de 4". ser potencialmente mais forte do que o design atual.

Adição de um inversor AC

A adição de um inversor AC permitiria que o projeto tivesse mais versatilidade para o usuário comum. Atualmente o projeto gera apenas energia CC, o que limita os usuários nos aparelhos elétricos à sua disposição. Os inversores podem custar apenas 20 dólares, mas infelizmente ficamos sem dinheiro no nosso orçamento para esta adição.

Uma palavra de Bart Orlando

SIM! Este projeto teve um grande progresso neste semestre e graças aos esforços qualificados de John Hackett, Thorin Somer e de vocês, foi alcançado um avanço na potência do pedal. Este sistema demonstra como alimentar uma TV/DVD player de tela plana (ou alimentar um laptop através de um microinversor)... SEM USAR BATERIA OU CAPACITOR ... para estabilizar a saída elétrica do gerador. Este sistema incentiva o exercício e fornece uma fonte de energia de emergência para equipamentos eletrônicos de telecomunicações, para que notícias e informações possam ser trocadas com o mundo exterior no caso de um desastre local. Este sistema pode carregar telefones celulares e manter laptops carregados enquanto envia ou recebe e-mails ou acessa sites de notícias on-line. Testes futuros podem determinar se ele também é capaz de alimentar um up-link de Internet para antena parabólica CC e um laptop ao mesmo tempo. Este sistema requer aproximadamente 30% menos esforço de pedalada do que o sistema de TV/VCR anterior. À medida que os componentes eletrónicos se tornam mais eficientes, a potência do pedal será validada como uma fonte legítima de energia para alimentar sistemas desta escala. Tais sistemas poderiam ser incorporados em Health Clubs que oferecem bicicletas giratórias. Alternativamente, se a energia do pedal fosse alimentada na rede através de uma ligação à rede, o health club estaria a funcionar como uma central de energia humana. Ouvi dizer que a primeira central de energia humana foi construída em Hong Kong e não apenas as bicicletas ergométricas, mas todos os tipos de máquinas de levantamento de peso e todas as esteiras foram substituídas por máquinas que proporcionam o mesmo exercício, mas canalizam a energia de um treino para a geração de eletricidade. . Até as escadas geram energia à medida que as pessoas sobem e descem por elas. Talvez um dia as pessoas sejam efectivamente pagas para praticarem exercício desta forma, porque o custo de lidar com doenças crónicas resultantes da falta de exercício impõe um fardo financeiro muito maior à sociedade (500 mil milhões de dólares/ano só nos EUA).

Você pode conferir outros projetos em que trabalhei com estudantes de engenharia da HSU nos seguintes sites:

Projetos com Bart

Inovações movidas a pedal [1]

Agradecimentos especiais

Esta seção é para todas as pessoas que nos ajudaram neste projeto. Sem essas fontes de informação quem sabe onde estaríamos.

Frank H- assistência elétrica

Elétrica Industrial - diagnóstico e manutenção de gerador

Bart Orlando - supervisor e mentor do projeto

CCAT- por nos deixar trabalhar além do horário de fechamento

Referências