Бесплатная энергия своими ногами: руководство, как собрать и применять педальный генератор

Это отличное решение для аварийного питания в случае отключений света, экономии на счетах за энергию и просто для увлекательного проекта, сделанного своими руками. Фокус перевел статью инженера-самоучки в области электроники с псевдонимом TK Hareendran, опубликованную на сайте EDN, о том, как собрать собственный педальный генератор.

Педальные генераторы, также известные как педальные генераторы мощности, преобразуют кинетическую энергию человека в полезную электрическую энергию посредством простого электромеханического процесса. Когда пользователь крутит педали, вращающийся вал приводит в действие генератор постоянного тока или генератор переменного тока, вырабатывая напряжение, пропорциональное скорости и крутящему моменту. Для сглаживания колебаний может быть встроен маховик, а выпрямитель и регулятор напряжения обеспечивают стабильную выходную мощность для зарядки аккумуляторов или питания устройств.

Ниже представлена схема простого генератора с педальным приводом, построенного на основе стандартной велосипедной динамо-машины (бутылочной динамо). Он вырабатывает электроэнергию, когда вы крутите педали, используя как ноги, так и руки, и может использоваться для зарядки небольших аккумуляторов или питания портативной электроники.

Стоит отметить, что был проведен быстрый тест с использованием светодиода L-7113ID-5V в качестве контрольной лампы при минимальной нагрузке. Хотя общая эффективность варьируется в зависимости от нагрузки и частоты вращения педалей, система обеспечивает наглядную демонстрацию преобразования энергии, идеально подходящую для образовательных целей.

Скорее всего, вы уже заметили, что двигатель постоянного тока может также работать как генератор, и что двигатели постоянного тока, специально разработанные для этой цели, теперь легко доступны. Ниже представлена немного улучшенная версия педального генератора, построенного на основе компактного трехфазного бесщеточного двигателя постоянного тока (BLDC).

Небольшое замечание: если вы используете линейный стабилизатор, небольшое падение прямого напряжения на диоде Шоттки (обычно всего несколько десятых вольта) не особо влияет на эффективность. Это связано с тем, что сам стабилизатор падает на управляющем элементе гораздо больше напряжения. Это имеет значение, когда вы работаете с LDO-стабилизатором (low dropout), стремясь поддерживать выходное напряжение максимально близким к входному постоянному току. В этом случае каждая мелочь имеет значение.

Также стоит отметить, что доступные трехфазные микрогенераторы переменного тока могут служить достойной заменой, если они соответствуют характеристикам вашей системы. Типичным примером является трехфазный бесщеточный генератор переменного тока CrocSee Micro (рис. 4).

Если говорить точнее, мощности педалей недостаточно для питания всего дома, но она может быть удивительно полезной. Вы можете вырабатывать электроэнергию для питания небольших устройств и зарядки аккумуляторов, не прерывая их использования. Генераторы с педальным приводом также могут работать в паре с другими возобновляемыми источниками энергии, например, солнечной энергией, создавая более универсальную и экологичную систему.

Кстати, велогенератор с педальным приводом (велогенератор) — это практичное решение, которое одновременно служит источником энергии и тренажером для домашнего использования. Существует множество способов собрать бытовой велогенератор, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. К счастью, даже имея базовые инструменты и навыки, собрать работающий велогенератор довольно просто.

Имейте в виду, что маховик может быть критически важным компонентом этой системы, поскольку динамика вращения педалей на велотренажере существенно отличается от динамики езды по шоссе. Маховик помогает смягчить механические воздействия, делая процесс преобразования энергии более равномерным.

Для преобразования этой механической энергии в электричество коллекторный двигатель (двигатель постоянного тока с постоянными магнитами) отлично подходит в качестве генератора, обеспечивая надежную работу и простоту. В качестве альтернативы можно использовать велосипедную динамо-втулку вместо коллекторного двигателя, но это требует определенных навыков.

Поскольку маховик способствует поддержанию относительно стабильного выходного напряжения, часто оказывается возможным подключать некоторые приборы непосредственно к генератору, особенно те, которые выдерживают нерегулируемое напряжение. Однако электронные устройства и аккумуляторы более чувствительны к колебаниям напряжения. Без надлежащей регулировки они могут работать со сбоями или выйти из строя, поэтому регулятор напряжения или контроллер становится критически важным элементом системы.

Для педального генератора постоянного тока, такого как рассматриваемый здесь велосипедный генератор, более подходящим выбором является шунтовый регулятор. Его способность ограничивать избыточное напряжение и безопасно рассеивать избыточную энергию обеспечивает критически важный уровень защиты, который последовательный регулятор просто не может обеспечить. Учитывая изменчивый и зачастую непредсказуемый характер работы генераторов, работающих на энергии человека, перенапряжение представляет собой серьезную проблему, и шунтовый регулятор специально разработан для предотвращения этого риска.

Хотя последовательный регулятор может обеспечивать несколько более высокую эффективность при полной нагрузке, его неспособность справляться с пиками напряжения и надежно работать без постоянной нагрузки делает его менее подходящим для подобных схем. В отличие от него, шунтовый регулятор обеспечивает стабильную работу и надежную защиту от перезаряда, что делает его более безопасным и практичным вариантом для простой системы педального генератора.

Кроме того, в некоторых низковольтных и слаботочных системах, использующих кинетические источники энергии, модули частотно-импульсной модуляции (ЧИМ) могут эффективно управлять как накоплением, так и выдачей энергии. Эти модули особенно полезны в условиях нерегулярного или минимального поступления энергии, помогая оптимизировать производительность компактных или прерывистых установок.

Многие, кто работает с двигателями, могут быть удивлены, узнав, что как коллекторные, так и бесколлекторные двигатели постоянного тока могут работать как генераторы. Коллекторный двигатель постоянного тока — отличный выбор, когда вам нужно постоянное напряжение на выходе, в то время как бесколлекторный двигатель постоянного тока лучше подходит для генерации переменного тока. Если вы используете бесколлекторный двигатель постоянного тока для получения постоянного тока на выходе, вам понадобится выпрямительная схема. С другой стороны, если вы хотите получить переменный ток из коллекторного двигателя постоянного тока, вам понадобится электроника для преобразования постоянного тока в переменный.

Более того, часто предполагается, что коллекторный двигатель постоянного тока, работающий в режиме генератора, гораздо менее эффективен, чем когда он работает на нагрузку как двигатель. Но при правильном выборе двигателя, согласовании нагрузки и рабочей скорости можно добиться удивительно высокой эффективности. Просто обязательно учитывайте как электрические, так и механические факторы при выборе условий эксплуатации.

Ниже представлена упрощенная системная схема практичного педального генератора энергии.

Основной принцип прост: исходное входное напряжение (ВН) непрерывно контролируется и сравнивается со стабильным опорным напряжением (ОН). Когда ВН превышает ОН, силовой МОП-транзистор активирует демпферную нагрузку, которая должна быть способна безопасно рассеивать избыточную энергию.

Напротив, когда ВН падает ниже опорного значения, демпфирующая нагрузка отключается. Чтобы предотвратить быстрое переключение вблизи порогового значения, рекомендуется включить в схему компаратора небольшой гистерезис.

Теперь дело за вами: изучите, поэкспериментируйте и воплотите свою версию в жизнь. Продолжайте крутить педали!