TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 16, No. 3, Dece mbe r  2 015, pp. 417  ~ 422   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 16i3.937 4        417     Re cei v ed  Jun e  27, 2015; Revi sed  No ve m ber 8, 2015 ; Accepte d  Novem b e r  25, 2015   Power Generation Using Speed Breakers      Shehar Ban o *, Anns Na deem, Abrar  Ahmad, Ume r  Shuja  Dep a rtment of Electrical E ngi neer ing,  HIT E C Univers i t y , T a xila, Pak i stan   Corresp on din g  author, e-mai l : sherri.ali 15 9@ gmail.c o m*, an ns.shah 41@ g m ail.com,  Abrar_ 11e e0 0 7 @ y a hoo.com,  s y e dumars huj a@ ymai l.com       A b st r a ct   In the c u rre nt s c enar io  de man d  of  pow er  is i n cr eas ing  d a y  by d a y w i th i n c r easi ng  po pul a t ion. On   the oth e r h and  ener gy cris is i s  also  a  ma in  i ssue of to day ’ s  life  and  al l the r e is a  short a g e  of co nve n tio n a l   ener gy reso urc e s du e to its la rge us age. So,  w e  have to  so rt out this prob l e m w i th a tec h niq ue w h ich w i l l   not only ov erc o me this en ergy cris is but al so shou ld be  eco-frie ndly.  Many conv entio nal reso urces  ar e   creatin g p o ll uti on s o  that ’ s  w h y focus  is to w a rds eco-fri e ndly  sol u tio n .  T h is pro j ect  e m p has i z e s   on  ide a   w h ich show s that pow er coul d be ge nerat e d  by spec i a lly  desi gne d spe e d  break ers. A  larg e amou nt of   kinetic e nergy  is bei ng w a sted on roa d s on  daily  basis  i n  d i fferent forms  w h ich coul d be  use to gen era t e   pow er and this  pow er can be s t ored in b a tteri es. T h is  project  show s clearly how  w e  can generate p o w e r b y   usin g rack-pi ni on metho d  w here bas ical ly li near  moti on is   converte d into  rotatory motion  and the n  can  b e   used  to g e n e rate e l ectricity.  Larg e  a m ount  of el ec tricity  can b e   gen era t ed usi n g  this  meth od  an d th i s   meth od is ec o- friend ly.     Ke y w ords : en ergy crisis, kin e tic ener gy, po w e r productio n ,  speed bre a ke rs.         Copy right  ©  2015 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Energy  cri s i s   is o ne of th e  main p r obl em s a nd i s sue s   whi c h  are  un der fo cu s th e s e  days.  We h a ve sho r tage  of co nventional  re so urces of  en ergy and m o st  conve n tional  resou r ces li ke  fossil  fuels et c a r e  not e c o-frie ndly an d al so  cau s e  pollution.  Now it’ s  time t o  move to wa rds  solutio n  of en ergy crisi s  wit h  the factor  in  mind that sol u tion sh ould  be eco-fri endl y.  As pop ulatio n of the worl d increa sing  rapidly,  vehicles which are  related to p opulatio n  are  also in creasi ng o n  ro ads.  Wh en v ehicl e pa ss e s  ove r  the  ro ad a l a rg e a m ount of  ene rgy is  being  wa sted  in different f o rm s e-g fri c tion, kin e ti c e n e rgy. We can  make  use of  this en ergy a nd  coul d ge nerate po wer. In b a ck day s this  method  wa s  of not mu ch i m porta nce be cau s e  relativ e ly  energy wa ste d  on ro ad s was not mu ch  but now  due t o  high po pula t ion and hig h   traffic on roa d s  this wa sting e nergy is of m u ch imp o rta n c e an d sh oul d be focu se d upon.   Specially  d e si gned sp eed b r ea ke rs co uld   be  impl emen ted  on roa d s whi c h can   ge nerate   power  whe n  any vehicle  passe s  ove r  them. Whe n   vehicle p a sses ove r  the  spe ed b r ea ker it  pre s ses it do wn and d ue to Ra ck-Pinio n this linea r motion is con v erted into ro tory motion and   then this rotory motion can  be used to op erate  DC g e n e rato r to pro d u ce el ect r icity .  Batteries are  use d  to save  the ene rgy a nd DC could  be convert ed in to  AC  us ing  in ve r t er . T h is  p r o j ec t c ould   be implem ent ed on ro ad s whe r e the r e i s  heavy traffic.  As an  exam ple, a c cordi n g to  statistics p r ov ide d  b y  the Provin cial Exci se  &  Taxation   Dep a rtme nts,  Govern ment  of Pakist an, there i s   a  hea vy vehicular  gro w th a s  sh own i n  Figu re  1;  there were approxim ately 4.78 m illion vehicl es on roads in 2001 a nd this figure  reached to 7.86   million in 201 0. So we can  use thi s  opp o r tunity and en ergy to gene rate power.   In ord e r to  solve this  pro b lem of e n e r gy cri s i s  a  project i s  ma de  by us,  whi c h  is u s in g  spe ed brea ke r to produ ce  eletricity. A speci a l  proto - type of speed  brea ke r wa s  made by us a n d   wa s impl eme n ted on  the road a nd u n d e r  spe ed b r e a ke r. Rack-Pi n ion m e chani sm  wa s u s ed  in   this proj ect. Whe n  vehicle s  pa sses ove r  these  spe c i a lly design e d  spee d bre a kers the n  due  to  rack pini on linear motio n  is co nverted i n to rotory m o tion. Rotory  motion then  can be u s e d  to   rotate the shaft of dynamo or gen e r ator.  Power generation by this method ha s ma ny  advantag es b e ca use it is eco-f r ien d ly me thod an d ge neratio n is through o u t the year.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 16, No. 3, Dece mb er 201 5 :  417 – 422   418     Figure 1. Traf fic  dens i ty in Pak i s t an in Las t  dec a de [1]                    This pa pe r completely de scribe s the  met hod an d workin g of powe r  gen eration usi n g   spe ed b r ea ke rs. In first section there  is  a n  in trod uctio n  related  to po wer gen eratio n usi ng  spe e d   brea ke rs. In  seco nd  se ctio n literature  re view i s   rep r e s ente d   reg a rding thi s   proj ect. Thi r d  section   illustrate s me thodolo g y an d workin g of proje c t. In  fourth  sectio n  results are ellabo rated a n d   output p o we r cal c ulatio ns  are  sh ow n.  I n  last   se ct ion  con c lu sio n  a nd  some  f u t u re di re ct ion s   are  given.       2. Literature  Rev i e w   This pap er  f o cu se s  o n  mech ani sim of  elect r icity gene ration u s ing sp eed brea ke rs.  There a r e  m any metho d s to produ ce   electrcity  u s i ng spe ed bre a ke rs  like Ro ller,  Rack-Pin i on,  Cra n k shaft e t c. This pa per is b a sed u p o n  the  pr o j ec t  w h ic h  ha s r a c k - p in io n  mec h an is m.  w e   a r e  going to outli ne the sig n ificant st udies  devoted to this topic .   Singh et al. [2] discu ssed  rack pinio n  mech ani sim to gene rate ele c tricity. They propo se d  mech ani sm  u s ing  chain  ap oro c ket a nd  spri ng s  with  rack pi nion  to  gen erate el e c tri c ity .  Vehicle   wa s pa ssed  over that me cha n ism  and  then due to ra ck pinio n  there  wa s rotat i on in gea rs and   shafts move d  with chain spro cket movemen t. Dc p o we r wa s ge nerate d  and  wa s stored in a  battery and th en usi ng an i n verter they chang ed that d c  in ac p o wer.  Da s et al. [3] prop osed m e ch ani sm in  whi c h  ele c tri c ity was produ ced by  kineti c  ene rgy  of spee d bre a ke r. The ba sic p r in ciple  wa s whe n  a car p a sse s  o v er the jump or dom e whi c h is  the device use in place  of  jump the  dome will  go down due to  weight of car  while m o ving car   posse ss  kinet ic e nergy that  kin e tic  ene rg y will b e   conv erted  into  rot a tional  ene rg y with the  hel p  of rack and p i nion. A fly w heel wa s mo unted on t he  shaft wh ose functio n  wa s to make e nergy  uniform. Th at shaft is con necte d thro u gh a belt wit h  dynamo s . These dyna mos  were u s ed to  conve r t mechani cal en ergy in electri c al ener gy. The power  was generated in  both dire ctio ns.   They use d  Ze ner dio de to g enerate po we r in oppo site  dire ction too.   Kaur et al. [4], discu ssed  mech ani sm o f  power  g ene ration with  sp eed brea ke rs by using  rack a nd pini on tech niqu e. They made  a dome li ke a s sembly to pl ace u nde r th e spe ed b r ea ker.  When  a car passed  over this  dom e  the rack will  convert  linear  motion into  rotatory motion with  the help of pinion and pi ni on is co nne cted to a shaft which will a l so rotate  with the pinion. A  large  gea r was al so  con n e cted to th e shaft which will also m o ve and it will mo ve with the sam e   spe ed of pi ni on this  gea r i s  conn ecte d to anoth e r  sm all gea r u s ing  chai n sprocket arrang eme n t  this will  rotate  the small g e a r an d sm all  gear  will  com p lete more ro tations a s  co mpared to big ger   one. A flywhe el was mo unt ed o n  the  lo wer  sh aft wh ose fun c tion  wa s to  re gulate   the fluctu atio n   in the e nergy and to  ma ke  the en ergy u n iform,  n o w t h is  shaft  wa s co nne cted t o  the g ene rat o r  usin g sp ur ge ar due to whi c h the ge nera t or wa s rotate d and the ele c tri c ity was p r odu ced.                         The proje c t and   mech ani sm  whi c h i s  ex plaine d in th is pa per is  contin uity of the   mech ani sm  of powe r  g eneration. In this pape r electri c al p o rtion is m odfied by using  microcontroll er a nd  sin o si dal PWM inv e rter. Ele c tri c al ci rcuitary i s  improv ed so that  there   sh ould  be less po we r losse s  acro ss the m e cha n ism an d more power can  be coll ecte d at the end.       3. Method   This  proj ect i s  b a se d o n  t w o m a in p a rt s, i-e  Elect r ical and  me ch anical pa rt.  Wo rkin g of  this proj ect s  consi s ts of three simpl e  ste p s:   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Powe r Gen e ration Using S peed Brea kers (She har Ba no)  419 1)  Conve r si on o f  kinetic en ergy into rotational ene rgy   2)  Conve r si on o f  rotational into mech ani cal   3)  Conve r si on o f  mechani cal i n to electri c al     3.1. Cons tru c tion Details   Main elem ent s whi c h a r e b e ing u s ed in t h is proje c t are as bel ow in  Table 1.       Table 1. Spe c ificatio ns of  comp one nts  Com p o n en t   Specifica tio n s   Rack  37 te eth,  Mild ste e l  Total l engt h 3 55. 6mm,   Spring   Y a mah a  f r ont  sh ock springs   Shaft   Dia 25 mm,  Len gt h 304 .8mm   Pinion( S m all  Ge ar)   Revers e ge ar , te eth 2 4 , E x t e rn al  dia 71m m, I n te rn al dia 5 3 mm   Lar ge g e a r   Teet h 1 10, E x t e r nal dia  257m m, i n ter nal dia  22 5m m  Ball bea rings   T y pe  620 5   D y namo  Bic y cle  d y na mo ( 12V,6W )   Fl y  W heel   Weight 1 5 .3  Kg,  Diamet er  250 mm , Thickness  38.1 mm  Chain S p r o cket   3 chain sp rocke ts for  3 d y n a mos   DC B a tte r y   12V   T r an sf or m e r 1 2 V ~ 2 20 V                    Inverter is de sign ed  usin g the co mpone nts wh ich are listed i n  Table 2.       Table 2. Inverter com pon en ts  Com p o n en t   Specfica t io ns   Microcont rolle r  PIC  1 6 F 877A   Drive r  IC   IR21 12   Regul ato r s 9V,  5V   Diode  1N41 48   H-B r idge   Using M O S F ET S  IRF 540   Heat  Sinks  4 hea t sinks  w i th   MOS F E T S       3.2. Block Di agram   Mech ani sm o f  the whole project could b e   see n  in this block diag ra m given belo w .      Figure 2. Illustration of mechani sm with b l ock diag ram                     This  block di agram in  Figure  2 illustrat e s the  basi c  principle of our project in  whi c h first  of all kineti c  energy is cha nged into  rot a tional en erg y  using  spri n g s an d ra ck  pinion. Th en  this   rotational  energy i s   changed in t o  mechani cal energy usi ng ge ar and  shaft. In the  end  when  shaft rotate s  due to its rot a tion DC gen erato r  or  dyn a mo wo rks a nd pro d u c e o u tput in DC f o rm.  A battery is used  whi c h sto r es the  DC o u tput prod uce d  by dynamo and then in  la st an inverte r  is  use d  whi c h p r odu ce s AC o u tput.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 16, No. 3, Dece mb er 201 5 :  417 – 422   420 3.3. Working   Whenever a vehicle will  pass  ov er the  speed breaker it will  press  it down.  Rack will be  pre s s d o wn d ue to  vehi cle  weig ht an d d ue lin ear mov e ment  of rack the  pinion  att a ch ed  with  th e  rack  will  rota te. This i s  h o w lin ear mo vement  is  ch ange d into  rotational m o vement. Pinio n  is  attached  with a  shaft and t hat s haft  has a  gear on  it s other side wh ich  will al so rotate. This gear  is m a ki ng  a gear train with  the sm aller gear which i s   connected  on   other shaft and  thi s  will also  rotate and rot a ting the second s haft. This shaft has a  fly wheel on it s other end  which i s  used t o   ensure  the  co nstant  rotatio nal move men t. Ball bea rin g s  are u s e d  t o  supp ort th e  sm ooth  rotati on   of shaft s . A chai n sprocket is al so  m ounted  on th i s  shaft which  is  con n e c te d with th e th ree   dynamo s  an d functio n  of chai n sp ro cket is to   rota te the dyna mos  whi c h a r e p r od ucin g  DC  output. This  DC i s  sto r ed i n  a battery.  Battery use d  is 12V  DC.  This b a ttery i s  conn ecte d  with the dyn a mos  and  wheneve r   there i s  a  veh i cle p a sse d  o v er the  spe e d  brea ker ea ch dyn a mo i s  gene ratin g  1 2 V and  6  Wa tts.  This 12V DC is store d  in the battery an d this  is ho w mecha n ical portion  works and conve r ti ng   kineti c  ene rg y into electri c al ene rgy. Figure  3 and F i gure  4 sh ows the front a nd ba ck vie w  of  mech ani cal p o rtion.             Figure 3. Fro n t view of mecha n ical porti on   Figure 4. Back view of me chani cal po rtio n      We are gettin g  12V output from dynamo s  whi c h  a r e stored in a bat tery. Output from this  battery is giv en to re gulat ors. T h e r e a r e two regul ators, first regu lator chan ge s this 12V into  9V  and se co nd o ne cha nge s 9 V   into  5V and   gives  it  to  mi cro c o n troll e r.  Microcontroll er h a s mo dified  sinu soi dal PWM insi de. PWM wave from micro c o n trolle r is given to drivers and a drive r  is  IR211 2 IC. 5 V  VDD i s  giv en to drive r s  by microcont roller a nd 1 2 V  is al so give n  to drivers by  DC   battery. After drivers there is  an H-b r idg e  made up of 4  MOSFETS.          Figure 5. Electri c al Ci rcuitry      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Powe r Gen e ration Using S peed Brea kers (She har Ba no)  421 MOSFETS a r e working  a s   a switch me a n s  only in  on  and  off mode  [5]. 12V is gi ven to   all MOSFET S. There is a  heat sin k  wit h  each MO S F ET so that it can co ntrol  heat dissip ation   from switchin g device [6].  From d r ivers  HO i-e Hi g h   Output is giv en to upp er b o th MOSFET S of  H brid ge an d  LO i-e Lo w  output is give n to both lower MOSFETS .  Output of H-bri dge i s  12 V  AC. A step u p  tran sform e r is con n e c ted  as a loa d  wit h  H-brid ge a nd is conve r ting 12V AC in to   220V AC.   In Figu re  5  we can  see th e me ch ani sm  in  wo rki ng  condition. A  re d LE D i s  u s e d  in  the   circuit with  microcontroll er to dete c t  if micro c o n troller i s  wo rki ng or  not. If microcontrol l er is  workin g prop erly then LED will glow a n d  if circui t is n o t  working p r o perly then LE D will not glo w .       4. Results a nd Discu ssi on  The a s sembl y  wa s mo unt ed un de r the  spe ed b r e a ke r an d a ve hicl e wa s  pa sse d  over it.  For on e veh i cle when ev er sp eed b r eaker is  co mpletely pushed do wn wa rds 1 2  V DC is  prod uced an d  100kg-1 5 0 k g  atleast is req u ired  fo r com p lete pu sh of this assem b ly.    4.1. Outpu t  Po w e r Calcu l ations   A Dynamo ne eds 2 50 rp m to gene rate 1 2 V DC an d 6 Watts [7].    As we  kno w  that gear  ratio  betwee n  ra ck pinio n  is 1:1 . 5  For on e com p lete pu sh of rack, pinio n  moves 1.5 ti mes.   Let,   There are 6 0  pushe s of rack in one min u t e  Then,   For 60 p u she s  of ra ck the r e are 90  rpm  of pinion.   The sh aft of pinion is rotating at 90 rpm  and big g ear i s  also at 90 rpm.  For second g ear trai n,  Wp/90 =  110/ 24   Whe r e  Wp =  rpm of pinio n   Wp = 4 12.5 rpm  Hen c e dyn a m os a r e taki n g  400 rp m ap prox.   So they are g i ving output o f  12 V, 6 Watts per dyn a mo .  There are 3 d y namos a nd they are givin g  18 watts.   For on e pu sh  of rack we h a ve 12V DC  and 18  Watts    4.2. Outpu t  Resul t s   12V DC of battery is co nverted into   12V AC using inverte r  and then  a step u p   transfo rme r  i s  conve r ting t h is 1 2 V AC i n to 220V A C .  Cha r gin g  tim e  of the b a ttery is 1 5  min u tes  i-e for 15  minutes if  continuously  there are  vehicl es passing  over   the speed break ers battery will  be ch arg ed.   In Figure 6 a  grap h is  sh o w n b e twe en  output  po we r  vs numb e r  of vehicle s  pa ssed  over  the spe ed bre a ke r.    Figure 6. Output power  vs  numbe r of vehicle s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 16, No. 3, Dece mb er 201 5 :  417 – 422   422 Figure 6  sho w s th e re sult s, as  18  watts are p r od uced for o ne p u sh  of sp ee  brea ke r  downward s . We can see  that out put power p r odu ced i s  dire ctl y  propo rtiona l to number  of  vehicle s  pa ssing ove r  the speed b r ea ker. This  proj ect can b e  used on road s where there  is  heavy traffic so mo re outp u t powe r  ca n be take n from  this mechani sm.       5. Conclusio n   This p r oje c t wa s abo ut powe r  gen erat ion  usi ng sp eed brea ke rs. Energy is wasted o n   road s d a ily on a larg e scale. This p r oj ect ma ke s  u s e of that en ergy an d use d  it to produ ce  electri c ity to overco me po wer sh orta ge in  Pakistan a n d  rest of the world.   Co st factor  was the maj o r  probl em but i n  this  proje c t this problem  wa s re du ced  to some  extent by usi ng dynam o in stead  of  gen e r ator. Sp ring s of Yamaha  b i ke a r e  used  whi c h a r e  ea sily  available an d  cost efficie n t. Inverter wa s  des i gne d to make thi s  pro j ect po wer eff i cient.   Efficiency is i m prove d  by u s ing  sho c k sp ring s an d spe c ially de sign e d  ra ck  pinio n  due to  whi c h me ch a n ism i s  abl e t o  bea r mo re  heavy vehicl e s . Dyna mo s  are u s e d  with  chai n spro cke t  so in stallation  and implant ation pro b lem  is also  solve d . Whole m e cha n ism i s  pl ace d  in a do me  whi c h can be  placed any wh ere.       Referen ces   [1]  Ahmad S y e d   Arslan, Bi lal  M a soo d . Po w e r  Scaven gin g  fro m  Movin g  Ve h i cles  on  Roa d .  International  Journ a l of Inno vation a nd Ap p lied Stu d ies.  2 014; 9(4): 1 428 .   [2]  Sing h Alok K u mar, et al. Generati on of El e c tricit y  thro ug h  Spee d Break er Mech anism.   International  Journ a l of Inno vations i n  Eng i neer ing a nd T e chno logy IJIET .   2013; 2(2): 20 -24.   [3]  Das CK,  S y e d  Mono w a r Hoss ain,  MS   Hoss a n .  Introd ucin g  spee d  break er  as a  p o w e r g e nerati o n  un it   for minor  needs .  Informatics, Electronics &   Vi sion (ICIEV), 2013 Internat ional Confer en ce on IEEE.   201 3.  [4]  Kaur Am anpr e e t, et al.  w i th  Auto Stre et  Lig h t.   Internati ona l Jo urn a l  of Eng i n eeri n g  Scie nce  an d   Innovativ e T e chno logy (IJESIT ) .  2.  [5] http:// w w w . mc manis.com/ch u ck/robotics/tuto rial/h-br i d ge/   [6] http:// w w w . cadvisi on.c o m/bla n chas/h e x fet/  [7] http:// w w w . voltaicsy s te ms.co m /blog/mak e -a -d ynam o-to-ch a rge- yo ur-p ho ne/     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.