Method Article

Optimalisatie van door mensen aangedreven energieopwekking met behulp van Gaussische procesregressie

DOI:

10.3791/69810

⸱

January 16th, 2026

 ,  ,  , 
1Key Laboratory of 3D Micro/Nano Fabrication and Characterization, School of Engineering, Westlake University, 2Zhejiang Engineering Research Center of Micro/Nano-Photonic/Electronic System Integration, 3Hangzhou Navigation Instrument Co., Ltd, 4Department of Electronic and Information Engineering, School of Engineering, Westlake University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit protocol optimaliseert door mensen aangedreven elektriciteitsopwekkingssystemen met behulp van Gaussische procesregressie om 80%-90% efficiëntie te bereiken, terwijl fysiologische veiligheid behouden blijft, en reproducerbare methoden biedt om lichaamsbeweging om te zetten in duurzame energieproductie, waarbij zowel werkloosheid als uitdagingen in hernieuwbare energie worden aangepakt.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit protocol presenteert een Gaussian Process Regression (GPR) optimalisatiekader voor door mensen aangedreven elektriciteitsopwekkingssystemen om tegelijkertijd aan technologische werkloosheid en de vraag naar hernieuwbare energie te voldoen. Zeven deelnemers voerden 112 proeven uit in 16 configuraties waarbij vier batterijspanningen (12 V, 24 V, 36 V, 48 V) werden gecombineerd met vier elektrische belastingen (10 W, 30 W, 50 W, 70 W) met behulp van een aangepaste stationaire fietsgenerator. Het GPR-model bevatte automatische relevantiebepaling (ARD) kwadraat exponentiële kernels om trapsnelheid, druk, spanning en belastingparameters te koppelen aan de generatie-efficiëntie, terwijl voorspellingsonzekerheid gekwantificeerd werd. Realtime gegevensverzameling bij 2 Hz legde mechanische en elektrische parameters vast via Hall-effect sensoren, rekstrookjes en vermogensanalysatoren met Modbus-communicatieprotocollen. Het geoptimaliseerde systeem bereikte theoretisch 80%-90% maximale efficiëntie met een variatiecoëfficiënt (CoV) onder 15%, vergeleken met 60%-70% efficiëntie en 25%-35% variabiliteit in commerciële systemen. GPR-voorspellingen toonden R² = 0,713 met een latentie onder de 10 ms door middel van spaarzame benaderingstechnieken, waardoor realtime controle mogelijk was. Optimale operationele parameters varieerden systematisch: lage belastingen vereisten 150-180 omwentelingen per minuut (RPM) bij 50-70 N druk, terwijl hogere belastingen piekten bij 100-120 RPM met 100-150 N druk. De 48 V-configuratie verbeterde de efficiëntie met 68% ten opzichte van de 12 V-baseline (gemeten als relatieve efficiëntie-index, REI, genormaliseerd naar baseline = 100%). Fase-specifieke monitoring stelde vermoeidheidsstart na 35-40 minuten vast, wat risicobewuste controleaanpassingen op basis van posterieure onzekerheid veroorzaakte. Het protocol stelt kwantitatieve methoden vast om energieopwekking in balans te brengen met fysiologische beperkingen, en biedt een reproduceerbaar kader voor het inzetten van door mensen aangedreven systemen in fitnessfaciliteiten waar break-even plaatsvindt bij $0,18/kWh elektriciteitsprijs.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De samensmelting van door kunstmatige intelligentie gedreven automatisering en klimaatverandering brengt ongekende uitdagingen met zich mee, die innovatieve oplossingen vereisen die zowel technologische werkloosheid als duurzame energietransities aanpakken. Empirische analyses voorspellen tegen 2025 85 miljoen baanverlies, waarbij computer- en wiskundige beroepen een stijging van 2,8 procentpunt ervaren in werkloosheid1. Tegelijkertijd bereikten de atmosferische CO₂-concentraties 426,9 ppm in februari 2025, wat een dringende uitbreiding van de capaciteit van hernieuwbare energie

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Deze studie omvatte niet-invasieve inspanningstests met een hometrainer en vormde voor deelnemers niet meer dan minimaal risico. Alle deelnemers waren gezonde volwassen vrijwilligers die mondelinge geïnformeerde toestemming gaven na het ontvangen van gedetailleerde informatie over experimentele procedures, hun recht om zich te vertrekken op elk moment en gegevensvertrouwelijkheid. De procedures volgden de ethische principes van de Verklaring van Helsinki voor onderzoek met menselijke proefpersonen.

1. Samenstelling van de HPEG

  1. Mechanische constructie-assemblage
    OPMERKING: Alle mechanische aan....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Efficiëntie verwijst naar de thermodynamische conversie-efficiëntie (0-100%). REI verwijst naar de relatieve efficiëntie-index, berekend als (geobserveerd/baseline) x 100%, die meer dan 100% kan overschrijden. Om heterogene omgevingen te vergelijken, wordt een Relative Efficiency Index gebruikt, die wordt berekend door de waargenomen efficiëntie te delen door een vaste basisconfiguratie (12 V-70 W), gemeten onder dezelfde pijplijn. Dus REI = 110% duidt een winst van 10% ten opzichte van .......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De succesvolle implementatie van GPR-gebaseerde optimalisatie voor HPEG-systemen is kritisch afhankelijk van mechanische koppelingsprecisie en rekenefficiëntie28. De valgconfiguratie bleek essentieel, aangezien complete wielassemblages de volgefficiëntie met 35%-45% verminderden door rotatie-inertievariaties 27. Riemspanningskalibratie tot 350 ± 50N kwam naar voren als bijzonder kritieke afwijkingen die resulteerden in voortijdige falen of .......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs verklaren dat zij geen banden hebben met of betrokkenheid bij enige organisatie of entiteit met een financieel belang bij het onderwerp of materiaal dat in dit manuscript wordt besproken.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit onderzoek werd gefinancierd door het Scientific Research Funding Project van Westlake University, subsidie nummer WU2024A001. De auteurs bedanken de experimentele deelnemers oprecht: Yuqi Jiang, Lili Zeng, Luoqian Emu, Bin Yang, Zihan Chen, Yuhang Li en Sukron Amin voor hun waardevolle bijdragen aan de gegevensverzameling.

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
AC outlet module (China GB/T, panel type)10/16 A, embedded cassette, child-protection shuttersFive-hole desktop AC power socket (black) Wanyu
Adjustable polyurethane V-beltABCZM type, jointed PU beltABCZM universal jointed polyurethane V-belt (with/without studs) / —
Adjustable wrench6-inch, laser scaleAdjustable wrench 6-inch open-jaw, polished handle 250006 Ruineng
Alternator, three-phase permanent magnet300 W, 24 V (as listed)300–400 W three-phase AC permanent-magnet alternator, 300 W 24 V Jiunian
Battery pack, portable power station2400 W large-capacity portable unit2400 W portable backup power station, multi-function solar energy storage / —
Bicycle chain1/2" × 1/8", 920kgf tensile strength, 0.5% elongation limitKMC X101
Bicycle computer (wireless)Waterproof, night backlight, speed/odometerWireless large-screen bicycle computer, waterproof, backlight / —
Bicycle trainer (magnetic roller, folding)Magnetic resistance, ventilated flywheel, dual-lock knobsMagnetic-resistance roller trainer, foldable / —
Bicycle, road (700C)700C wheels, geared700C aero road bicycle, multi-speed Forever, Yongjiu
Charge controller, MPPT (12/24 V)Auto 12/24 V, 20 A (as listed)MPPT solar charge controller 12/24 V 20 A Lansheng
Current sensor, Hall-effect±100A, 20mV/A±0.5%, BW=120kHzACS758LCB-100B
Diode (blocking) — verify exact deviceListing mixes Schottky diode / bidirectional TRIAC / IXFN132N50P3IXFN132N50P3 (listing claims Schottky diode & bidirectional TRIAC) / —
Diode, ultrafast recovery200V V_RRM, 30A I_F(AV), <35ns t_rrRHRG30120
Electrical tape (PVC)9 m rollElectrical tape ET6 9 m Bull
Electronic load, programmable200W continuous, 0--500V, 0--120ABK Precision 8500
Microcontroller, 32-bitARM Cortex-M4, 72MHz, 12-bit ADC@5MSPSSTM32F334C8T6
MOSFET, P-channelRDS(on)<10mΩ, 200V, -12AIRFP9240
Multimeter, digitalBacklit, overload-protectedDigital multimeter DEM23, backlit, anti-burn Delixi
Multimeter, precision6.5-digit, 0.0035% DCV accuracyFluke 8845AFluke
Operational amplifier, quadRail-to-rail, Vos<2mV, 1MHz GBWMCP6004
Permanent magnet generator24V/300W, 12-pole, NdFeB N42 magnetsYC-FD300
Resettable circuit breaker (push-to-reset)3–50 A series (as listed)Thermal reset circuit breaker 88/98 Series/AR 3–50 A Kuoyuh
Screwdriver set (Phillips/flat)6×100 mm, magnetic tips, 2-pieceMagnetic flat screwdriver set 6 x 100 mm (2 pcs) Phillips
Software, programming languageVersion 3.8, with GUI frameworkPython
Terminal block, single-position (DIN/panel)IN-100BK, 130 A class (as listed)DIN-rail terminal block IN-100BK, single position WeilianDun
Terminal block, single-position (DIN/panel)IN-411S, 60 A class (as listed)DIN-rail terminal block IN-411S, single position WeilianDun
Tire levers (pair)12-inch (30 cm), 2 pcsTire levers 12-inch (pair) Chengzhou
TVS diode135V clamping, 1500W peak, <1ps response1.5KE100A
Wire connectors, crimp quick-disconnect (bullet)1.5–2.5 mm², nylon, blue, 100 setsBullet quick-disconnect wire connectors, blue (100 sets) Gotoele
Wire stripper/crimper7-inch, multi-function7-inch multi-function wire stripper DL902200 Deli
Wire, silicone (12 AWG ≈ 3.4 mm²)High-temperature silicone insulation, 1 mSilicone wire 12 AWG (≈3.4 mm²) 1 m Lanjiang

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Nartey, J. AI job displacement analysis (2025-2030). 5316265, SSRN. (2025).
  2. Kozhagulov, S., et al. Trends in atmospheric emissions in central asian countries since 1990 in the context of regional development. Climate. 13 (9), 176(2025).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Human Powered EnergyGaussian Process RegressionEnergy Generation OptimizationStationary Bicycle GeneratorReal Time Data AcquisitionPedaling EfficiencyElectrical Load TestingHall Effect SensorsStrain GaugesRenewable Energy Systems
Video Coming Soon

Related Articles