Кручение педалей на современном стационарном велосипеде для производства электричества может быть отличным занятием, но во многих случаях оно не является устойчивым. В то время как люди - довольно неэффективные двигатели, превращающие еду в работу, мы не хотим решать эту проблему; люди должны двигаться, чтобы оставаться здоровыми, поэтому мы могли бы использовать эту энергию для работы машин. Проблема заключается в том, что существующий подход к мощности педалей приводит к крайне неэффективным машинам.

Существует два способа питания устройства с помощью педалей. Вы можете подключить его напрямую через механическое соединение - как это было в случае с все педальные машины для продажи на рубеже 20-го века , Или вы можете крутить педали для выработки электроэнергии, которая затем используется для питания устройства. В 1970-х годах большинство исследований было направлено на прямую механическую передачу энергии , Сегодня интерес к машинам с педальным приводом почти исключительно нацелен на производство электроэнергии, например, для зарядки мобильных телефонов и ноутбуков - продуктов, которых даже не было в 1970-х годах.

За одним исключением ( Fender Blender машина с педальным приводом для изготовления смузи), единственное оборудование с педальным приводом, которое в настоящее время коммерчески доступно в западном мире (предлагается Windstream , Технология конвергенции а также Великолепная революция ) - подставки для вашего велосипеда, подключенные к электрическому двигателю / генератору и аккумулятору - комбинация, которая может быстро превратить ваш обычный дорожный велосипед в генератор электричества. Это также машины с педальным приводом, которые используются для образовательных и художественных проектов, таких как подача питания Концерт музыки , кино проекция или суперкомпьютер , или же учить детей разница в использовании энергии, например, между лампой накаливания и энергосберегающей лампой.

Стремясь повысить осведомленность об использовании энергии и глобальном потеплении, Би-би-си даже сделала телевизионную программу, в которой вся семья была подключена через эти генераторы , с 80 велосипедистами, вырабатывающими до 14 кВт. Эти многопользовательские педальные генераторы были впервые в 1970-х годах Кампус Центр подходящих технологий (CCAT).

Производство электроэнергии очень неэффективно

Есть несколько проблем с современным подходом к мощности педалей. Прежде всего, важно знать, что выработка электроэнергии - далеко не самый эффективный способ подачи мощности на педаль из-за внутренних потерь энергии в батарее, системе управления батареей, других электронных компонентах и ​​двигателе / ​​генераторе.

Эти потери энергии быстро накапливаются: от 10 до 35 процентов в батарее, от 10 до 20 процентов в двигателе / ​​генераторе и от 5 до 15 процентов в преобразователе (который преобразует постоянный ток в переменный ток). (Источники: 1 / 2 / 3 ). Потеря энергии в регуляторе напряжения (или преобразователе постоянного тока в постоянный, который предотвращает взрыв батареи) составляет около 25 процентов (источники: 1 / 2 ).

Это означает, что общая потеря энергии в генераторе с питанием от педали будет составлять от 42 до 67,5 процента (пример расчета для максимальной потери: входная мощность 100 Вт = 80 Вт после 20% потерь в двигателе / ​​генераторе = 57,5 ​​Вт после потери энергии 25% в регуляторе напряжения = 37,5 Вт после 35% потерь в батарее = 32,5 Вт после 15% потерь в преобразователе = 32,5 Вт выход = КПД 32,5% или потери энергии 67,5%).

Кроме того, будут возникать дополнительные незначительные потери, когда батарея простаивает, и эффективность зарядки (также известная как «принятие заряда» или «кулоновская эффективность») батареи со временем будет ухудшаться. И чтобы завершить расчет, вы должны также включить потерю энергии в электрическом устройстве, которое вы приводите в действие (мы не будем делать это здесь).

Потеря энергии от 42 до 67,5% естественным образом означает, что для питания устройства (например, блендера) с помощью электричества требуется от 42 до 67,5% больше усилий или времени по сравнению с механическим питанием этого устройства. Это может считаться приемлемой потерей, если вы используете солнечные панели или ветряную турбину, подключенную к батарее в качестве источника энергии, но это становится довольно проблематичным, когда вам нужно доставить энергию самостоятельно.

Если вы производите 100 ватт мощности, и при преобразовании теряется от 42 до 67,5 процента, остается только 32,5–58 ватт для питания устройства. Если вы включаете одно и то же устройство механическим способом, вы получаете 100 ватт прямо на него. Таким образом, вам придется крутить педали в 2–3 раза сильнее или дольше, если вы решите сделать промежуточный шаг по выработке электричества и хранению его в батарее.

Традиционные велосипеды не были созданы для выработки стационарной энергии

Это не останавливается здесь. Вторая проблема, связанная с нынешним подходом к управлению педалями, заключается в том, что он использует традиционный велосипед на тренировочном стенде вместо машины с педальным приводом, созданной с нуля, как это было в конце 19-го века. Конечно, использование традиционного велосипеда имеет свои преимущества, но опять же следует понимать, что этот подход значительно менее эффективен.

Одной из причин является использование так называемого фрикционного привода - заднее велосипедное колесо воздействует на небольшой ролик двигателя / генератора. В то время как цепные и ременные приводы (используемые в машинах с педальным приводом конца 19-го века) имеют КПД до 98 процентов, фрикционный привод - только от 80 до 90 процентов (и изнашивается намного быстрее). Эта потеря энергии должна быть добавлена ​​к потерям эффективности от 42 до 67,5 процента, рассчитанным выше, которая возрастает до 48-73,5 процента. Низкое давление в шинах приведет к дальнейшему снижению эффективности.

Следует отметить, что в самом велосипеде также происходит потеря энергии: ваши педали не прикреплены к самому заднему колесу. Вы поворачиваете звездочку, которая вращает цепь, которая вращает звездочку, которая поворачивает заднее колесо. Таким образом, помимо потери эффективности фрикционного привода следует добавить потерю эффективности цепного привода (плюс потери энергии в переключателе, если он есть на вашем велосипеде).

Подсоединение велосипедной цепи непосредственно к генератору предотвратит потерю энергии фрикционного привода, но это означает, что вам придется адаптировать велосипед - разрушив всю концепцию современных коммерчески доступных педальных генераторов.

Гоночные велосипеды

Дополнительные потери энергии могут возникнуть при использовании дорожного велосипеда для выработки электроэнергии. Например, изображение, сопровождающее генератор Windstream, показывает гоночный велосипед. Это очень плохой выбор, потому что положение гонщика на гоночном велосипеде направлено на снижение сопротивления ветра. Испытания на эргометрах (стационарные велосипеды, используемые для измерения выходной мощности велосипедистов) показали, что педалирование в таком положении эффективно только на 80 процентов по сравнению с обычным вертикальным положением, что снова приводит к значительным потерям энергии.

На дороге положение гонщика на гоночном велосипеде выгодно из-за большой важности сопротивления воздуха. Однако на стационарной педалирующей машине это положение не имеет никаких преимуществ. Популярный горный велосипед в равной степени невыгоден из-за гофрированных шин, что, конечно, снижает эффективность фрикционного привода. Короче говоря, если использование дорожного велосипеда для выработки электричества имеет то преимущество, что вы можете использовать свой собственный велосипед, это не означает, что вы можете использовать только любой велосипед.

Маховик

Другим важным недостатком использования обычного дорожного велосипеда является отсутствие маховика - тяжелого диска из бетона, дерева или стали, который продолжает вырабатывать энергию после его приведения в движение. В машине с педальным приводом, созданной с нуля, как те, что использовались на рубеже 20-го века, маховик выполняет функцию заднего велосипедного колеса на тренировочном стенде (хотя маховик в основном расположен в передней части машины). Педальер приводит в действие маховик, а маховик приводит в действие машину (которая может быть механическим устройством или двигателем / генератором для выработки электроэнергии).

Почему маховик выгоден? Потому что есть важное различие между ездой на велосипеде по дороге и вращением педали на стационарной машине. Если мы вращаем педали, сила, воздействующая нашими ногами на педали, является непоследовательной. Он имеет пики каждые 180 градусов вращения коленчатого вала, и поскольку два коленчатых рычага расположены на 180 градусов не в фазе, это приводит к двум пикам мощности на оборот кривошипа. Аналогично, между верхним и нижним положением педалей есть мертвые зоны (чтобы быть точным, этот минимальный крутящий момент не равен нулю, а составляет около одной трети от максимального).

На велосипеде это неравномерное усилие мало влияет из-за инерции велосипеда и водителя. Но на станке с неподвижной педалью этот естественный ритм вращения педалей приводит к рывкам и дополнительным нагрузкам на детали.

Благодаря большой массе и скорости вращения маховик выравнивает разницу между пиками мощности и мертвыми точками. Выравнивание потребляемой мощности означает, что гонщик устает быстрее и, следовательно, может генерировать больше энергии. Очевидным недостатком маховика является то, что он тяжелый - от 10 до 80 кг для станков с неподвижным педальным приводом - и, следовательно, не совсем мобильный.

Производство электроэнергии не является экологически чистым

Производство электричества не только неэффективно, но и делает педаль менее устойчивой, менее надежной и более дорогой. Для начала, батареи должны быть изготовлены, и они должны регулярно заменяться. Это требует энергии, которая может полностью свести на нет экологическое преимущество мощности педалей.

В соответствии с эта исследовательская работа (pdf), воплощенная энергия свинцово-кислотной батареи мощностью 150 Вт / ч (такой, как та, что предлагается с генератором мощности педали Windstream) составляет не менее 37 500 Втч, что соответствует 250 полным зарядам батареи (больше источников: 1 / 2 ). Другими словами: если вы можете подавать 75 ватт энергии на аккумулятор, вам придется крутить педали в течение 500 часов, чтобы генерировать энергию, необходимую для производства аккумулятора. Поскольку ожидаемый срок службы свинцово-кислотного аккумулятора может составлять всего 300 циклов разрядки / зарядки (источники: 1 / 2 ), вы в основном крутите педали, чтобы произвести энергию, необходимую для производства батареи. Если вы также учитываете воплощенная энергия другой электроники и частей экологическое преимущество генератора, работающего от педали, подключенного к аккумулятору, становится довольно сомнительным. Это может стоить больше энергии, чем доставляет.

Конечно, также требуется энергия для производства машины с педальным приводом, которая не выполняет промежуточный шаг по выработке электроэнергии. Это беспокойство связано главным образом с производством стали, и довольно много. Коммерчески доступный блендер Fender, упомянутый ранее, весит 25 кг (55 фунтов).

Если сделано из переработанной стали, и с использованием эти цифры Чтобы рассчитать воплощенную энергию стали, это сводится к стоимости энергии, по меньшей мере, 41 625 Втч, что немного больше, чем батарея, необходимая для электрогенератора. Если используется свежеприготовленная сталь, воплощенная энергия составляет не менее 138 750 Втч (в 3,7 раза больше воплощенной энергии одной батареи). Однако эти машины могут прослужить не менее 100 лет (машины, работающие на педалях, сохранившиеся с конца 19-го века, все еще используются), в то время как аккумулятор генератора должен заменяться каждые несколько лет.

Если мы проигнорируем воплощенную энергию других частей, кроме батареи (как тренировочного стенда, так и электроники), и рассчитаем на 4 года ожидаемый срок службы батареи (довольно оптимистично), то для генератора с педальным питанием потребуется воплощенная энергия 937 500 Вт.ч. курс на 100 лет - на 6,7-22,5 больше, чем на механическую единицу. Кроме того, легко изготовить раму для машины с механической педалью из очищенных материалов, сводя воплощенную энергию почти к нулю, в то время как для аккумуляторов это невозможно. Не берите в голову, что кроме того, токсичность материалов - другая вещь, чтобы рассмотреть.

Производство электроэнергии менее надежно и дороже

Хотя машина с питанием от педали является наиболее надежным и устойчивым источником энергии, если вы механически приводите устройства в действие, это преимущество теряется, когда вы начинаете вырабатывать электроэнергию. Мало кто может изготовить батареи самостоятельно, поэтому вы по-прежнему зависите от регулярной поставки запасных батарей.

Кроме того, электронные компоненты машины (регулятор напряжения, двигатель / генератор, преобразователь) могут сломаться, и их нелегко изготовить или отремонтировать самостоятельно - в отличие от устаревших машин с педальным приводом, которые можно починить самостоятельно с помощью доступных материалов. , Механические машины с педальным приводом, как правило, даже легче ремонтировать и обслуживать, чем велосипеды.

Дополнительные компоненты также делают педальные генераторы более дорогими. Коммерчески доступные модели продаются за 700–1000 долл., Не включая необходимые замены батареи с течением времени. Даже если вы сделаете свой собственный генератор педалей, затраты возрастут. Книга 2008 года Дом, созданный человеком: выбор мышц над моторами ', у которой есть планы для нескольких видов машин с педальным приводом, оценивает затраты на генератор "сделай сам" примерно от 50 долларов (с использованием очищенных деталей) до 350 долларов (с использованием новых деталей), не включая подставку для велосипедов и сменные батареи. Другая источник оценивает стоимость в 600 долларов.

Машины с механической педалью в книге могут быть изготовлены за 10-50 долларов (стиральная машина дороже на 100 долларов), все включено. В то время как единственная коммерчески доступная на сегодняшний день машина с механической педалью также очень дорогая (блендер Fender продается за 1700 долларов), высокая стоимость почти полностью обусловлена ​​стальной рамой, которую, как уже упоминалось, можно легко заменить на старую раму. велотренажер или самодельный из мусорных материалов. Кроме того, нет никаких дополнительных затрат на замену батарей, и машина рассчитана на очень долгое время.

Продолжить чтение: Как сделать педаль эффективной и устойчивой?

Один из способов решения больших потерь энергии в педальных генераторах - это вообще не производить электричество и не приводить в действие механические устройства, когда это возможно. Другой способ - единственный способ для устройств, которые не могут получать питание через прямое механическое соединение, поскольку они не зависят от вращательного движения, - это сделать выработку электроэнергии более эффективной.

Это может быть сделано путем создания генератора с педальным приводом с нуля вместо использования дорожного велосипеда и / или путем отключения одного или нескольких электронных компонентов в цепи передачи мощности. Все подходы могут быть объединены, в результате чего получается педальный блок питания, который может приводить в действие множество механических устройств и сравнительно эффективно генерировать электроэнергию. Прочитайте больше ,

Крис Де Декер (под редакцией Шамиза Жубера)