Ідея проекту відносно проста. Підставка дозволяє задньому колесу велосипеда вільно обертатися (зазвичай використовується для тренувань у приміщенні) підтримує велосипед, який живить генератор. Вироблена енергія (фактично вона перетворюється) накопичується в акумуляторі та використовується на електричних пристроях відповідної напруги.
Матеріали
Ось список предметів, використаних для цього проекту:
- велосипед
- підставка для велотренажера
- Акумулятор 12 В, 60 А*год (глибокий цикл)
- Генератор постійного струму на 900 об/хв
- 3-дюймове колесо для скейтборду (діаметр)
- Регулятор Delco 12v
- блокуючий діод (45В, 35А)
- Інвертор 375 Вт
- Вбудовані запобіжники на 15 ампер (2x)
- Аналоговий вольтметр Monacore (зчитування 0-15 ампер)
- дріт калібру 10 (приблизно 15 футів)
- металобрухт
- стикові з'єднувачі
Дизайн
Малюнок 1: Схема компонентів генератора
Малюнок 1: Генератор із прикріпленим фрикційним колесом і монтажною пластиною
Малюнок 2: Розпірки, прикріплені болтом у верхньому кінці. 3-дюймовий сталевий лист був приварений над видимим болтом для збільшення міцності
Малюнок 3: Трохи розмите зображення генераторного блоку, прикріпленого до опор і встановленого на підставці для велосипеда. Зверніть увагу, що фрикційне колесо контактує з колесом велосипеда, але його можна повернути від нижньої точки повороту, дозволяючи зняти велосипед
Малюнок 4: Акумулятор, прикріплений до корпусу з інвертором, встановленим збоку
Малюнок 5: Вид акумуляторного блоку збоку
Малюнок 2: Схема системи. Зауважте, що між запобіжником від позитивного кінця генерації та діодом на тій же лінії буде регулятор напруги. Це дійсно має мати лише один запобіжник перед розривом дроту від клеми акумулятора
Мал. 6: Завершена система
Малюнок 7: вид крупним планом
Першим завданням цього проекту було розробити систему, яка відповідала б ціні, доступності, продуктивності та стійкості. Оскільки я ніколи не працював над проектом педального приводу, я проконсультувався з місцевим експертом Бартом Орландо, щоб допомогти з початковим дизайном. Я використав його пораду як шаблон, а потім адаптував дизайн відповідно до різноманітних обмежень та ідей щодо того, що, на мою думку, повинен надавати проект. Крім того, він мав хороші пропозиції щодо розміщення генератора з постійними магнітами відповідного розміру та в межах бюджету. Скориставшись його порадою, я знайшов і придбав недорогий реверсивний генератор постійного струму на 900 об/хв у компанії C and H Industrial Supply.
Велосипедну стійку для кімнатних велоспортів отримав безкоштовно від родича, який виїжджає до Peace Core. Цей предмет не тільки відривав заднє колесо від землі, але й забезпечував раму для роботи. Стійка була модифікована відповідно до проекту шляхом видалення заводського фрикційного колеса, дозволяючи місце для встановлення генератора, а також зменшуючи непотрібне тертя.
Коли генератор прибув, в Аркаті придбали колесо для скейтборду діаметром 3 дюйми. Колесо та генератор були доставлені місцевому машиністу — Gene's Machines — де колесо скейтборду було прикріплено до валу генератора (див. малюнок 1), щоб зробити нове фрикційне колесо. Це було зроблено шляхом розточування металевої оболонки на токарному верстаті, достатньої розміру, щоб вона могла поміститися на вал генератора. Оболонка була нарізана, що дозволяла болту пройти через колесо скейтборду, і була затягнута гумовою шайбою та болтом ¾ дюйма. Два настановні гвинти були просвердлені в оболонці під кутом дев’яносто градусів, щоб тиснути на вал генератора. Було важливо, щоб фрикційне колесо було справжнім і щоб воно було достатньо міцним, щоб сприймати крутний момент обертового колеса велосипеда.
Щоб встановити генератор, із купи брухту було взято сталевий лист розміром 7 1/4 x 3 3/4 дюйма. Щоб видалити іржу, використовували шліфувальну машину, а потім вирізали канавку розміром 1 x 3 дюйми посередині коротшої сторони. Це дозволило валу генератора ковзати врівень з металевим листом. Крім того, чотири отвори були просвердлені навколо канавки відповідно до кріпильних гвинтів на генераторі (див. Малюнок 1). Пізніше зайвий метал навколо генератора відшліфували для естетики та запобігання травмам.
Наступним кроком було взяти дві сталеві стійки 34 1/2 дюйма та зварити їх на відстані близько 3 дюймів одна від одної паралельно (Див. Малюнок 2). Оскільки я не маю досвіду роботи зі зварюванням, у цьому аспекті мені допоміг друг. Один кінець зварених стійок був прикріплений до велосипедної стійки, де було знято заводське фрикційне колесо. На іншому кінці був встановлений генератор. Щоб вирівняти шину велосипеда з колесом скейтборду, генератор був встановлений на зовнішній стороні правої стійки (якщо людина сидить на велосипеді), щоб генератор виробляв позитивний вихід. Це визначали за допомогою стандартного вольтметра. Стійки були натягнуті на підставку, але досить ослаблені, щоб обертатися. Ця здатність повертатися дозволяла генератору підтримувати контакт із заднім колесом будь-якого велосипеда, закріпленого на підставці (див. Малюнок 3).
Крім того, батарею 12 В, 60 А/год було придбано в Interstate Battery Systems, а інвертор — у Redwood Electronic Supply (обидва в Юриці). Ці два елементи були змонтовані разом і окремо від решти системи. Тонкий шматок нержавіючої сталі було вирізано за формою та пофарбовано розпилювачем, щоб розмістити батарею та встановити інвертор. Було просвердлено кілька отворів, щоб закріпити акумулятор шнурами банджі (див. Малюнки 4 і 5). Оскільки кріплення з нержавіючої сталі відносно тонке, а інвертор легкий, весь цей пристрій можна переносити за ручку акумулятора. Кільцеві з’єднувачі використовувалися для з’єднання генератора з позитивною та негативною клемами батареї, але їх можна легко від’єднати, знявши барашкові гайки, які утримують їх.
Електропроводка була наступним кроком після виготовлення придатної для використання конструкції. Запобіжник на 15 ампер відходить від позитивного кінця генератора, а за ним безпосередньо йде блокуючий діод. Потім ця лінія веде до плюсової клеми батареї та приєднується кільцевим роз’ємом. Лінія від негативної клеми містить датчик напруги, а потім повертається до негативної лінії генератора. Цей шнур має додаткову довжину, що дозволяє прикріпити датчик напруги до керма велосипеда за допомогою поворотних стяжок і зробити його видимим для користувача. Усі дроти 10-го калібру, за винятком кількох дюймів 14-го дроту від генератора та навколо запобіжників. Для з’єднання шматків дроту, відрізаних для додавання запобіжників і діода, використовувалися стикові з’єднувачі різного розміру. Додаткова проводка включала лінії від батареї до позитивної та негативної клем інвертора. На плюсовій лінії був зроблений розріз, щоб вставити запобіжник на 15 ампер. На інверторі є дві розетки змінного струму.
Крім того, в інтернеті був придбаний регулятор напруги, який незабаром буде отриманий. Він буде з’єднаний з позитивною лінією генератора між запобіжником і діодом.
Результати
Система генерації функціонує належним чином, оскільки механічна енергія перетворюється на електричну та зберігається в акумуляторі, але система не працюватиме ідеально, доки електричну енергію не обмежать 12 вольтами. Напруга в цій системі без регулятора вище, ніж 15 В на шкалі вольтметра. Не проводитиметься вимірювання того, скільки часу потрібно для повного заряджання батареї, поки в систему не буде інтегровано регулятор напруги. Коли генератор обертається на найвищій швидкості, може вироблятися близько 700 Вт. Такої швидкості та продуктивності надзвичайно важко досягти, і їх неможливо підтримувати довше кількох хвилин. 150 Вт є більш реалістичною продуктивністю для будь-якого тривалого періоду. Комфортний темп, який можна підтримувати протягом принаймні 20 хвилин, ймовірно, буде приблизно в діапазоні від 100 до 114 Вт.
Обговорення
На мою думку, сильна сторона конструкції полягає в тому, що генератор встановлений над колесом велосипеда. Це те, що дозволяє велосипедам бути взаємозамінними в системі та все ще ефективно виробляти електроенергію. Хоча це додає деяку вагу завдяки розпіркам, які тримають генераторний блок над колесом, це також знімає частину крутного моменту з валу генератора, оскільки фрикційне колесо трохи лежить. Крім того, опори створюють структуру для проходження проводів і розміщення запобіжника та діода. Регулятор напруги також буде встановлений на розпірці після його отримання.
Іншим бажаним аспектом дизайну була система генерації, яка могла б бути портативною та мати універсальне живлення. На жаль, вага системи частково обмежує портативність. Акумулятор становить значну частину цієї ваги — близько 60 фунтів — і не прикріплений до підставки для велосипеда, тому що одна людина майже не зможе рухатися. Генератор можна було б встановити в нижній частині підставки, щоб усунути непотрібну вагу, але, як згадувалося вище, це зменшило б інші корисні аспекти. Стійки, генератор і підставка для велосипеда важать близько 30 фунтів.
Хоча вага системи не дозволяє легко переносити пристрій пішки чи на велосипеді, його все одно зручно переміщувати на автомобілі. У складеному вигляді він досить компактний (див. Малюнок 7), а акумуляторний блок від’єднаний. Його було б легко помістити в багажник транспортного засобу та відвезти в парк чи кемпінг, якщо є велосипед.
Хоча будь-який велосипед може живити систему, є певні можливості велосипеда, які працюють з системою оптимально. Одним із важливих факторів є протектор шини. Велосипеди з легкими слідами мають кращий контакт із фрикційним колесом і зводять до мінімуму підстрибування. Це полегшує генерування більшої потужності, а також зменшує навантаження на систему. Так само, оскільки при обертанні генератора виникає надзвичайно низьке тертя, крутити педалі протягом тривалого часу може бути важко. Це можна порівняти з крутінням педалей на рівній поверхні на другій або третій передачах, оскільки для проходження невеликої відстані потрібно багато обертів. Щоб компенсувати це, корисно мати низькі передачі. Я вважаю, що потрібно було б сконструювати спеціальну зірочку, щоб отримати достатньо низьку передачу для оптимального комфорту педалювання.
Третім корисним аспектом є наявність великої задньої шини. Чим більша шина, тим швидше генератор обертатиметься при будь-якому заданому вході. Такого ж результату можна досягти, зменшивши розмір фрикційного колеса на генераторі. Але в певний момент (який мені невідомий) між велосипедом і генератором стає занадто мало контакту для створення електрики (тобто вал не обертається). Велосипед, на якому я їжджу щодня (для якого спочатку була розроблена система), відповідає всім цим критеріям оптимальної ефективності, будучи 24-швидкісним гібридом із 26-дюймовими шинами майже без протектора. За винятком шосейного велосипеда високого класу, це, ймовірно, ідеальний велосипед для живлення системи.
Єдиним аспектом проекту, який не завершено на момент завершення цього документа, є включення регулятора напруги, який було замовлено. Це не було включено в початковий дизайн проекту, але є необхідним і буде додано. Відповідний регулятор напруги можна було виготовити, але час і відсутність моїх знань з електрики були обмежуючим фактором.
На мій погляд, найбільш практичним застосуванням цього типу педального генератора електроенергії було б, коли хтось живе поза мережею. Система може живити будь-який електричний пристрій близько 150 Вт протягом значного періоду. Крім того, можна крутити педалі під час використання даного пристрою та заряджати зі швидкістю, порівнянною з споживанням електроенергії. Якби було вільне місце, можна було б постійно встановити велосипед на підставці і, сподіваюся, не переміщати його часто. В ідеалі люди могли б виробляти електроенергію, виконуючи різні непродуктивні дії, які виснажують енергію, як-от перегляд телевізора. Це не лише дало б глядачеві можливість потренуватися та забезпечити безкоштовну електроенергію, але й могло б відмовити людей (особливо дітей) від діяльності, яка заглушає мозок.
Вартість була важливим фактором у будівництві цього проекту. Були певні дорогі предмети, які були необхідні для будівництва — я витратив понад 300 доларів, — хоча загальна сума була прийнятною для того, що було зроблено. Найдорожчим аспектом проекту було кріплення спеціального фрикційного колеса до валу генератора. Це склало 90 доларів, і лише близько 10 доларів пішло на запчастини. Якби хтось мав доступ до токарного верстата та базових навичок виготовлення, він міг би заощадити майже третину загальних витрат. Іншою неминучою річчю став акумулятор, який коштував близько 60 доларів. Як було сказано раніше, генератор був замовлений у компанії, яка спеціалізується на дешевому механічному обладнанні. Більшість еквівалентних генераторів, які я знайшов у мережі, коштували від 200 до 350 доларів США. Я придбав генератор постійного магніту на 900 обертів за хвилину за номінальною ціною 45 доларів США плюс додаткові 6 доларів на доставку. Зайве говорити, що це була найбільша економія в проекті.
Інші значні витрати включали інвертор (40 доларів), датчик напруги (21 долар), діод (12 доларів), регулятор (13 доларів) та інші різні деталі (20 доларів — дроти, з’єднувачі, кілька болтів та різні дрібниці, якими я не користувався). Єдиним реальним скороченням, яке я міг зробити з цими предметами, було б знайти зламаний прилад із датчиком напруги та адаптувати його до свого проекту. Але вимірювання не було отримано до наближення терміну виконання проекту, і витрачати гроші здавалося легшим і менш цінним, ніж мій час і енергія. Так само отриманий діод не був ідеальним для проекту. Відсутність доступності (і той факт, що я вже купив два дешеві, але не ті діоди) допомогли мені виправдати додаткові витрати. Як уже зазначалося, велостійку придбали безкоштовно. Після генератора це була друга найбільша економія, оскільки подібні моделі, які я бачив, коштують понад сто доларів. Весь використаний метал був брухтом і безкоштовним.
Спочатку я обговорював використання акумуляторів, оскільки вони містять небезпечні хімічні речовини та різні матеріали, які не піддаються біологічному розкладанню. І, якщо загальна ідея проекту полягала в тому, щоб зробити щось відповідне, я повинен був розглянути, чи його функція робить це виправданим. Крім того, що батарея в цій системі може зберігати неймовірну кількість енергії протягом тривалого часу, вона також працює як регулятор. Якби я передав енергію, вироблену від генератора, безпосередньо на електричний пристрій, було б надзвичайно важко підтримувати рівномірний вихід. Крім того, потрібно буде постійно крутити педалі, інакше пристрій, що використовується, вимкнеться.
Одним із варіантів заміни батареї було б створення пристрою з механічним живленням. У цій конструкції є як плюси, так і мінуси. Перевага полягає в тому, що коли енергія змінює форму, частина її розсіюється, і тому стає менш доступною для виконання роботи. Коли людина запускає велосипед, її хімічна енергія перетворюється на механічну. Зазвичай це досить ефективна передача, але все одно енергія втрачається на тепло, світло та звук (але переважно тепло). Найбільшим недоліком розробки системи з механічним приводом є те, що вона, ймовірно, буде обмежена однією функцією (живлення блендера, транспортування людини, приготування морозива тощо). Хоча існує додаткова втрата енергії між перетворенням механічної енергії в електричну (що також є менш ефективним перетворенням), продукт забезпечує набагато ширший діапазон функцій. Тому батарея була виправданою, оскільки вона дозволяла довгостроково зберігати надзвичайно універсальне та практичне джерело енергії.
У будь-якому проекті необхідно враховувати довгострокове обслуговування продукту. У системі, яку я створив, є різні рухомі частини та зони, які відчувають більше навантаження, ніж інші. Зважаючи на це, технічне обслуговування повинно обмежуватися підтриманням щільно затягнутих гайок, болтів і гвинтів, а також підтримувати змащення підшипників генератора. Конструкція здебільшого виготовлена з міцної сталі, тому вона не буде піддаватися впливу стихії. Більшість проводів розташовані в місцях, де їх важко пошкодити. Запобіжники можуть знадобитися замінити, якщо в будь-який час виробляється занадто великий струм.
Варто зазначити, що Барт Орландо дуже допоміг у розробці конструкції фрикційного колеса та відповідних характеристик для системи. У мене був надзвичайно обмежений досвід виготовлення та дуже обмежені знання з електрики до цього проекту. І хоча я спочатку побоювався використовувати Барта як ресурс (він може бути абразивним і з ним важко працювати), він був корисним і більш ніж готовий поділитися своїми знаннями. Про те, про що слід пам’ятати, намагаючись отримати час і енергію Барта, це забезпечити його продуктами для приготування їжі на сонячних батареях. За додаткову допомогу (крім думок) він насправді вимагає оплату їжею, що є досить мінімальним у порівнянні з ресурсом, який він надає.
Висновки
Цей проект був надзвичайно складним, забирав величезну кількість часу, енергії та ресурсів. Однак отримані знання та досвід були надзвичайно цінними та додали мені впевненості в тому, щоб брати участь у більш складних проектах з виробництва та електрики. У таких проектах важливо бути готовим до помилок і спокійно сприймати невдачі. Більшість аспектів будівництва зайняло більше часу, ніж спочатку очікувалося, і здається, що завжди є додаткові кроки, які можна зробити, щоб покращити систему. Я знаю, що наступного разу я буду менше паралізований грандіозністю проекту і краще розумію, які кроки слід зробити для проектування та створення складної системи.
Я планую використовувати цей проект для живлення музики в місцях без електрики (на програвачах компакт-дисків чи підсилювачах), заряджати батареї, свій ipod і відмовляти свого сусіда по кімнаті дивитися стільки телевізора. Крім того, це забезпечить освітлення та доступ до різноманітних приладів у разі відключення електроенергії. Сподіваюся, це буде цінним інструментом з усіх цих причин і виправдає мій час і витрати.
Примітки
Заява художника:
- Роуен Стіл
- ENGR305 Відповідна технологія
- 05.05.05
Цей проект схожий на педальний генератор енергії Стівена Вроммана
Перегляньте цю сторінку суахілі на сайті Jenereta la nguvu ya pedali la Rowan