Bici solare 2

Ecco un’altra versione di bici solare, questa volta ancora più ecologica ed esclusivamente ad energia solare.

Questa bici è ideale per quelli che non hanno voglia di caricare o cambiare le batterie, ma che vogliono comunque un po’ pedalare, ed è più leggera della precedente versione, quindi adatta per tutti quelli che devono portare su e giù la bici per le scale.

Si parte dal pannello solare, ormai sempre più efficienti, questo è un caricatore usb da circa 10W da Aliexpress (per maggiori informazioni visitare aumentare la resa di un pannello solare), circa 21% di efficienza, flessibile, sfrutta bene anche la luce diffusa.

Il suo circuito caricatore usb con indicazioni luminose consuma circa 7mA, ma a noi per ora non serve.

Il pannello solare eroga circa 2A in corto e circa 5,6V a vuoto.

Ho fissato con del silicone un cavo recuperato da una vecchia radiosveglia non funzionante.

Inizialmente, per semplicità di controllo, avevo deciso di usare un motore a spazzole.

Pur troppo però i motori a spazzole in genere non hanno una bassa impedenza, questo era quello con la più bassa impedenza che avevo, probabilmente tolto da una stampante non funzionante, la bassa impedenza ci serve per caricare molto il pannello solare e sfruttarne tutta la sua corrente disponibile per quanto possibile.

Qua trovate il pdf del motore, in teoria funziona anche a meno di 5V, ha 7 Ohm di impedenza, 70mA a vuoto e 0,7A da fermo.

Ho stampato in 3D il supporto e ho usato un po’ di viti e rondelle per fissarlo al supporto della dinamo presente nella maggior parte delle city bike.

Avevo anche provato diversi diametri per adattarlo alla velocità media della ruota, per sfruttarlo alla massima efficienza, ma alla fine è un motore inefficiente, pesante e può andar bene al massimo come dinamo per chi non ha grosse pretese, l’unico vantaggio è che accelera sempre senza bisogno di impostare la velocità.

Come potete vedere a malapena riesce a far girare la ruota e non sfrutta a pieno il pannello, così ho pensato di usare un piccolo brushless da modellismo, molto più leggero, efficiente, e qualche frazione di Ohm di impedenza, potete trovarlo su siti come hobbyking o ebay, in passato ci avevo già provato con un 1000kv ma mi si era bruciato dopo poco tempo ma era alimentato a 12V, il diametro della ruota era 26″ ed aveva molti kv (giri), questa volta proverò ad usare un 760kv, ruota a 28″ e ad alimentarlo al minimo possibile, quindi al limite dello spegnimento dell’esc.

Mi serviva un supporto che non bloccasse la ventilazione attraverso i fori e l’ho stampato in 3D.

Se volete trovate i files qua, perdonate la qualità di stampa ma ero ancora gli inizi, ho usato delle viti m3 per fissare il tutto.

Per questo formato di motore (28mm) il kv più basso è circa 760.

Ovviamente come una dinamo, il motore dovrà rimanere sempre in contatto con la ruota, e per ciò useremo un semplice elastico tra una vite e il supporto, e anche una fascetta per scollegare il motore in caso di buio o problemi, ma devo dire che il freno del motore non si sente minimamente, perchè è di piccola taglia ma sopratutto perchè ha un kv un po’ più alto del precedente e la coppia frenante è bassa.

E’ molto importante sigillare tutte le fessure dell’esc con della colla a caldo, in caso di pioggia non si rovinerà l’elettronica.

L’esc è uno skywalker da 40A, qua c’è il manuale con la tabella di programmazione, per farlo funzionare a 5,4V bisogna riprogrammarlo e scegliere ni-mh al posto di Li-po e disabilitare il cut-off, se non avete questa opzione impostatelo al minimo possibile, se doveste riusare l’esc con il vostro aereoplano ricordatevi di riprogrammarlo.

 

L’esc in caso di ombre smetterebbe di funzionare e per evitare ciò e anche per dare un po’ più di potenza ho usato due supercondensatori da 100F 2,7V in serie, si possono trovare su Aliexpress digitando 2.7V 100f, ricordatevi di usare grosse sezioni di cavo in uscita da questi, come anche per tutta la parte di potenza, io sto pensando di aggiungerne altri in parallelo, i cicli di vita rispetto alle batterie sono molto elevati.

Siccome due condensatori non saranno mai uguali, per evitare di sovralimentarne uno e farlo esplodere, caricandoli in serie, servirà un circuito di bilanciamento, potete trovarlo su ebay o Aliexpress scrivendo balancing module o simili, che poi sono semplicemente dei transistor che cortocircuitano, comandati da un partitore di tensione.

Purtroppo però la tensione è di circa 5,3V, insufficiente ma non di molto, servono almeno 5,4V, quindi bisognerà modificare questi moduli aumentando leggermente la tensione massima.

Il partitore che controlla il tutto è formato da queste due resistenze, una da 12k e una 180k, nel mio caso basterà mettere in parallelelo con 500k quella da 180k per avere qualche millivolt in più, non esagerate se no i condensatori potrebbero scoppiare, anche se in realtà hanno un po’ di tolleranza.

Non avevo le resistenze da 500k quindi ne ho usate due da 1M in parallelo, dopo questa modifica la tensione è salita a circa 5,4V.

Per aumentare l’attrito fra motore e copertone ho usato un anello di camera d’aria (di quelle sottili).

Bisogna anche usare un elastico molto più potente senza fare troppi giri nel mio caso ne bastano 2, con troppa forza potrebbero crearsi molti attriti e rischiereste di deformare il cerchione.

Rispetto alla versione precedente non si ha il contatto diretto fra la sporcizia della strada e il motore.

ll motore deve essere perfettamente perpendicolare alla ruota, pena un calo di rendimento e usura delle parti in gomma.

Come wattmetro ho usato un Lemonhobby da 130A (da ebay), che almeno sulla carta dovrebbe avere un consumo di 8mA (in realtà ne consuma 11) e retroilluminazione per vedere sia di giorno che di notte, a dire il vero, quando si accende esce la scritta G.T Power quindi probabilmente è solo rimarchiato, tuttavia mi sono trovato bene ed è molto preciso, in alternativa potete provare il Turnigy o il G.T. Power, assicuratevi però che abbia il display verde da spento, per vedere anche di giorno, diffidate da prezzi troppo bassi.

Il source è l’ingresso, il load è l’uscita, la resistenza di sensing è tra i due teminali negativi del wattmetro, non c’è bisogno di usare grosse sezioni per il teminale positivo che alimenta l’elettronica e ha bisogno di pochi mA.

Quando saldate i cavi è facile che salti via una bolla di stagno liquido o i fumi, usate degli occhiali da lavoro.

Il wattmetro indica una potenza massima di circa 22W, ovviamente i condensatori a quella potenza si scaricheranno velocemente, l’ideale è impostare un consumo pari a quello del pannello, per fare ciò basta regolare la velocità fino a quando la tensione non vari ma, rimanga ad un valore più costante possibile, i supercondensatori dovrebbero sopperire agli spunti e ad accumulare energia anche per le ombre.

Non so se questo wattmetro protegga i cristalli liquidi dal sole, siccome il wattmetro che avevo prima si è rovinato col sole (alcuni pixel tutti neri), per precauzione ho usato due pezzi di nastro adesivo uno contro l’altro, fissati solo agli estremi, quando si usa il wattmetro basterà semplicemente staccare il pezzo di destra.

Ho messo anche un deviatore trifase per usare il motore anche come generatore, per accendere le luci quando non c’è il sole, si tratta di un semplice raddrizzatore trifase a 6 diodi con un condensatore da 1000µF che alimenta un convertitore step up che a sua volta alimenta i led, i led rossi devono avere una resistenza da 100ohm altrimenti si accenderebbero solo i led rossi, in quanto 1,8V sarebbe la tensione fissata in uscita dal convertitore ed anche la via più facile per la corrente di andare a massa.

 

I giri al minuto della ruota sono per ora (760giri/(minV)) x4V/(60s x22)=2,3 giri/s, circa 22 di rapporto tra 670mm della ruota e 29mm del motore, questo vuol dire che alla ruota avremo 22 volte meno la velocità del motore ma anche 22 volte più coppia del motore, come fra due ingranaggi diversi.

Con un diametro ruota esterno di circa 69cm abbiamo toricamente circa 2,3giri/s x0,69m x3.14=5m/s x3,6=18Km/h, in realtà a carico saranno un po’ meno.

Il deviatore in posizione centrale serve anche se non si vogliono sentire i bip in fase di ricarica dei supercondensatori, va protetto dall’acqua che ossiderebbe i contatti interni, per fare ciò si può usare un pezzo di tubo al silicone per carburante rc, e avvitarlo fino in fondo, anche i contatti esterni vanno protetti con un po’ di colla a caldo.

 

Questo convertitore dc dc step up comincia a funzionare da 0,9V e si può trovare su Aliexpress per qualche centesimo digitando 0.9V boost, senza convertitore ci sarebbe voluta troppa velocità per accendere i led, pur troppo la corrente disponibile non è molta, qualche centinaia di mA, ho misurato 400mA non 600 come dichiarato, vorrà dire che almeno ci sarà meno freno, se ne trovo di migliori aggiornerò la pagina.

Anche se il convertitore è a 5V è talmente debole che non c’è bisogno della resistenza sui led bianchi.

Il convertitore va come sempre protetto per esempio con un coperchio di uno spazzolino e colla a caldo.

In futuro mi piacerebbe usare dei relè per comandare la commutazione, e anche il recupero di energia in frenata, vedremo.

L’esc una volta superati i 5,4V non emetterà più suoni e permetterà al motore di funzionare, il motore funzionerà anche sotto i 5,4V, fino a 3V circa, se scende sotto i 3V allora anche se dopo la tensione sale questo comincierà ad emettere dei bip fino a che la tensione non supererà i 5,4V e così via.

Volendo si potrebbe usare un finecorsa NC da premere per scollegare temporaneamente l’esc, sia per programmazioni e sia per il reset in caso si bloccasse.

Devo dire che è scomodo guidare e regolare il potenziometro, si rischiano distrazioni e perdite di tempo, così al posto del servo tester ho usato un Atmega328p (Arduino stand-alone) con 4 pulsanti in ingresso ai pin D5, D6, D7, D8 e segnale servo in uscita al pin D3, l’alimentazione sarà fornita dall’esc come nel servo tester.

Ogni pulsante ha una resistenza da 1k a massa, c’è anche un piccolo condensatore per stabilizzare l’alimentazione ed una prolunga da circa 1m, fatta con connettori dupont.

C’è anche un socket in caso si dovesse sostituire il microcontrollore.

Ogni pulsante imposta una velocità, il primo imposta 0W (solo ricarica solare), il secondo circa 2W (passeggiata + molta ricarica o per cielo nuvoloso), il terzo circa 8W (più veloce con poca ricarica), l’ultimo il massimo (circa 22W senza ricarica), usando il massimo da fermo si riesce a far erogare fino a 35W (con il deviatore da 6A in serie).

Ecco il codice:

#include <Servo.h>

Servo esc;                              
int val1;
int val2;
int val3;
int val4;

void setup()
{
pinMode(5,INPUT);
pinMode(6,INPUT);
pinMode(7,INPUT);
pinMode(8,INPUT);
esc.attach(3);
esc.writeMicroseconds(1000);
delay(3000);
}

void loop()
{
val1=digitalRead(5);
val2=digitalRead(6);
val3=digitalRead(7);
val4=digitalRead(8);

 if (val1==HIGH)
 {
 esc.writeMicroseconds(1000);
 }

 if (val2==HIGH)
 {
 esc.writeMicroseconds(1300);
 }

 if (val3==HIGH)
 {
 esc.writeMicroseconds(1600);
 }

 if (val4==HIGH)
 {
 esc.writeMicroseconds(2000);
 }

}

Inizialmente si imposta un valore di 1000µs per un tempo di 3 secondi per dare il tempo all’esc di riconoscere il microcontrollore, successivamente per ogni pulsante a livello alto impostiamo un’uscita per l’esc, i valori in microsecondi sono da trovare sperimentalmente e in base al proprio esc, volendo potete aggiungere più pulsanti o modificare i valori.

L’esc non si comanda da 500 a 2500µs come in un servo normale, ma da circa 1000 a 2000µs, fate comunque delle prove.

L’esc permette anche di programmare il minimo, in alcuni modelli rc, si usa un minimo più alto e il freno, a noi in questo caso non serve, ma ci servirà avere il minimo programmato allo 0%, eventualmente riprogrammatelo seguendo il manuale del vostro esc.

Tenete presente che al calare della tensione calerà un po’ anche la potenza erogata.

Per fissare Arduino, ho usato una scatola di tic tac e un po’ di colla a caldo, dopo ho ricoperto tutto con del nastro isolante nero.

   

Ho fissato e sigillato i pulsanti con della colla a caldo.

C’è anche uno spinotto per la riprogrammazione di Arduino, ricordatevi di mettere un tappo per impedire all’acqua e all’umidità di entrare e ossidare i contatti.

 

Se vi piace giocare con il codice potete aggiungere una pedalata assistita aggiungendo un contatto reed e un piccolo magnete, oppure un acceleratore automatico in base alla potenza del sole.

La guida è un po’ strana, inizialmente si bisogna caricare i supercondensasotori a 5,4V a quel punto si possono usare i pulsanti e impostare la potenza, in base a quanto sole c’è e a quanto aiuto si vuole.

Una volta impostata una velocità, la tensione generata dal motore farà da segnale di retroazione che verrà inviata ed elaborata dal ESC, quindi un feedback sulla posizione senza uso di sensori.

Non sempre il motore eroga la potenza impostata, a volte meno, per esempio se da lenti cominciate a pedalare e ad andare veloci, vedrete la potenza erogata al motore diminuire man mano che vi avvicinate alla velocità impostata, questo è più evidente alla massima potenza.

Ciò accade perchè si genererà una forza elettro motrice nelle spire del motore che andrà a annullare quella generata dal esc (come in un generatore), quindi una sorta di equilibrio, ci saranno solo gli attriti da dover alimentare.

Il pannello solare è da 5V per evitare problemi legati all’ombreggiamento di celle in serie, in oltre essendoci meno celle e più superficie, c’è meno possibilità che una cella sia completamente ombreggiata, inoltre in caso di ombreggiamento la tensione è abbastanza bassa da non provocare shock al pannello.

Il pannello è sottodimensionato, in realtà servirebbe almeno da 20W, volendo si potrebbe aggiungere qualche altro pannello per esempio nel portapacchi frontale o sul manubrio o lateralmente al portapacchi, ma poi verrebbe rovinata l’estetica.

Le perdite nei cavi a 22W sono circa l’1%, lasciate i cavi del wattmetro abbastanza lunghi per evitare di spezzarli e girare il manubrio con difficoltà, ma allo stesso tempo non allungateli troppo per evitare perdite.

Il motore è dichiarato per una potenza di circa 200W.

Se aumentate la tensione oltre i 5V avrete più potenza e velocità ma rischierete il surriscaldamento del motore e che il motore scivoli sul copertone, ma si può risolvere con 3 giri di elastico, con 2 Li-po in serie sono riuscito a raggiungere i 45W, l’essere umano è efficiente solo al 5-20% circa e per raggiungere quelle potenze dovrebbe bruciare circa 200W di potenza contenuta nel cibo, il pannello solare inoltre consuma parte dell’energia sole ricevuta e quindi in teoria dovrebbe anche raffreddare il pianeta, oltre a ridurre possibili emissioni chimiche e di gas serra come CO2 e Acqua.

Se aggiungete altri supercondensatori in parallelo a quelli già esistenti (consigliato) è probabile che non riescano a raggiungere la massima tensione o ci metterebbero troppo tempo a farlo, conviene quindi usare questo circuito, per far partire subito l’esc.

Il pannello solare in questo caso è collegato direttamente all’esc, se premete il pulsante del finecorsa scollegate temporaneamente i supercondensatori e all’esc arriveranno direttamente circa 5,6V del pannello solare, una volta che sentite i bip di inizializzazione potete rilasciare il finecorsa e i condensatori torneranno a caricarsi lentamente ma nel frattempo potrete già usare il motore.

Oppure potete impostare una velocità minima ed aspettare che quando c’è il sole, la potenza erogata aumenti o diminuisca automaticamente al caricarsi o scaricarsi dei supercondensatori.

Il pulsante di reset, se volete metterlo, permette di resettare l’esc ma funziona solo se premete anche il finecorsa, un’altro modo per resettare l’esc potrebbe essere quello di staccare lo spinotto di Arduino temporaneamente.

Altra modifica è quella di usare la leva del freno destro o sinistro per fermare il motore, per fare ciò basta fissare un magnete ed un contatto reed sulla leva del freno, se aggiungete anche il codice per il contatto d9, potete sfruttare tutti e 4 i pulsanti per impostare le velocità.

Finchè il magnete è sul contatto, il reed rimarrà chiuso e manderà 0V al microcontrollore, ma in questa condizione la resistenza è comunque alimentata e consuma corrente quindi è importante scegliere un valore alto, per esempio 47k.

Quando la leva del freno viene tirata il magnete si allontana e il contatto reed è aperto inviando così i 5V al microcontrollore tramite la resistenza.

Fate in modo che anche con poca escursione si attivi il freno, usando un magnete debole oppure distanziandolo molto dal contatto reed, un piccolo magnete debole si può trovare in vecchi lettori cd.

Fate la massima attenzione a maneggiare il contatto reed, basta piegare un po’ troppo un pin per frantumare l’ampolla di vetro.

Ecco il codice:

#include <Servo.h>

Servo esc; 
int val1;
int val2;
int val3;
int val4;
int val5;

void setup()
{
pinMode(5,INPUT);
pinMode(6,INPUT);
pinMode(7,INPUT);
pinMode(8,INPUT);
pinMode(9,INPUT);
esc.attach(3);
esc.writeMicroseconds(1000);
delay(3000);
}

void loop()
{
val1 = digitalRead(5);
val2 = digitalRead(6);
val3 = digitalRead(7);
val4 = digitalRead(8);
val5 = digitalRead(9);

 if (val1==HIGH)
 {
 esc.writeMicroseconds(1300);
 }

 if (val2==HIGH)
 {
 esc.writeMicroseconds(1600);
 }

 if (val3==HIGH)
 {
 esc.writeMicroseconds(1800);
 }

 if (val4==HIGH)
 {
 esc.writeMicroseconds(2000);
 }
 if (val5==HIGH)
 {
 esc.writeMicroseconds(1000);
 }

}

Mi piacerebbe usare un motore con un po’ meno kv, in modo tale da avere più coppia e possibilmente più poli, ma credo che al buio o ad alte velocità frenerebbe molto, con questi motori a bassi giri e molta induttanza conviene usare bassi valori di timing.

Ai semafori se c’è sole potrete caricare i supercondensatori, buone pedalate e buon sole, un saluto e alla prossima.

 

 

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