¿Puedo alimentar a pedales un dispositivo portátil mientras se utiliza?

Question

Quiero investigar lo fácil que sería utilizar un portátil pequeño dispositivo mientras se impulsa pedaleando en un marco inmóvil. (Por ejemplo, usar una tableta en una bicicleta estática, o utilizar un netbook mientras se pedalea en un escritorio).

Ya sé que es posible hacer funcionar un portátil a pedales, porque he encontrado varios ejemplos de ello. [1] [2] Ahora quiero construir una configuración de este tipo para mi estudio académico . Necesito confirmar exactamente lo que necesito antes de comprar el equipo. No tengo formación en ingeniería eléctrica Así que, aunque tengo muchos números, no sé qué tengo que calcular o tener en cuenta para elegir una opción viable.

POSIBLES DISPOSITIVOS DE DESTINO:

1. netbook: entrada del adaptador: 100-240V 1,7A, salida: 19 V 65 W [3,4 A].
2. tableta: entrada del adaptador: 100-240V 0,45A, salida: 5,1 V 2,1 A [10,7 W].
3. smartphone: 3.7V 4.44WH (toda la información que tengo)

POSIBLES ARQUITECTURAS: Aparte de la disposición de los asientos (bicicleta, bicicleta reclinada, pupitre), parece que hay varias opciones para conectar el equipo:

1. rueda > dinamo de bicicleta > regulador > dispositivo (¿suficientemente potente para la tableta o el netbook?)
2. pedales > generador CC > convertidor CC-CC > regulador > dispositivo
3. pedales > generador de CC > regulador de carga > batería (por ejemplo, de plomo) > inversor > dispositivo [3]

Datos adicionales:

• Un adulto puede generar entre 50 y 150 W en el transcurso de una hora de pedaleo extenuante. Quiero que mis usuarios pedaleen cómodamente y no de forma extenuante.
• Cualquier dispositivo tendrá su propia batería, así que ¿podría eliminar la necesidad de tener una batería en la configuración?
• ¿Es mala idea conectar el aparato directamente al regulador para evitar utilizar el adaptador propio del aparato?

PREGUNTA

Estoy muy confundido sobre un camino a seguir en este momento (aunque parezca que no). Lo que estoy en busca de sobre todo en respuestas es claridad y definitividad .

De estas combinaciones de dispositivos (1-3) y arquitecturas (1-3), ¿cuál funcionará definitivamente?

Qué combinaciones debería tachar de la lista ya que categóricamente no lo hará?

En dinamo arquitectura me parece bien porque parece más fácil/barato de enganchar - ¿es capaz de alimentar todos estos dispositivos, ¿incluso el netbook?

Answer 1

Antecedentes: Solía diseñar controladores para máquinas de ejercicio. La máquina accionaba un alternador trifásico y se aplicaba una carga resistiva para adaptarse a diversos criterios.

He llevado a cabo pruebas de carga con el fin específico de establecer cuánta energía pueden producir fácilmente los usuarios durante un periodo prolongado para alimentar equipos electrónicos o cargar baterías.

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Considere que una persona con una forma física moderada es aquella que puede caminar a paso ligero por una superficie plana durante una hora y estar cansada, pero no completamente agotada, es decir, que no tiene unas capacidades atléticas extraordinarias y ni siquiera está "extremadamente en forma", pero está muy por encima de la forma física de un "teleadicto".

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Utilizando un alternador de buena calidad, un usuario moderadamente en forma puede suministrar 50 vatios medios durante una hora. Se trata de un nivel en el que definitivamente se sabe que se está haciendo ejercicio, pero sería soportable para muchos.

El mismo usuario moderadamente en forma podría suministrar 100 vatios durante una hora y estar extremadamente cansado.

si su objetivo fuera una tarea de alimentación frecuente, 50 vatios serían muy preferibles a 100 vatios.

Lo anterior supone un sistema de buena calidad y eficiencia razonable. Lo ideal es que tenga un "cogging" o saliencia mínimos, es decir, que no se produzcan sacudidas a baja velocidad al acercarse y alejarse los imanes de las bobinas. Algunos sistemas utilizan generadores con importantes relaciones de transmisión por cadena. Podrían ser razonables, pero no suelen serlo. La transmisión por correa a un alternador de baja saliencia puede funcionar bien.

Tenga en cuenta que las afirmaciones que se hacen en el sitio web proporcionado tienden a contradecirse. Yo estimaría que la potencia media mostrada en ese gráfico oscila entre 60 y 70 vatios. Su gráfico:

Pero, dicen:

• NOTA: Una persona que hace ejercicio a diario puede llegar a producir entre 200 y 300 vatios de potencia.

  Los que no están en tan buena forma pueden producir entre 80 y 100 vatios de potencia, como se muestra en el gráfico anterior de una hora de entrenamiento.

  Y por último, un ciclista de competición puede llegar a los 500 vatios.

La afirmación de 200-300 vatios es cierta, pero es muy exigente.
500 vatios + también es cierto para los mejores atletas de élite.

Mucho más en determinados casos, como
Gossamer Albatross: primer vuelo tripulado a través del Canal de la Mancha 12 de junio de 1979. . !!! :-).
Unos 300 vatios continuos en aire en calma y sin turbulencias. "Aumenta rápidamente" con turbulencias.
Otro día en la oficina para Bryan Allen . ( trabajo diurno ) -

Puedo hacer 500 vatios durante unos 10 segundos, después de los cuales mis piernas se vuelven gelatinosas y estoy completamente agotada.

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Tus 3 opciones no parecen tan diferentes como para importar:

• rueda > dinamo de bicicleta > regulador > dispositivo (¿suficientemente potente para la tableta o el netbook?)
• pedales > generador CC > convertidor CC-CC > regulador > dispositivo
• pedales > generador de CC > regulador de carga > batería (por ejemplo, de plomo) > inversor > dispositivo 2

Cualquiera de ellos puede funcionar bien o ser terrible si está mal diseñado.

No está claro a qué te refieres con ruedas / pedales.
La alimentación desde la llanta de una rueda, como se muestra, puede funcionar bien, y puede ser lo que usted entiende por "rueda". El objetivo principal es que haya pocas pérdidas y que no se produzcan sacudidas ni irregularidades. Lo ideal es una carga constante y no cíclica.

Algunos tienen buena pinta - en el sitio al que ha hecho referencia.

Lo mejor es un alternador de CA, preferiblemente trifásico o más. Como se muestra a continuación, una forma de onda trifásica no cae a cero en ninguna etapa. La rectificación y el filtrado producen un resultado aún más suave. Más de 3 fases da un resultado aún mejor, pero es poco frecuente. Un generador de CC es un alternador de CA en el que la rectificación se realiza mediante un conmutador y escobillas: a medida que cambian los niveles de tensión, el conmutador selecciona un nuevo devanado haciendo girar un nuevo contacto de devanado bajo las escobillas. Aunque el principio es similar al de un alternador con diodos, con las escobillas suele haber más resistencia mecánica y pérdidas que con un alternador. La mayoría de los generadores (CC) son motores de CC que funcionan como generadores: las dos funciones son intercambiables, pero las máquinas diseñadas para una de ellas tienden a estar menos optimizadas para la otra.

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La dinamo con motor de llanta que usted citó está bien en principio, pero es probable que sea terriblemente ineficaz en la práctica debido a problemas mecánicos. Cuando era niño, las muchas dinamos de llanta que vi eran todas terribles, así que me sorprendió ver unidades modernas que lo hacían razonablemente bien; es cuestión de saber realmente lo que se está haciendo mecánicamente con la alineación del eje, el engranaje, la fricción de la superficie, etc. Una especie de "dinamo" suele producir entre 1 y 10 vatios. Con un sistema eficiente, notará 10 vatios en los ciclos y casi no notará 1 vatio, excepto en condiciones de carga muy ligera o de marcha por inercia.

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Alguna forma de almacenamiento en batería es casi esencial. Un ordenador portátil o una tableta, etc., tendrán la suya propia a menos que se extraigan. Hacia el límite inferior, un netbook o una tableta más de lo habitual puede obtener 6 horas de 3 x 18650 LiIon células. Es decir, 3,5 V de media x 2 amperios hora x 3 = 21 vatios hora. Así que funcionando durante 6 horas = 21/6 = 3,5 vatios. Los portátiles grandes pueden llegar a funcionar 2 horas con 6, 8, 9 ó 12 pilas, así que en el peor de los casos entre 20 y 30 vatios. La velocidad a la que se cargan las baterías no está directamente relacionada, pero es obvio que una batería más grande consume más energía. Un cargador más grande puede especificar 19v x 5,5A = 110 vatios. Una sola célula LiIon 18650 de 2 AH (como las que se utilizan en combinación en la mayoría de las baterías de portátiles) requiere unos 10 vatios pico para cargarse (4,2 V x 2 A + algo de "margen"), por lo que los 110 vatios anteriores son más o menos adecuados para los paquetes de baterías más grandes (12 células). Esto es para aproximadamente los primeros 40 minutos de un ciclo de carga desde totalmente "plana". Después de eso, las células entran en un modo de tensión constante y corriente decreciente.

Más adelante si es necesario. El sueño llama por desgracia ..

Answer 2

Probablemente me echen la bronca por esto, pero.. todos pensáis como, bueno, ingenieros eléctricos. ¿Por qué nadie ha mencionado las ventajas mecánicas de los grandes volantes de inercia, las relaciones de transmisión de los generadores, etc.? El tiempo de giro de un volante de inercia frente a la energía necesaria para ponerlo en movimiento debería ser un factor a tener en cuenta, ya que un ser humano no es una máquina de pura energía entrante-energía saliente. El Powertap de mi bicicleta TT dice que puedo producir unos 400 vatios durante una hora, durante mi mejor carrera del año. En un esfuerzo máximo de corta duración, puedo alcanzar los 16-1700, y tipos más grandes que yo superan los 2K con regularidad. Sin embargo, si me pones en mi bicicleta con su pequeño volante de inercia (no es una configuración muy PRO) y el efecto de giro hacia abajo una vez que dejo de pedalear me obliga a esforzarme más para mantener la misma velocidad. La solución al problema no es optimizar para una salida constante, es darse cuenta de que una salida constante es casi imposible con un ser humano, y que un ser humano más fresco puede dar más potencia para ponerse en marcha de la que necesita para mantenerse una vez en movimiento. Lo mismo que el efecto de pararse y seguir en una señal de stop.

Answer 3

Probablemente me decantaría por la número 3, con una ligera modificación.

A menos que estés pedaleando a una velocidad perfectamente constante, el voltaje probablemente variará bastante. Las variaciones superiores a la tensión regulada no deberían importar demasiado, pero sí las inferiores, ya que el regulador necesitará una tensión de entrada mínima para funcionar correctamente.
Se podría conseguir un regulador de conmutación con un rango de entrada muy amplio, pero aún así no permitiría una parada completa (o casi).

EDIT - con respecto a la batería externa, por alguna razón inicialmente no estaba considerando la batería del dispositivo. Creo que se podría prescindir de pero ya que has preguntado cuál de los 3 definitivamente trabajo, por las razones que se mencionan a continuación probablemente me quedaría con él. El enlace MIT que diste menciona el uso de una batería de 12V y un encendedor de cigarrillos 12V -> 19,5V convertidor, esto sería una manera fácil de proporcionar la tensión de entrada si no quieres perder el tiempo con los reguladores de conmutación.

Así que un poco de almacenamiento de energía es una buena idea (aunque en realidad no menciona nada acerca de lo que permite ralentizar / detener el pedaleo)
Podrías usar condensadores grandes (o incluso un volante de inercia grande), pero a una potencia razonable no te daría mucho margen, así que creo que lo mejor es una batería pequeña.
Tendría el generador -> controlador de carga -> batería de 12V -> convertidor boost (o buck dependiendo del dispositivo) + filtrado -> entrada del portátil/tablet.
Yo no me molestaría en usar la alimentación del portátil/tablet y el inversor, ya que será más ineficiente que usar simplemente un convertidor de CC a CC. Con un filtrado adecuado (un par de condensadores e inductor/perla de ferrita) y protección contra transitorios (por ejemplo, un TVS - supresor de voltaje transitorio) debería ir bien.
Probablemente elegiría la tableta, o un portátil de menor potencia, ya que 30-65W es una cantidad razonable de energía para mantener el ritmo durante mucho tiempo, mientras que ~10W para la tableta sería mucho más fácil.

Answer 4

Recuerdo cuando era niño y llevaba luces de dinamo en la bicicleta, y casi me atropellan al parar en un cruce porque se me apagaron las luces.

Conceptualmente, sí, se puede utilizar un generador accionado por pedales (ya sea dinamo o CC/CC); y yo optaría sin duda por la opción (3), ya que de lo contrario podrías estar desperdiciando energía si la generación supera la demanda, o perdiendo energía si la demanda supera la generación.

En muchos aspectos, (3) coincide con el paradigma actual de los vehículos eléctricos, que utilizan un pequeño motor como generador de autonomía extendida, en lugar de como fuerza motriz.