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Prueba nuestras bicigeneradoras en Paris, Róterdam y Barcelona.

Thu, 08 Feb 2024 00:00:00 +0000

Imagen: Bicigeneradora en Paris. Foto: Marie Verdeil.

Bicigeneradora en Paris, Francia

Un año después de que Low-tech Magazine construyera y documentara un generador de pedales, el Pavillon d’Arsenal en París preguntó si podrían tomar prestada la bicigeneradora para una exposición. Aceptamos construir una nueva en su lugar. El resultado de nuestro trabajo ahora es parte de la exposición “Énergies légères”, que se extiende hasta marzo de 2024. La instalación les da a los visitantes una idea de cuánta energía pueden producir como humanos.

Imagen: Bicigeneradora en París. Foto: Luc Borho, Pavillon d'Arsenal.

Bicigeneradora en Róterdam, Países Bajos

En octubre, construimos una tercera bicicleta de energía durante un taller en la Casa del Futuro en Róterdam. Esta bicigeneradora ahora se utiliza como fuente de energía en el centro comunitario. La Casa del Futuro está abierta al público, para más detalles, consulta su sitio web e instagram.

En un artículo futuro, cubriremos el proceso de construcción y los detalles técnicos de estas dos nuevas plantas de energía muscular. Estas máquinas están basadas en bicicletas de spinning y son más potentes que la primera bicigeneradora que construimos.

Imagen: Generador de bicicletas en Róterdam. Foto: Marie Verdeil.

La bicigeneradora en Barcelona, España

La primera bicigeneradora que construimos en 2022 se puede ver en AkashaHub en Barcelona. Para más detalles, consulta su sitio web e instagram.

Imagen: Bicigeneradora en Barcelona. Foto: Marie Verdeil.

La bicigeneradora en los EE. UU.

Finalmente, Andy Lagzdins construyó un compresor de aire accionado por pedal para alimentar las herramientas eléctricas en su taller de motocicletas, un proyecto que él documentó en Low-tech Magazine. Ahora hemos puesto un video en línea que muestra cómo funciona la máquina.

Imagen: Bicigeneradora en los EE. UU., construida por Andy Lagzdins. Foto: Andy Lagzdins.

¿Podemos hacer que las bicicletas sean sostenibles otra vez?

Wed, 24 Jan 2024 00:00:00 +0000

Ilustración: [Diego Marmolejo](https://www.instagram.com/ddidak/).

El ciclismo es sostenible, pero ¿qué tan sostenible es la bicicleta?

El ciclismo es uno de los modos de transporte más sostenibles. El aumento de usuarios reduce el consumo de combustibles fósiles y la contaminación, ahorra espacio y mejora la salud y seguridad públicas. Sin embargo, la bicicleta en sí misma ha logrado eludir la crítica ambiental. ¹² Los estudios que calculan el impacto ambiental del ciclismo casi siempre lo comparan con la conducción, con resultados predecibles: la bicicleta es más sostenible que el automóvil. Este tipo de investigación puede alentar a las personas a andar en bicicleta con más frecuencia, pero no anima a los fabricantes a hacer que sus bicicletas sean lo más sostenibles posible.

Para este artículo, consulté estudios académicos que comparan diferentes tipos de bicicletas entre sí o se centran en la etapa de fabricación de un determinado vehículo de dos ruedas. Este tipo de investigación prácticamente no existía hasta hace tres o cuatro años. Utilizando el material disponible, comparo diferentes generaciones de bicicletas. En un contexto histórico, queda claro que el uso de recursos en la producción de una bicicleta aumenta mientras que su vida útil se acorta. El resultado es una huella ambiental en crecimiento. Esta tendencia tiene un comienzo claro. La bicicleta evolucionó muy lentamente hasta principios de la década de 1980 y luego experimentó repentinamente una sucesión rápida de cambios que continúa hasta el día de hoy.

No hay estudios sobre bicicletas construidas antes de la década de 1980. Los análisis del ciclo de vida, que investigan el uso de recursos de un producto desde la “cuna” hasta la “tumba”, solo aparecieron en la década de 1990. Sin embargo, el referente para una bicicleta sostenible se encuentra en la habitación donde escribo esto. Es mi bicicleta de carretera Gazelle Champion de 1980, que ahora tiene 43 años. La compré hace diez años en Barcelona a un alemán alto que se iba de la ciudad. Tenía lágrimas en los ojos cuando me alejé con ella. También tengo otra bicicleta de carretera, una Mercier de 1978. Esta es mi vehículo de repuesto en caso de que la otra se rompa y no tenga tiempo para reparaciones inmediatas. Tengo dos bicicletas más estacionadas en Bélgica, donde crecí y donde todavía viajo unas pocas veces al año (en tren, no en bicicleta). Estas son una Plume Vainqueur de finales de la década de 1960 y una Ventura de la década de 1970.

La razón principal por la que opté por bicicletas antiguas es que son mucho mejores que las bicicletas nuevas. La mayoría de las personas no se dan cuenta de eso, por lo que también son mucho más económicas. Mis cuatro bicicletas me costaron solo 500 euros en total. Esa cantidad solo me compraría una bicicleta de carretera nueva de bajo costo, y tal vehículo seguramente no durará de 40 a 50 años, como veremos. Por supuesto, no solo las antiguas bicicletas de carretera son mejores. Lo mismo ocurre con otros tipos de bicicletas construidas antes de la década de 1980. Yo ando en bicicleta de carretera porque cubro distancias relativamente largas, generalmente entre 35 y 50 km en total.

Imagen: La bicicleta que uso con más frecuencia, una Gazelle Champion de 1980. Ha recorrido al menos 30,000 km desde que la compré en 2013.

De qué están hechas las bicicletas

El primer cambio significativo en la industria de fabricación de bicicletas fue el cambio de bicicletas de acero a bicicletas de aluminio. Antes de la década de 1980, prácticamente todas las bicicletas estaban hechas de acero, con un marco, ruedas, componentes y partes de acero. En la actualidad, la mayoría de los marcos y ruedas de bicicletas se construyen con aluminio. Lo mismo ocurre con muchas otras partes de la bicicleta. Más recientemente, un número creciente de bicicletas tiene marcos y ruedas fabricadas con compuestos de fibra de carbono. Algunos marcos de bicicletas se construyen con titanio o acero inoxidable. Todos estos materiales requieren más energía para producir que el acero. Además, mientras que el acero y el aluminio se pueden reciclar y reparar, las fibras compuestas solo pueden ser recicladas a un nivel inferior y tienen una baja capacidad de reparación. ³

Varios estudios han comparado los costos energéticos y de carbono de los marcos de bicicletas y otros componentes hechos de estos diferentes materiales, todos con diferentes relaciones de resistencia-peso. Esta investigación tiene algunas limitaciones. Los científicos utilizan métodos rudimentarios porque carecen de datos detallados de energía de los procesos de fabricación de bicicletas, y algunos estudios provienen de fabricantes que pagan a investigadores para revisar la sostenibilidad de sus productos. Sin embargo, en conjunto, los resultados son bastante consistentes. Por brevedad, me centraré en las emisiones (CO2 = equivalentes de CO2) e ignoraré otros impactos ambientales.

Antes de la década de 1980, prácticamente todas las bicicletas estaban hechas de acero.

Reynolds, un fabricante británico conocido por sus tubos de bicicleta, descubrió que fabricar un marco de acero emite 17.5 kg de CO2, mientras que un marco de titanio o acero inoxidable emite alrededor de 55 kg de CO2 por marco, tres veces más. ⁴ Starling Cycles, un raro productor de bicicletas de montaña de acero, concluyó que un marco de carbono típico usa 16 veces más energía que un marco de acero. ⁵ (Eso serían 280 kg de CO2). Un estudio independiente de 2014, el primero de su tipo, calculó la huella de carbono de un marco de bicicleta de carretera de aluminio con horquilla de carbono de la marca “Specialized” y encontró que el costo es de 2,380 kilovatios-hora de energía primaria y más de 250 kg de carbono, aproximadamente 14 veces el de un marco de acero (sin horquilla) según el cálculo de Reynolds. ²

Una bicicleta es más que solo un marco. Los análisis del ciclo de vida de bicicletas completas muestran que la huella de carbono de todos los demás componentes es al menos tan grande como la de un marco de acero. ⁶ Los científicos han calculado las emisiones de carbono durante toda la vida útil de una bicicleta de acero en 35 kg de CO2, en comparación con 212 kg de CO2 para una bicicleta de aluminio. ⁷⁸ El análisis de ciclo de vida más detallado establece la huella de carbono de una bicicleta de aluminio de 18.4 kg en 200 kg de CO2, incluyendo sus repuestos, para una vida útil de 15,000 km. La fase de impacto principal es la preparación de materiales (74%; aluminio, acero inoxidable, goma), seguida de la fase de mantenimiento (15.5% para 3.5 juegos nuevos de neumáticos, seis pastillas de freno, una cadena y una cassette) y la fase de ensamblaje (5%). ⁹

Dónde y cómo se fabrican las bicicletas

Mis bicicletas de acero datan de una época en la que la mayoría de los países industrializados tenían industrias nacionales de bicicletas establecidas que atendían a su mercado nacional. ³ Estas industrias colapsaron en Europa y América del Norte después de la globalización neoliberal a fines de la década de 1970. China se abrió a la inversión extranjera y rápidamente se convirtió en el mayor fabricante de bicicletas del mundo. Durante las últimas dos décadas, China ha fabricado dos tercios de las bicicletas del mundo (60-70 millones de 110 millones anualmente). La mayoría del resto proviene de otros países asiáticos. Europa volvió a producir diez millones de bicicletas anualmente, pero Estados Unidos solo fabrica 60,000 bicicletas por año. ³

A lo largo del siglo XX, la fabricación de bicicletas requería importantes aportes de mano de obra humana. ³ Según el Routledge Companion to Cycling, “las ruedas se ensartaban y centraban manualmente; los marcos se construían a mano; la fabricación de sillines era laboriosa; los auriculares, los conglomerados de engranajes (bloques), los cables de freno y los engranajes se atornillaban físicamente”. Desde la década de 2000, la automatización ha reducido considerablemente la necesidad de mano de obra humana. El fabricante chino de bicicletas más grande, que construye una quinta parte de las bicicletas del mundo, tiene 42 líneas de ensamblaje de bicicletas que fabrican 55,000 bicicletas al día, casi tanto como Estados Unidos en un año. ³

Las industrias nacionales de bicicletas en Europa y América del Norte colapsaron después de la globalización neoliberal a fines de la década de 1970.

La globalización y la automatización de la industria de bicicletas hacen que las bicicletas sean menos sostenibles. En primer lugar, introducen emisiones adicionales por transporte (de materias primas, componentes y bicicletas) y por la producción y operación de robots y otras maquinarias. En segundo lugar, la producción de acero, aluminio, compuestos de fibra de carbono y electricidad es más intensiva en energía y carbono en China y otros países productores de bicicletas que en Europa y América del Norte. ¹⁰ Sin embargo, lo más importante es que la producción automatizada a gran escala representa un capital hundido que debe estar funcionando la mayor parte del tiempo para distribuir los costos fijos, impulsando la sobreproducción. ³

Duración de las bicicletas

Cuánta energía y otros recursos se necesitan para construir una bicicleta y entregarla a un ciclista es solo la mitad de la historia. Al menos tan importante es cuánto dura la bicicleta. Cuanto más corta sea su vida útil, más vehículos se necesitan producir a lo largo de la vida de un ciclista, y mayor se vuelve el uso de recursos.

Para una larga esperanza de vida, algunas partes de una bicicleta necesitan ser reemplazadas. Estas son típicamente piezas más pequeñas como cambiadores, cadenas y frenos. ¹¹ Hasta hace unas décadas, la compatibilidad de los componentes era una característica distintiva de la fabricación de bicicletas. ¹² Mis bicicletas son un ejemplo perfecto de esto. La mayoría de los componentes, como ruedas, sistema de cambios y frenos, son intercambiables entre los diferentes marcos, aunque cada vehículo sea de otra marca y año de construcción. La compatibilidad de los componentes permite un mantenimiento fácil y una mayor capacidad de reparación, aumentando así la vida útil de una bicicleta. Las tiendas de bicicletas en los pueblos más pequeños pueden reparar todo tipo de bicicletas con un conjunto limitado de herramientas y repuestos. ¹² Los ciclistas pueden hacer reparaciones menores en casa.

Desafortunadamente, la compatibilidad es apenas una característica de la fabricación de bicicletas en la actualidad. Los fabricantes han introducido un número creciente de piezas patentadas y siguen cambiando estándares, lo que resulta en problemas de compatibilidad incluso para bicicletas más antiguas de la misma marca. ¹³ Por ejemplo, si el cambiador de una bicicleta moderna se rompe después de algunos años de uso, es probable que ya no esté disponible una pieza de repuesto. Deberás pedir un nuevo conjunto de una nueva generación, que será incompatible con tu desviador delantero y trasero, que también necesitarás reemplazar. ¹² Para las bicicletas de carretera, el cambio de cuerpos de cassette con diez piñones (alrededor de 2010) a cuerpos de cassette con once, doce y más recientemente trece piñones ha vuelto obsoletos muchos juegos de ruedas, y lo mismo ocurre con el resto de la transmisión, incluyendo los cambiadores y las cadenas. ¹²¹

Antes de los años 80, casi todos los componentes de las bicicletas podían intercambiarse entre diferentes marcas y modelos.

Hoy en día, los frenos de disco, que se encuentran en casi todas las bicicletas nuevas, tienen diseños de ejes diferentes, lo que significa que cada vehículo ahora necesita piezas de repuesto específicas. ¹ Además, los frenos de disco implicaron la necesidad de nuevos cambiadores, horquillas, juegos de cuadros, cables y ruedas, lo que hace que estas bicicletas sean incompatibles con los modelos anteriores. ¹² Este aumento en piezas exclusivas hace que sea cada vez más complicado mantener una bicicleta en funcionamiento a través de mantenimiento, reutilización y restauración. A medida que crece el número de componentes que no son compatibles entre sí, se vuelve imposible para las tiendas de bicicletas tener un inventario completo de piezas de repuesto. ¹²

La falta de compatibilidad entre componentes va de la mano con una disminución en la calidad de estos. Tomemos como ejemplo el sillín, que rara vez dura más que el conjunto del cuadro porque se agrieta en la parte inferior. ¹² Un poco más de material haría que durara para siempre, como lo demuestran todos los sillines de mis bicicletas de carretera con entre 40 y 50 años de antigüedad. La baja calidad afecta a algunas partes de bicicletas caras, pero es especialmente problemática para bicicletas económicas fabricadas completamente con componentes de baja calidad. A estas bicicletas económicas, a las que los mecánicos se refieren como “bicicletas destinadas a fallar” o “objetos con forma de bicicleta”, a menudo se les incorporan piezas de plástico que se rompen fácilmente y no se pueden reemplazar ni mejorar. Estos vehículos suelen durar solo unos pocos meses. ¹³¹⁴

Ilustración: [Diego Marmolejo](https://www.instagram.com/ddidak/).

Cómo se alimentan las bicicletas

Hasta ahora, solo nos hemos ocupado de las bicicletas impulsadas completamente por humanos, pero las bicicletas con motores eléctricos están ganando cada vez más popularidad. La cantidad de bicicletas eléctricas vendidas en todo el mundo aumentó de 3.7 millones en 2019 a 9.7 millones en 2021 (el 10% de las ventas totales de bicicletas y hasta el 40% en algunos países como Alemania). Las bicicletas eléctricas refuerzan ambas tendencias que hacen que las bicicletas sean menos sostenibles. Por un lado, los motores eléctricos y las baterías requieren recursos adicionales como litio, cobre e imanes, aumentando el uso de energía y las emisiones en la fabricación de bicicletas. Los investigadores han calculado que las emisiones de gases de efecto invernadero causadas por la fabricación de una bicicleta eléctrica de aluminio son de 320 kg. ⁸ Esto se compara con 212 kg para la producción de una bicicleta de aluminio sin asistencia y 35 kg para una bicicleta de acero sin asistencia.

Por otro lado, la esperanza de vida de una bicicleta eléctrica es más corta que la de una bicicleta de dos ruedas sin asistencia porque tiene más puntos de falla. La avería de los componentes adicionales, como el motor, la batería y la electrónica, conduce a un ciclo de vida más corto debido a la incompatibilidad de los componentes. Un estudio académico sobre la circularidad en la industria de fabricación de bicicletas observa un aumento significativo en los componentes defectuosos en comparación con las bicicletas sin asistencia y concluye que “la gran dinámica del mercado debido a innovaciones regulares, renovaciones de productos y la falta de piezas de repuesto para modelos más antiguos hacen que el uso a largo plazo por parte de los clientes sea mucho más difícil que para las bicicletas convencionales”. ¹⁵

Las bicicletas eléctricas refuerzan ambas tendencias que hacen que las bicicletas sean menos sostenibles.

Además, las bicicletas eléctricas requieren electricidad para su funcionamiento, aumentando aún más el uso de recursos y las emisiones. Este impacto es relativamente pequeño en comparación con la fase de fabricación. Después de todo, los humanos proporcionan parte de la potencia y el uso de electricidad de una bicicleta eléctrica (25 km/h) es de solo alrededor de 1 kilovatio-hora por cada 100 km. La intensidad promedio de las emisiones de gases de efecto invernadero de la generación de electricidad en Europa en 2019 fue de 275 gCO2/kWh. ¹⁶ Si una bicicleta eléctrica dura 15,000 km, cargar la batería solo agrega 41 kg de CO2, en comparación con los 320 kg para producir la bicicleta (de aluminio). Incluso en los EE. UU. y China, donde la intensidad de carbono de la red eléctrica es un 50-100% más alta que el valor europeo, la producción de bicicletas eléctricas domina las emisiones y el uso total de energía.

Ciclos de carga

La combinación de materiales intensivos en energía, vidas útiles cortas y asistencia de motor eléctrico puede aumentar las emisiones a lo largo del ciclo de vida a niveles sorprendentes, especialmente para los ciclos de carga. Estos vehículos son más grandes y más pesados que las bicicletas de pasajeros y necesitan motores y baterías más potentes. Hay muy pocos análisis de ciclo de vida de los ciclos de carga. Sin embargo, un estudio reciente calculó las emisiones a lo largo del ciclo de vida de un ciclo de carga eléctrico de fibra de carbono en 80 gCO2 por kilómetro, solo la mitad que las de una furgoneta eléctrica (158 gCO2/km). ¹⁷ Los investigadores explican esto por la diferencia en kilometraje durante toda la vida útil, 34,000 km en comparación con 240,000 km para la furgoneta, y los compuestos de fibra de carbono en muchos componentes, incluido el chasis del vehículo. Las emisiones a lo largo del ciclo de vida del ciclo de carga, incluida la electricidad utilizada para cargar su batería, ascienden a 2,689 kg. Eso es casi 40 veces las emisiones a lo largo del ciclo de vida de dos bicicletas de acero (cada una con un kilometraje durante toda la vida útil de 15,000 km).

Ampliar la vida útil de las bicicletas eléctricas tiene menos impacto en las emisiones a lo largo del ciclo de vida en comparación con las bicicletas sin asistencia. Esto se debe a que la batería debe reemplazarse cada 3 a 4 años y el motor cada diez años, lo que aumenta el uso de recursos para piezas de repuesto. ¹¹ Esto se demuestra mediante un análisis de ciclo de vida de un ciclo de carga eléctrico de acero con una esperanza de vida estimada de 20 años. ¹⁸ Durante su vida útil, el vehículo utiliza cinco baterías (cada una pesando 8.5 kg), dos motores y 3.5 juegos de neumáticos. La mayoría de las emisiones a lo largo del ciclo de vida son causadas por estas piezas de repuesto, siendo las baterías responsables del 40% del total de emisiones. En comparación, las emisiones por el marco de acero son casi insignificantes. ¹⁸ Este ciclo de carga en particular fue construido para carreteras africanas y no es completamente representativo del ciclo de carga promedio, principalmente debido a sus neumáticos pesados.

Los ciclos de carga tienen otra desventaja. Las bicicletas de pasajeros y los automóviles generalmente transportan solo a una persona, lo que significa que un kilómetro de pasajero en una bicicleta es aproximadamente igual a un kilómetro de pasajero en un automóvil. Sin embargo, para la carga, la comparación de toneladas-kilómetros es más complicada. Si la carga es relativamente ligera, generalmente hasta 150 kg, el ciclo de carga eléctrico será menos intensivo en carbono que una furgoneta. Sin embargo, cargas más pesadas requieren varios ciclos de carga para reemplazar una furgoneta, lo que multiplica las emisiones incorporadas. ¹⁸ Cambiar a ciclos de carga sin reducir significativamente el volumen de carga es poco probable que ahorre emisiones. Obviamente, los ciclos de carga con marcos de acero y sin motores y baterías eléctricos, que aún son la mayoría, tendrán emisiones de carbono mucho menores a lo largo de sus vidas útiles.

Cómo se utilizan las bicicletas

En los últimos años, muchas ciudades han introducido servicios de bicicletas compartidas. En teoría, las bicicletas compartidas podrían reducir el número de bicicletas producidas y, por lo tanto, disminuir el impacto ambiental de la producción de bicicletas. Sin embargo, la construcción y operación de servicios de bicicletas compartidas añaden un uso significativo de energía y emisiones. Además, las bicicletas compartidas no duran tanto como las bicicletas de propiedad privada. En consecuencia, los servicios de bicicletas compartidas refuerzan aún más las tendencias que hacen que las bicicletas sean menos sostenibles.

Un estudio de 2021 compara el impacto ambiental de las bicicletas compartidas y privadas, incluyendo la infraestructura que cada opción requiere. Concluye que las bicicletas personales son más sostenibles que las bicicletas compartidas. ⁸ La investigación se basa en el sistema Vélib en París, Francia, que tiene 19,000 vehículos, aproximadamente la mitad con un motor eléctrico. La fabricación de vehículos y la infraestructura para bicicletas compartidas causan más del 90% de las emisiones y el uso de energía. Las emisiones restantes se deben a la construcción de carriles para bicicletas (3.5%), el reequilibrio de las bicicletas para mantener todas las estaciones óptimamente abastecidas (2%), y la electricidad utilizada para cargar las baterías de las bicicletas eléctricas (0.3%). En total, una bicicleta compartida del sistema Vélib tiene una tasa de emisión de 32 g CO2/km, que es de tres a diez veces más alta que la tasa de una bicicleta personal (entre 3.5 g CO2/km para una bicicleta de acero y 10.5 g CO2/km para una bicicleta de aluminio). ⁸

La construcción y operación de servicios de bicicletas compartidas añaden un uso significativo de energía y emisiones.

Los científicos encontraron que el servicio de bicicletas compartidas provocó una disminución del 15% en la propiedad de bicicletas. Sin embargo, también calcularon que la vida útil promedio de una bicicleta compartida es solo de 14.7 meses, con un kilometraje promedio de por vida de 12,250 km. En comparación, la vida útil promedio de una bicicleta personal en Francia, según una encuesta de 2020, es de alrededor de 20,000 km, casi un 50% más alta que la de las bicicletas compartidas. El sistema Vélib incluye 14,000 estaciones de bicicletas compartidas con una superficie total de 92,000 m2 y una vida útil estimada de diez años. Cada uno de los 46,500 muelles consta de 23 kg de acero y 0.5 kg de plástico. El consumo de energía de cada estación de bicicletas compartidas es de alrededor de 6,000 kWh por año. Debido al alto impacto de la infraestructura, las emisiones a lo largo del ciclo de vida de las bicicletas eléctricas compartidas son solo un 24% más altas que las de los vehículos compartidos no eléctricos. ⁸

La huella ambiental de los sistemas de bicicletas compartidas puede variar significativamente entre ciudades. Un análisis del ciclo de vida de los servicios de bicicletas compartidas en los Estados Unidos encontró emisiones de carbono de 65 g CO2/km, el doble que en París. ¹⁹ Esto se debe en gran parte a que los sistemas estadounidenses reequilibran las bicicletas utilizando furgonetas diésel, mientras que el servicio francés emplea tractores eléctricos. El estudio en los Estados Unidos también examina la nueva generación de servicios de bicicletas compartidas “sin estación”, que obtienen resultados aún peores. Las bicicletas compartidas sin estación pueden estacionarse en cualquier lugar y localizarse a través de una aplicación para teléfonos inteligentes. Aunque esto elimina la necesidad de estaciones, cada bicicleta requiere componentes electrónicos intensivos en energía, y el sistema también genera emisiones a través de las redes de comunicación. ¹⁹¹⁰ Además, los sistemas sin estación requieren más bicicletas e implican más reequilibrio.

Un análisis del ciclo de vida de los servicios de bicicletas compartidas en China, muchos de ellos sistemas sin estación, muestra tasas de daño elevadas y bajas tasas de mantenimiento para las bicicletas. La tasa de daño anual es del 10-20% para las bicicletas reforzadas y del 20-40% para vehículos más ligeros que se han vuelto más comunes. En la práctica, una bicicleta compartida se convierte en chatarra cuando la parte de la bicicleta con la durabilidad más baja se rompe. La reparación prácticamente no ocurre. ¹⁰ Finalmente, cuando las empresas quiebran, el sistema de bicicletas compartidas crea montañas de desechos, incluidas bicicletas en buen estado. ¹⁰ ¹

Imagen: Emisiones de carbono a lo largo del ciclo de vida por kilómetro al andar en bicicleta. Gráfico: Marie Verdeil. Fuentes de datos: [^8][^17][^19][^26].

No todas las bicicletas reemplazan a un automóvil

Nada de esto debería desanimar el uso de la bicicleta. Incluso las bicicletas menos sostenibles son significativamente menos insostenibles que los automóviles. La huella de carbono para fabricar un automóvil a gasolina o diésel oscila entre 6 toneladas (Citroen C1) y 35 toneladas (Land Rover Discovery). ²⁰ En consecuencia, la producción de un automóvil pequeño como el C1 produce tantas emisiones como la fabricación de 171 bicicletas de acero o 28 bicicletas de aluminio. Además, los automóviles también tienen una alta huella de carbono por el uso de combustible, mientras que las bicicletas son totalmente o parcialmente impulsadas por energía humana. ²¹ Los automóviles eléctricos tienen mayores emisiones en la producción, pero menores emisiones en su operación (aunque eso depende enteramente de la intensidad de carbono de la red eléctrica).

La bicicleta incluso mantiene su ventaja cuando se tiene en cuenta su kilometraje de vida mucho más corto. ²² Los automóviles a gasolina y diésel ahora alcanzan más de 300,000 km, el doble de su vida útil en las décadas de 1960 y 1970. ²³ Si una bicicleta dura 20,000 km, se necesitarían 15 bicicletas para cubrir 300,000 km. Si son bicicletas de acero sin motor eléctrico, la huella de carbono total para la fabricación sigue siendo seis veces menor que la de un automóvil pequeño: 1,050 kg de CO2. Si las bicicletas están hechas de aluminio y tienen motores eléctricos, las emisiones aumentan a 4,800 kg de CO2, aún por debajo de la huella de carbono de fabricación del automóvil pequeño.

Sin embargo, no todas las bicicletas reemplazan a un automóvil. Esto es especialmente relevante para las bicicletas compartidas y eléctricas: los estudios muestran que principalmente sustituyen a alternativas de transporte más sostenibles, como caminar, usar una bicicleta sin asistencia o privada, o viajar en metro. ¹⁹ ²⁴ En París, las bicicletas compartidas tienen tres veces más emisiones que el transporte público eléctrico. ⁸ Además, muchas bicicletas con una huella de carbono intensiva se compran para recreación y no tienen la intención de reemplazar a los automóviles en absoluto; incluso podrían implicar más uso de automóviles cuando los ciclistas salen de la ciudad para hacer un viaje a la naturaleza. En todos estos casos, las emisiones aumentan en lugar de disminuir.

Cómo hacer que las bicicletas sean sostenibles nuevamente

En conclusión, hay varias razones por las cuales las bicicletas se han vuelto menos sostenibles: el cambio de acero a aluminio y otros materiales más intensivos en energía, la expansión de la industria manufacturera de bicicletas, el aumento de la incompatibilidad y la disminución de la calidad de los componentes, el creciente éxito de las bicicletas eléctricas y el uso de servicios de bicicletas compartidas. En su mayoría, estos aspectos no son problemáticos en sí mismos. Más bien, es la combinación de tendencias lo que conduce a diferencias significativas con las bicicletas de generaciones anteriores.

Por ejemplo, según los datos mencionados anteriormente, la fabricación de una bicicleta eléctrica hecha de acero tendría una huella de carbono de 143 kg. Aunque eso representa cuatro veces las emisiones de una bicicleta de acero sin asistencia, está por debajo de la huella de carbono de una bicicleta de aluminio sin motor eléctrico (212 kg). Especialmente si la batería se carga con energía renovable, andar en una bicicleta eléctrica puede ser más sostenible que andar en una sin motor. De manera similar, una bicicleta de aluminio con una larga vida útil, por ejemplo, a través de la compatibilidad de componentes, podría tener una huella de carbono menor que una bicicleta de acero con una vida útil más limitada.

Muchos investigadores abogan por volver a producir bicicletas de acero en lugar de aluminio y otros materiales más intensivos en energía. Esto aportaría ganancias significativas en sostenibilidad a un costo relativamente bajo, ligeramente más pesado. Los marcos de acero también harían que las bicicletas eléctricas y compartidas fueran menos intensivas en carbono. Algunos investigadores promueven los marcos de bicicletas de bambú, pero el beneficio en comparación con los marcos de acero a la antigua o incluso de aluminio no está claro. ²⁵ Una “bicicleta de bambú” todavía requiere ruedas y muchas otras partes hechas de metal o compuestos de fibra de carbono, y los tubos del marco suelen estar unidos por fibra de carbono o partes de metal. ⁶ Además, el bambú se trata químicamente contra la descomposición y se vuelve no biodegradable. ¹

Volver a la fabricación local y menos automatizada es un requisito para bicicletas sostenibles.

Una mayor compatibilidad de componentes aumentaría la vida útil de las bicicletas, incluso las eléctricas, a través de reparaciones y renovaciones. Esto no traería desventajas para los consumidores, sino todo lo contrario. Sin embargo, a diferencia de cambiar a marcos de acero, una mejor compatibilidad de componentes perjudicaría las ventas de nuevas bicicletas. Un estudio concluye que “el abandono de la estandarización es un modelo de negocio rentable porque asegura que las bicicletas solo se pueden usar durante cierto tiempo”. ¹ La disminución de la sostenibilidad de las bicicletas no es un problema tecnológico, y no es exclusivo de las bicicletas. También lo vemos en la fabricación de otros productos, como los ordenadores. Un mecánico de bicicletas observa: “El problema aquí es el capitalismo; no son las bicicletas”. ¹⁴

Volver a la fabricación local y menos automatizada de bicicletas es un requisito para lograr bicicletas sostenibles. La razón principal no es el uso adicional de energía generado por el transporte y la maquinaria, que es relativamente pequeño. Por ejemplo, el envío desde China agrega alrededor de 0.7 a 1.2 gCO2/km para bicicletas compartidas. ⁸ Más importante aún, la fabricación de bicicletas de manera local y manual es esencial para hacer que la reparación y la renovación sean opciones económicamente más atractivas. Por definición, la reparación es local y manual, por lo que rápidamente se vuelve más cara que producir un vehículo nuevo en una fábrica automatizada a gran escala. ¹⁰ Las bicicletas fabricadas localmente aumentarían el precio de compra para los consumidores. Sin embargo, una mejor capacidad de reparación permitiría una vida útil más larga y un menor costo a largo plazo. Abordar el robo de bicicletas y los problemas de estacionamiento también es esencial, ya que a menudo son motivo para comprar bicicletas baratas y de corta duración. ²⁶

Finalmente, los servicios de bicicletas compartidas pueden tener su lugar, y probablemente veremos más mejoras en su eficiencia de recursos; las estaciones de bicicletas compartidas más nuevas en París han reducido su consumo de energía en un factor de seis. ⁸ Sin embargo, es poco probable que las bicicletas compartidas sean más sostenibles que las bicicletas privadas, ya que siempre requieren reequilibrio y una infraestructura de alta tecnología para que el servicio funcione. Además, crear un vínculo con tu bicicleta puede ser un fuerte incentivo para cuidarla bien y así aumentar su vida útil, como puedo atestiguar.

Szto, Courtney, and Brian Wilson. “Reduce, re-use, re-ride: Bike waste and moving towards a circular economy for sporting goods.” International Review for the Sociology of Sport (2022): 10126902221138033. https://journals.sagepub.com/doi/pdf/10.1177/10126902221138033 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Johnson, Rebecca, Alice Kodama, and Regina Willensky. “The complete impact of bicycle use: analyzing the environmental impact and initiative of the bicycle industry.” (2014). https://dukespace.lib.duke.edu/dspace/bitstream/handle/10161/8483/Duke_MP_Published.pdf ↩︎ ↩︎
Norcliffe, Glen, et al., eds. Routledge Companion to Cycling. Taylor & Francis, 2022. https://www.routledge.com/Routledge-Companion-to-Cycling/Norcliffe-Brogan-Cox-Gao-Hadland-Hanlon-Jones-Oddy-Vivanco/p/book/9781003142041 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Cole, Emma. “What’s the environmental impact of a steel bicycle frame?” Cyclist, November 7, 2022. https://www.cyclist.co.uk/in-depth/11003/steel-bike-frame-environmental-impact ↩︎
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Bicycles are entirely or partly powered by food calories. Some people argue that the life cycle energy requirements of bicycles are higher than other modes, when one considers the impact of food require to provide additional calories that are burned during the bicycle use. However, the majority of people in car-centered societies take in more calories than their sedentary lifestyle requires. Increased cycling would lead to lower obesity rates, not to higher calorie intakes. ↩︎
This a purely theoretical calculation, because cars encourage much longer trips than bicycles. ↩︎
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Larsen, Jonas, and Mathilde Dissing Christensen. “The unstable lives of bicycles: the ‘unbecoming’of design objects.” Environment and Planning A: Economy and Space 47.4 (2015): 922-938. https://orca.cardiff.ac.uk/id/eprint/131212/1/M%20Christensen%202015%20the%20unstable%20lives%20of%20bicycles%20ver2%20postprint.pdf ↩︎

Cómo construir un bicigenerador práctico

Tue, 02 Jan 2024 00:00:00 +0000

Imagen: la bicicleta generadora de energía en la sala de estar.

Proporcionamos planes detallados para que construyas el tuyo propio, utilizando habilidades básicas y herramientas comunes.

Artículo

Manual

Introducción

Resumen

Muchas personas han construido bicigeneradores y han publicado manuales en línea y en libros. Sin embargo, cuando nos propusimos hacer nuestra propia máquina, descubrimos que estos manuales son incompletos cuando se trata de hacer que el generador sea práctico de usar. El enfoque se centra en construir la fuente de energía en sí, con relativamente poca atención a lo que sucede con la energía que sale de ella.

Para intentar hacer que la producción de energía humana sea más útil, construimos no solo un bicigenerador, sino también un panel de control en forma del “tablero” adjunto al manillar. El tablero permite alimentar o cargar una amplia variedad de dispositivos, independientemente del voltaje con el que funcionen. Además, se pueden alimentar varios dispositivos simultáneamente, lo que permite al ciclista ajustar la resistencia en los pedales para obtener un entrenamiento óptimo.

También intentamos mejorar el bicigenerador en sí. Aunque hay manuales buenos disponibles, queríamos una fuente de energía que fuera fácil de construir (sin necesidad de soldaduras o herramientas complejas), cómoda de pedalear, lo más compacta posible y que no fuera una molestia visual. La bicicleta generadora de energía está configurada en una pequeña sala de estar y se utiliza regularmente. Encontramos la solución en una bicicleta de ejercicio vintage con un volante de inercia, un enfoque que no habíamos visto antes.

Prueba y error

El bicigenerador y el panel de control fueron diseñados y fabricados en colaboración con Marie Verdeil como parte de su pasantía en Low-tech Magazine. No pudimos encontrar la información técnica que estábamos buscando, así que seguimos un enfoque de prueba y error. Eso tomó mucho tiempo y fue costoso, pero obtuvimos perspicacia y aprendimos lecciones. Cometimos muchos errores que tú puedes evitar.

No somos ingenieros y agradecemos los comentarios técnicos sobre posibles mejoras. Con base en esos comentarios y más experimentos con la bicicleta generadora de energía, actualizaremos y ampliaremos el manual. Nuestro diseño puede ajustarse y adaptarse a tus necesidades. Agradecemos una donación si encuentras interesante nuestro trabajo. Tu apoyo hace posible financiar más experimentos y proyectos de construcción que tenemos en mente.

El bicigenerador

Hay muchas formas de construir una bicicleta generadora de energía, y cada una tiene sus ventajas y desventajas. Nosotros basamos nuestra máquina en una bicicleta de ejercicio vintage de la década de 1950. Nuestra bicicleta fue fabricada por la marca española BH, pero modelos vintage similares se pueden encontrar en cualquier parte del mundo industrializado.

Imagen: La bicicleta de ejercicio que data de la década de 1950. Tiene un pesado volante de inercia en la parte delantera.

El volante de inercia

Nuestro enfoque tiene varias ventajas. La primera y más importante es que las antiguas bicicletas de ejercicio tienen un gran volante de inercia en la parte delantera. Las bicicletas generadoras de energía sin volantes de inercia, que son la mayoría en la actualidad, probablemente terminarán acumulando polvo en el garaje porque son agotadoras e incómodas de pedalear.

Un volante de inercia es esencial porque pedalear en una bicicleta estacionaria es una experiencia diferente a andar en bicicleta en la carretera. La potencia que nuestros pies aplican a los pedales alcanza su punto máximo cada 180 grados de rotación del pedalier. En la carretera, esto tiene poco efecto debido a la inercia del ciclista.

En cambio, en una bicicleta estacionaria, esta producción de potencia desigual resulta en un movimiento brusco y estrés adicional en las piezas. El volante de inercia resuelve esto gracias a su gran masa y velocidad de rotación. Iguala la diferencia entre los picos de potencia y permite un pedaleo cómodo. El ciclista se cansa menos rápidamente y puede generar más energía. Un volante de inercia también produce un voltaje más estable.

Nuestro enfoque también permite construir un bicigenerador con herramientas simples y habilidades básicas. No es necesario cortar ni soldar metal; la bicicleta permanece tal como está. ¹ Tampoco es necesario construir una estructura de soporte; la bicicleta ya tiene una. Solo tuvimos que agregar lo que se llama una transmisión por fricción: un pequeño rodillo conectado al eje del generador y presionado contra el volante de inercia.

Imagen: La transmisión por fricción: un pequeño rodillo conectado al eje del generador y presionado contra el volante de inercia.

Nuestro método también resulta en un bicigenerador muy compacto. Apenas supera los 1 metro de longitud. Finalmente, y aunque esto es cuestión de gusto personal, da como resultado una máquina hermoso de contemplar. La bicicleta fue comprada a alguien en un pueblo vecino que la tenía en la sala de estar como decoración.

Como desventaja, se podría mencionar que una transmisión por fricción es menos eficiente energéticamente que una transmisión por engranajes o correas. Sin embargo, la mayor eficiencia del volante de inercia compensa eso. Solo una combinación de volante de inercia y transmisión por engranajes o correa sería mejor, pero sería más difícil de construir. Otra desventaja es que nuestra máquina no tiene cambios de velocidad conmutables, pero más sobre eso más adelante.

Máxima producción de energía

La potencia de salida (W) de un bicigenerador corresponde al voltaje (V) multiplicado por la corriente (A). Obtuvimos aproximadamente 100 vatios (12V, 8-9A) de potencia durante un entrenamiento corto e intenso. Durante un esfuerzo moderado, que podemos mantener durante más tiempo, la producción de potencia oscila entre 45 y 75 vatios. La producción de potencia no solo depende de la bicicleta, sino también de la persona que la opera. Los atletas podrían generar más potencia, mientras que las personas menos activas podrían (¡inicialmente!) generar menos. ² ³

Medimos la potencia de salida justo después del generador. Sin embargo, se necesita aplicar más potencia a los pedales para obtener esa potencia de salida. En primer lugar, ningún generador es 100% eficiente. Nuestro generador alcanza su máxima eficiencia (75-78%) a una potencia de salida de más de 6A (72W). La eficiencia disminuye cuando se produce menos potencia: cae al 60% a 3A y a menos del 45% a 2A. En segundo lugar, hay pérdidas de energía en la transmisión entre los pedales y el generador. No podemos medir estas pérdidas, pero según los datos que encontramos, una transmisión por fricción introduce en promedio un 15% de pérdidas de energía adicionales.

Teniendo en cuenta las pérdidas de eficiencia tanto en el generador como en la transmisión por fricción, necesitas aplicar al menos 150 vatios a los pedales para obtener una potencia de salida de 100 vatios. También hay pérdidas de energía adicionales en la transmisión de la bicicleta. En teoría, los engranajes de bicicleta tienen bajas pérdidas de energía, como máximo unos pocos porcentajes. Sin embargo, en la práctica, estas pérdidas de energía pueden ser altas. Demostramos esto involuntariamente. La producción de energía se duplicó después de limpiar a fondo y engrasar la transmisión de la bicicleta. Cometimos el error de limpiar la bicicleta solo al final. Eso obligó a hacer ajustes en el panel de control para manejar las corrientes más altas que de repente pasaban por él.

El arte de la potencia de pedaleo: ¿cuáles son los desafíos?

Como ciclista de energía, debes igualar el voltaje (V) y la corriente (A) del dispositivo que estás alimentando o cargando. Sin embargo, esto es más fácil decirlo que hacerlo. Los dispositivos eléctricos funcionan con voltajes diferentes y tienen demandas de energía muy distintas. El voltaje se refiere a qué tan rápido pedaleas y la corriente a qué tan fuerte pedaleas.

Imagen: la bicicleta generadora de energía en funcionamiento.

1. Igualando el voltaje

Una bicicleta generadora de energía produce energía de corriente continua de bajo voltaje (DC), similar a un sistema solar fotovoltaico (12/24V). La salida de voltaje depende de la velocidad a la que gira el bicigenerador. La frecuencia de pedaleo y la relación de engranajes determinan la velocidad del generador. El manual explica detalladamente cómo configurar la relación de engranajes correcta. En resumen, debes medir el diámetro exterior de tres partes (piñón del pedal, piñón del volante, volante) y utilizar esos datos para calcular el tamaño correcto del husillo para la salida de voltaje deseada.

Una vez que hayas establecido la relación de engranajes, podrías producir un voltaje más bajo o más alto al pedalear más lento o más rápido, respectivamente. Esto hace posible alimentar dispositivos con diferentes voltajes. Sin embargo, suponiendo que tu generador proporciona 12V a una velocidad de pedaleo promedio, tendrías que pedalear en cámara lenta extrema para producir 5V, y sería difícil mantener los pies en los pedales para proporcionar 24V. Los engranajes facilitarían la variación de la salida de voltaje, pero nuestra bicicleta no tiene ninguno.

Operar un electrodoméstico directamente desde el generador puede ser una solución práctica si necesita aproximadamente 12V. El volante de inercia ayuda a mantener una salida de voltaje relativamente constante. Sin embargo, los dispositivos electrónicos y las baterías requieren un voltaje preciso. De lo contrario, podrían no funcionar o dañarse. Además, operar un electrodoméstico directamente desde el generador te impide alimentar o cargar varios dispositivos con diferentes voltajes simultáneamente, lo cual es una solución al próximo problema.

2. Igualando la corriente

Los dispositivos eléctricos y electrónicos pueden tener demandas de potencia muy diferentes, incluso si funcionan con el mismo voltaje. Desafortunadamente, ajustar la corriente es mucho más difícil que ajustar el voltaje. Qué tan fuerte debes pedalear depende completamente del dispositivo que estás alimentando. En algunos casos, esto resulta en una resistencia óptima. Con más frecuencia, la resistencia en los pedales es demasiado baja o demasiado alta.

En un extremo, la resistencia en los pedales es casi cero al cargar un teléfono inteligente o una batería de plomo-ácido relativamente pequeña. En el otro extremo, la resistencia en los pedales es demasiado alta al alimentar una tetera eléctrica o un refrigerador. Algunos dispositivos tienen demandas de corriente variables. Por ejemplo, la impresora demanda entre 25 y 70 vatios de potencia, dependiendo de lo que esté haciendo exactamente. Hay picos en la demanda de energía después del arranque y entre páginas, y imprimir imágenes requiere más esfuerzo que imprimir texto.

3. Cargando las baterías

Los sistemas solares fotovoltaicos fuera de la red a menudo cargan baterías de plomo-ácido. La energía humana no depende del clima ni de la hora del día, pero puede ser práctico almacenar la energía humana en una batería para su uso futuro.

Basándonos en una producción de energía de 100 vatios, es fácil hacer cálculos excesivamente optimistas sobre el tiempo necesario para cargar una batería. Por ejemplo, si se necesitan 100 vatios-hora para cargar una batería, ¿puedes hacerlo en una hora? ¿Correcto? Incorrecto. Incluso si pudieras mantener una producción de energía de 100 vatios durante una hora, la batería limita cuánta energía puedes ingresar. No es posible hacer un breve entrenamiento para cargar la batería más rápido de lo que te permite.

Las baterías de plomo-ácido se cargan entre el 10 y el 25% de su capacidad máxima. Para baterías grandes, esto no es un problema. Cargar una batería de automóvil de plomo-ácido (aproximadamente 60-80 Ah) requiere obtener 85-115 vatios del generador, lo que es un ejercicio intenso. Una carga casi completa (de 12V a 13V) tomará cinco horas, sin incluir las pérdidas de carga y descarga.

Sin embargo, para baterías de plomo-ácido más pequeñas, la baja demanda de energía es problemática. Hay poca o ninguna resistencia en los pedales (por lo que no hay un verdadero entrenamiento), es muy ineficiente (el generador tiene altas pérdidas de energía), y aún así, lleva tanto tiempo como cargar una batería mucho más grande. Por ejemplo, recargar una batería de 12V con una capacidad de almacenamiento de 14Ah (similar a la que alimenta el sitio web alimentado por energía solar) requiere solo 1.4A. Eso no es mucho ejercicio (20W).

El mismo problema ocurre con los dispositivos USB. El uso más citado de un bicigenerador es cargar un teléfono inteligente. Sin embargo, recargar un teléfono inteligente requiere muy poca potencia (5-10W) en comparación con lo que la bicicleta puede producir. (Algunos modelos más nuevos permiten una carga más rápida). Puedes pensar que cargar una batería de teléfono de 10Wh solo tomaría 6 minutos a una potencia máxima de 100W, pero lleva tanto tiempo como cuando lo conectas a un enchufe de pared. Un cargador manual mucho más pequeño sería suficiente para cargar un teléfono inteligente, pero luego no tendrías las manos libres.

El panel de control: ¿cómo abordar estos desafíos?

Para superar todos estos problemas, construimos un panel de control que distribuye la energía del bicigenerador en circuitos conmutables con diferentes voltajes para la operación de varios dispositivos. Puedes utilizar estos circuitos de forma independiente o en combinación, lo que te permite ajustar la resistencia en los pedales con precisión para obtener el entrenamiento óptimo. También puedes controlar algunos dispositivos directamente reduciendo su demanda de energía.

Imagen: El panel de control.

Imagen: Vista lateral del panel de control.

1. Coincidir con el voltaje: convertidores reductores y elevadores

No es necesario pedalear más rápido o más despacio para coincidir con el voltaje de diferentes dispositivos. En su lugar, puedes utilizar convertidores de reducción y convertidores elevadores, que son módulos electrónicos que convierten una entrada de voltaje fluctuante en una salida de voltaje constante.

Los convertidores de reducción tienen un voltaje de entrada más alto que el voltaje de salida (reducen el voltaje), mientras que los convertidores elevadores tienen un voltaje de salida más alto que el voltaje de entrada (aumentan el voltaje). Puedes ajustar el voltaje de salida girando un pequeño tornillo en el módulo. Hay más información sobre los convertidores reductores y elevadores en el manual.

2. Coincidir con la corriente: Circuitos conmutables y reguladores de intensidad

Puedes construir un circuito eléctrico utilizando sólo un convertidor reductor o elevador. Luego, puedes ajustar el voltaje girando el pequeño tornillo cada vez que alimentas un dispositivo que requiere un voltaje diferente. Sin embargo, construir varios circuitos conmutables con diferentes voltajes ofrece ventajas. No sólo puedes cambiar fácilmente entre diferentes tipos de electrodomésticos sin necesidad de un destornillador, sino que también puedes ajustar la resistencia en los pedales ejecutando varios circuitos simultáneamente.

El panel de control incluye:

Dos circuitos para alimentar o cargar dispositivos USB (5V)
Tres circuitos para alimentar electrodomésticos de 12V
Un circuito para cargar baterías de plomo-ácido (14.4V)
Un circuito para alimentar electrodomésticos de corriente alterna (220V aquí en la UE)
Un circuito no regulado donde la salida de voltaje coincide con la entrada de voltaje

Imagen: El frente del panel de control.

Imagen: La parte posterior del panel de control.

Si hay una demanda de energía insuficiente, puedes aumentar la resistencia en los pedales encendiendo más circuitos. Eso también aumentará la eficiencia del generador. Para abordar la baja demanda de energía de las baterías, puedes mantener los circuitos de 5V y 14.4V siempre abiertos. Eso introduce una carga eléctrica básica de aproximadamente 20W (dos a cinco dispositivos USB y una batería de plomo-ácido de 14Ah). Para un entrenamiento más intenso, aumenta la carga abriendo otros circuitos y alimentando más dispositivos. Este enfoque no acorta el tiempo que lleva cargar las baterías. Sin embargo, hace que tu esfuerzo valga más la pena.

Otra opción es tener un panel de control con nada más que circuitos USB de 5V. Además, puedes usar el panel de control de esa manera con pequeños cambios. Puedes conectar un puñado de dispositivos a una sola salida USB, con un uso máximo de energía de 10 vatios (5V/2A). Nuestro panel de control tiene dos circuitos de 5V, uno sirve principalmente para la iluminación del panel de control, pero puedes agregarle un concentrador distribuidor USB para otros 10W de dispositivos.

Puedes agregar seis salidas de energía USB adicionales conectando conectores USB en las tres salidas de 12V, al menos cuando agregas tres conectores hembra de 12V. Esto lleva la demanda total de energía a 80 vatios, suficiente para recargar 10 a 15 teléfonos inteligentes simultáneamente. No hay escasez de dispositivos USB en estos días: teléfonos, tabletas, libros electrónicos, bancos de energía, luces de bicicleta, cámaras, auriculares inalámbricos, cargadores de pilas AA, y así sucesivamente.

Regulador de intensidad

Si hay una demanda de energía demasiado alta, puedes apagar uno o más circuitos. Para algunos dispositivos más potentes de 12V, el panel de control también te permite reducir la corriente y, por lo tanto, la resistencia en los pedales directamente mediante el uso de un resistor variable o potenciómetro (más conocido como un regulador de intensidad).

Cuando “ajustas” electrodomésticos como la tetera eléctrica o el refrigerador Peltier, funcionan igual de bien, solo que más lentamente. Sin un potenciómetro, solo los atletas podrían alimentar estos dispositivos (100-120W). Si planeas cargar baterías de plomo-ácido grandes, también puedes agregar un regulador de intensidad al circuito de 14.4V. Sin embargo, el ajuste de intensidad no funciona para todos los dispositivos. Una computadora portátil, por ejemplo, se apagará si no recibe la energía que necesita.

Al cambiar y combinar diferentes circuitos, y al ajustar finamente la corriente en el circuito de 12V, puedes ajustar la resistencia en los pedales tan precisamente como en una bicicleta de ejercicio. Esto optimiza la resistencia pero también la producción de energía.

Cómo utilizar la bicicleta: Experimentos

Un generador de bicicleta es más adecuado para alimentar dispositivos eléctricos directamente, sin almacenar la energía en una batería primero. Esto evita pérdidas de carga y descarga (hasta un 30% en baterías de plomo-ácido) y reduce la complejidad y los costos de configurar una planta de energía humana práctica. Para este propósito, el panel de control tiene varios circuitos de 12V y un circuito de 220V.

Imagen: Algunos de los electrodomésticos que probamos: compresor de aire, luces, refrigerador Peltier, impresora de matriz de puntos, hervidor eléctrico, soldador.

Entre los dispositivos de 12V que alimentamos directamente se encuentran un refrigerador Peltier experimental, un hervidor de agua, computadoras portátiles alimentadas por un adaptador de 12V, sin batería o con la batería al 100%, luces, un soldador, un taladro eléctrico y una lijadora. Existen muchos más dispositivos de 12V, principalmente dirigidos a conductores de camiones y automóviles, marineros, habitantes de caravanas (y hábiles bricoladores de baja tecnología que cablean su apartamento como si fuera un velero).

Estos son todos los dispositivos que hemos alimentado o cargado hasta ahora:

Todos los tipos de dispositivos USB (5V)
Baterías de plomo-ácido de diferentes tamaños (14.4V)
Refrigerador Peltier (12V)
Hervidor eléctrico (12V)
Soldador (12V) (video)
Taladro eléctrico con cable (12V)
Máquina lijadora con cable (12V)
Compresor de aire (12V)
Guitarra eléctrica y pedales (220V) (video)
Encendedor de cigarrillos (12V) (video)
Maqueta de tren (12V)
Máquina de coser (220V)
Impresora de matriz de puntos (220V) (video)
Amplificador estéreo + reproductor de CD (220V)
Tocadiscos (12V) (video)
Computadoras portátiles (12V, 220V)
Iluminación (220V) (video)
Iluminación (12V) (video)
Proyector de video (12V) (video)
Ventiladores (5V, 12V, 220V)

Alimentar las luces suele ser más práctico con una batería, ya que eso te permite disfrutar de la iluminación sin tener que pedalear al mismo tiempo. Sin embargo, es perfectamente factible leer un libro en la bicicleta mientras proporcionas la iluminación en tiempo real, especialmente en invierno: requiere poco esfuerzo, es más saludable que estar sentado quieto y te mantiene abrigado. Otros electrodomésticos que son adecuados para la producción de energía humana “directa” son las herramientas eléctricas y los dispositivos de calefacción y refrigeración.

1. Herramientas eléctricas con cable

Aunque las herramientas eléctricas de 12V son ampliamente utilizadas, casi siempre funcionan con baterías de ion de litio. Podrías recargar estas baterías con energía humana. Sin embargo, eso llevará mucho tiempo, no proporcionará mucho ejercicio y generará pérdidas significativas de energía. Por lo tanto, tiene sentido convertir estos dispositivos en herramientas eléctricas con cable. De esta manera, solo necesitas producir energía cuando la necesitas, con mucha mayor eficiencia. Además, ya no es necesario esperar a que las baterías se carguen; la herramienta siempre está lista para usar.

Convertir una herramienta alimentada por batería en una herramienta con cable puede ser bastante sencillo. Después de quitar la batería, localiza los contactos positivos y negativos y suelda dos cables a ellos. Ten en cuenta que solo tienes una oportunidad para decidir cuál es el positivo o negativo. Para el taladro, fue muy fácil de averiguar. Para la lijadora, pedimos consejo porque el cableado es más complicado. Las herramientas eléctricas de 12V con baterías ausentes o agotadas generalmente se venden a buen precio en el mercado de segunda mano.

Un taladro eléctrico con cable es quizás la herramienta más versátil. Puedes usarlo con un batidor (para batir huevos), un cepillo resistente (para quitar pintura o limpiar objetos), una rueda de pulido (para afilar cuchillos) o una rueda de pulido (para hacer que el cromo u otros metales y materiales brillen). Las herramientas de precisión para joyería o fabricación de modelos también se combinan bien con la energía directa del pedal. Todavía estamos en la fase inicial de las pruebas para convertir y usar herramientas eléctricas de 12V con cable.

Herramientas manuales o herramientas accionadas con los pies

En comparación con herramientas mecánicas manuales accionadas por humanos, los equipos eléctricos accionados por humanos son menos eficientes desde el punto de vista energético. La electrificación introduce pérdidas de energía adicionales, tanto en el generador, el convertidor de reducción, los cables y el tren motriz. Sin embargo, esto se compensa con creces mediante un uso más eficiente de la fuente de energía humana. Nuestras piernas son aproximadamente cuatro veces más fuertes que nuestros brazos.

La electrificación también es más ergonómica porque preserva las articulaciones y los músculos de las manos. Fijar docenas de tornillos a mano puede ser más sostenible que usar un taladro eléctrico, pero puede dañar la muñeca. Un generador de bicicleta te permite trabajar de manera más rápida y ergonómica sin depender de una fuente de energía externa.

Las herramientas mecánicas manuales conservan algunas ventajas: son silenciosas, más portátiles y requieren menos energía para fabricarse. Una tercera opción combina estas ventajas: equipo mecánico accionado por pedal. Sin embargo, es difícil construir una bicicleta estacionaria compacta que pueda alimentar muchas herramientas diferentes. Diseñamos el generador de bicicleta para que sea lo más compacto y multifuncional posible.

Las herramientas eléctricas pueden tener altas demandas de potencia, pero esto no debería detenerte. La lijadora solo necesita como máximo 30 vatios, pero nuestro taladro eléctrico puede demandar hasta 20A de corriente, lo cual es demasiado alto para el generador de bicicletas y el panel de control (12V×20A=240W). Sin embargo, la máquina rara vez requerirá esa potencia a menos que la uses para taladrar materiales duros.

La demanda de energía de una herramienta eléctrica aumentará siempre que aumente el par, así que sientes cuando la broca ha atravesado el material o cuando el tornillo se ha fijado o aflojado. Puedes manejar la herramienta tan precisamente con los pies como lo harías con las manos.

2. Hervidora electrica

La calefacción y refrigeración eléctricas son intensivas en energía. Alternativas, como calor solar directo, son más sostenibles. Sin embargo, la calefacción y refrigeración se pueden incorporar fácilmente a tu rutina de ejercicio y proporcionar resultados.

Aplicamos este principio con una tetera eléctrica y un refrigerador experimental de Peltier. Ambos electrodomésticos están muy bien aislados. En consecuencia, convertir la energía humana en calor o frío se convierte en otra forma (muy económica y sostenible) de almacenamiento de energía, sin todos los inconvenientes de las baterías.

Las teteras eléctricas que funcionan con energía de la red suelen ser muy potentes y hierven agua en cuestión de minutos o incluso segundos. Hervir agua utilizando un generador de bicicleta llevará mucho más tiempo, pero es perfectamente posible. Adquirimos una tetera eléctrica comercial de 12V con un depósito aislado al vacío de un litro. Durante una prueba, hervir agua para una taza de té tomó poco más de una hora a una producción de energía promedio de 60W.

La tetera eléctrica también puede preparar bolsas de agua caliente para comodidad térmica. Eso requiere más agua que una taza de té, pero a una temperatura más baja, alrededor de 60 grados Celsius. Durante una prueba, calentar un litro de agua para una (pequeña) bolsa de agua caliente tomó 1 hora y 30 minutos a una producción de energía promedio de 60 vatios.

Después de ese esfuerzo, lo último que necesitas es una bolsa de agua caliente. Aún más, durante ese esfuerzo, eres un calentador de espacio con una potencia de varios cientos de vatios y podrías aumentar la temperatura del aire en una habitación pequeña. Sin embargo, la tetera aislada al vacío se puede colocar en una cocina sin fuego y se puede usar horas después cuando estás inactivo y necesitas calor.

3. Refrigerador Peltier

Los refrigeradores comerciales de 12V son caros. Después de investigar generadores termoeléctricos (TEGs), surgió la idea de un refrigerador Peltier. Un refrigerador Peltier es esencialmente una cocina sin fuego bien aislada con un TEG montado encima. Si se aplica energía, el módulo se calentará en un lado y se enfriará en el otro, enfriando el interior de la caja. La refrigeración con TEG no es particularmente eficiente. Sin embargo, es silenciosa, funciona sin problemas con gases de refrigeración y es la forma más fácil de hacer un refrigerador tú mismo.

El refrigerador TEG es un prototipo temprano que necesita más pruebas y mejoras. Alimentar un TEG a máxima potencia requiere aproximadamente 60 vatios (12V×5A), medidos justo después del generador. Eso es un buen ejercicio, y el regulador permite reducir la resistencia en los pedales con precisión. Sin embargo, rápidamente quedó claro que un TEG no es suficiente para el tamaño del espacio de enfriamiento. Agregaremos un segundo para un ejercicio más intenso (60-100 vatios).

Electrodomésticos de Red (220V)

Nuestro panel de control también incluye un circuito de 220V. Esto lo hace compatible con dispositivos alimentados por la red (110V en EE. UU., 240V en el Reino Unido). El circuito de 220V requiere un inversor. El inversor es demasiado grande para incluirlo en el panel de control, así que lo colocamos en una caja en el portaequipajes que construimos en la parte delantera.

Un enchufe de 220V no es necesario. Muchos electrodomésticos de 220V tienen alternativas de 12V (o 24V) que son más eficientes energéticamente para la producción descentralizada de energía. Sin embargo, incluimos un circuito de 220V para alimentar dispositivos que no se han (o aún no se han) reemplazado o convertido a alternativas de bajo voltaje: la impresora de matriz de puntos, la máquina de coser, el sistema estéreo y el enrutador.

La impresora de matriz de puntos y la máquina de coser son difíciles de operar debido a sus demandas de energía cambiantes rápidamente. Por ejemplo, para evitar que la tensión caiga por debajo de 12V en los picos de alto consumo de energía mientras imprime, necesitaría pedalear muy rápido (alrededor de 20V) para proporcionar suficiente inercia al volante. Un supercondensador podría resolver esto; es algo que intentaremos en los próximos meses. Una máquina de coser y una impresora mecánicas accionadas por el pie serían mucho más eficientes en cuanto a energía, pero mucho menos eficientes en cuanto a espacio.

Configuraciones alternativas: Bicigenerador con escritorio de trabajo

El panel de control está diseñado para alimentar una amplia diversidad de dispositivos, pero puedes seguir un enfoque similar con resultados diferentes. Por ejemplo, si solo deseas cargar baterías de plomo-ácido, un circuito de 14,4V es suficiente. Puedes utilizar un convertidor de reducción y elevación para crear cualquier voltaje que necesites, por ejemplo, para construir un circuito de 3V, 6V, 9V o 24V.

Sin embargo, si principalmente deseas alimentar dispositivos de 24V, es mejor ajustar la relación de engranajes. Lo mismo si solo quieres cargar baterías de plomo-ácido de 14.4V en un sistema de 12V: ajusta la relacion de engranajes para generar 16-17V (para compensar las pérdidas de energía en el convertidor reductor).

Imagen: La salida de corriente de 220V.

Imagen: El portaequipajes y los enchufes de corriente (no regulados, 3x12V, 14.4V, 5V USB).

Imagen: Dentro de la caja: el inversor, el controlador de carga eólica, la batería de plomo-ácido.

Nuestra elección de tener un gran panel de control en el manillar tiene ventajas y desventajas. Tener el panel de control en la bicicleta facilita su lectura y manipulación. También hace que el generador de bicicletas sea portátil. Si el vecino necesita energía de emergencia, recoges la bicicleta y estás allí en un minuto. Por otro lado, tener el panel de control en la bicicleta añade vibraciones, que aumentan el ruido y las pérdidas de energía. También se hace necesario ajustar la salida de voltaje de los convertidores reductores y elevadores de vez en cuando.

Lo más importante es que tener un panel de control tan grande en la bicicleta impide colocar un gran escritorio en la parte superior del manillar. Eso podría ser útil para operar herramientas eléctricas o una computadora portátil mientras proporcionas energía al mismo tiempo. Nuestra configuración actual no es ideal para usar herramientas eléctricas. Requiere a dos personas: una para pedalear y otra para operar la herramienta eléctrica. Del mismo modo, puedes proporcionar energía a la computadora portátil de otra persona, pero no puedes cargar la tuya mientras la usas.

Planeamos construir un generador de bicicletas con un panel de control más pequeño, con un circuito de 12V y dos puertos USB, y un amplio espacio de trabajo en el manillar. Un generador de bicicletas de este tipo recuerda a máquinas de bicicleta similares (mecánicas) de principios del siglo XX. Otra opción es atornillar el panel de control a la pared o colocarlo en un estante, y colocar el bicigenerador al lado de él. El inversor, la batería de plomo-ácido y el controlador de carga eólica, que ahora están en el “portaequipajes”, también pueden alejarse de la bicicleta.

Sistema híbrido humano y solar

Algunos de ustedes pueden pensar que nuestro generador de bicicleta es más un truco que una fuente de energía práctica para el hogar. En parte, esto es cierto. Nuestra planta de energía humana es la máquina de ejercicio perfecta: la producción de energía es motivadora. También es práctica en emergencias, especialmente si hay suficiente energía humana disponible, puede producir hasta 2.4 kWh por día.

Sin embargo, no proporcionará suficiente energía diaria, ni siquiera para un hogar de baja tecnología. En la práctica, no hay suficientes personas dispuestas a andar en bicicleta. Por otro lado, un bicigenerador es una excelente adición a un sistema fotovoltaico fuera de la red, al menos en un hogar de baja energía. La salida de energía del generador no depende del clima, las estaciones o la hora del día.

La energía humana puede proporcionar energía adicional durante el mal tiempo, lo que reduce la necesidad de baterías costosas e insostenibles. Esto es especialmente útil en invierno, cuando el sistema fotovoltaico produce mucha menos energía y cuando el esfuerzo necesario para operar la bicicleta también te mantiene caliente. Hay suficiente energía solar en verano, cuando a menudo hace demasiado calor para usar una bicicleta estática.

Imagen: El bicigenerador está junto a los sistemas fotovoltaicos. El plan final es integrar ambos sistemas.

Con una producción de energía de 50-100 vatios, el generador de bicicleta es más potente que los dos paneles solares que están en el balcón junto a él: el panel solar de 50 vatios que alimenta las luces en la sala de estar y el panel solar de 30 vatios que alimenta el sitio web solar. Los paneles solares rara vez, si alguna vez, alcanzan su máxima producción de energía y durante mal tiempo, producen mucha menos energía que el bicigenerador. Con nubes oscuras sobre nosotros, la producción de energía casi se reduce a cero, y si esto dura dos días, las luces y el sitio web se apagan. Una o dos horas al día en el bicigenerador podrían solucionar esto. Alternativamente, la energía generada por pedalear podría operar herramientas eléctricas u otros dispositivos sin agotar el almacenamiento de energía del sistema fotovoltaico.

También es posible usar el tablero con un panel solar en lugar de un generador de bicicleta. Basta con reemplazar el controlador de carga eólica con un controlador de carga solar. Luego, puede usar la energía solar para alimentar dispositivos directamente, sin necesidad de utilizar un controlador de carga solar y una batería. Reemplace el controlador de carga eólica con un controlador de carga híbrido solar/eólico y podrá utilizar ambas fuentes de energía para cargar baterías y alimentar dispositivos directamente. La energía solar y la humana también se pueden combinar, aumentando la producción de energía.

Combinar la energía solar y humana debería hacer posible tomar más medidas hacia un hogar urbano fuera de la red. El plan es agregar otro panel solar de 50W, sacar más dispositivos de la red (especialmente el refrigerador) y mantener el almacenamiento de batería como está.

Manual: El bicigenerador

Imagen: El sistema de transmisión por fricción.

¿Qué tipo de generador necesitas?

Para convertir la energía mecánica del volante en electricidad, necesitas un generador de corriente continua (CC) con imanes permanentes de 12V/24V y una potencia máxima de aproximadamente 150-250 vatios. No cualquier generador servirá. Necesitas uno que funcione a una velocidad relativamente baja (menos de 5000 rpm en vacío) para obtener 12 o 24V con una relación de engranajes práctica (ver más adelante). Muchos generadores necesitan funcionar a velocidades más altas para generar 12V o 24V, y no podrás producir más que unos pocos voltios a una velocidad de pedaleo promedio.

Asegúrate de obtener un motor CC con escobillas. Los motores CC sin escobillas no funcionarán porque necesitan una velocidad de rotación muy alta. Ten en cuenta que un generador es un motor que funciona al revés. Al buscar en línea, “motor CC” te dará más resultados que “generador CC”. Los alternadores de automóviles también funcionan, y muchos sistemas de generación de energía por pedaleo los utilizan porque son económicos y fáciles de obtener. Sin embargo, son muy ineficientes y requieren una batería de 9V para arrancar.

Puedes conseguir generadores de corriente continua de scooters o bicicletas eléctricas desechadas, pero nosotros compramos uno nuevo: el Ampflow Pancake Motor P40-250. Tiene una velocidad sin carga de 1700 rpm a 12V y una potencia máxima de 250 vatios. Puedes fijarlo de forma segura a una superficie de metal o madera, lo cual ahorra muchos problemas.

Cómo calcular la relación de engranajes y el tamaño del rodillo.

La tensión creada por el generador es directamente proporcional a la velocidad de rotación del generador (RPM o “revoluciones por minuto”). Sin embargo, la velocidad de rotación del generador no es un valor fijo. Depende de la rapidez con la que pedaleas (las RPM de los pedales). También depende de la relación de engranajes entre los pedales y el generador. Las RPM promedio de los pedales en una bicicleta estática, es decir, la velocidad de pedaleo cómoda que puedes mantener durante mucho tiempo, son aproximadamente 60 RPM. Se puede calcular con precisión mediante un tacómetro o mediante trucos de baja tecnología.⁴

Nuestro bicigenerador utiliza un sistema de transmisión por fricción. Este sistema consta de una pequeña rueda unida al eje del generador que girará en contacto con el volante. Calcular la relación de engranajes implica medir el diámetro externo de cuatro partes: el piñón del pedal, el piñón del volante, el volante y la pequeña rueda. Los tres primeros son conocidos, mientras que el último fue algo que tuvimos que determinar. El tamaño del rodillo que necesitas depende de las especificaciones de tu generador y de la tensión exacta que deseas producir. Entender esto puede resultar confuso a menos que alguien te proporcione la fórmula correcta (¡gracias, Gabriel Verdeil!).

Primero, necesitas encontrar las “RPM en vacío” de tu generador. Esta información debería ser proporcionada por el fabricante. Nuestro generador tiene una RPM en vacío de 3400 a 24V. Esta proporción es directamente proporcional: puedes calcular las RPM en vacío necesarias para cualquier voltaje que desees. Por ejemplo, a 12V son 1700 RPM (3400/24×12) y a 16V son 2267 RPM (3400/24×16). A continuación, mide el diámetro externo del piñón del pedal, el piñón del volante y el volante. No importa si usas mm, cm u otra unidad, pero sé consistente. Ahora tienes todos los datos necesarios para calcular el tamaño del rodillo. A continuación se presenta la fórmula, seguida del cálculo para nuestro caso específico (suponiendo 60 RPM en los pedales):

Diámetro del rodillo = (PS×W×RPM en los pedales)/(WS×RPM del generador)

PS = diámetro del piñón del pedal
W = diámetro del volante
RPM pedales = lo rápido que pedaleas
WS = diámetro del piñón del volante
RPM generador = la velocidad de rotación sin carga del generador

Diámetro del rodillo para nuestra configuración (en mm) para producir diferentes voltajes:

12V = (190×525×60)/(60×1700) = 58.68mm diámetro del rodillo.
13V = (190×525×60)/(60×1842) = 54.15 mm diámetro del rodillo.
14V = (190×525×60)/(60×1983) = 50.30 mm diámetro del rodillo.
15V = (190×525×60)/(60×2125) = 46.94 mm diámetro del rodillo.
16V = (190×525×60)/(60×2267) = 44.00 mm diámetro del rodillo.
17V = (190×525×60)/(60×2408) = 41.42 mm diámetro del rodillo.
24V = (190×525×60)/(60×3400) = 29.34 mm diámetro del rodillo.

La tensión exacta que necesitas, y por lo tanto, el tamaño exacto del rodillo, depende de lo que desees hacer exactamente con la bicicleta. Abordamos esto en detalle en el manual del panel de control. Imagina que deseas cargar baterías de plomo-ácido (que requieren 14.4V). Utilizas un convertidor reductor (que reduce la tensión de entrada), por lo que necesitarás producir cerca de 17V para compensar las pérdidas en la conversión de voltaje. Esto da como resultado un diámetro del rodillo de 41.42 mm. Esta configuración se muestra en la ilustración a continuación.

Puedes usar la fórmula de diferentes maneras. Puedes utilizarla para calcular las RPM mínimas en los pedales para un tamaño de rodillo dado; para calcular las RPM del generador en función de las RPM dadas en los pedales y el tamaño del eje; y para calcular el voltaje que se producirá con una configuración determinada. Encuentra las fórmulas a continuación, seguidas de un ejemplo basado en la configuración ilustrada anteriormente:

Calcular las RPM mínimas en los pedales para un tamaño de rodillo dado (S):

Generador RPM/[(PS×W)/(FS×S] * 2260/[(190×525)/(60×41)] = 55.81 RPM a los pedales.

Calcula el generador RPM para un tamaño del rodillo y RPM a los pedales:

(PS/FS)×(W/S)×RPM a los pedales * (190/60)×(525/41)×55 = 40.61 (relación de engranajes)×56 = 2274 RPM

Calcula el voltaje para una RPM dada en el generador:

Generador RPM multiplicado por la relación de RPM en vacío * 2274×(3400/24) = 16.1V

¿Qué tipo de rodillo necesitas?

Descubrir el tamaño del rodillo es solo la mitad del trabajo. Puede ser desafiante encontrar una rueda con el diámetro correcto, fabricado con los materiales necesarios y compatible con el eje del generador. Probamos una docena de rodillos hasta encontrar el adecuado. Un volante tiene una superficie dura y requiere una rueda blando hecho de goma o poliuretano. Descubrimos que un amortiguador sólido de metal y goma permitía una fricción óptima con nuestro volante. Lo llevamos a un taller de metal donde perforaron un agujero de 10 mm en la pieza.

Imagen: Una muestra de nuestros ruedas de prueba.

Otras opciones incluyen pequeñas ruedas sólidas de poliuretano y suspensiones de goma. Las ruedas de skate tienen un diámetro interior más grande, lo cual no es ideal para un eje de 8-10 mm. Ten cuidado al elegir un material que pueda manejar la fricción: algunos plásticos tienden a calentarse y derretirse. Ten en cuenta: este es un proceso de prueba y error. No acertarás en el primer intento. Otra opción que podrías considerar es diseñar una pieza torneada a medida, como se describe en el tutorial de magnificientrevolution.org. Un cubo de montaje universal puede ayudar a fijar ruedas que tienen agujeros para pernos, como las ruedas de robots.

Comprar un generador de corriente continua con una rueda preinstalado parece ser la solución más fácil. Por ejemplo, Pedal Power Generator ofrece un generador de 360 W con un tamaño de eje de 37.5 mm. Sin embargo, no puedes elegir un rodillo con un diámetro diferente. Esto significa que no puedes controlar el voltaje de salida a menos que reemplaces los piñones en el tren de transmisión de la bicicleta. En nuestro caso, un rodilo de 37.5 mm produciría 18 V, lo cual es demasiado.

Cómo fijar la rueda al generador.

El generador viene con una transmisión integrada de piñón o polea. Necesitas quitarlo para conectar el eje. Una tuerca autoblocante de nylon con rosca inversa sujeta la transmisión de piñón o polea. Necesitas desenroscarla hacia la derecha. Probablemente necesitarás una abrazadera para gestionar esto.

Imagen: El generador con un árbol de eje roscado.

Imagen: El generador con el rodillo de 41 mm.

Nuestro generador cuenta con un eje de 8 mm, mientras que nuestro rodillo se adapta a un eje de 10 mm. Por lo tanto, utilizamos un eje de dos partes con un “árbol de eje” y una rueda. Para fijar adecuadamente la rueda, puedes aprovechar el corte en forma de D en el eje (un “eje redondo con una sección plana para transmisión”). Nuestro primer intento fue una fijación roscada, pero eso no funcionó. Debido a la rosca invertida, se aflojará cuando el generador comience a girar.

Descubrimos que un árbol de eje roscado con tornillos de ajuste era la solución más versátil para probar diferentes ruedas. Fijamos el árbol de eje con tornillos sin cabeza colocados en la sección plana del eje. Es una varilla roscada M10. Puedes asegurar una rueda en ella con un par de arandelas y una tuerca. Un acoplamiento rígido con orificio también podría servir como un pequeño eje. También puedes usarlo para unir el eje del generador a otro eje con una rueda. Sin embargo, encontramos que esto no era ideal para nuestra configuración porque los tornillos de ajuste sobresalen del acoplamiento, dañando el volante.

Cómo fijar la unidad de transmisión por fricción a la bicicleta.

Atornillamos el generador a una tabla de madera y luego lo presionamos contra el volante utilizando una estructura de soporte de madera. La tabla está sujeta a la bicicleta con una bisagra de puerta resistente. Esto permite ajustar el ángulo en el que el rodillo está en contacto con el volante. El soporte descansa sobre una cuña de corcho que amortigua las vibraciones. Consulta nuestro primer prototipo para otros métodos.

Imagen: La unidad de transmisión por fricción.

Manual: El panel de control

Convertidores reductores y elevadores, reguladores de intensidad

Los convertidores reductores y elevadores son módulos electrónicos que convierten una entrada de voltaje fluctuante en una salida de voltaje constante. Los convertidores reductores tienen un voltaje de entrada más alto que el voltaje de salida (reducen el voltaje), mientras que los convertidores elevadores tienen un voltaje de salida más alto que el voltaje de entrada (aumentan el voltaje).

Puedes ajustar el voltaje de salida girando un pequeño tornillo en el módulo. Algunos convertidores reductores y elevadores vienen con una pequeña pantalla digital que muestra el voltaje de salida. Si no es el caso, puedes utilizar un multímetro para ajustar el voltaje de salida.

Ten en cuenta que necesitas un convertidor reductor o elevador. NO uses un convertidor reductor/elevador. Este es una especie de fuente de alimentación de banco micro que requiere ajustar el voltaje de salida cada vez que se enciende el sistema. Esto es poco práctico y puede dañar tus dispositivos. En cambio, un convertidor reductor o elevador recuerda el voltaje de salida cada vez que lo inicias.

Además, NO compres un regulador de voltaje. Este dispositivo te permite regular el voltaje de salida, pero solo en relación con el voltaje de entrada. Si el voltaje de entrada cambia, también lo hará el voltaje de salida. Necesitas un convertidor reductor o elevador, en el cual el voltaje de entrada pueda fluctuar pero el voltaje de salida sea estable.

Finalmente, debes verificar la clasificación máxima de corriente antes de comprar un convertidor reductor o elevador. Algunos solo admiten 2A, lo cual no es lo suficientemente potente para un bicigenerador. Necesitas al menos uno que pueda manejar 5A y preferiblemente uno que pueda manejar 10A o 15A, según tu producción de energía.

Convertidores reductores y elevadores.

Ya sea que elijas un convertidor reductor o elevador depende del voltaje producido por el generador y del voltaje del o los dispositivos que deseas alimentar o cargar. Si el generador de bicicleta produce 12V y deseas cargar dispositivos USB de 5V, necesitas reducir el voltaje y, por lo tanto, utilizar un convertidor reductor. Estos pequeños módulos con un conector USB convierten una entrada de voltaje fluctuante en una salida de voltaje constante de 5V. ⁵

Si deseas alimentar dispositivos de 12V o recargar baterías de plomo-ácido (14.4V), tanto un convertidor reductor como uno elevador podrían funcionar. Si optas por un convertidor reductor, el generador de bicicleta debe tener una salida de voltaje ligeramente superior a 12V o 14.4V (13-14V y 16-17V, respectivamente). Este voltaje de entrada más alto es necesario para compensar las pérdidas de energía en la conversión de energía. Si utilizas un convertidor elevador, el voltaje de salida del generador debe mantenerse por debajo de 12V o 14.4V.

Un convertidor reductor nunca superará el voltaje de salida elegido, sin importar cuántos voltios produzca el generador. En cambio, un convertidor elevador te garantiza un voltaje de salida mínimo, pero no establece un voltaje de salida máximo. Si pedaleas demasiado rápido, el voltaje de salida puede superar el voltaje de salida establecido y dañar el dispositivo o la batería que estás alimentando o recargando.

Para nuestro primer prototipo de tablero de instrumentos, utilizamos solo convertidores reductor. Utilizamos un convertidor elevador para cargar baterías de plomo-ácido en la siguiente versión. El generador debe producir 16-17V para obtener un voltaje de salida de 14.4V con un convertidor reductor. Esto está bien si solo deseas cargar baterías de plomo-ácido porque luego puedes ajustar la relación de engranajes para producir 16-17V a una velocidad cómoda de pedaleo. Sin embargo, si optimizas la relación de engranajes para voltajes más bajos, debes pedalear muy rápido siempre que incluyas la carga de baterías en tu entrenamiento.

El controlador de carga eólica

El bicigenerador debe suministrar 14.4V para cargar baterías de plomo-ácido, que es el voltaje máximo que necesita una batería de plomo-ácido. En principio, todo lo que necesitas es un convertidor reductor o elevador, pero hay una advertencia: puedes sobrecargar la batería, lo que puede provocar una explosión.

Puedes evitar este riesgo de una manera de baja tecnología, observando el amperímetro. Una vez que la corriente baja al 3% de la capacidad de almacenamiento nominal de la batería (en Ah), la batería está completamente recargada y debes dejar de pedalear. Dado que eres la fuente de energía y, por lo tanto, seguramente estás presente y despierto, este enfoque es menos arriesgado que cargar una batería de plomo-ácido desde una fuente de alimentación de CC o un panel solar sin un controlador de carga.

Sin embargo, es una buena idea agregar más seguridad. Un controlador de carga solar proporciona esta seguridad en un sistema de energía solar fotovoltaica. Corta la entrada de energía siempre que el voltaje sube por encima de 14.4V. Sin embargo, un controlador de carga solar no funciona cuando está acoplado a un bicigenerador. En cambio, necesitas un controlador de carga eólica, que opera de manera inversa.

En lugar de cortar la carga a cero, un controlador de carga eólica aumenta repentinamente la carga y “frena”. Si utilizas un convertidor reductor, el controlador de carga eólica rara vez activará el freno porque el convertidor reductor limitará el voltaje de salida a 14.4V. Solo frenará cuando amenaces con sobrecargar la batería. Si utilizas un convertidor elevador, el controlador de carga eólica frenará siempre que accidentalmente excedas un voltaje de salida de 14.4V.

Los controladores de carga eólica tienen tres cables verdes para conectar a la fuente de alimentación. Puedes tomar cualquier par de estos tres cables y conectarlos al positivo y al negativo de la entrada de energía, no importa cuál va a dónde.

La mayoría de los controladores de carga eólica disponibles comercialmente son demasiado potentes para un bicigenerador, así que consigue el más pequeño que puedas encontrar. Devolvimos dos controladores de carga al fabricante. Uno de los controladores de carga eólica con pantalla vino sin manual, y nadie pudo entender cómo funciona. El único controlador híbrido eólico/solar que probamos, por ahora, fue peligroso. El panel solar sobrecargó la batería. También mantuvo el freno eléctrico durante media hora cada vez que cruzábamos el umbral, bloqueando así la producción de energía humana.

Cables, conectores, diodos, fusibles, interruptores de encendido/apagado

Necesitarás cables, conectores, diodos, fusibles y botones de encendido y apagado para conectar todo. Todos estos componentes pueden resultar confusos, así que aquí tienes lo que necesitas saber.

Cables eléctricos

El panel de control incluye aproximadamente diez metros de cable eléctrico. Sin embargo, lo más importante no es la longitud, sino el grosor del cable. Si optas por cables demasiado delgados, tu panel de control podría incendiarse durante un ejercicio intenso. Tomar la decisión correcta puede ser confuso porque hay varias normas. Cableamos el panel de control con un cable de 20AWG y 0.52mm2, que soporta 11A. Una opción mejor habría sido un cable de 18AWG y 0.82mm2, que soporta 16A. Ten cuidado al pelar los cables: si cortas demasiado profundo, el cable puede soportar menos corriente.

Conectores

Los cables pueden conectarse utilizando métodos muy diferentes. Elegimos conectores de palanca: voluminosos y costosos pero prácticos. Ayudan a conectar los cables de forma segura sin necesidad de soldar ni usar tornillos. Estos conectores vienen con dos a diez pines. El cableado del panel de control puede volverse desordenado. Asegúrate de no cortar los cables demasiado cortos.

Fusibles

Puedes construir un generador de bicicletas y un controlador sin fusibles, pero no es una buena idea. Un fusible romperá el circuito eléctrico cuando se supere un umbral de corriente, evitando incendios y daños en los componentes. Colocamos un fusible de 12A en la entrada del panel de control (nuestra máxima producción de energía es de 8-9A). También añadimos fusibles a la mayoría de los dispositivos que alimentamos.

Interruptores de encendido/apagado

Los circuitos conmutables requieren interruptores de encendido/apagado. Nuestro panel de control tiene nueve de ellos. Queríamos interruptores que se iluminaran cuando estuvieran activos porque eso muestra rápidamente qué circuitos eléctricos están en funcionamiento al comenzar el generador de pedal. Sin embargo, las luces hacen que el cableado de los interruptores de encendido/apagado sea más complejo.

Compramos interruptores con los cables ya unidos porque preferimos no soldar las conexiones. Sin embargo, tuvimos que soldarlos de todos modos porque los cables gruesos ocupaban demasiado espacio. Los interruptores de encendido/apagado sin luces y con cables más delgados predefinidos simplifican esta parte.

Imagen: Cómo cablear los interruptores de encendido/apagado.

Diodo Schottky

Un diodo Schottky garantiza que la corriente solo pueda fluir en una dirección a través de un cable. Esta pequeña pieza es esencial cuando hay baterías conectadas a tu sistema. Sin un diodo, la batería podría alimentar el generador (y hacer girar los pedales) en lugar de al revés. Colocamos un diodo Schottky justo después del generador para evitar esto. Debe estar clasificado para el amperaje correcto: por encima de tu producción de energía esperada. Nuestra máxima producción de energía es de 8-9A, el diodo Schottky toma 10A.

Instrumentos del panel de control

El panel de control incluye varios indicadores que muestran el voltaje y la corriente en diferentes circuitos eléctricos. El medidor analógico de voltios y amperios en la parte superior es el más importante. Muestra cuánta energía está produciendo el generador (V×A=W). El voltímetro te dice qué tan rápido estás pedaleando, y el amperímetro qué tan fuerte estás pedaleando.

Los medidores analógicos de V&A son más precisos en el medio de su rango, así que elegimos un voltímetro que llega hasta 30V y un amperímetro que llega a 15A. Un medidor digital de V&A es más compacto, pero los medidores analógicos muestran las variaciones de manera más clara. Encima del medidor, hay un circuito USB para enchufar una pequeña luz LED. Esto te permite vigilar el medidor V&A cuando está oscuro. También es útil para verificar rápidamente si el sistema está funcionando.

Imagen: Cómo cablear el voltímetro y amperímetro analógicos.

Debajo del medidor V&A hay tres medidores de voltaje para cada convertidor reductor y elevador. Estos muestran el voltaje de salida para cada uno de los circuitos. La salida de voltaje debería ser de 12.0V para los circuitos eléctricos de 12V y 220V, y 14.4V para el circuito de 14.4V. Los dos primeros pueden caer por debajo de ese valor si no pedaleas lo suficientemente rápido, mientras que el último puede superar ese valor si pedaleas demasiado rápido, el controlador de carga eólica también te hará comprender esto. También hay un medidor de voltaje y corriente en el circuito de 5V. Esto ayuda a maximizar la producción de energía añadiendo tantos dispositivos USB como sea posible (hasta 2A).

Dos instrumentos más no están en el propio panel de control: el medidor de voltaje de la batería de plomo-ácido y los medidores de temperatura de la tetera eléctrica y el refrigerador Peltier. Ninguno de estos es esencial. Sin embargo, pueden motivar al ciclista de potencia. En la carretera, tus esfuerzos se traducen en la distancia recorrida. El ciclismo estacionario puede ser aburrido, no estás yendo a ninguna parte. Los instrumentos te ayudan a establecer metas. Por ejemplo: bajemos la temperatura del refrigerador en 2 grados Celsius antes de que te duches.

Panel de control y fijación

Adjuntamos el panel de control al manillar y añadimos un portaequipajes en la parte delantera que sostiene piezas adicionales como un inversor, un controlador de carga eólica y una batería de plomo-ácido. En la parte superior de la caja se encuentran las salidas de energía para cada circuito y un concentrador de distribución USB. La caja tiene una tapa abierta y agujeros por donde pasan los cables del panel de control (primero van dentro del manillar).

Utilizamos una cortadora láser en un espacio para fabricantes (MADE Barcelona) para producir el panel. Todos los componentes están ajustados o intercalados entre dos capas de MDF de 4 mm. Puedes quitar fácilmente el panel frontal si algo necesita ser cambiado o reparado. Una placa acrílica transparente protege los convertidores reductor y elevador. Puedes quitarla para ajustar el voltaje de salida. Fijamos el panel de control al manillar de la bicicleta con abrazaderas de tubo de goma, tuercas M8 y pernos.

Cómo cablear el panel de control

El panel de control completo:

1: Diodo Schottky. 2: Fusible. 3: Cables. 4: Amperímetro y voltímetro analógicos. 5: Interruptores de encendido y apagado. 6: Conectores de cable. 7: Luz LED USB.

Circuito 5V:

8: Convertidor reductor USB. 9: Voltímetro y Amperímetro USB. 10: Multienchufe USB y cable.

Circuito 12V:

11: Convertidor reductor. 12: Regulador de intensidad.

Circuito 14.4V:

13: Convertidor elevador. 14: Controlador de carga de turbina eólica. 15: Batería de plomo-ácido. 16: Voltímetro electrónico de batería.

Circuito 220V:

17: Convertidor reductor. 18: Inversor.

Manual: Lista de componentes

Generador

Motor (x1). Ampflow P40 - 250W Pancake DC Brushed Motor 24-12V. 1. Eje de montaje (x1). Conversión de eje roscado de 8 mm a M10.
Rueda (x1).

Dashboard

Diodo Schottky (x1). BOJACK Diode Schottky 10SQ045 (10A 45V)
Fusible (x1).
Amperímetro analógico (x1). Amperímetro analógico DH-670 0-5A Clase 2.0 y Voltímetro analógico (x1) — Voltímetro analógico DH-670 DC 0-30V Clase 2.0
Interruptor LED de encendido/apagado (x8) — Interruptor basculante de la serie KR1-5, 12V 20A, 3 pines con LED.
Conector de cable (aproximadamente 16 de diferentes formatos).
Luz LED USB de 5V.
Convertidor reductor de 5V (x2). Convertidor reductor MH KC24 DC-DC 24-12V de carga descendente a 5V USB con protocolo de carga rápida.
Voltímetro y amperímetro USB de 5V.
Multienchufe USB de 5V.
Convertidor reductor de 12V 5A (x2). Convertidor reductor DC-DC ajustable de 12-24-36V 5A.
Regulador de intensidad y toma de corriente de 12V (x1). Toma de corriente para encendedor de cigarrillos para automóvil a prueba de agua de 12V RUIZHI.
Convertidor elevador (x1).
Controlador de carga de turbina eólica (x1) — Controlador de carga de viento impermeable Asixx 24-12V 300/600W.
Voltímetro electrónico de batería.
Convertidor reductor de 12V 15A — Convertidor reductor 200W 15A DC 3-60V a 1-36V, módulo regulador de voltaje ajustable con rectificador sincrónico.
Inversor (x1) — Inversor de 300W o menos DC 12V a AC 220-240V.
Cable (+10m). 10M de cables paralelos de silicona de 0.52mm2 20AWG, 11A (10M de cada uno).

Hardware

Pernos M3. Se ajustan a los componentes electrónicos para asegurarlos al panel de control.
Pernos M6. Para sujetar el motor a la tabla de madera.
Pernos M8. Para unir las dos partes del panel de control.
Bisagra de puerta grande. Para sujetar el motor en un ángulo.
Soportes de montaje de metal (de todas las formas y tamaños). Para fortalecer la estructura.
Abrazaderas de metal y goma. Para sujetar el panel de control al manillar de la bicicleta.
Pegamento para madera, tornillos (de todos los tamaños), pernos, arandelas y tuercas (normales, de seguridad, redondeadas, en forma de alas), listones y tablas de madera, pintura acrílica negra, etc.

Los Costos

Solo incluimos los componentes que efectivamente utilizamos:

Generador

Bicicleta estática vintage (segunda mano): 60 euros
Generador: 60 euros
Eje del husillo: 10 euros
Husillo: 3 euros
Total: 133 euros

Panel de control (todos los circuitos)

Cables: 17 euros
Conectores: 25 euros
Voltímetro analógico: 9 euros
Amperímetro analógico: 9 euros
Interruptores de encendido y apagado: 20 euros
Diodo: 1 euro
Fusible: 1 euro
Total: 82 euros

Circuito de 5V

Convertidor reductor USB de 5V (2x): 8 euros
Voltímetro y amperímetro USB de 5V: 8,50 euros
Concentrador de distribución USB: 30 euros
Total: 46,5 euros

Circuitos de 12V

Convertidor reductor de 12V 5A (2x): 24 euros
Convertidor elevador de 12V 5A: 8 euros
Convertidor reductor de 12V 15A: 25 euros (circuito adicional que agregamos más tarde)
Regulador de intensidad: 7,50 euros
Total: 64,5 euros

Circuito de 14.4V

Inversor: 50 euros
Batería (14Ah): 31 euros
Controlador de carga eólica: 34 euros
Total: 115 euros

Hardware

Para fijar el panel de control y el generador: +/-30 euros

Gran total: 471 euros

Máxima amperios de todos los componentes (limitación del circuito):

Todos los componentes utilizados deben soportar la potencia que pasa a través de ellos. El voltaje generalmente no es un problema, pero debes prestar atención a los amperios. La producción de energía se limitó a 60 vatios (12V, 5A), pero eso fue antes de limpiar a fondo y lubricar el tren de transmisión de la bicicleta. Después de la limpieza, descubrimos que la bicicleta podía generar casi el doble de esa potencia (12V, 8-9A). Esto requirió que hiciéramos algunas actualizaciones.

Los componentes son más caros a medida que aumenta su amperaje máximo nominal. Para los circuitos de 12V, 220V y 14.4V, nos mantuvimos en un límite de 5A. Aunque la bicicleta generadora puede producir más potencia, generalmente combinamos varios circuitos, cada uno limitado a 5A. Agregamos un circuito adicional de 12V con un convertidor de 15A y cables más gruesos para alimentar un electrodoméstico más potente. Este circuito omite completamente el panel de control. Planeamos trasladarlo al circuito eléctrico no regulado en el panel de control (y mejorar el cableado).

Cables: 11A, 18A para el circuito adicional
Convertidores USB reductores: 2A
2x Convertidores reductores: 5A
1x Convertidor reductor: 15A
Convertidor elevador: 5A
Interruptores de encendido y apagado: 20A
Diodo: 10A
Fusible: 12A
Conectores: 20A

Herramientas necesarias

Cortacables
Destornillador pequeño (para ajustar la salida de voltaje en convertidores reductores y elevadores)
Calculadora, multímetro, tacómetro
Soldador. Soldamos los interruptores de encendido y apagado y los dos convertidores USB reductores. Sin embargo, esto se puede evitar. Los interruptores se pueden comprar con cables preinstalados y hay opciones alternativas para los convertidores USB.
Sierra de madera: para hacer el portaequipajes
Sierra de metal: para cortar varillas roscadas personalizadas
Taladro: para montar el portaequipajes y el panel de control
Juego de llaves de vaso: muy útil al trabajar en una bicicleta.

El primer prototipo

El panel de control puede tener diferentes formas y utilizar otras herramientas y materiales. Construimos una prueba de concepto con madera de desecho y Meccano, y luego la aseguramos al manillar con alambre de hierro y algunos bloques de madera.

Inicialmente, atornillamos el generador en una tabla de madera grande y colocamos la bicicleta encima. Hicimos agujeros en la tabla para las cuatro patas para que la bicicleta siempre estuviera en el lugar correcto. Esta configuración funcionó y fue útil para probar diferentes tamaños de husillos, pero ocupa mucho más espacio en el suelo que nuestra configuración final.

Un agradecimiento especial a Adriana Parra, Eris Belil, Gabriel Verdeil y Manvel Arzumanyan.

Una excepción, sin embargo. Tuvimos que quitar el rodillo de fricción y el tornillo que ajusta la resistencia en los pedales de la bicicleta estática. Cortamos esta parte con una pequeña sierra metálica. ↩︎
Es importante que el sillín esté a la altura correcta para maximizar la producción de energía. El sillín de nuestra bicicleta estática está demasiado bajo. Necesitamos encontrar un poste de asiento más largo. ↩︎
La resistencia en los pedales depende del dispositivo que estás alimentando. Si estás cargando un teléfono inteligente, solo podrás producir unos pocos vatios, tanto como el teléfono necesita. Por lo tanto, para conocer la potencia máxima de un generador de bicicleta, necesitas un dispositivo o multímetro más potente que tú. Realizamos la prueba con un compresor de aire eléctrico. ↩︎
Para calcular las RPM (revoluciones por minuto) en el ciclo de pedaleo durante 15 segundos, cuenta el número de vueltas completas del pedal (ya sea el pedal izquierdo o derecho) y multiplica este número por cuatro. ↩︎
Hay muchos otros tipos de conectores USB, pero esos requieren una entrada de 12V constante. ↩︎