We wszelkiego rodzaju rowerach treningowych energia, jaką człowiek uwalnia podczas treningu jest zamieniana w ciepło za pomocą regulowanego hamulca i niestety całkowicie tracona. Oczywiście zyskujemy kondycję, ale czy nie można by zyskać coś jeszcze ?, np. zamienić naszą pracę w prąd elektryczny i zasilić oświetlenie w domu ? W naszym laboratorium okazało się, że jest to jak najbardziej możliwe. Oczywiście bezpośrednie zasilanie jakiegokolwiek urządzenia z prądnicy dołączonej do rowerka było by raczej mało skuteczne, ale jeśli produkowaną energie uda się skutecznie magazynować w długim okresie czasu i zużywać dokładnie wtedy, gdy jest potrzebna to projekt nabiera zupełnie realistycznych kształtów.

Zacznijmy od samego początku, projekt powstał z potrzeby zagospodarowania energii powstającej w trakcie ćwiczeń na rowerku treningowym. Tak więc zakupiliśmy super tani, używany rower treningowy, ale nie pierwszy lepszy. Szukaliśmy takiego, do którego bez większych problemów będzie można dołączyć prądnicę.

Rys. 1 Rower treningowy z dołączoną prądnicą.

Ten, który znaleźliśmy ma dość duże koło bezwładnościowe, w którym wytoczono kanał na skórzany pasek o regulowanym naciągu pełniący rolę hamulca. Tak się składa, że ten kanał wręcz idealnie pasuje pod pasek klinowy stosowany w samochodach do przełożenia napędu na alternator. Jego symbol to 6PK. Tak więc wystarczyło usunąć układ hamulcowy by nałożyć pasek który mógł przenieść moment napędowy z koła na prądnicę. Tę zamontowaliśmy na dospawanych do ramy stalowych rurach.

Rys. 2 Prądnica z magnesami trwałymi dołączona do roweru treningowego.

Niestety oryginalne koło pasowe od alternatora jest trochę bardziej skomplikowane i nie dało się go nałożyć na oś prądnicy. Musieliśmy wykonać na tokarce własne koło pasowe. Wykonanie koła pasowego trzeba poprzedzić wstępnymi badaniami dopasowania prądnicy do roweru tak, by przy maksymalnej prędkości, jaką trenujący jest w stanie osiągnąć nie forsując się zbytnio, na prądnicy uzyskać maksymalne napięcie, jakie będzie nam potrzebne, lub w przypadku elektronicznych regulatorów ładowania nawet wyższe, ale nie niższe.

Rys. 3 Silnik elektryczny DC z magnesami trwałymi zastosowany jako prądnica samowzbudna.

Projekt z założenia niskobudżetowy nie pozwalał na zakup prawdziwej prądnicy, jednak w przepastnych zasobach naszego laboratorium znalazł się silnik elektryczny z magnesami trwałymi, zasilany napięciem stałym 90V, osiągający prędkość 2.500 obrotów na minutę.  Silnik ma magnesy trwałe więc zamiast zasilać go będziemy kręcić osią, wtedy pole magnetyczne będzie indukować w uzwojeniach wirnika napięcie. Jest to silnik szczotkowy więc napięcie na wyjściu jest już stałe i nie wymaga dodania mostka prostowniczego. W projekcie założyliśmy maksymalne napięcie 12V więc by to uzyskać musimy mieć na osi prądnicy co najmniej 330 obrotów na minutę. Po dokonanych próbach okazało się, że musimy zastosować dość duże przełożenie więc koło pasowe na prądnicy musi mieć jak najmniejszą średnicę.

Rys. 4 Zespół połączonych szeregowo superkondensatorów wraz z impulsowym regulatorem prądu.

Teraz podstawowa część naszej domowej fabryki prądu elektrycznego. Osiem połączonych szeregowo superkondensatorów o pojemności 3000 faradów każdy. Superkondensatory te już wielokrotnie opisywałem w moim portalu więc nie będę się tu powtarzał. Napiszę tylko krótko, że jest to lekkie, bardzo czyste i prawie nie zużywalne "wiaderko" na prąd. By zapewnić odpowiednie parametry ładowania oraz przede wszystkim umożliwić osobie trenującej regulacje stopnia obciążenia zastosowaliśmy również zbudowaną w naszej pracowni ładowarkę do superkondensatorów. Urządzenie opisane pod tym linkiem.

Rys. 5 Wiktor dokonuje pierwszego rozruchu urządzenia.

Nasz zestaw ponad to, że produkuje i magazynuje energię elektryczną umożliwia bardzo płynną regulację stopnia obciążenia za pomocą tylko jednego potencjometru. Ładowarka sama w sobie ma już funkcję kontroli napięcia na baterii i nie dopuści do przeładowania. Osoba trenująca po prostu włącza zasilania przetwornicy i zaczyna kręcić, jeśli się zmęczy po prostu może przekręcić trochę potencjometr i obciążenie się zmniejszy, kosztem mniejszej ilości produkowanego prądu. Na początku zakładaliśmy zasilanie przetwornicy wprost z prądnicy jednak okazało się że konieczne jest zastosowanie regulatora napięcia o większym zakresie napięcia na wejściu, bo jak kolega dość szybko zaczął kręcić przetwornica po prostu wybuchła :). Stabilizator, który zapewniał dostarczanie napięcia 12V do układu nie wytrzymał, bo na wejściu przy bardzo szybkim pedałowaniu miał ponad 50V.

Rys. 6 Pomiar napięcia zgromadzonego na baterii po chwili pracy.

Bateria superkondensatorów składająca się z 8 szt. pojedynczych ogniw 2,7V ma napięcie dopuszczalne 21V, ale nasza ładowarka nawet pomimo 50V na wejściu nigdy nie dopuści do przekroczenia nastawionej wartości dla superkondensatorów. Nawet lepiej że napięcie na wejściu jest wyższe bo mamy możliwość płynnej regulacji obciążenia, niestety musimy poprawić tylko stopień zasilania by wytrzymywał wyższe napięcie i układ będzie całkowicie autonomiczny. Włączy się, gdy ktoś zacznie obracać napędem. Na powyższym zdjęciu widać efekt kilku chwil jazdy mojego 6-letniego syna. Naładował baterię o wypadkowej pojemności 375F do napięcia 0,8V. Jest to energia 135 Dżuli, co w przeliczeniu daje wartość 32 kalorii.

Na powyższym wykresie przedstawiamy zależność pomiędzy napięciem na baterii superkondensatorów a energią, jaka przy tym napięciu jest tam zgromadzona. Nie jest to funkcja liniowa, niestety. Tłumaczy ona, dlaczego moje dziecko tylko chwilę pracując na rowerku osiągnęło prawie 1 volt. By zwiększyć napięcie od 0 do 1V wystarczy 187,5 dżula. Jednak by zwiększyć napięcie np. od 10V do 11V potrzeba już 3937 dżuli.  Z tą funkcją wykładniczą wiąże się fakt, że rower pomimo nie zmienianej pozycji potencjometru obciążenia, sam będzie je zwiększał próbując czerpać coraz większy prąd. Użytkownik będzie musiał sam zmniejszać stopień obciążenia lub zrobi to mikroprocesorowy sterownik, ale o tym w innej bajce.

Rys. 7 Pomiar napięcia i natężenia prądu na zaciskach prądnicy.

W trakcie prób podłączyliśmy na zaciskach prądnicy miernik napięcia i natężenia prądu by zbadać ile jesteśmy w stanie produkować tej elektrycznej energii. Znalazłem opisy w internecie, że człowiek jest w stanie produkować w sposób ciągły 150 a nawet 200W. Wydawało mi się to całkiem niezłą wartością, jednak gdy sam zacząłem próby doszedłem do wniosku, że albo ja mam tak marną kondycję albo w sieci ściemniają po całości.

Rys. 8 Wyniki pomiarów oraz regulacja mocy obciążenia.

Na zdjęciu powyższym widzimy wyniki, przy których jestem w stanie w sposób ciągły produkować prąd. Jest to ok. 68W. Przy tej mocy bez większych problemów udało mi się naładować całą baterię superkondensatorów zyskując 7,5 Wh energii do wykorzystania.

Rys. 9 Szczytowa moc osiągnięta na rowerze.

Jak widać na powyższym zdjęciu można osiągnąć dużo większą moc. Po chwili rozgrzewki postanowiłem zakręcić najmocniej, jak tylko byłem w stanie osiągając moc chwilową ponad 288W, jednak z taką mocą byłem w stanie pracować jedynie kilka sekund. Na pewno jest to też efekt mojej słabej kondycji, jednak produkcja nawet 200W energii w sposób ciągły przez człowieka wydaje się mało realne.

Rys. 10 Spożytkowanie wyprodukowanej energii do zaświecenia 6 szt. 20W żarówek halogenowych.

Włączenie żarówek po treningu i obserwacja jak intensywnie grzeją i świecą, dzięki energii moich mięśni jest ciekawym uczuciem. Takie ilości produkowanej własnymi siłami energii z powodzeniem wystarczą np. do zasilenia oświetlenia LED w niedużym mieszkaniu czy pracy przenośnego komputera, a w przypadku tego ostatniego mamy dodatkową motywację by co jakiś czas zrobić sobie przerwę kondycyjną i doładować akumulator.

W wyniku przeprowadzonych prac doszedłem do wniosku, że bateria superkondensatorów tego typu złożona jedynie z 8 cel ma za małą pojemność by gromadzić energię z trenażera, zwłaszcza jeśli w domu kilka osób będzie ćwiczyć. Nie ma też sensu budowanie większych baterii ze względu na ich dość wysoką cenę. Ponad to napięcie na takiej baterii spada wykładniczo w trakcie jej rozładowywania i do utrzymywania stabilnego napięcia na wyjściu potrzeba sporej mocy przetwornicy typu Step_up o szerokim zakresie napięć wejściowych.

Dla zbudowania wydajnego i pojemnego systemu oprócz niedużej, jak w tym przypadku baterii superkondensatorów należy zastosować przetwornicę step-up w roli regulatora ładowania akumulatora żelowego ładowanego ciągle stałym, nie dużym prądem z baterii. To  bateria superkondensatorów będzie przyjmować różne niestabilne, zmienne w czasie ilości energii z trenażera, a stosunkowo nietrwały akumulator będzie ładowany cały czas stałą ilością energii i to już z niego będziemy ją pobierać.

Myślę, że w stosunkowo niedalekiej przyszłości zaprezentujemy Państwu system z uwzględnienie wszystkich wniosków, jakie wyciągnęliśmy z dotychczasowych prób.