市販の自転車発電機は持続可能ではない

画像: K-TOR Power box. 元の画像を表示 Dithered画像を表示 ニュースレターを購読する。PaypalまたはPatreonでLow-tech Magazineをサポートする Low-tech Magazineをオフラインで読む。 現代のエアロバイクで発電することは、素晴らしいワークアウトになるかもしれませんが、多くの場合、持続可能ではありません。人間は食べ物を労働力に変換する際にかなり非効率なエンジンですが、ここで取り上げたい問題はそれではありません。健康を維持するためには移動が必要なので、そのエネルギーを使って機械を動かすこともできます。問題は、現在のペダル動力のアプローチが非常に非効率な機械につながっていることです。自転車発電機を操作する際、あなたは基本的にバッテリーを製造するために必要なエネルギーを生み出すためにペダルを漕いでいるのです。 ペダルでデバイスに電力を供給するには2つの方法があります。機械的な接続を介して直接電力を供給する方法（20世紀初頭に販売されていたすべてのペダル動力機械の場合）があります。または、ペダルを漕いで電気を生成し、それを使ってデバイスに電力を供給する方法です。1970年代には、ほとんどの研究が直接的な機械動力伝達に向けられていました。今日、ペダル動力機械への関心は、例えば携帯電話やラップトップの充電など、1970年代には存在しなかった製品の電力供給にほぼ独占的に向けられています。 スムージーを作るためのペダル動力機械である「Fender Blender」という例外を除き、現在西洋世界で市販されている唯一のペダル動力機械（Windstream、Convergence Tech、Magnificent Revolutionによって提供されている）は、自転車を取り付けて、電気モーター/ジェネレーターとバッテリーに接続するためのスタンドです。これらは、通常のロードバイクを電気発電機に素早く変換できる組み合わせです。これらはまた、音楽コンサート、映画上映、スーパーコンピューターの電力供給、あるいは白熱電球と省エネランプのエネルギー使用量の違いを子供たちに教えるなど、教育的および芸術的なプロジェクトで使用されるペダル動力機械でもあります。エネルギー使用と地球温暖化への意識を高めるため、BBCはこれらの発電機を通じて家庭全体に電力を供給するテレビ番組を作成し、80人のサイクリストが最大14kWを発電しました。これらの複数人用のペダル動力発電機は、1970年代にCampus Center for Appropriate Technology (CCAT) によって開拓されました。 発電は非常に非効率的です 現代のペダル動力アプローチにはいくつかの問題があります。まず、バッテリー、バッテリー管理システム、その他の電子部品、モーター/ジェネレーターの内部エネルギー損失のため、発電がペダル動力を適用する最も効率的な方法ではないことを知っておくことが重要です。これらのエネルギー損失は急速に積み重なります。バッテリーで10～35％、モーター/ジェネレーターで10～20％、コンバーター（直流を交流に変換する）で5～15％です。（出典: 1/2/3）。電圧レギュレーター（またはバッテリーの破損を防ぐDC-DCコンバーター）のエネルギー損失は約25％です（出典: 1/2）。これは、ペダル動力発電機における総エネルギー損失が42～67.5％になることを意味します（最大損失の計算例: 100ワット入力 = モーター/ジェネレーターで20％損失後80ワット = 電圧レギュレーターで25％エネルギー損失後57.5ワット = バッテリーで35％損失後37.5ワット = コンバーターで15％損失後32.5ワット = 出力32.5ワット = 効率32.5％またはエネルギー損失67.5％）。 電気を介してデバイスに電力を供給することを選択した場合、機械的に同じデバイスに電力を供給する場合と比較して、2～3倍の労力または時間を要します。 さらに、バッテリーがアイドル状態にある場合のわずかな追加損失と、バッテリーの充電効率（「充電受け入れ」または「クーロン効率」とも呼ばれる）は時間とともに低下します。そして、計算を完了するために、実際に電力を供給している電気デバイスのエネルギー損失も含めるべきです（ここでは含めません）。自然に42～67.5％のエネルギー損失があるということは、同じデバイス（例えばブレンダー）を機械的に動かす場合と比較して、電気を介して動かす場合、42～67.5％余分な労力または時間が必要になるということです。これは、太陽光パネルや風力タービンをバッテリーに接続してエネルギー源として使用する場合、許容できる損失と見なすことができますが、自分でエネルギーを供給する必要がある場合には、かなり問題になります。100ワットの電力を生成し、その42～67.5％が変換で失われる場合、デバイスを動かすために残るのは32.5～58ワットだけです。同じデバイスを機械的に動かす場合、100ワットを直接供給します。したがって、電気を生成してバッテリーに蓄えるという中間ステップを選択した場合、2～3倍の労力または時間をペダルを漕ぐのに費やす必要があります。 従来の自転車は定置発電機として作られていません 問題はそれだけではありません。ペダル動力の現代的なアプローチの2番目の問題は、19世紀末の場合であったように、スクラッチから作られたペダル動力機械ではなく、トレーニングスタンド上の従来の自転車を使用していることです。もちろん、従来の自転車を使用することには利点がありますが、このアプローチが著しく非効率的であることを改めて認識する必要があります。その理由の1つは、いわゆる摩擦駆動の使用です。後輪がモーター/ジェネレーターの小さなローラーに作用します。チェーンとベルトドライブ（19世紀後半のペダル動力機械で使用されていた）の効率は最大98％ですが、摩擦駆動の効率は80～90％にすぎず（そしてより速く摩耗します）。このエネルギー損失は、上記の42～67.5％の効率損失に加算され、48～73.5％になります。タイヤの空気圧が低いと、さらに効率が低下します。 自転車自体のエネルギー損失もあることに注意する必要があります。ペダルは後輪に直接取り付けられているわけではありません。スプロケットを回し、それがチェーンを回し、それがスプロケットを回し、それが後輪を回します。したがって、摩擦駆動の効率損失の上に、チェーン駆動の効率損失（そして、自転車にディレイラーがあれば、そのエネルギー損失）が追加されるべきです。 ロードバイクやマウンテンバイクを使用した場合の追加エネルギー損失 自転車のチェーンをジェネレーターに直接接続すれば、摩擦駆動のエネルギー損失を防ぐことができますが、それは自転車を改造する必要があることを意味します。これは、今日の市販ペダル発電機の概念全体を破壊します。 ロードバイク ロードバイクを使用して発電する場合、追加のエネルギー損失が発生する可能性があります。例えば、Windstreamジェネレーターに付属する画像にはロードバイクが写っています。これは非常に悪い選択です。なぜなら、ロードバイクに乗るライダーの姿勢は空気抵抗を減らすことを目的としているからです。エルゴメーター（サイクリストの出力測定に使用される固定式バイク）でのテストでは、そのような姿勢でのペダリングは、通常の直立姿勢と比較して約80％しか効果がないことが示されており、これもかなりのエネルギー損失につながります。路上では、ロードバイクのライダーの姿勢は空気抵抗の重要性が大きいため有利です。しかし、固定式ペダリングマシンでは、この姿勢には全く利点がありません。 人気のマウンテンバイクも同様に不利です。その理由は、波状のタイヤであり、もちろん摩擦駆動の効率を低下させます。要するに、ロードバイクを電気発電に使用することには、自分の自転車を使用できるという利点がありますが、だからといってどんな自転車でも使用できるわけではありません。 フライホイール 一般的なロードバイクを使用するもう1つの重要な欠点は、フライホイールの欠如です。フライホイールとは、コンクリート、木材、または鋼鉄で作られた重い円盤で、一度動き出すと発電を継続します。20世紀初頭に使用されていたような、スクラッチから作られたペダル動力機械では、フライホイールはトレーニングスタンドの後輪の機能を果たします（ただし、フライホイールは機械の前部に配置されることがほとんどです）。