Безкоштовна енергія своїми ногами: керівництво, як зібрати і користуватися педальним генератором

Це чудове рішення для аварійного живлення в разі відключень світла, економії на рахунках за енергію і просто для захопливого проєкту, зробленого своїми руками. Фокус переклав статтю інженера-самоучки в галузі електроніки з псевдонімом TK Hareendran, опубліковану на сайті EDN, про те, як зібрати власний педальний генератор.

Педальні генератори, також відомі як педальні генератори потужності, перетворюють кінетичну енергію людини в корисну електричну енергію за допомогою простого електромеханічного процесу. Коли користувач крутить педалі, вал, що обертається, приводить у дію генератор постійного струму або генератор змінного струму, виробляючи напругу, пропорційну швидкості та крутному моменту. Для згладжування коливань може бути вбудований маховик, а випрямляч і регулятор напруги забезпечують стабільну вихідну потужність для зарядки акумуляторів або живлення пристроїв.

Нижче наведено схему простого генератора з педальним приводом, побудованого на основі стандартної велосипедної динамо-машини (пляшкової динамо). Він виробляє електроенергію, коли ви крутите педалі, використовуючи як ноги, так і руки, і може використовуватися для зарядки невеликих акумуляторів або живлення портативної електроніки.

Варто зазначити, що було проведено швидкий тест з використанням світлодіода L-7113ID-5V як контрольної лампи за мінімального навантаження. Хоча загальна ефективність варіюється залежно від навантаження і частоти обертання педалей, система забезпечує наочну демонстрацію перетворення енергії, що ідеально підходить для освітніх цілей.

Швидше за все, ви вже помітили, що двигун постійного струму може також працювати як генератор, і що двигуни постійного струму, спеціально розроблені для цієї мети, тепер легко доступні. Нижче представлено трохи поліпшену версію педального генератора, побудованого на основі компактного трифазного безщіткового двигуна постійного струму (BLDC).

Невелике зауваження: якщо ви використовуєте лінійний стабілізатор, невелике падіння прямої напруги на діоді Шотткі (зазвичай лише кілька десятих вольта) не особливо впливає на ефективність. Це пов'язано з тим, що сам стабілізатор падає на керуючому елементі набагато більше напруги. Це має значення, коли ви працюєте з LDO-стабілізатором (low dropout), прагнучи підтримувати вихідну напругу максимально близькою до вхідного постійного струму. У цьому випадку кожна дрібниця має значення.

Також варто зазначити, що доступні трифазні мікрогенератори змінного струму можуть слугувати гідною заміною, якщо вони відповідають характеристикам вашої системи. Типовим прикладом є трифазний безщітковий генератор змінного струму CrocSee Micro (рис. 4).

Якщо говорити точніше, потужності педалей недостатньо для живлення всього будинку, але вона може бути напрочуд корисною. Ви можете виробляти електроенергію для живлення невеликих пристроїв і зарядки акумуляторів, не перериваючи їх використання. Генератори з педальним приводом також можуть працювати в парі з іншими поновлюваними джерелами енергії, наприклад, сонячною енергією, створюючи більш універсальну та екологічну систему.

До речі, велогенератор з педальним приводом (велогенератор) — це практичне рішення, яке одночасно служить джерелом енергії і тренажером для домашнього використання. Існує безліч способів зібрати побутовий велогенератор, кожен з яких має свої переваги та недоліки. На щастя, навіть маючи базові інструменти та навички, зібрати велогенератор, що працює, досить просто.

Майте на увазі, що маховик може бути критично важливим компонентом цієї системи, оскільки динаміка обертання педалей на велотренажері істотно відрізняється від динаміки їзди по шосе. Маховик допомагає пом'якшити механічні впливи, роблячи процес перетворення енергії більш рівномірним.

Для перетворення цієї механічної енергії в електрику колекторний двигун (двигун постійного струму з постійними магнітами) чудово підходить як генератор, забезпечуючи надійну роботу і простоту. Як альтернативу можна використовувати велосипедну динамо-втулку замість колекторного двигуна, але це вимагає певних навичок.

Оскільки маховик сприяє підтримці відносно стабільної вихідної напруги, часто виявляється можливим під'єднувати деякі прилади безпосередньо до генератора, особливо ті, які витримують нерегульовану напругу. Однак електронні пристрої та акумулятори більш чутливі до коливань напруги. Без належного регулювання вони можуть працювати зі збоями або вийти з ладу, тому регулятор напруги або контролер стає критично важливим елементом системи.

Для педального генератора постійного струму, такого як розглянутий тут велосипедний генератор, більш відповідним вибором є шунтовий регулятор. Його здатність обмежувати надлишкову напругу і безпечно розсіювати надлишкову енергію забезпечує критично важливий рівень захисту, який послідовний регулятор просто не може забезпечити. З огляду на мінливий і часто непередбачуваний характер роботи генераторів, що працюють на енергії людини, перенапруга є серйозною проблемою, і шунтовий регулятор спеціально розроблено для запобігання цьому ризику.

Хоча послідовний регулятор може забезпечувати дещо вищу ефективність при повному навантаженні, його нездатність справлятися з піками напруги і надійно працювати без постійного навантаження робить його менш придатним для подібних схем. На відміну від нього, шунтовий регулятор забезпечує стабільну роботу і надійний захист від перезаряду, що робить його більш безпечним і практичним варіантом для простої системи педального генератора.

Крім того, в деяких низьковольтних і слабкострумових системах, що використовують кінетичні джерела енергії, модулі частотно-імпульсної модуляції (ЧІМ) можуть ефективно керувати як накопиченням, так і видачею енергії. Ці модулі особливо корисні в умовах нерегулярного або мінімального надходження енергії, допомагаючи оптимізувати продуктивність компактних або переривчастих установок.

Багато хто, хто працює з двигунами, може бути здивований, дізнавшись, що як колекторні, так і безколекторні двигуни постійного струму можуть працювати як генератори. Колекторний двигун постійного струму — чудовий вибір, коли вам потрібна постійна напруга на виході, тоді як безколекторний двигун постійного струму краще підходить для генерації змінного струму. Якщо ви використовуєте безколекторний двигун постійного струму для отримання постійного струму на виході, вам знадобиться випрямна схема. З іншого боку, якщо ви хочете отримати змінний струм з колекторного двигуна постійного струму, вам знадобиться електроніка для перетворення постійного струму в змінний.

Ба більше, часто припускають, що колекторний двигун постійного струму, що працює в режимі генератора, набагато менш ефективний, ніж коли він працює на навантаження як двигун. Але за правильного вибору двигуна, узгодження навантаження і робочої швидкості можна домогтися напрочуд високої ефективності. Просто обов'язково враховуйте як електричні, так і механічні чинники під час вибору умов експлуатації.

Нижче представлено спрощену системну схему практичного педального генератора енергії.

Основний принцип простий: вихідна вхідна напруга (ВН) безперервно контролюється і порівнюється зі стабільною опорною напругою (ОН). Коли ВН перевищує ОН, силовий МОП-транзистор активує демпферне навантаження, яке має бути здатним безпечно розсіювати надлишкову енергію.

Навпаки, коли ВН падає нижче за опорне значення, демпфувальне навантаження відключається. Щоб запобігти швидкому перемиканню поблизу порогового значення, рекомендується включити в схему компаратора невеликий гістерезис.

Тепер справа за вами: вивчіть, поекспериментуйте і втіліть свою версію в життя. Продовжуйте крутити педалі!

Раніше писали про незвичайні генератори електроенергії, що працюють на воді. Деякі з них уже дають змогу виробляти струм у домашніх умовах.