אני יכול לעשות את זה!
הרעיון מאחורי הפרויקט פשוט יחסית. מעמד מאפשר לגלגל האחורי של האופניים להסתובב בחופשיות (בדרך כלל משמש לפעילות גופנית בתוך הבית) תומך באופניים המפעילים גנרטור. האנרגיה שנוצרת (למעשה היא מומרת) מאוחסנת בסוללה ומשמשת במכשירים חשמליים במתח מתאים.
חומרים
להלן רשימה של הפריטים המשמשים לפרויקט זה:
- אופניים
- מעמד לאופני כושר
- סוללה 12v, 60 אמפר*שעה (מחזור עמוק)
- מחולל מגנט קבוע 900 סל"ד DC
- גלגל סקייטבורד 3 אינץ' (קוטר)
- ווסת דלקו 12v
- דיודה חסימה (45V, 35A)
- מהפך 375w
- נתיכים מוטבעים של 15 אמפר (2x)
- מד וולט אנלוגי של Monacore (קריאת 0-15 אמפר)
- חוט בגודל 10 (בערך 15 רגל)
- גרוטאות מתכת
- מחברי תחת
לְעַצֵב
איור 1: תרשים של רכיבי הגנרטור
תמונה 1: גנרטור עם גלגל חיכוך ולוחית הרכבה מחוברת
תמונה 2: תמוכות מחוברות על ידי בורג בקצה העליון. יריעת פלדה בגודל 3 אינץ' מרותכת מעל הבורג הנראה להגברת החוזק
תמונה 3: תמונה מעט מטושטשת של יחידת הגנרטור המחוברת לתמוכות ומותקנת על מעמד האופניים. שימו לב שגלגל החיכוך יוצר קשר עם גלגל האופניים, אך ניתן לסובב אותו הרחק מנקודת הציר התחתונה, מה שמאפשר להסיר את האופניים
תמונה 4: סוללה מחוברת לבית עם מהפך מותקן בצד
תמונה 5: מבט מהצד של יחידת הסוללה
איור 2: תרשים של המערכת. שימו לב שיהיה וסת מתח בין הנתיך מהקצה החיובי של הדור לבין הדיודה באותו קו. זה צריך להיות רק נתיך אחד לפני פיצול החוט ממסוף הסוללה
תמונה 6: מערכת הושלמה
תמונה 7: תצוגת מקרוב
המשימה הראשונה של פרויקט זה הייתה לתכנן מערכת המתאימה מבחינת מחיר, זמינות, פרודוקטיביות וקיימות. מכיוון שמעולם לא עבדתי על פרויקט כוח דוושה, התייעצתי עם המומחה המקומי בארט אורלנדו כדי לעזור בתכנון הראשוני. השתמשתי בעצותיו כתבנית, ולאחר מכן התאמתי את העיצוב כך שיתאים למגבלות ורעיונות שונים של מה שחשבתי שהפרויקט צריך לספק. בנוסף, היו לו הצעות טובות לאיתור מחולל מגנט קבוע בגודל מתאים ובמסגרת התקציב. בעזרת עצתו, איתרתי ורכשתי מחולל מגנט קבוע הפיך של 900 סל"ד DC זול מחברה בשם C and H Industrial Supply.
עמדת אופניים לרכיבה פנימית התקבלה בחינם מקרוב משפחה שעזב להצטרף ל-Peace Core. פריט זה לא רק הוריד את הגלגל האחורי מהקרקע, אלא הוא סיפק מסגרת לעבוד בה. המעמד שונה כך שיתאים לפרויקט על ידי הסרת גלגל החיכוך מתוצרת המפעל, מתן מקום להרכבה של הגנרטור, וגם הפחתת חיכוך מיותר.
ברגע שהגנרטור הגיע, נרכש בארקטה גלגל סקייטבורד בקוטר 3 אינץ'. הגלגל והגנרטור נלקחו למכונאי המקומי - Gene's Machines - שם גלגל הסקייטבורד הוצמד לפיר של הגנרטור (ראה איור 1) כדי ליצור את גלגל החיכוך החדש. זה נעשה על ידי קישוא נדן מתכת על מחרטה בדיוק גדולה מספיק כדי להתאים מעל הפיר של הגנרטור. הנדן הושחל, המאפשר לבורג לעבור דרך גלגל הסקייטבורד, והודק עם מכונת כביסה גומי ובריח ¾ אינץ'. שני ברגי הגדרה קדחו לתוך הנדן בזוויות של תשעים מעלות כדי להפעיל לחץ על פיר הגנרטור. היה חשוב שגלגל החיכוך יהיה נכון, ושהוא יהיה הדוק מספיק כדי לקחת את המומנט של גלגל האופניים המסתובבים.
כדי להרכיב את הגנרטור נרכשה יריעת פלדה בגודל 7 1/4 על 3 3/4 אינץ' מערימת גרוטאות. מטחנה שימשה להסרת החלודה לפני שנכרת חריץ בגודל 1 x 3 אינץ' באמצע הצד הקצר יותר. זה אפשר לפיר של הגנרטור להחליק צמוד ליריעת המתכת. בנוסף, נקדחו ארבעה חורים מסביב לחריץ בהתאם לברגי ההרכבה בגנרטור (ראה תמונה 1). מאוחר יותר, עודפי המתכת מסביב לגנרטור נטחנו לצורך אסתטיקה וכדי למנוע פציעות.
השלב הבא היה לקחת שתי תמוכות פלדה בגודל 34 1/2 אינץ' ולרתך אותן במרחק של כ-3 אינץ' זה מזה באופן מקביל (ראה תמונה 2). מכיוון שאין לי ניסיון בריתוך, היה לי חבר שסייע בהיבט הזה. קצה אחד של התמוכות המרותכות הוצמד למעמד האופניים שבו הוסר גלגל החיכוך מתוצרת המפעל. בקצה השני הותקן הגנרטור. כדי ליישר את צמיג האופניים עם גלגל הסקייטבורד, הגנרטור הותקן בחלקו החיצוני של המתמוך הימני (אם אחד יושב על האופניים), כך שהגנרטור הפיק תפוקה חיובית. זה נקבע באמצעות מד מתח סטנדרטי. התמוכים היו מהודקים על המעמד, אך רופפים מספיק כדי להסתובב. יכולת סיבוב זו אפשרה לגנרטור לשמור על מגע עם הגלגל האחורי של כל אופניים מאובטחים במעמד (ראה תמונה 3).
בנוסף, סוללת 12v, 60 אמפר/שעה נקנתה ב-Interstate Battery Systems והמהפך נרכש ב-Redwood Electronic Supply (שניהם ב-Eureka). שני הפריטים הללו הורכבו יחד, והם נפרדים משאר המערכת. חתיכה דקה של נירוסטה נחתכה לצורה ונצבעה בהתזה כדי לאכלס את הסוללה ולהרכיב את המהפך. נקדחו מספר חורים, המאפשרים לכבלי בנג'י לאבטח את הסוללה (ראה תמונות 4 ו-5). מכיוון שתושבת הנירוסטה דקה יחסית והמהפך קל, כל היחידה הזו יכולה להינשא על ידי ידית הסוללה. מחברי טבעות שימשו לחיבור הגנרטור לחיבורים החיוביים והשליליים של הסוללה, אך ניתן לנתק אותם בקלות על ידי הסרת אגוזי הכנף השומרים עליהם חזק.
חיווט היה השלב הבא לאחר ייצור מבנה שימושי. נתיך של 15 אמפר יוצא מהקצה החיובי של הגנרטור ואחריו ישר את הדיודה החוסמת. קו זה מוביל לאחר מכן אל המסוף החיובי של הסוללה והוא מחובר באמצעות מחבר טבעת. הקו מחוץ למסוף השלילי מכיל את מד הוולט ואז חוזר לקו השלילי של הגנרטור. לקו זה יש אורך נוסף, המאפשר למד הוולט להיצמד לכידון האופניים עם קשרי טוויסט ולהפוך אותו לגלוי למשתמש. כל החוטים הם בגודל 10 פרט לכמה סנטימטרים של חוט 14 מהגנרטור ומסביב לנתיכים. מחברי תחת בגדלים שונים שימשו לחיבור פיסות חוט שנקטעו כדי להוסיף נתיכים ודיודה. חיווט נוסף כלל את הקווים העוברים מהסוללה למסוף החיובי והשלילי במהפך. בקו החיובי, בוצע חתך להכנסת נתיך של 15 אמפר. יש שני שקעי AC במהפך.
בנוסף, נרכש וסת מתח מהאינטרנט, והוא יתקבל בקרוב. הוא יחובר על הקו החיובי של הגנרטור, בין המיתוך לדיודה.
תוצאות
מערכת הייצור פועלת כראוי כאשר אנרגיה מכנית מומרת לחשמל ומאוחסנת בסוללה, אך המערכת לא תעבוד בצורה אידיאלית עד שהאנרגיה החשמלית מוגבלת ל-12 וולט. המתח במערכת זו ללא הרגולטור גבוה יותר מסולם 15V במד המתח. לא יבוצעו מדידות לגבי משך הזמן הנדרש לטעינה מלאה של הסוללה עד לשילוב וסת מתח במערכת. כאשר הגנרטור מסובב במהירות הגבוהה ביותר ניתן לייצר כ-700 וואט. מהירות ותפוקה אלו קשים ביותר להשגה ואי אפשר לשמור עליהם יותר מכמה רגעים. 150 וואט היא תשואה מציאותית יותר לכל תקופה מתמשכת. קצב נוח שניתן לשמור עליו לפחות 20 דקות יהיה כנראה בסביבות 100 עד 114 וואט.
דִיוּן
לדעתי, החוזק של העיצוב הוא העובדה שהגנרטור מותקן מעל גלגל האופניים. זה מה שמאפשר לאופניים להיות ניתנים להחלפה במערכת ועדיין להיות יעילים בייצור חשמל. אמנם הוא מוסיף משקל מסוים עם התמוכות לשאת את יחידת הגנרטור מעל הגלגל, אך הוא גם מסיר חלק מהמומנט מציר הגנרטור כאשר גלגל החיכוך נח מעט. בנוסף, התמוכות מספקות מבנה להעביר את החוטים דרכם ולהכיל נתיך ודיודה. גם ווסת המתח יורכב על עמוד, לאחר שיתקבל.
היבט מבוקש נוסף של העיצוב היה מערכת הדור שיכולה להיות ניידת ומופעלת באופן אוניברסלי. למרבה הצער, משקל המערכת מגביל חלק מהניידות. הסוללה היא חלק גדול מהמשקל הזה - בסביבה של 60 פאונד - ואינה מחוברת למעמד האופניים כי זה יהפוך את זה כמעט בלתי אפשרי לאדם אחד לזוז. ניתן היה להרכיב את הגנרטור לכיוון החלק התחתון של המעמד כדי להסיר משקל מיותר, אך כפי שהוזכר לעיל, זה היה מפחית היבטים מועילים אחרים. התמוכות, הגנרטור ומעמד האופניים שוקלים כ-30 ק"ג בסך הכל.
בעוד שמשקל המערכת מונע מאדם לשאת את היחידה בקלות ברגל או באופניים, זה עדיין מעשי להזיז אותו ברכב. הוא קומפקטי למדי (ראה תמונה 7) כאשר הוא מקופל יחד ויחידת הסוללה מנותקת. זה יהיה קל להכניס לתא המטען של רכב ולקחת אותו לפארק או לקמפינג כל עוד אופניים זמינים.
בעוד שכל אופניים יכולים להפעיל את המערכת, ישנן יכולות מסוימות של אופניים שעובדות את המערכת בצורה אופטימלית. גורם אחד שחשוב הוא הדריכה על הצמיג. לאופניים עם טביעות רגל קלות יש מגע טוב יותר עם גלגל החיכוך וממשיכים לקפוץ למינימום. זה מקל על יצירת הספקים גבוהים יותר וגם מפעיל פחות לחץ על המערכת. באופן דומה, מכיוון שקיים חיכוך נמוך במיוחד בסיבוב הגנרטור, זה יכול להיות קשה לדווש במשך זמן ממושך. ניתן להשוות אותו לדווש על קרקע שטוחה בהילוך שני או שלישי, מכיוון שצריך הרבה סיבובים כדי לעבור קצת מרחק. כדי לפצות על זה, כדאי להחזיק הילוכים נמוכים. אני מאמין שצריך לבנות גלגל שיניים מותאם אישית כדי להשיג הילוך נמוך מספיק לנוחות דיווש אופטימלית.
היבט שלישי שמועיל יהיה צמיג אחורי גדול. ככל שהצמיג גדול יותר, כך הגנרטור יסתובב מהר יותר בכל קלט נתון. אפשר גם להשיג את אותה תוצאה על ידי הקטנת גודל גלגל החיכוך על הגנרטור. אבל, בשלב מסוים (שלא ידוע לי) נוצר מגע קטן מדי בין האופניים לגנרטור כדי ליצור חשמל (כלומר, הפיר לא יסתובב). האופניים שעליהם אני רוכב מדי יום (שהמערכת תוכננה עבורם בהתחלה) מתאימים לכל הקריטריונים הללו ליעילות אופטימלית, בהיותם היברידי 24 הילוכים בעל צמיגים בגודל 26 אינץ' כמעט ללא דריכה. מלבד אופני כביש יוקרתיים, הם כנראה האופניים האידיאליים להפעלת המערכת.
ההיבט האחד של הפרויקט שלא הסתיים עם השלמת מאמר זה הוא שילוב וסת המתח שהוזמן. זה לא נכלל בתכנון הראשוני של הפרויקט, אבל הוא הכרחי ויתווסף. אפשר היה לייצר וסת מתח ישים, אבל הזמן וחוסר הידע החשמלי שלי היו גורם מגביל.
לדעתי, היישומים המעשיים ביותר עבור סוג זה של מחולל כוח דוושה יהיו עם מישהו שחי מחוץ לרשת. המערכת יכולה להפעיל כל מכשיר חשמלי בסביבות 150W למשך תקופה ניכרת. בנוסף, אפשר לדווש תוך כדי שימוש במכשיר נתון ולהטעין בקצב דומה לשימוש בחשמל. אם היה מקום פנוי, אפשר היה להגדיר אופניים באופן קבוע במעמד ובתקווה לא להזיז אותם לעתים קרובות. באופן אידיאלי, אנשים יכלו לייצר חשמל בזמן שהם עשו פעילויות שונות של ניקוז אנרגיה, לא פרודוקטיביות כמו צפייה בטלוויזיה. זה לא רק ייתן לצופה פעילות גופנית ויספק חשמל חינם, אלא זה עלול גם להניא אנשים (במיוחד ילדים) מפעילות קהת המוח.
העלות הייתה גורם חשוב בבניית הפרויקט הזה. היו פריטים יקרים מסוימים שהיו נחוצים לבנייה - הוצאתי למעלה מ-300 דולר - למרות שהסך הכל היה סביר למה שהושג. ההיבט היקר ביותר של הפרויקט היה הצמדת גלגל החיכוך המותאם אישית לפיר של הגנרטור. זה הסתכם ב-90 דולר, כאשר רק כ-10 דולר הלכו לחלקים. אם למישהו הייתה גישה למחרטה וכישורי ייצור בסיסיים, הוא יכול היה לחסוך כמעט שליש בהוצאות הכוללות. עוד פריט בלתי נמנע היה הסוללה שעלתה כ-60 דולר. כאמור, הגנרטור הוזמן מחברה המתמחה בציוד מכני זול. רוב הגנרטורים השווים שאיתרתי באינטרנט היו בין $200-$350. רכשתי את מחולל המגנט הקבוע של 900RPM DC תמורת 45 דולר סמלי, בתוספת 6 דולר נוספים למשלוח. מיותר לציין שזה היה החיסכון הגדול ביותר בפרויקט.
עלויות משמעותיות אחרות כללו את המהפך ($40), מד וולט ($21), דיודה ($12), ווסת ($13) ועוד חלקים שונים ($20 - חוטים, מחברים, מספר ברגים ופריטים קטנים שונים שלא השתמשתי בהם). הקיצוץ האמיתי היחיד שיכולתי לעשות עם הפריטים האלה היה למצוא מכשיר שבור שהכיל מד וולט, ולהתאים אותו לפרויקט שלי. אבל, המדד לא הושג עד שתאריך היעד של הפרויקט התקרב, והוצאת כסף נראתה קלה יותר ופחות שווה מהזמן והאנרגיה שלי. באופן דומה, הדיודה שהתקבלה לא הייתה אידיאלית עבור הפרויקט. חוסר נגישות (והעובדה שכבר קניתי שתי דיודות זולות אך שגויות) עזרו לי להצדיק את ההוצאה הנוספת. כאמור, עמדת האופניים נרכשה בחינם. אחרי הגנרטור, זה היה החיסכון השני בגודלו, שכן דגמים דומים שראיתי עלו מעל מאה דולר. כל המתכת ששימשה הייתה גרוטאות וללא תשלום.
השימוש בסוללה היה משהו שהתלבטתי עליו בהתחלה, מכיוון שהם מכילים כימיקלים מסוכנים וחומרים שונים שאינם מתכלים. ואם הרעיון הכללי של הפרויקט היה ליצור משהו מתאים, הייתי צריך לשקול אם הפונקציה שלו הפכה אותו למוצדק. מלבד היכולת לאגור כמויות אנרגיה מדהימות לפרקי זמן ארוכים, הסוללה במערכת זו פועלת גם כווסת. אם הייתי מפעיל את האנרגיה המופקת מהגנרטור ישירות למכשיר חשמלי, יהיה קשה מאוד לשמור על תפוקה אחידה. בנוסף, יהיה צורך לדווש כל הזמן או שהמכשיר בשימוש יכבה.
אפשרות אחת להחליף את הסוללה תהיה יצירת מכשיר המופעל מכני. יש גם יתרונות וגם שליליים לעיצוב הזה. היתרון הוא שכאשר האנרגיה משנה צורה, חלק ממנה מתפזר, ולכן פחות זמין לעבודה. כשאדם מפעיל אופניים, האנרגיה הכימית שלהם מומרת לאנרגיה מכנית. בדרך כלל מדובר בהעברה יעילה למדי, אך עדיין ישנה אנרגיה שהולכת לאיבוד לחום, לאור ולקול (אבל בעיקר לחום). החיסרון הגדול ביותר בתכנון מערכת מונעת מכני הוא שהיא כנראה תהיה מוגבלת לפונקציה אחת (הפעלת בלנדר, הובלת אדם, הכנת גלידה וכו'). אמנם ישנה אנרגיה נוספת שאבדה בין ההמרה של אנרגיה מכנית לחשמלית (שזו גם המרה פחות יעילה), אך המוצר מאפשר מגוון רחב הרבה יותר של פונקציות. לכן, הסוללה הייתה מוצדקת מכיוון שהיא אפשרה אחסון לטווח ארוך של מקור אנרגיה אוניברסלי ומעשי במיוחד.
משהו שצריך לקחת בחשבון בכל פרויקט הוא תחזוקה ארוכת טווח של המוצר. על המערכת שבניתי ישנם חלקים נעים שונים ואזורים שמקבלים יותר לחץ מאחרים. עם זאת, התחזוקה צריכה להיות מוגבלת לשמירה על אומים, ברגים וברגים הדוקים, בנוסף לשמירה על מיסבי הגנרטור משומנים. המבנה הוא ברובו פלדה מוצקה ואינו עומד להיחשף לפגעי מזג האוויר. רוב החוטים ממוקמים במקומות בהם לא ניתן להינזק בקלות. ייתכן שיהיה צורך להחליף נתיכים אם נוצר יותר מדי זרם בכל עת.
ראוי להזכיר שבארט אורלנדו עזר מאוד בפיתוח עיצוב גלגל החיכוך והמפרט המתאים למערכת. היה לי ניסיון בייצור מוגבל מאוד וידע חשמלי מוגבל מאוד לפני הפרויקט הזה. ולמרות שבהתחלה חששתי להשתמש בארט כמשאב (הוא יכול להיות שוחק וקשה לעבוד איתו), הוא היה מועיל ויותר מרצון לחלוק את הידע שלו. משהו שכדאי לזכור כשמנסים להשיג את זמנו ומרצו של בארט הוא לספק לו מצרכי מזון לבישול הסולארי שלו. לעזרה נוספת (מעבר לבחירת דעתו), הוא למעשה דורש תשלום במאכלים, שהוא די מינימלי בהשוואה למשאב שהוא מספק.
מסקנות
הפרויקט הזה היה מאתגר ביותר, וצרך כמויות עצומות של זמן, אנרגיה ומשאבים. עם זאת, הידע והניסיון שהתקבלו היו בעלי ערך רב והעניקו לי ביטחון לקחת חלק בפרויקטים מורכבים יותר של ייצור וחשמל. חשוב בפרויקטים כאלה להיות נכונים לטעות, ולקחת תקלות. רוב ההיבטים של הבנייה ארכו יותר זמן מהצפוי בתחילה, ונראה שתמיד יש צעדים נוספים שניתן לנקוט כדי לשפר את המערכת. אני יודע שבפעם הבאה אהיה פחות משותק מגודל הפרויקט ואהיה מבין טוב יותר אילו צעדים יש לנקוט כדי לתכנן ולבנות מערכת מסובכת.
אני מתכנן להשתמש בפרויקט הזה כדי להפעיל מוזיקה במקומות ללא חשמל (או בנגני תקליטורים או במגברים), להטעין סוללות, את האייפוד שלי ולהניא את השותף שלי מלצפות כל כך הרבה בטלוויזיה. בנוסף, הוא יאפשר אור וגישה למכשירים שונים כאשר יש הפסקות חשמל. אני מקווה שזה יהיה כלי רב ערך מכל הסיבות הללו, ויצדיק את הזמן והמחיר שלי.
הערות
אמירה של אומן:
- מאת רואן סטיל
- ENGR305 טכנולוגיה מתאימה
- 05/05/05
הפרויקט הזה דומה למחולל הכוח של סטיבן ורומן
צפה בדף זה בקיסוואהילי ב- Jenereta la nguvu ya pedali la Rowan