En este artículo se presenta un sistema de alimentación autónomo que gestiona la energía generada por el accionamiento de unos pedales acoplados a un generador de continua. La gestión energética se realiza mediante un control en banda de histéresis que regula el par mecánico que debe realizar el usuario, complementado con un almacenamiento intermedio de energía. El sistema de alimentación aquí presentado se ha desarrollado para una aplicación concreta, la alimentación de un ordenador portátil. Por ello se ha caracterizado el consumo del mismo, así como la energía suministrada por los pedales utilizados para la generación de la potencia necesaria

Alou Cervera, Pedro

Cobos Márquez, José Antonio

Díaz López, Daniel

García Suárez, Oscar

Meneses Herrera, David

Oliver Ramírez, Jesús Angel

Spanish

Archivo Digital UPM

Sistema autónomo de generación de energía mediante el accionamiento de pedales

Servicio de Coordinación de Bibliotecas de la Universidad Politécnica de Madrid

Sistema Autónomo de Generación de Energía Mediante el 
Accionamiento de Pedales  
D. Meneses, D. Diaz, P. Alou, J. A. Oliver, O. García, J. A. Cobos 
Centro de Electrónica Industrial 
Universidad Politécnica de Madrid 
C/José Gutiérrez Abascal Nº2 
28006 Madrid, España 
 
Abstract  —  En este artículo se presenta un sistema de 
alimentación autónomo que gestiona la energía generada 
por el accionamiento de unos pedales acoplados a un 
generador de continua. La gestión energética se realiza 
mediante un control en banda de histéresis que regula el 
par mecánico que debe realizar el usuario, complementado 
con un almacenamiento intermedio de energía. El sistema 
de alimentación aquí presentado se ha desarrollado para 
una aplicación concreta, la alimentación de un ordenador 
portátil. Por ello se ha caracterizado el consumo del mismo, 
así como la energía suministrada por los pedales utilizados 
para la generación de la potencia necesaria. 
I. INTRODUCCIÓN 
En Abril de 2007, INTEL lanzó una competición 
entre universidades europeas (Competition On 
Renewable Energies, CORE), cuyo objetivo era 
fomentar la generación de ideas y el desarrollo de 
sistemas capaces de alimentar un ordenador portátil 
durante una hora, utilizando exclusivamente fuentes de 
energía renovables. Las condiciones bajo las que se 
desarrolla el concurso son las siguientes: 
• El ordenador, que es el mismo para todas las 
universidades participantes, debe tener habilitada la 
conexión inalámbrica 
• La batería debe estar desconectada 
• La solución presentada debe funcionar durante una 
hora. 
• La aplicación que se ejecuta durante la prueba es la 
misma para todos los equipos participantes y consiste 
en la reproducción de un video facilitado por 
INTEL. 
• Como condición extra, los equipos participantes 
deben estar formados por estudiantes, supervisados 
por uno o más profesores. 
Finalmente fueron 7 las universidades participantes 
en la competición: Technische Universiteit Delft 
(Holanda), Katholieke Hogeschool Kempen (Bélgica), 
Ludwig Maximilian University Munich y Technische 
Universität Dresden (ambos de Alemania), Dublin 
Institute of Technology (Irlanda), Politecnico de Milano 
(Italia) y la Universidad Politécnica de Madrid (España). 
Como representante de la Universidad Politécnica de 
Madrid, el Centro de Electrónica Industrial (CEI) apostó 
por el desarrollo de dos ideas: 
• Utilización de paneles solares, en la que el CEI 
posee una mayor experiencia, 
• Generación de energía mediante pedales accionados 
por una persona, que constituía un reto mayor puesto 
que el grupo de trabajo no poseía experiencia previa 
en la parte mecánica necesaria para la 
implementación de esta solución. 
Finalmente, esta segunda solución fue proclamada 
ganadora de la competición de entre las soluciones 
presentadas por los participantes, que incluían la 
utilización de pilas de combustible o motores de 
biocombustible. El jurado valoró en esta decisión los 
beneficios de las soluciones propuestas en distintos 
ámbitos: simplicidad, fiabilidad, viabilidad comercial, 
flexibilidad en la implementación y la promoción de una 
forma de vida activa. 
En el presente artículo se va a describir el diseño de 
la parte eléctrica y electrónica del sistema, desarrollando 
convenientemente los diversos bloques que componen el 
mismo, prestando especial atención al elemento más 
importante del sistema, la bomba de energía. 
II. SOLUCIÓN PRESENTADA 
La solución presentada en este artículo, que se 
corresponde con la opción ganadora mencionada 
anteriormente, responde a un esquema de bloques 
general como el mostrado en la figura 1.  El sistema está 
constituido por un motor de continua utilizado como 
generador, acoplado a los pedales mediante una 
reductora y una correa, un convertidor continua-continua 
que actúa como bomba de energía, unos 
ultracondensadores que realizan la función de “back-up” 
de energía y por último otro convertidor que adapta el 
nivel de tensión al adecuado para alimentar 
correctamente el ordenador portátil. 
 Fig. 1. Diagrama de bloques general de la solución  
finalmente presentada al concurso. 
III. CARACTERIZACIÓN DEL CONSUMO DEL ORDENADOR 
PORTÁTIL Y DEL GENERADOR DE CONTINUA 
El proceso de diseño comienza con la caracterización 
del ordenador portátil que se debe alimentar, pues se 
debe conocer la potencia demandada por el mismo para 
dimensionar y diseñar el resto de elementos que 
componen la solución presentada.  
A. Caracterización del Consumo del Ordenador 
Portátil: 
Para caracterizar la potencia demandada por el 
ordenador portátil se han realizado distintas medidas 
variando las condiciones de funcionamiento, 
modificando la configuración de brillo en la pantalla, 
estimando el incremento de consumo que produce el 
ejecutar la aplicación de prueba desde llaves USB y 
desde la unidad lectora de CD o modificando la 
frecuencia de funcionamiento de la CPU. 
Como resultado de estas medidas, se ha constatado 
que en todos los casos la tensión de alimentación es de 
19V, variando la corriente, y por lo tanto el consumo, 
según las pruebas realizadas: 
• El consumo base del ordenador se ha estimado en 
40W (figura 2). 
• La disminución del brillo de la pantalla a su valor 
mínimo, supone un ahorro de 5W. 
• Puesto que la prueba consiste en ejecutar un video, 
se ha analizado el consumo del ordenador cuando la 
reproducción se realiza desde el reproductor de CDs. 
Con esta operación el consumo se incrementa hasta 
los 52W, como puede apreciar en la figura 2, en la 
que se muestra el consumo medido, antes y después 
de ejecutar un video desde el reproductor de CD. 
 
A la vista de las medidas realizadas, el medio desde 
el que se ejecutará la aplicación de prueba de la 
competición será finalmente el disco duro pues el 
consumo es menor, respecto a si se reproduce el video 
directamente desde un CD. 
B. Generador de Continua. 
En la caracterización del consumo del ordenador 
portátil se ha estimado el mismo en 40W, lo que da 
lugar a la necesidad de generar alrededor de 80W de 
potencia mecánica para impulsar los pedales, si se 
supone un rendimiento global del sistema del 50%. 
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
t
I 
(A
)
I 
(A
)
I 
(A
)
I 
(A
)
Consumo base
Consumo cuando
se lee desde CD
I 
(A
)
I 
(A
)
I 
(A
)
I 
(A
)
 
Fig. 2. Consumo base del ordenador portátil, e incremento 
sobre el mismo cuando se lee desde el CD. 
 
Dadas estas características, se ha optado por utilizar 
un motor de continua de 100W de potencia, con una 
tensión nominal de 48V a 3000rpm. Esta velocidad de 
giro no es adecuada para una persona pedaleando por lo 
que es imprescindible la utilización de una reductora 
acoplada al generador a utilizar. La relación de 
reducción utilizada es de 25 a 1, de manera que 
suponiendo una velocidad de pedaleo de una pedalada 
por segundo (60 rpm), que se ha tomado como un ritmo 
de pedaleo aceptable para una persona sana, se obtiene 
una tensión media de 25V. 
Para caracterizar la tensión y la potencia que se 
obtienen del motor, cuyas características teóricas se 
acaban de enunciar, se han realizado medidas sobre el 
mismo, que quedan reflejados en la figura 3. En estas 
medidas se puede apreciar como la tensión media 
obtenida en el generador es algo superior a los 25V, sin 
embargo es una tensión muy variable que presenta 
oscilaciones de la tensión instantánea entre los 15V y los 
40V. 
Tensión (V)
0
10
20
30
40
50
60
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
 
Fig. 3. Tensión medida en el generador. 
 
Una tensión como la reflejada en la figura 3 no es 
adecuada para alimentar de forma directa el ordenador 
portátil, pues éste necesita una tensión de alimentación 
estable de 19V. A este hecho debe sumarse el que la 
potencia proporcionada por el generador acoplado a los 
pedales no es constante. 
IV. ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA: 
ULTRACONDENSADORES 
Como resultado de la caracterización del generador 
de continua, se ha visto necesario un elemento que 
estabilice la energía fluctuante proporcionada por el 
generador de continua, que es muy dependiente de la 
cadencia de pedaleo. Este elemento supone introducir en 
el sistema un almacenamiento de energía, que puede ser 
aprovechado para facilitar la tarea del ciclista 
permitiendo pequeños momentos de relajación, e incluso 
de descanso. 
Como elementos almacenadores de energía se valoró 
la posibilidad de utilizar la propia batería del ordenador, 
una batería de condensadores, o una combinación de 
ambos elementos [1]. Finalmente se ha optado por 
utilizar únicamente una batería de ultracondensadores, 
cuya capacidad total es de 58F. Los ultracondensadores 
que se van a utilizar tienen una restricción de tensión 
máxima de 15V. 
 
 
Fig. 4. Funcionamiento del sistema durante el tiempo de 
descanso del ciclista, se utiliza la energía acumulada en los 
condensadores. 
 
Durante los descansos del usuario, no se inyecta 
energía en el sistema de manera que la energía 
demandada por el ordenador portátil está suministrada 
totalmente por los ultracondensadores, tal y como se ha 
reflejado en la figura 4. 
Para estimar el tiempo de descanso del que se puede 
disfrutar cuando los ultracondensadores se encuentran 
cargados, se puede recurrir a la energía almacenada en 
estos condensadores. 
 tPVVC ⋅=−⋅⋅ )(
2
1 2
2
2
1  (1) 
Según (1) si el ordenador demanda una potencia de 
40W y la tensión de los condensadores antes del 
descanso es de 14V, el tiempo máximo de descanso es 
de 142s, si se deja que los condensadores se descarguen 
por completo. Sin embargo, entre los ultracondensadores 
y el ordenador portátil se ha utilizado un convertidor 
comercial, para adaptar la tensión a la de alimentación 
del ordenador portátil, cuya tensión de entrada mínima 
de funcionamiento es de 9V. De esta manera el tiempo 
de descanso para que no se apague el ordenador se 
estima en 84s. 
V. BOMBA DE  ENERGÍA 
La bomba de energía es un convertidor continua-
continua que trabaja prácticamente todo el tiempo en 
condiciones de arranque, cargando a los 
ultracondensadores que se encuentran a la salida del 
mismo. Es el encargado de demandar energía al 
generador de continua y cederla a los 
ultracondensadores. Este convertidor es esencial para el 
correcto funcionamiento del sistema, pues no sólo debe 
encargarse de cargar los ultracondesadores de 58F, sino 
que, al mismo tiempo, debe limitar la corriente de 
entrada durante el arranque del sistema cuando los 
condensadores de salida se encuentran totalmente 
descargados. Este último aspecto es fundamental, pues 
la corriente media demandada al generador de continua 
es proporcional al par que se debe ejercer sobre el 
mismo para una velocidad de giro dada, y por lo tanto 
cuanto menor sea la corriente de entrada, menor será el 
esfuerzo del usuario. De esta manera, se persigue 
controlar el convertidor para que el esfuerzo  del ciclista 
sea razonable y suficiente para suministrar la potencia 
necesaria. 
Para conseguir la funcionalidad perseguida, se ha 
considerado que el convertidor debe tener las siguientes 
características: 
• Relación de transformación reductora de tensiones, 
de manera que se favorezca el tener una corriente 
pequeña en primario. 
• Demandar un flujo de energía lo más constante 
posible. 
La bomba de energía se ha diseñado teniendo en 
cuenta las características mencionadas, y está compuesta 
por un convertidor Flyback, dada su buena capacidad de 
regulación, con control en banda de histéresis de la 
corriente magnetizante. En [2] se puede ver un estudio 
de topologías y métodos de control que motivan esta 
decisión. La figura 5 muestra un diagrama de la 
corriente magnetizante y la banda de histéresis durante 
el arranque (izquierda de la imagen) y en régimen 
permanente (parte derecha de la imagen). En esta 
imagen se ha representado en rojo la corriente 
demandada al generador en el arranque del sistema, así 
como su valor medio en verde, que es proporcional al 
par mecánico que debe vencer el usuario como ya se 
comentó anteriormente.  
t
i
 
Fig. 5. Corriente magnetizante (azul), corriente en 
primario del Flyback (rojo) y corriente media demandada al 
generador (verde). 
 
Puede apreciarse en la figura 5 como esta corriente 
media es baja en el arranque y aumenta 
progresivamente, aumentando de esta manera el esfuerzo 
que el ciclista debe realizar. 
A. Reconstrucción de la corriente magnetizante y 
control en banda de histéresis: 
El sistema de control elegido presenta un 
inconveniente fundamental, que es la imposibilidad de 
medir la corriente magnetizante de forma directa. Este 
problema se puede solventar reconstruyendo la corriente 
magnetizante, si se tiene en cuenta que ésta es la suma 
de la corriente en el interruptor de primario más la 
corriente por el diodo de secundario. 
 DSLmag iii +=  (2) 
Para la realización de esta reconstrucción se ha 
seguido el esquema presentado en la figura 6. La medida 
de las corrientes del interruptor y del diodo se realizan 
mediante sendas resistencias (Rsense1 y Rsense2), que 
se eligen de manera que la caída de tensión máxima sea 
del orden de 0.5V, disipando la menor cantidad de 
potencia posible. 
AMPLIF.
AMPLIF. +
REF.
DRIVER
 
Fig. 6. Esquema de control y reconstrucción de la 
corriente magnetizante. 
B. Fuente de arranque: 
Debido a las condiciones del concurso, el sistema 
debe ser autónomo y por lo tanto el control debe 
alimentarse sin necesidad de recurrir a fuentes de 
alimentación externas. Para la alimentación del control 
se ha decidido utilizar una segunda salida tipo flyback 
en la bomba de energía. El principal problema de esta 
opción se presenta durante el arranque del convertidor, 
ya que la tensión de los ultracondensadores de salida es 
nula y la tensión de entrada es poco homogénea y puede 
dar lugar a situaciones de mal funcionamiento del 
control. 
Como solución se ha implementado una rama de 
arranque, figura 7, que permite una conexión directa 
entre la entrada y la salida de alimentación del control 
en el momento del arranque. Esta rama que tiene un 
regulador lineal de 12V, alimenta el control hasta que el 
condensador de la salida auxiliar alcanza este valor de 
tensión, dejando de conducir el diodo de la rama de 
aranque y quedando el convertidor funcionando de 
forma autónoma. 
 
 
Fig. 7. Fuente de arranque de la alimentación de control. 
VI. RESULTADOS EXPERIMENTALES 
Teniendo en cuenta las caracterizaciones realizadas 
en el ordenador portátil y en el generador, se ha 
diseñado un convertidor flyback de 40W de potencia, 
con tensión de salida de 15V y un rango de tensiones de 
entrada entre 15V y 45V. 
A. Implementación física del sistema: 
El aspecto que presenta la solución que fue 
presentada al concurso CORE de Intel y que se ha 
reflejado en este artículo, se muestra en la figura 8. 
 
 
Fig. 8. Sistema completo. 
 
Como detalle de funcionamiento de la bomba de 
energía, específicamente diseñada para esta solución, se 
presentan en la figura 9 la forma de onda de la corriente 
sensada en primario, así como la reconstrucción 
realizada de la corriente magnetizante, dentro de su 
banda de histéresis. 
 
Imag
I_prim
 
Fig. 9. Reconstrucción de la corriente magnetizante. 
 
Por ultimo se muestra, en la figura 10, una fotografía 
de una persona utilizando el sistema de alimentación 
presentado en el artículo. Un vídeo en el que se realiza 
una demostración del sistema puede verse en la siguiente 
dirección web: 
http://www.upmdie.upm.es/fichero/Pedal_Energy_Generator.flv 
 
 
Fig. 10. Ejemplo de utilización del sistema de alimentación 
autónomo. 
 
VII. CONCLUSIONES 
Se ha desarrollado un sistema de alimentación 
autónomo basado en un control en banda de histéresis. 
Este sistema de alimentación suministra de forma 
continua una potencia de 40W, siendo necesario un 
pedaleo continuo por parte del usuario. En la solución 
presentada existe un almacenamiento intermedio de 
energía, que permite efectuar descansos inferiores a un 
minuto y medio. 
Se ha demostrado experimentalmente que el control 
con histéresis utilizado es adecuado para esta aplicación, 
pues se realiza una adecuada gestión de la energía. La 
corriente que se demanda al generador es constante en 
régimen permanente, lo que supone un flujo de energía 
constante dado que la corriente del generador es 
proporcional al par que se debe ejercer sobre el mismo y 
por lo tanto al esfuerzo que realiza el ciclista. 
La aplicación que se presenta en este artículo 
consiste en la alimentación de un ordenador portátil, 
pudiendo adaptarse el sistema de alimentación diseñado 
a otras aplicaciones tales como la carga de baterías del 
propio ordenador portátil, baterías de teléfonos móviles, 
PDAs u otros dispositivos portátiles. 
REFERENCIAS 
[1] L. Palma, P. Enjeti, J. W. Howze, "An Approach to 
Improve Battery Run-Time in Mobile Applications with 
Supercapacitors" IEEE 2003. 
[2] O. García, P. Alou, J.A. Cobos, J. Uceda y J. Casero. 
“Practical implementation of a charger of a battery of 
capacitors (0.5F) for X-ray applications”. pp. 2156-
2161. European Power Electronics Conference 
(EPE'97). Trondheim. Noruega. Septiembre 1997. 
[3] N. O. Sokal y R. Redl, “Control Algorithms and Circuit 
Design for Optimally Flyback Charging an Energy-
storage Capacitor”. IEEE Applied Power Electronics 
Conference, APEC’90. 


Sistema autónomo de generación de energía mediante el accionamiento de pedales

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Archivo Digital UPM

Servicio de Coordinación de Bibliotecas de la Universidad Politécnica de Madrid