古い自動車を強力な発電機に変える
(blog.arduino.cc)- 公道走行の価値は低いもののエンジンは正常な Toyota Sienna ミニバンを活用し、廃棄されるはずの車両をオフグリッド電源に変えるプロジェクト
- 高品質な発電機は数千〜数万ドルかかることがあるため、正常に動作する 古い自動車エンジンが安価な代替案になり得る
- Jake von Slattは、故障したHarbor Freight発電機のオルタネーターとSiennaのエンジンを組み合わせて 60Hz AC出力を作ろうとしている
- Arduino Nano EveryとH-bridgeがクルーズコントロールのアクチュエーターを動かし、エンジンを 3600rpm 付近で安定させる
- 廃車同然の車両と古い発電機部品を再利用し、電力網の外でも使える実用的な発電機を作る方法
廃車寸前の車両を発電機エンジンとして活用
- 発電機は高価な機器
- 小型で低品質なモデルなら数百ドルで購入できる
- 高品質な発電機は数千ドルから数万ドルまで費用がかかる
- 古い自動車は、とくに 公道走行が難しい状態であれば非常に安く入手できることがある
- Jake von Slattは、動作するエンジンを備えた廃車同然の車両を強力な発電機に変える過程を動画シリーズで公開している
- このプロジェクトのエンジンは Toyota Sienna ミニバンから取り出したもの
- 車両自体は公道上で維持し続ける価値が低い
- エンジンはまだ良好に動作する
- 発電機用途として十分な出力を備えている
- オルタネーターは、エンジンが故障した Harbor Freight発電機から取り出したもの
Arduinoで60Hz出力を維持
- 家庭用機器や工具を使うには、AC電圧出力が 安定した60Hz を維持する必要がある
- Siennaのクルーズコントロールシステムは、本来は車輪速度を一定に保つためにスロットルを動かす
- このプロジェクトでは同じシステムでエンジンを 3600rpm に安定させ、60Hzを維持する
- 制御回路は Arduino Nano Every board と H-bridge を中心に構成されている
- ArduinoはH-bridgeを介してクルーズコントロールアクチュエーターのサーボモーターを制御する
- オルタネーターの出力電圧は5Vに下げ、周波数監視に使用する
- 周波数が低い場合、Arduinoがアクチュエーターを回してエンジン回転数を上げ、60Hzになるよう調整する
- 結果として、廃棄されるはずの自動車と古い発電機を捨てずに、オフグリッド電力を提供する装置として再利用できる
1件のコメント
Hacker Newsのコメント
こうするなら、エンジンと発電機の間にギアボックスを入れるほうがよい
自動車のエンジンは3600rpmで回せるとはいえ、通常は高負荷時には2000rpm付近が最も燃費がよい。低負荷ではもっと低い回転数のほうが効率的だが、自動車の冷却系が高負荷を長時間受け止められるほど大きくない可能性があるので、エンジンを1800rpmで回し、1:2のギアボックスで発電機に合う回転数を作るのが、単純で「十分近い」設計に見える
より現代的なエンジンなら、技術改善のおかげで最高効率が3000rpm付近にあるかもしれない。ただ、ここではエンジン出力と発電機の最大出力の差が大きすぎて、あまり意味がない可能性が高い。この発電機は5500W、つまり約7.4馬力で、発電機効率を考慮しても最大負荷は8馬力程度。Toyota Siennaのエンジンは最高出力が約200馬力なので、自動車のエアコンが4馬力ほど消費するのと比べると、発電機はエアコンの2倍にも満たない負荷でしかない。結局、エンジン内部損失を減らすために、ほぼアイドリング程度で回すプーリー構成のほうが合っているように見える
全体を補強したパレットの上に載せれば完成。この構成で北米の一般家庭の電力需要を何カ月も安定して賄うのは難しいだろうが、安物発電機の怪しい150ccエンジンが壊れる前にやっていた程度の仕事なら、十分こなせる可能性が高い
見事な構成だ。しばらくヨットで暮らしていたが、曇りが数日続くと太陽光でバッテリーを充電するのが難しくなる
私が使っていた小型のM35 Universalディーゼルエンジンはトルクが大きく、そのトルクで110V 120Aの発電機を回していた。車のオルタネーターのようにバッテリーを充電するが、私の場合は12V 200Ahのリン酸鉄リチウムバッテリー6個を充電していた。このバッテリーで120V 3000Wインバーター、エアコン、冷蔵庫、コーヒーメーカー、造水機、電気コンロ、照明、航法機器、無線機、Starlink、Xboxといった「家」の設備を何日も動かしていた。車体の見た目が嫌なら、エンジンだけをスタンドに載せて動画のように配線すればよく、エンジンを動かすのに必要なのは燃料ライン、点火、圧縮だけだ
信号が青に変わってから速度に達するまでの数秒だけで、その後はずっと少ない出力しか必要としないからだ。ヨットは実質的に無限の海水で冷却できる。そしてエンジンにはコンピューターも必要になる可能性が高く、そうなると電気系統も必要になる
セミDIY発電の領域では、Listerエンジンとその複製であるListeroidも見る価値がある
ディーゼルで回せば、好きなベルトシステムを駆動するかなり効率的なエンジンになり、発電機から製粉機や水ポンプに付け替えることもできる。バイオディーゼルや廃油のような代替燃料もほとんど使え、単純な低回転構造なので耐久性が高く整備もしやすい
http://www.justliveoffgrid.com/InstallationGuide.html
https://diesel-bike.com/Lister_Gen/Lister1.html
この改造がどれほど理にかなっているのか、よく分からない。もともとはエンジンが壊れて廃棄された発電機で、既製品の4ストロークエンジンを1000ドル未満で取り付けられたはずだ
その代わり、廃車状態でも新品エンジン価格の半分くらいにはなる車を持ってきて、車が占めるスペース、電子機器、製作費までかけた結果、せいぜい10馬力程度しか使えない発電機を、ほぼ200馬力の廃車エンジンで回す構造になっている。即興制作そのものは見事だが、2台目を同じように作る理由は想像しにくい
クルーズコントロールのクラッチを外せば車は今でも走行可能で、荷物を運んだり溶接したりするときにも使っているらしい
愚かな質問かもしれないが、Prius のようなハイブリッド車は一種の発電機として使われるように設計された車なのだから、古い Prius のほうが据え置き型発電機として良い選択肢なのでは、と思う
今では台数も多く、かなり安くなっている。2020年8月のアイオワ州の derecho の後、5日間停電状態で暮らしてみて、非常用電源がどれほど重要かを完全に思い知らされた。発電機は手に入らず、動物保護施設でさえ庭の発電機が盗まれた。ガソリンと氷も入手しづらく、電気レンジなので調理も大変だった。ペレットグリルも電動なので使えず、3日後には冷蔵庫と冷凍庫の食品をすべて捨てなければならなかった
Prius のモーター・ジェネレーターは90%以上に近い。モーター・ジェネレーターが100%デューティサイクルで回り続けられるわけではないかもしれないが、最大出力は数十 kW なので、かなり大きな負荷が必要になる。多くの自動車用オルタネーターは長時間の最大負荷に耐えられず、2kW程度しか出せないので危険がある。巻線や電圧レギュレーターが過熱する可能性があり、熱保護が付いている場合もあるが、常にそうとは限らない。遠心ファンを補助するように強制冷却を付ければ、応急処置は可能だ
https://fridge0.branchable.com/
https://fridge0.branchable.com/thermal_mass/
出力は限られるが、冬の嵐で停電したとき、数日間は石油暖房とインターネットを動かせた。エンジンはハイブリッドバッテリーを充電する必要があるときだけ回るので、一般的な発電機よりはるかに効率的だ。140V のハイブリッドバッテリーに合わせたインバーターを付ければもっと多くの電力を取り出せるだろうが、この方法は早くて簡単だった。冷蔵庫を暖房の代わりにつないでみようとしたが、接地の問題でインバーターが遮断された。幸い外が寒かったので持ちこたえられた。災害復旧計画 は最後までテストするまでは完了したことにならない
駆動用バッテリーは特に大きくないので、より大きなパックに接続しない限り、頻繁にエンジンが回る気がする。NiMH ハイブリッドシステムをだまして LiFePO4 セルを使わせる改造をしている人たちもいて、各セルに個別の充電コントローラーを付ける方式だ。車両の制御系が見ているのは結局セル電圧だけだ
彼の基本的な制御アルゴリズムには大きな改善の余地がありそうだ。単純な PID コントローラー だけでも、負荷変動にはるかに素早く反応し、適切なスロットル位置へ収束できる
コントローラーがゆっくり這うように動くのを見ているのは少しもどかしかった
「その考えはありましたし、良いアイデアだと思います。コーディングの腕が上がったら、このプロジェクトに戻ってくると思います。Arduino に USB ケーブルを接続してあるので、コード更新はとても簡単なはずです！」
それどころか、クルーズコントロール自体をハックして「速度」を60Hzに合わせることもできたはずだ
3600rpm はかなり高い。この装置は燃料をかなり食いそうだ
ちゃんとした民生用発電機より本当にお金の節約になるのか、計算してみる必要がある。エンジンそのものより、ユーザーが組み合わせた部品構成の 信頼性 も心配だ
本人も、これはすでに解決済みの問題に対する Mad Max 的な「そこらに転がっていたガラクタで作ったもの」だと明らかに分かっている。コンセプトとしては格好いいが、用途は非常に狭く、客観的に良いアイデアではない。大きなクラッチファンとしっかり覆われたラジエーターがあるエンジンを使えば、冷却はある程度解決できるし、燃料を節約するなら、より低い回転数でエンジンのアイドル制御系を使うほうがよいだろう。それでも豚に口紅を塗るようなもので、Harbour Freight に行けばもっと見栄えのする豚を買える
こういう類いの作業は、平均的な HN 読者が経験していたり詳しかったりする範囲の外であることが多いのに、ここでは妙に批判的に見られているのが興味深い
理想的な構成ではまったくないが、機械を扱う人たちはこういうものをいじるのが好きだ。私も含めて
DIY 自体は面白いが、より大きな規模で考えるなら、この資料は一見の価値がある
https://academiccommons.columbia.edu/doi/10.7916/D81N8CPF
要旨では、小型で大量生産されている内燃機関のピストンエンジンを、自動車以外のシステム設計に改造して組み込む価値が強調されている。出力基準で正規化すると、内燃機関は既存の大型発電所より100倍安い、という観察から出発している。また論文の大部分は、往復ピストンエンジンを圧縮機としてモデル化、設計、改造、試験する内容である。既存形態のエンジンが本質的に往復圧縮機である点を利用し、小規模なガス圧縮機として費用対効果よく改造できるかを見ている
非常用バックアップや、論文でいう予備力用途ならよいが、一般的な発電用途では運用コストが非常に高い。モジュール化のアイデアは良いが、すでに現在作られている仮想発電所（VPP）にも含まれている概念だ
その2極発電機は、単気筒ガソリンエンジンが 3600rpm で悲鳴を上げながら回る用途のものだ
より大きな発電機は4極なので、60Hz では 1800rpm、50Hz では 1500rpm で回せる。5500W も強力な部類ではなく、標準的なポータブルガソリン発電機ヘッド程度だ。自動車エンジンは出力が過剰で、効率のよいポイント付近で動作しない可能性が高い。交流モーターや発電機の速度は RPM = 120f/p で、ここで f は Hz、p は極数である