¿Puedo pedalear un dispositivo portátil mientras se usa el dispositivo?

Quiero investigar qué tan fácil sería usar un pequeño dispositivo portátil mientras lo alimentas pedaleando en un marco estacionario. (Por ejemplo, usando una tableta en una bicicleta estática, o usando una netbook mientras pedaleas en un escritorio).

Ya sé que es posible ejecutar una computadora portátil con potencia de pedal, porque he encontrado varios ejemplos de esto. [1] [2] Ahora quiero construir tal configuración para mi estudio académico . Necesito confirmar exactamente lo que necesito antes de comprar el equipo. No tengo experiencia en ingeniería eléctrica , así que aunque tengo muchos números, no sé qué necesito calcular o considerar para elegir una opción factible.

POSIBLES DISPOSITIVOS OBJETIVO:

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. teléfono inteligente: 3.7V 4.44WH (toda la información que tengo)

POSIBLES ARQUITECTURAS: Además de la disposición de los asientos (bicicleta, bicicleta reclinada, escritorio), parece haber varias opciones sobre cómo conectar el equipo:

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

Datos adicionales:

• Un adulto puede generar 50-150 W en el curso de una hora de pedaleo extenuante. Quiero que mis usuarios pedaleen cómodamente en lugar de enérgicamente.
• Cualquier dispositivo tendrá su propia batería, ¿podría eliminar la necesidad de tener una batería en la configuración?
• ¿Es una mala idea conectar el dispositivo directamente al regulador para evitar el uso del adaptador del dispositivo?

PREGUNTA

Estoy muy confundido acerca de un camino a seguir en este punto (incluso si parece que no lo soy). Lo que más busco en las respuestas es claridad y carácter definitivo .

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

¿Qué combinaciones debo eliminar de la lista ya que categóricamente no?

La arquitectura de dinamo me parece buena porque parece más fácil / barata de conectar: ​​¿es capaz de alimentar todos estos dispositivos, incluso el netbook?

Antecedentes: solía diseñar controladores para máquinas de ejercicio. La máquina manejó un alternador trifásico y se aplicó una carga resistiva para adaptarse a varios criterios.

He llevado a cabo pruebas de carga con una visión específica para establecer la cantidad de energía que los usuarios pueden ganar fácilmente durante un período prolongado para alimentar equipos electrónicos o cargar baterías.

Considere que una persona moderadamente en forma es una persona que podría caminar rápidamente en una superficie nivelada durante una hora y estar cansada pero no completamente agotada en el proceso. es decir, no es súper atlético en capacidades y ni siquiera está "extremadamente en forma", sino que está muy por encima del estado físico "adicto al sofá".

Usando un alternador de buena calidad, un usuario moderadamente apto puede suministrar 50 vatios de media durante una hora. Este es un nivel en el que definitivamente sabes que estás 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 apuntara a una tarea de alimentación frecuente, 50 vatios serían mucho más preferibles que 100 vatios.

Lo anterior supone un sistema de eficiencia razonable de buena calidad. Idealmente con un mínimo "engranaje" o saliencia, es decir, sin sacudidas de baja velocidad para conducir a medida que los imanes se acercan y retroceden de las bobinas. Algunos sistemas utilizan generadores con relaciones de transmisión sustanciales que utilizan transmisión por cadena. Estos podrían ser razonables pero generalmente no lo son. La transmisión por correa a un alternador de baja salinidad puede funcionar bien.

Tenga en cuenta que las afirmaciones hechas en el sitio web proporcionado tienden a contradecirse a sí mismas. Estimaría la salida media como se muestra en ese gráfico como un rango de 60 a 70 vatios. Su gráfico:

Pero ellos dicen:

• NOTA: Alguien que hace ejercicio todos los días puede producir entre 200 y 300 vatios de potencia.

  Aquellos que no están en tan buena forma pueden producir alrededor de 80 a 100 vatios de potencia como se muestra en el gráfico de entrenamiento de una hora anterior.

  Y finalmente, ¡alguien que sea un ciclista competitivo puede producir hasta 500 vatios!

El reclamo de 200-300 vatios es cierto, pero es muy exigente.
500 Watts + también es cierto para los mejores atletas.

Mucho más en casos seleccionados, como
Gossamer Albatross, primer vuelo propulsado por un hombre a través del Canal de la Mancha el 12 de junio de 1979.. !!! :-).
Alrededor de 300 vatios continuos en aire quieto y sin turbulencias. "Se levanta rápidamente" con turbulencia.
Otro día en la oficina para Bryan Allen . ( trabajo diario ) -

Puedo hacer 500 vatios durante unos 10 segundos, después de lo cual mis piernas se vuelven gelatinosas y estoy completamente exhausto.

Sus 3 opciones no parecen lo suficientemente diferentes como para importar:

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

Cualquiera de estos podría funcionar bien o ser terrible si está mal diseñado.

No está claro qué quieres decir con ruedas / pedales.
La alimentación desde una llanta como se muestra puede funcionar bien, y puede ser lo que quiere decir con "rueda". El objetivo principal es la baja pérdida, sin tirones o desniveles. Idealmente, una carga no cíclica estable.

Algunos de estos se ven bien , en el sitio al que hizo 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. Rectificar esto y filtrar produce un resultado aún más uniforme. Más de 3 fases dan un resultado aún mejor, pero es raro. Un generador de CC es un alternador de CA en el cual la rectificación es proporcionada por un conmutador y escobillas - a medida que los niveles de voltaje cambian, el conmutador selecciona un nuevo devanado que rota un nuevo contacto de devanado debajo de las escobillas. Si bien el principio es similar al uso de un alternador con diodos, con los cepillos generalmente obtienes más resistencia mecánica y pérdidas que con un alternador. La mayoría de las ofertas de generadores (CC) serán páramos de CC que se manejan como generadores: los dos roles son intercambiables, pero una máquina diseñada para uno tenderá a estar menos optimizada para el otro.

La dinamo basada en motor con llanta que mencionó está bien en principio, pero es probable que sea terriblemente ineficiente en la práctica debido a problemas mecánicos. Cuando era niño, las muchas dinamos de llanta que vi eran terribles, así que me sorprendió ver unidades modernas que hacen esto razonablemente bien: es una cuestión de saber realmente lo que estás haciendo mecánicamente con la alineación del eje, el engranaje, la fricción de la superficie, etc. A " dinamo "de tipo producirá típicamente de 1 a 10 vatios de salida. Con un sistema eficiente, notarías 10 vatios al andar en bicicleta y casi no notarías 1 vatio, excepto en condiciones de carga muy ligera o de inercia.

Alguna forma de almacenamiento de la batería es casi esencial. Una computadora portátil o tableta, etc., tendrá la suya propia a menos que la retire. Hacia el límite inferior, una netbook de tableta más de lo normal puede obtener 6 horas de 3 x 18650 celdas de LiIon. Digamos 3.5V promedio x 2 amp horas x 3 = 21 vatios hora. Así que opera durante 6 horas = 21/6 = 3.5 vatios. Las computadoras portátiles grandes pueden bajar hasta 2 horas con 6 u 8 o 9 o 12 celdas, por ejemplo, el peor de los casos es de 20 a 30 vatios. La velocidad a la que cargarán sus paquetes de baterías no está conectada directamente, pero obviamente un paquete más grande consume más energía. Un cargador más grande puede especificar 19v x 5.5A = 110 vatios. Una sola celda de 2 AH 18650 LiIon (como se usa en combinación en la mayoría de las baterías de computadoras portátiles) requiere aproximadamente 10 vatios de pico para cargarse (4.2V x 2A + algo de "espacio libre"), por lo que los 110 vatios anteriores son adecuados para el paquete de baterías más grande (12 celdas). Esto es durante los primeros 40 minutos de un ciclo de carga desde completamente "plano". Después de eso, las celdas entran en un modo de corriente de disminución gradual de voltaje constante.

Más tarde si es necesario. Dormir llama por desgracia ..

Probablemente me criticarán por esto, pero ... ustedes están pensando como, bueno, ingenieros eléctricos. ¿Por qué nadie ha mencionado las ventajas mecánicas de los grandes volantes, las relaciones de transmisión con los generadores de accionamiento, etc.? El tiempo de giro en un volante versus la energía requerida para que se mueva definitivamente debería ser un factor, ya que un ser humano no es una máquina de energía pura dentro y fuera de energía. El Powertap en mi bicicleta TT dice que puedo apagar ~ 400 vatios más o menos durante una hora, durante mi mejor carrera del año. En un esfuerzo máximo y máximo, puedo golpear 16-1700, y los chicos más grandes que yo rompen 2K regularmente. Sin embargo, póngame en mi entrenador con su pequeño volante (no es una configuración muy PRO) y el efecto de giro una vez que dejo de pedalear me obliga a poner más esfuerzo para mantener la misma velocidad. La solución al problema no es t optimizando para una salida estable, se está dando cuenta de que una salida constante es casi imposible con un humano, y que un humano más fresco puede generar más potencia para comenzar de lo que se necesita para continuar una vez en movimiento. Lo mismo que ponerse de pie e ir a un efecto de señal de stop.

Probablemente iría con el número 3, con una ligera modificación.

A menos que esté pedaleando a una velocidad perfectamente constante, el voltaje probablemente variará bastante. Variar más alto que el voltaje regulado no debería importar demasiado, pero más bajo ya que el regulador necesitará un voltaje de entrada mínimo para funcionar correctamente.
Podría obtener un regulador de conmutación de rango de entrada muy amplio, pero eso aún no permitiría una parada completa (o cerca de)

EDITAR: con respecto a la batería externa, por alguna razón inicialmente no estaba considerando la batería del dispositivo. Creo que podría prescindir, pero dado que preguntó cuál de los 3 definitivamente funcionará, por las razones mencionadas a continuación, probablemente me quedaría con eso. El enlace MIT que mencionó menciona que usa una batería de 12 V y un encendedor de cigarrillos de 12 V -> convertidor de 19.5 V, esta sería una manera fácil de proporcionar el voltaje de entrada si no desea perder el tiempo con los reguladores de conmutación.

Por lo tanto, una buena idea es un poco de almacenamiento de energía (aunque en realidad no menciona nada acerca de permitir desacelerar / detener el pedaleo)
. Podría usar algunos (super) condensadores grandes (o incluso un volante de inercia grande) pero a una potencia razonable ganó ' No tengo mucho margen, así que creo que una batería pequeña es el camino a seguir.
Tendría el generador -> controlador de carga -> batería de 12V -> convertidor boost (o buck dependiendo del dispositivo) + filtrado -> entrada de computadora portátil / tableta.
No me molestaría en usar el suministro de computadora portátil / tableta y el inversor, ya que será más ineficiente que simplemente usar un convertidor de CC a CC. Con un filtrado adecuado (un par de condensadores y un inductor / cordón de ferrita) y protección contra transitorios (por ejemplo, un TVS - supresor de voltaje transitorio) esto debería estar bien.
Probablemente elegiría la tableta, o una computadora portátil de menor potencia, ya que 30-65W es una cantidad razonable de energía para mantener durante mucho tiempo, mientras que ~ 10W para la tableta sería mucho más fácil.

Puedo recordar, cuando era niño, tener una iluminación de dinamo en mi bicicleta, ¡y casi ser atropellado cuando me detuvieron en un cruce porque se me apagaron las luces!

Conceptualmente, sí, se puede usar un generador accionado por pedal (ya sea dinamo o DC / DC); y ciertamente elegiría la opción (3) de lo contrario, podría estar desperdiciando energía si la generación excede la demanda, o perdiendo energía si la demanda excede la generación.

En muchos aspectos, (3) se mapea con el paradigma actual en vehículos eléctricos, que utilizan un motor pequeño como generador de amplificador de alcance, en lugar de como la potencia motriz.