Rowan's portable pedal power generator/pt
A ideia por trás do projeto é relativamente simples. Um suporte permite que a roda traseira de uma bicicleta gire livremente (geralmente usada para exercícios em ambientes fechados) e suporta uma bicicleta que alimenta um gerador. A energia gerada (na verdade, ela é convertida) é armazenada em uma bateria e usada em dispositivos elétricos com a voltagem apropriada.
Materiais
Aqui está uma lista dos itens usados neste projeto:
- bicicleta
- suporte para bicicleta ergométrica
- Bateria de 12 V, 60 ampères*hora (ciclo profundo)
- Gerador de ímã permanente CC de 900 RPM
- Roda de skate de 3 polegadas (diâmetro)
- Regulador Delco 12v
- diodo de bloqueio (45V, 35A)
- Inversor de 375 W
- Fusíveis em linha de 15 amperes (2x)
- Medidor de voltagem analógico Monacore (leitura de 0 a 15 amperes)
- Fio calibre 10 (cerca de 15 pés)
- sucata
- conectores de topo
Design
Fig 1: Diagrama dos componentes do gerador
Foto 1: Gerador com roda de fricção e placa de montagem acoplada
Foto 2: Suportes fixados por um parafuso na extremidade superior. Uma chapa de aço de 3 polegadas foi soldada acima do parafuso visível para aumentar a resistência.
Foto 3: Imagem ligeiramente desfocada da unidade geradora fixada aos suportes e montada no suporte da bicicleta. Observe que a roda de fricção entra em contato com a roda da bicicleta, mas pode ser girada para longe do ponto de articulação inferior, permitindo que a bicicleta seja removida.
Foto 4: Bateria presa ao alojamento com inversor montado na lateral
Foto 5: Vista lateral da unidade de bateria
Fig. 2: Diagrama do sistema. Observe que haverá um regulador de tensão entre o fusível do terminal positivo da geração e o diodo na mesma linha. Na verdade, deve haver apenas um fusível antes da separação do fio do terminal da bateria.
Foto 6: Sistema Completo
Foto 7: Vista de perto
A primeira tarefa deste projeto foi projetar um sistema que fosse adequado em termos de preço, disponibilidade, produtividade e sustentabilidade. Como eu nunca havia trabalhado em um projeto de energia a pedal, consultei o especialista local Bart Orlando para me ajudar com o projeto inicial. Usei seus conselhos como modelo e, em seguida, adaptei o projeto para atender a várias limitações e ideias do que eu achava que o projeto deveria oferecer. Além disso, ele me deu boas sugestões sobre como encontrar um gerador de ímã permanente de tamanho apropriado e dentro do orçamento. Seguindo seus conselhos, localizei e comprei um gerador de ímã permanente reversível de 900 RPM CC de baixo custo de uma empresa chamada C and H Industrial Supply.
Um suporte para bicicletas indoor foi obtido gratuitamente de um parente que estava saindo para se juntar ao Peace Core. Este item não só tirou a roda traseira do chão, como também forneceu uma estrutura para trabalhar. O suporte foi modificado para se adequar ao projeto, removendo a roda de fricção de fábrica, criando um espaço para montar o gerador e reduzindo o atrito desnecessário.
Assim que o gerador chegou, uma roda de skate com 3 polegadas de diâmetro foi adquirida em Arcata. A roda e o gerador foram levados para um mecânico local — Gene's Machines — onde a roda do skate foi fixada ao eixo do gerador (veja a Figura 1) para fazer a nova roda de fricção. Isso foi feito perfurando uma bainha de metal em um torno grande o suficiente para caber sobre o eixo do gerador. A bainha foi rosqueada, permitindo que um parafuso passasse pela roda do skate, e foi apertada com uma arruela de borracha e um parafuso de ¾ de polegada. Dois parafusos de fixação foram perfurados na bainha em ângulos de noventa graus para pressionar o eixo do gerador. Era importante que a roda de fricção estivesse alinhada e apertada o suficiente para suportar o torque da roda da bicicleta girando.
Para montar o gerador, foi adquirida uma chapa de aço de 19,2 x 9,9 cm de uma pilha de sucata. Utilizou-se uma lixadeira para remover a ferrugem antes de ser cortada uma ranhura de 2,5 x 7,6 cm no meio do lado mais curto. Isso permitiu que o eixo do gerador deslizasse rente à chapa metálica. Além disso, foram perfurados quatro furos ao redor da ranhura, de acordo com os parafusos de montagem do gerador (ver Figura 1). Posteriormente, o excesso de metal ao redor do gerador foi lixado por questões estéticas e para evitar ferimentos.
O próximo passo foi pegar dois suportes de aço de 34 1/2 polegadas e soldá-los a cerca de 3 polegadas de distância em paralelo (veja a Figura 2). Como não tenho experiência em soldagem, pedi a ajuda de um amigo. Uma extremidade dos suportes soldados foi fixada ao suporte da bicicleta, de onde a roda de fricção de fábrica foi removida. Na outra extremidade, o gerador foi montado. Para alinhar o pneu da bicicleta com a roda do skate, o gerador foi montado na parte externa do suporte direito (se houver um na bicicleta) para que o gerador produzisse uma saída positiva. Isso foi determinado usando um voltímetro padrão. Os suportes foram apertados no suporte, mas frouxos o suficiente para girar. Essa capacidade de girar permitiu que o gerador mantivesse contato com a roda traseira de qualquer bicicleta presa no suporte (veja a Figura 3).
Além disso, uma bateria de 12 V e 60 A/h foi comprada na Interstate Battery Systems e o inversor foi adquirido na Redwood Electronic Supply (ambos em Eureka). Esses dois itens foram montados juntos e são separados do restante do sistema. Uma fina peça de aço inoxidável foi cortada no formato desejado e pintada com spray para abrigar a bateria e montar o inversor. Vários furos foram perfurados, permitindo que as cordas elásticas prendessem a bateria (veja as Figuras 4 e 5). Como o suporte de aço inoxidável é relativamente fino e o inversor leve, toda a unidade pode ser carregada pela alça da bateria. Conectores de anel foram usados para conectar o gerador aos terminais positivo e negativo da bateria, mas podem ser facilmente removidos removendo as porcas borboleta que os mantêm apertados.
A fiação foi o próximo passo após a fabricação de uma estrutura utilizável. Um fusível de 15 amperes sai do terminal positivo do gerador e é seguido diretamente pelo diodo de bloqueio. Essa linha então leva ao terminal positivo da bateria e é conectada por um conector de anel. A linha do terminal negativo contém o voltímetro e então retorna à linha negativa do gerador. Essa linha tem comprimento extra, permitindo que o voltímetro seja preso ao guidão da bicicleta com abraçadeiras, tornando-o visível ao usuário. Todos os fios são de calibre 10, exceto por alguns centímetros de fio de calibre 14 do gerador e ao redor dos fusíveis. Conectores de topo de vários tamanhos foram usados para conectar pedaços de fio que haviam sido cortados para adicionar fusíveis e o diodo. A fiação adicional incluiu as linhas que vão da bateria aos terminais positivo e negativo do inversor. Na linha positiva, foi feito um corte para inserir um fusível de 15 amperes. Há duas tomadas CA no inversor.
Além disso, um regulador de tensão foi adquirido pela internet e será recebido em breve. Ele será emendado no fio positivo do gerador, entre o fusível e o diodo.
Resultados
O sistema de geração funciona corretamente, pois a energia mecânica é convertida em elétrica e armazenada na bateria, mas o sistema não funcionará idealmente até que a energia elétrica seja restrita a 12 volts. A tensão neste sistema sem o regulador é maior que a escala de 15 V no medidor de tensão. Nenhuma medição será feita sobre quanto tempo leva para carregar completamente a bateria até que um regulador de tensão seja integrado ao sistema. Quando o gerador é girado na velocidade mais alta, cerca de 700 watts podem ser produzidos. Essa velocidade e saída são extremamente difíceis de atingir e não podem ser mantidas por mais do que alguns instantes. 150 watts é um rendimento mais realista para qualquer período sustentado. Um ritmo confortável que poderia ser mantido por pelo menos 20 minutos provavelmente estaria em torno da faixa de 100 a 114 watts.
Discussão
Na minha opinião, o ponto forte do design reside no fato de o gerador ser montado acima da roda da bicicleta. Isso permite que as bicicletas sejam intercambiáveis no sistema e ainda sejam eficientes na produção de eletricidade. Embora o fato de os suportes suportarem a unidade geradora acima da roda adicione algum peso, também reduz o torque do eixo do gerador, já que a roda de fricção repousa ligeiramente. Além disso, os suportes fornecem uma estrutura para a passagem dos fios e abrigam um fusível e o diodo. O regulador de tensão também será montado em um suporte, após o recebimento.
Outro aspecto desejado do projeto era um sistema de geração que pudesse ser portátil e universalmente alimentado. Infelizmente, o peso do sistema limita parte da portabilidade. A bateria representa uma grande parte desse peso — cerca de 27 kg — e não está fixada no suporte da bicicleta, pois isso tornaria quase impossível a movimentação por uma pessoa. O gerador poderia ter sido montado na parte inferior do suporte para remover algum peso desnecessário, mas, como mencionado acima, isso teria reduzido outros aspectos benéficos. Os suportes, o gerador e o suporte da bicicleta pesam cerca de 13 kg no total.
Embora o peso do sistema impeça o transporte fácil da unidade a pé ou de bicicleta, ele ainda é prático para ser transportado de carro. É bastante compacto (veja a Figura 7) quando dobrado e a bateria é removível. Seria fácil colocá-lo no porta-malas de um veículo e levá-lo para um parque ou acampamento, desde que haja uma bicicleta disponível.
Embora qualquer bicicleta possa alimentar o sistema, existem certas capacidades que o fazem funcionar de forma otimizada. Um fator importante é a banda de rodagem do pneu. Bicicletas com pegadas leves têm melhor contato com a roda de fricção e mantêm o ressalto ao mínimo. Isso facilita a geração de potências mais altas e também coloca menos estresse no sistema. Da mesma forma, como há atrito extremamente baixo envolvido na rotação do gerador, pode ser difícil pedalar por muito tempo. É comparável a pedalar em terreno plano em segunda ou terceira marcha, já que é preciso girar muito para percorrer uma pequena distância. Para compensar isso, é útil ter marchas baixas. Acredito que seria necessário construir uma roda dentada personalizada para obter uma marcha baixa o suficiente para o conforto ideal ao pedalar.
Um terceiro aspecto benéfico seria ter um pneu traseiro grande. Quanto maior o pneu, mais rápido o gerador girará a qualquer momento. Também seria possível obter o mesmo resultado reduzindo o tamanho da roda de fricção do gerador. Mas, em um determinado ponto (que eu desconheço), o contato entre a bicicleta e o gerador torna-se muito pequeno para gerar eletricidade (ou seja, o eixo não gira). A bicicleta que uso diariamente (para a qual o sistema foi inicialmente projetado) atende a todos esses critérios de eficiência ideal, sendo uma híbrida de 24 marchas com pneus de 26 polegadas e quase sem sulcos. Com exceção de uma bicicleta de estrada de ponta, é provavelmente a bicicleta ideal para alimentar o sistema.
O único aspecto do projeto que não está concluído ao final deste artigo é a incorporação do regulador de tensão que foi encomendado. Ele não foi considerado no projeto inicial, mas é necessário e será adicionado. Um regulador de tensão aplicável poderia ter sido fabricado, mas o tempo e minha falta de conhecimento elétrico foram fatores limitantes.
Na minha opinião, as aplicações mais práticas para este tipo de gerador de energia a pedal seriam para alguém que vive fora da rede elétrica. O sistema pode alimentar qualquer dispositivo elétrico com cerca de 150 W por um período considerável. Além disso, é possível pedalar enquanto se usa um determinado aparelho e carregar a uma taxa comparável ao consumo de energia. Se houver espaço disponível, pode-se instalar uma bicicleta permanentemente no suporte e, com sorte, não movê-la com frequência. Idealmente, as pessoas poderiam gerar eletricidade enquanto realizam várias atividades improdutivas e que consomem muita energia, como assistir televisão. Isso não apenas proporcionaria exercício ao espectador e forneceria eletricidade gratuita, mas também poderia dissuadir as pessoas (especialmente as crianças) dessa atividade que entorpece o cérebro.
O custo foi um fator importante na construção deste projeto. Havia certos itens caros necessários para a construção — gastei mais de US$ 300 — embora o total fosse razoável para o que foi realizado. O aspecto mais caro do projeto foi a fixação da roda de fricção personalizada ao eixo do gerador. Isso totalizou US$ 90, com apenas cerca de US$ 10 destinados às peças. Se alguém tivesse acesso a um torno e habilidades básicas de fabricação, poderia economizar quase um terço das despesas totais. Outro item inevitável foi a bateria, que custou cerca de US$ 60. Como mencionado anteriormente, o gerador foi encomendado de uma empresa especializada em equipamentos mecânicos baratos. A maioria dos geradores equivalentes que localizei na internet custava entre US$ 200 e US$ 350. Adquiri o gerador de ímã permanente CC de 900 RPM por apenas US$ 45, mais US$ 6 adicionais para envio. Nem preciso dizer que essa foi a maior economia do projeto.
Outros custos substanciais incluíram o inversor (US$ 40), o medidor de voltagem (US$ 21), o diodo (US$ 12), o regulador (US$ 13) e outras peças diversas (US$ 20 — fios, conectores, vários parafusos e vários itens pequenos que não usei). O único corte real que eu poderia ter feito com esses itens teria sido encontrar um aparelho quebrado que continha um medidor de voltagem e adaptá-lo ao meu projeto. Mas o medidor só foi obtido quando o prazo do projeto se aproximava, e gastar dinheiro parecia mais fácil e menos valioso do que meu tempo e energia. Da mesma forma, o diodo obtido não era o ideal para o projeto. A falta de acessibilidade (e o fato de eu já ter comprado dois diodos baratos, mas errados) me ajudou a justificar a despesa extra. Como mencionado anteriormente, o suporte da bicicleta foi adquirido gratuitamente. Depois do gerador, essa foi a segunda maior economia, já que modelos semelhantes que vi custaram mais de cem dólares. Todo o metal usado era sucata e gratuito.
Inicialmente, ponderei sobre o uso de bateria, pois elas contêm produtos químicos perigosos e diversos materiais não biodegradáveis. E, se a ideia geral do projeto era criar algo apropriado, tive que considerar se sua função o justificava. Além de ser capaz de armazenar quantidades impressionantes de energia por longos períodos, a bateria neste sistema também funciona como um regulador. Se eu fosse usar a energia produzida pelo gerador diretamente para um dispositivo elétrico, seria extremamente difícil manter uma saída uniforme. Além disso, seria necessário pedalar constantemente, caso contrário, o dispositivo em uso se desligaria.
Uma opção para substituir a bateria seria criar um dispositivo alimentado mecanicamente. Há pontos positivos e negativos neste projeto. O benefício é que, à medida que a energia muda de forma, parte dela é dispersa e, portanto, menos disponível para realizar trabalho. Quando um ser humano move uma bicicleta, sua energia química é convertida em energia mecânica. Esta é geralmente uma transferência bastante eficiente, mas ainda há energia sendo perdida em calor, luz e som (mas principalmente calor). A maior desvantagem de projetar um sistema alimentado mecanicamente é que ele provavelmente seria limitado a uma função (alimentar um liquidificador, transportar uma pessoa, fazer sorvete, etc.). Embora haja energia adicional perdida entre a conversão de energia mecânica para elétrica (que também é uma conversão menos eficiente), o produto permite uma gama muito mais ampla de funções. Portanto, a bateria era justificável porque permitia o armazenamento a longo prazo de uma fonte de energia extremamente universal e prática.
Algo que precisa ser considerado em qualquer projeto é a manutenção a longo prazo do produto. No sistema que construí, existem várias peças móveis e áreas que sofrem mais estresse do que outras. Dito isso, a manutenção deve se limitar a manter porcas, parafusos e porcas bem apertados, além de manter os rolamentos do gerador lubrificados. A estrutura é em grande parte de aço sólido e não ficará exposta aos elementos. A maioria dos fios está localizada em locais onde não podem ser danificados facilmente. Os fusíveis podem precisar ser substituídos se muita corrente for produzida a qualquer momento.
Vale ressaltar que Bart Orlando foi muito prestativo no desenvolvimento do projeto da roda de fricção e das especificações apropriadas para o sistema. Eu tinha experiência de fabricação e conhecimento elétrico extremamente limitados antes deste projeto. E, embora inicialmente eu estivesse apreensivo em usar Bart como recurso (ele pode ser abrasivo e difícil de trabalhar), ele foi prestativo e mais do que disposto a compartilhar seu conhecimento. Algo a se ter em mente ao tentar obter o tempo e a energia de Bart é fornecer-lhe alimentos para seu cozimento solar. Para obter ajuda adicional (além de pedir sua opinião), ele exige pagamento em alimentos, o que é bem mínimo em comparação com o recurso que ele fornece.
Conclusões
Este projeto foi extremamente desafiador, consumindo enormes quantidades de tempo, energia e recursos. No entanto, o conhecimento e a experiência adquiridos foram extremamente valiosos e me deram confiança para participar de projetos de fabricação e elétricos mais complexos. É importante em projetos como este estar disposto a cometer erros e a lidar com os contratempos com naturalidade. A maioria dos aspectos da construção levou mais tempo do que o inicialmente previsto, e parece que sempre há etapas adicionais que podem ser tomadas para melhorar o sistema. Sei que da próxima vez estarei menos paralisado pela enormidade do projeto e terei uma melhor compreensão de quais etapas devem ser tomadas para projetar e construir um sistema complexo.
Pretendo usar este projeto para ouvir música em locais sem eletricidade (seja em tocadores de CD ou amplificadores), carregar baterias, meu iPod e dissuadir meu colega de quarto de assistir tanta televisão. Além disso, permitirá a entrada de luz e o acesso a vários aparelhos quando houver falta de energia. Espero que seja uma ferramenta valiosa por todos esses motivos e justifique meu tempo e dinheiro.
Notas
Declaração do artista:
- Por Rowan Steele
- ENGR305 Tecnologia Apropriada
- 05/05/05
Este projeto é semelhante ao gerador de energia de pedal de Steven Vromman
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