Výroba elektrické energie z vibrací jízdního kola

Výroba elektrické energie z jízdního kola je možná tehdy, když se otáčení kola nebo šlapání mechanicky propojí s generátorem. Kolo je upevněno na speciálním stojanu, takže se zadní kolo volně točí - a právě jeho pohyb pohání malý generátor.

Ten přeměňuje mechanickou energii (tvé šlapání) na elektrickou energii. Ta pak prochází chytrým systémem, který ji upraví tak, aby mohla napájet běžné spotřebiče - třeba žárovku, rádio nebo ventilátor.

Jak jízdní kolo vyrábí elektřinu

Princip je založen na přeměně mechanické energie na energii elektrickou. Jezdec dodává energii šlapáním, kliky a převod pohánějí zadní kolo nebo samostatný převod a generátor následně vyrábí elektrický proud.

Díky tomu si na vlastní nohy (doslova) vyzkoušíš, kolik energie je potřeba na rozsvícení žárovky nebo nabití telefonu. Bikelab je zábavný a praktický způsob, jak pochopit, jak funguje výroba elektřiny a proč má smysl energii šetřit.

Rozdíl mezi vibracemi, otáčením a šlapáním

Při běžné výrobě elektřiny z jízdního kola se nevyužívají vibrace v úzkém fyzikálním smyslu, ale především rotační pohyb zadního kola, klik nebo setrvačníku. Vibrace mohou vznikat jako vedlejší účinek otáčení, například při chodu převodů nebo generátoru, samy však obvykle představují jen malý a obtížně využitelný zdroj energie.

Moderní koncepty jízdních kol nepočítají s přímým přenosem energie. Místo řetězu a řemene se energie přenáší dráty a kabely.

Od nepaměti se na jízdních kolech pohybujeme díky vlastní síle a v posledním desetiletí také díky elektrické pomoci. V naprosté většině případů se ale naše či elektrická energie přenáší na zadní poháněné kolo pomocí řetezu.

Ve výjimečných případech pak pomocí řemene. Některé moderní koncepty se ovšem zbavují mechanického spojení šlapátek a zadního kola a vsází čistě na „digitální“ přenos síly.

Mechanické přenosy energie

Konvenční jízdní kolo, ať manuální či elektrické, používá ke svému pohybu soustavu ozubených kol spojených řetězem. Pro větší pohodlí užívá více velikostí pastorků, které lze podle potřeby přehazovat a získat vždy ideální a co nejvíce efektivní pohon směrem vpřed.

Mnohem zajímavější se zdá být vyměnit u elektrických kol řetěz za řemen, který je mnohem spolehlivější a méně náročný na údržbu.

U zařízení určených k výrobě elektřiny lze využít také řetězový převod, řemenový převod, ozubená kola nebo kombinaci několika převodových stupňů. Převod do rychla umožní přizpůsobit pomalé otáčení kola rychlosti, při které generátor pracuje účinněji.

Generátor poháněný zadním kolem

Nejjednodušší uspořádání tvoří jízdní kolo upevněné ve stojanu, jehož zadní kolo se otáčí bez kontaktu s podlahou. Plášť může pohánět váleček, který je přes převod spojen s generátorem.

Alternativou je přímé spojení generátoru s nábojem zadního kola. V takovém případě se omezuje počet mechanických součástí, ale generátor musí být schopen vyrábět potřebné napětí a výkon při proměnlivých otáčkách.

Výkon závisí především na síle a rychlosti šlapání, převodovém poměru, účinnosti generátoru a elektrických ztrátách v regulátoru, kabelech a připojené zátěži.

Elektrické části systému

Generátor

Generátor přeměňuje mechanickou energii šlapání na elektrickou energii. Může jít o malé dynamo, stejnosměrný generátor nebo alternátor, jehož výstup se dále upravuje regulátorem.

Pokud má zařízení napájet běžné spotřebiče, je nutné elektrickou energii stabilizovat. Výstup generátoru se může měnit podle rychlosti šlapání, zatížení i okamžitého výkonu jezdce.

Řadič a regulace

Řídicí jednotka je „mozek“ elektrokola, který řídí, kolik energie proudí z baterie do motoru podle vašeho vstupu. Když šlapete nebo použijete plyn, řídicí jednotka interpretuje signály ze senzorů a podle toho upravuje výkon motoru.

U šlapacího generátoru má regulátor opačnou úlohu: upravuje elektrickou energii vyrobenou generátorem tak, aby byla použitelná pro konkrétní spotřebič, akumulátor nebo měnič.

Akumulátor

Vyrobenou energii lze spotřebovat okamžitě, uložit do baterie nebo převést měničem na střídavé napětí. Baterie funguje jako palivová nádrž elektrokola, uchovává energii pro pohon motoru.

Lithium-iontové baterie jsou lehká, dlouhotrvající (3-5 let) a rychle se nabíjející baterie, které jsou preferovanou volbou většiny jezdců. Nabízejí vyšší energetickou hustotu, což znamená větší dojezd na jedno nabití.

Výkon baterie pro elektrokolo je určen napětím (např. 36V, 48V) a kapacitou v ampérhodinách (Ah). Například baterie 48V 10Ah poskytuje 480 watthodin (Wh).

Více watthodin obvykle znamená větší dojezd, ale dojezd ovlivňuje také terén, hmotnost jezdce a úroveň asistence.

Měnič a spotřebič

Pokud má energie napájet běžnou žárovku, rádio nebo ventilátor, může být zapotřebí měnič. Ten převede stejnosměrné napětí z generátoru nebo baterie na napětí vhodné pro konkrétní spotřebič.

Pro drobnou elektroniku lze energii nejprve stabilizovat a následně použít k nabíjení telefonu. Pro výkonnější zařízení je nutné počítat s větším mechanickým odporem při šlapání.

Kolik energie lze šlapáním získat

Výroba elektřiny šlapáním je vhodná především pro malé spotřebiče, demonstrační zařízení, osvětlení nebo nabíjení elektroniky. Systém s několika koly může dosáhnout výrazně vyššího okamžitého výkonu, protože se výkon jednotlivých jezdců sčítá.

Náš systém generuje elektřinu kolováním a veslováním, s výkonem až 2,5 kW a možností připojení až 30 kol současně.

Takový výkon však představuje součet výkonu více účastníků, nikoli běžný trvalý výkon jediného jezdce. U jednoho kola se výkon mění podle kondice, délky šlapání, nastaveného převodu a požadované intenzity.

Využití elektřiny vyrobené jízdním kolem

Osvětlení a nabíjení

Šlapáním na kole si vygenerujete elektřinu pro dobíjení telefonů.

Vánoční stromek a jiné instalace rozsvítíte pomocí šlapání na kolech.

Jukebox s hudbou, který pohání elektřina vyrobená šlapáním na kole.

Ventilátory, vodní mlha a bubliny

Šlapáním na kole generujete elektřinu, která pohání vodní mlhu v květinovém oblouku.

Stroj na bublinky je poháněn elektřinou generovanou šlapáním na kole.

Zařízení s mechanickým výsledkem

Šlapáním na kole generujete energii, která pohání čokoládovou fontánu.

Šlapáním na kole generujete energii, která pohání stroj na nachos.

Šlapáním na kole generujete energii, která pohání stroj na popcorn.

Vytočte si svou cukrovou vatu vlastníma nohama.

Míchání vlastních drinků mixérem poháněným šlapáním na kole.

Šlapáním na kole ovládáte čepovací zařízení pro komoru, vinou, atd.

Zvuk a obraz

Koncert ovládaný koly. Každé kolo reprezentuje jeden hudební nástroj.

Promítejte si film nebo dokument pomocí energie, kterou vyrobíte šlapáním na kole.

Šlapáním na kole si účastník pohybuje ve VR po místech na světě.

Výukový význam

Výroba elektřiny z jízdního kola názorně ukazuje rozdíl mezi energií a výkonem. Jezdec může krátkodobě vyvinout určitý výkon, ale množství vyrobené energie závisí také na době šlapání.

Čím větší elektrický příkon má připojený spotřebič, tím větší odpor jezdec při šlapání pociťuje. Rozsvícení malé žárovky vyžaduje menší výkon než provoz topného tělesa, čerpadla nebo výkonného kompresoru.

Vyučování zážitkem. Fyzika na kole.

Vodní elektrárna ve Vašich nohou.

Kolik energie je třeba, aby se zahřála voda? Zjistěte!

Elektrokolo a výroba energie

Elektrická kola revolucionalizují cyklistiku tím, že plynule kombinují lidskou sílu s elektrickou energií, nabízejí chytřejší způsob, jak zvládat kopce, dojíždění a dlouhé jízdy.

V jádru elektrokola používají motor, baterii a senzory k zesílení vašeho šlapání nebo k pohonu na plyn, což umožňuje jízdu na kole jezdcům všech úrovní kondice.

Elektrická kola jsou jízdní kola vybavená integrovaným elektrickým motorem a baterií, které pomáhají při šlapání nebo poskytují plný pohon na plyn.

Na rozdíl od tradičních kol zesilují vaše úsilí, což usnadňuje jízdu do kopce, dlouhé dojíždění nebo přepravu nákladu. Elektrokola však nejsou jen motorová kola - jsou navržena tak, aby zlepšila, nikoli nahradila, zážitek z jízdy na kole.

Elektrický pohon bez přímého mechanického spojení

Můžeme si vzít za příklad konkrétní projekt Schaefflerova Free Drive pohonu. Kolo je elektrické, v zadním náboji jej pohání elektromotor jako kterékoliv konvenční elektrokolo.

Místo řetězu generuje jezdec šlapáním další energii. Ta poté dává impulz „dozadu“, aby elektromotor začal pohybovat kolem vpřed.

Praktické využití by systém mohl mít u nákladních cargo kol, kde je použití dlouhého řetězu méně efektivní, ale i méně bezpečné.

Bez pochyby další elektrické zařízení přinejmenším zvýší hmotnost kola.

Bez přímého spojení středu a poháněného kola se v případě vybité baterie nebo rozbité součásti sami domů nedostanete. U konvenčního kola se i bez elektrického pohonu z místa pohnete, i za cenu vyšší námahy.

Senzory a systémy asistence

Když šlapete, senzory zaznamenávají váš pohyb a signalizují motoru, aby zesílil vaši snahu. Senzory kadence měří otáčení pedálů a poskytují pevný výkon podle vámi zvolené úrovně asistence.

Snímače točivého momentu, které najdete u dražších modelů, měří, jak silně šlapete, a úměrně upravují výkon motoru, čímž napodobují přirozený pocit jízdy.

Úrovně asistence umožňují přizpůsobit poměr námahy a rychlosti - použijte Eco pro maximální dojezd nebo Turbo pro prudké kopce.

Režim plynu poskytuje okamžitý výkon bez šlapání, podobně jako skútr. Otočné plynové rukojeti (integrované do gripu řídítek) a palcové plyny (samostatné tlačítko) umožňují snadné zrychlení.

Rekuperace a ukládání energie

Běžný mýtus je, že elektrokola dobíjejí baterie při brzdění. Ve skutečnosti je rekuperační brzdění u elektrokol vzácné a častější u elektrických aut.

Několik špičkových modelů dokáže během jízdy z kopce zpětně získat minimální energii (5-10 %), ale přidaná složitost a náklady často převyšují přínosy.

Pro většinu jezdců je praktičtější zaměřit se na efektivní brzdění (například hydraulickými kotoučovými brzdami) než spoléhat na rekuperaci.

Účinnost a praktická omezení

Při každé přeměně energie vznikají ztráty. Část energie se ztratí v ložiscích, převodech, generátoru, regulátoru, kabelech a měniči.

Výsledný elektrický výkon je proto vždy nižší než mechanický výkon, který jezdec dodá pedálům. Ztráty způsobené třením v jednotlivých dílech soustavy závisí na kvalitě provedení jednotlivých dílů.

Výroba elektřiny šlapáním je proto vhodná především tam, kde má současně vznikat další užitek: pohybová aktivita, výukový zážitek, soutěž nebo ovládání určitého zařízení.

Pro dlouhodobé zásobování domácnosti nebo pro ekonomickou výrobu elektřiny není výkon jednoho jízdního kola obvykle srovnatelný s výkonem běžných energetických zdrojů.

Bezpečnost konstrukce

Jízdní kolo je velmi komplexní výrobek, na kterém se provádějí mnohé zkoušky, aby se ověřila plná funkčnost kola, odolnost a trvanlivost.

U zařízení, které je upevněné ve stojanu a doplněné generátorem, je nutné věnovat pozornost stabilitě rámu, upevnění zadního kola, krytům převodů, ochraně proti zachycení oděvu a bezpečnému odpojení elektrické zátěže.

Pro elektrokola (včetně výše uvedeného): elektrická bezpečnost včetně krytí IP, funkčnost, EMC (Elektromagnetická kompatibilita), posouzení dle směrnice pro strojní zařízení - MD (2006/42/ES).

Nejčastěji se vyskytující problémy jsou prasknutí řídítek, prasknutí představce, prasknutí či ohnutí klik, zlomení osy pedálu, nedostatečná dokumentace a návod.

Údržba elektrických částí

Baterie: Vyhněte se úplnému vybití; skladujte při 30-60 % nabití na chladném a suchém místě.

Motor: Po jízdách v terénu odstraňte nečistoty a vyhněte se vysokotlakým vodním proudům.

Sezónní péče: V zimě otírejte komponenty, aby nedošlo ke korozi. V létě chraňte baterie před přímým slunečním zářením.

Kvalitní e-kola mají voděodolné komponenty (hodnocení IPX4-IPX7) pro déšť a kaluže, ale ponoření baterie nebo motoru zruší záruku a může způsobit poškození.

tags: #vyroba #elektricke #energie #z #vibraci #jizdniho