ENGR305 windbelt/fr

La page suivante présente le résultat d'un projet ENGR 305 réalisé au printemps 2011 par Greg Pfotenhauer et Agustin Gonzalez. Elle propose un aperçu de la technologie des éoliennes à ceinture, les objectifs et critères de conception, le coût, un guide pratique, les prochaines étapes du projet et une conclusion sur les résultats obtenus durant le semestre.

L'éolienne à ceinture, conçue initialement par Shawn Frayne ^{[ 1 ],} est un dispositif qui convertit le vent en électricité grâce au principe du flottement aéroélastique. Contrairement aux éoliennes classiques, les éoliennes à ceinture sont efficaces pour produire de l'électricité même par faible vent. Les régions où les vents sont généralement faibles sont idéales pour leur installation. Cependant, la conception de ces éoliennes est encore relativement récente et expérimentale. De nouveaux matériaux et de nouveaux modèles doivent être testés afin de développer cette source d'énergie propre potentielle.

Bien que les éoliennes classiques produisent relativement peu d'énergie par faible vent, les éoliennes à ceinture peuvent tirer parti des faibles vitesses de vent moyennes de la région. À ce jour, trois groupes d'étudiants de Cal Poly Humboldt ont construit des éoliennes à ceinture, en améliorant à chaque fois leur conception. Ce projet vise à tester de nouveaux matériaux et de nouvelles conceptions d'éoliennes à ceinture.

Ce qui suit est une revue de la littérature sur les informations disponibles concernant les ceintures de vent.

L'éolienne, inventée par Shawn Frayne en 2004, est un dispositif qui convertit l'énergie éolienne en électricité. Ce dispositif, relativement simple, se compose d'un ruban tendu entre deux points. Le vent qui souffle sur ce matériau tendu produit un effet de flottement aéroélastique, faisant vibrer le ruban. Ce mouvement est transformé en électricité par des aimants permanents fixés sur le ruban. Ces aimants se déplacent à l'intérieur et à l'extérieur de bobines électromagnétiques, au rythme du mouvement du ruban. Ceci induit un courant dans le fil conducteur de la bobine. ^{[ 2 ]}

Contrairement aux éoliennes classiques, qui nécessitent des roulements et des engrenages coûteux pour être efficaces, les éoliennes à ceinture sont relativement faciles à construire et peu onéreuses. Cela rend l'éolienne à ceinture beaucoup plus intéressante que les éoliennes classiques pour les régions où les vitesses de vent moyennes sont faibles. ^{[ 3 ]}

Les éléments de base d'une ceinture anti-vent sont les suivants :

Cadre

Les ceintures de sécurité contre le vent sont exposées aux intempéries et subissent les rayonnements UV, les variations de température, l'humidité et les fluctuations de la vitesse du vent. Par conséquent, leur armature doit être extrêmement résistante, c'est-à-dire aussi solide que possible.

Il convient également de tenir compte de la manière dont la courroie de renfort sera posée ou fixée. Des vents violents peuvent exercer un couple important sur le support de la courroie et endommager celle-ci ou la structure à laquelle elle est fixée si le support se brise. ^{[ 4 ]}

Ruban

Le ruban doit être léger et fin pour se comporter comme un profil aérodynamique sous l'effet du vent. Il doit être relativement rigide, car une élasticité excessive perturberait ses vibrations. Le ruban sera tendu et soumis à des vents potentiellement violents ; le matériau doit donc présenter une résistance à la traction élevée. Enfin, pour être efficace, il doit conserver sa forme dans le temps (on dit qu'un objet qui ne se déforme pas rapidement a un faible « fluage »). Cela étant dit, il existe relativement peu de matériaux (à ce jour) qui se révèlent prometteurs pour la fabrication de ceintures anti-vent. Le matériau utilisé dans le dispositif de Shawn Frayne est un taffetas enduit de mylar. ^{[ 5 ]} Des matériaux similaires, tels que le kevlar, le ruban adhésif ou la pellicule photographique, peuvent être utilisés. Des essais supplémentaires sur les matériaux des rubans sont nécessaires pour améliorer l'efficacité des ceintures anti-vent.

Aimants

Des aimants permanents sont utilisés pour induire un courant dans les bobines lorsqu'ils vibrent à l'intérieur et à l'extérieur de celles-ci. Ces aimants doivent être relativement légers afin de ne pas perturber le flottement aéroélastique du ruban. Les aimants en néodyme sont les plus couramment utilisés. ^{[ 6 ]}

Bobines

Les bobines doivent être en métal conducteur. Le cuivre est de loin le métal conducteur le moins cher. On peut les bobiner à la main, ce qui réduit les coûts. Certains fournisseurs de matériel industriel proposent ce service, mais à un prix élevé. ^{[ 7 ]}

Connectivité

L'électricité produite par les éoliennes à courroie présente une tension variable. Cette tension étant relative à la vitesse du vent, elle doit être régulée pour être utilisée. Les petits systèmes d'éoliennes à courroie peuvent alimenter des ports USB standard, tandis que les plus grands peuvent alimenter des circuits 12 V CC. Des installations encore plus importantes pourraient être raccordées au réseau électrique, mais ces systèmes restent au stade expérimental. ^{[ 8 ]}

La conception spécifique de cette éolienne repose sur des objectifs légèrement différents de ceux des modèles précédents. L'objectif principal de ce projet était de créer un prototype facilement reproductible par presque tous à très faible coût. Sa construction ne nécessiterait que peu de compétences et utiliserait principalement des pièces recyclées. L'objectif de cette éolienne n'est pas la puissance ni l'efficacité ; elle vise plutôt à permettre au public de se familiariser avec la conception des éoliennes en acquérant une expérience pratique grâce à sa construction. ^{[ 9 ]}

L'objectif est que ce modèle contribue à élargir la communauté des personnes travaillant à perfectionner la conception des éoliennes. Bien que la réalisation de prototypes d'éoliennes de grande taille puisse s'avérer complexe et coûteuse pour un particulier, la conception de cette éolienne permet aux amateurs intéressés de se lancer et de développer ultérieurement leur conception initiale.

De plus, de nouveaux matériaux pour rubans seront testés car il existe encore peu d'options viables.

La conception finale de la ceinture anti-vent a été déterminée en classant chaque conception selon les critères suivants. Ces critères sont notés de 1 à 10, 10 correspondant au critère le plus important.

Voici un guide étape par étape pour construire une ceinture éolienne facile et abordable.

Les outils suivants sont nécessaires pour mener à bien ce projet :

• scie à main
• Multimètre
• Jeu de tournevis Torx de précision (pour le démontage de disques durs)
• Ciseaux
• Pince à dénuder (des ciseaux peuvent être utilisés à la place)
• pistolet à souder
• Percer
• Scie à métaux ou scie sauteuse
• Tournevis cruciformes et à tête plate
• Pince en C
• Pinces
• Papier de verre ou ponceuse à bande

On peut trouver bon nombre de ces matériaux dans les centres de recyclage ou les magasins d'articles d'occasion.

Pour le cadre, vous utiliserez une planche d'au moins 15 cm de large et de 60 à 90 cm de long. Presque n'importe quelle planche de ces dimensions conviendra, mais une planche plus fine sera plus facile à travailler. Pour ce projet, nous avons utilisé un panneau de porte de 1,25 cm d'épaisseur, coupé à 75 cm de long.

Disques durs d'occasion : De nombreux magasins de réparation informatique, points de collecte de déchets électroniques et même les magasins d'articles d'occasion proposent des disques durs anciens ou défectueux. Souvent, les gens sont ravis de s'en débarrasser gratuitement, car les déchets électroniques peuvent être difficiles à éliminer.

Ruban. Plusieurs matériaux peuvent être utilisés/testés sur cet appareil. Après quelques essais, nous avons opté pour la pellicule photographique, qui est résistante, ne se déforme pas plastiquement et produit l'effet de flottement aéroélastique.

Soudure haute technologie : Une petite quantité de soudure haute technologie sera utilisée pour fixer les fils à la bobine du disque dur. Vous trouverez de la soudure dans les quincailleries ou chez RadioShack.

Anneaux de suspension et vis : Ces anneaux servent à fixer des objets au mur et sont disponibles pour quelques euros dans une quincaillerie. Ils seront utilisés pour la pince de tension.

Un coude en PVC à angle droit permettra d'ajuster rapidement la tension du ruban. Un diamètre de 1,25 cm est idéal.

Colle Gorilla : Ce produit formidable servira à fixer la nappe à la bobine du disque dur. Du ruban adhésif Gorilla peut également être utilisé pour renforcer la connexion.

Goupille de tension Une petite goupille de tension (<1/8") fixera le ruban à la bobine du disque dur.

Une LED basse tension peut être fixée pour indiquer la puissance fournie par la courroie éolienne. Nous avons choisi une LED rouge de 1,8 V et 20 mA.

Un fil isolé de faible calibre (24-30 g) est idéal et permettra de relier les points de soudure de la bobine du disque dur à la LED.

Divers écrous et boulons : leurs dimensions dépendront principalement de la bobine du disque dur et seront adaptées aux spécifications du système. Un boulon de 3,2 mm (1/8"), un écrou et deux rondelles suffisent pour fixer le tuyau en PVC. Trois boulons, écrous et rondelles supplémentaires serviront à fixer les aimants et la bobine.

Entretoises en nylon : Deux entretoises seront nécessaires pour décaler l’aimant par rapport au bois. Nous avons utilisé des entretoises de 6,35 mm (1/4") de long, mais cela dépend de l’espace requis pour la bobine du disque dur.

Le coût de ces matériaux peut être réduit au minimum si l'on utilise des matériaux recyclés. Ce projet peut être réalisé pour aussi peu que 10 $.

• 
  Rassemblez les matériaux
• 
  Percez un trou de départ et découpez le centre de la pièce de bois en laissant au moins 10 cm de chaque côté.
• 
  Coupez le ruban à une longueur légèrement supérieure à celle du morceau de bois.
• 
  Fixez les aimants du disque dur comme indiqué.
• 
  Retirez les circuits superflus de la bobine du disque dur et soudez un fil à chaque point de soudure.
• 
  Alignez la bobine du disque dur avec les aimants et percez un trou dans le bois pour le pivot.
• 
  Vérifiez la résistance pour vous assurer que la soudure a réussi. Une surcharge (OL) indique que le circuit est incomplet !
• 
  Centrez la goupille de tension sur les trous les plus extérieurs. Collez-la avec de la colle Gorilla et laissez sécher pendant 1 à 2 heures.
• 
  Découpez une encoche dans la nappe à l'endroit où passera la bobine du disque dur. ATTENTION À NE PAS DÉCHIRER LA Nappe.
• 
  Percez un trou dans le PVC et le bois. Glissez un boulon à travers et serrez-le avec un écrou et des rondelles de chaque côté.
• 
  Glissez le ruban dans la rainure de la goupille de tension. Collez-le avec de la colle forte et fixez-le avec du ruban adhésif si nécessaire.
• 
  Glissez le boulon à travers le trou de pivot et l'un des trous de la bobine du disque dur. Serrez avec un écrou si nécessaire.
• 
  Percez de petits trous de guidage pour les trous des vis de serrage.
• 
  Vissez l'anneau de suspension dans le tube en PVC. Ne serrez pas encore.
• 
  Faites glisser le ruban dans l'anneau de suspension et serrez. Ajustez la tension en tournant le PVC.
• 
  Soudez les autres extrémités des fils à la LED. Fixez les fils au bois en laissant du mou pour permettre les mouvements.

Pour tester la ceinture aérodynamique, soufflez l'air d'un grand ventilateur sur la ceinture ou, s'il n'y a pas de vent, tenez-la par la fenêtre de votre voiture.

Ce projet de courroie à vent facile à réaliser soi-même permet de comprendre le concept de flottement aéroélastique, mais n'est pas adapté à la production d'énergie. La technologie des courroies à vent est encore émergente et nécessite une plus grande participation de chercheurs pour concevoir et tester différentes variables influençant la puissance de sortie. Actuellement, des prototypes sont construits et testés par divers groupes d'étudiants, mais il n'existe pas encore de données open source pour une conception précise. Une courroie à vent ou un dispositif de test permettant de modifier facilement les variables faciliterait la planification et permettrait une construction plus précise. Les variables suivantes pourraient être prises en compte lors de la construction d'un tel dispositif :

La tension, même légèrement modifiée, peut avoir un impact important sur le mouvement du ruban. Un dispositif de tension permettant d'augmenter ou de diminuer progressivement la tension permettrait à l'utilisateur d'observer les effets de cette tension.

Longueur du ruban : La longueur du ruban influe sur son mouvement périodique. Un réglage facile de cette longueur permettrait aux utilisateurs de trouver le réglage optimal pour les vibrations.

Matériau du ruban : Le remplacement facile du ruban permet aux utilisateurs de tester différents matériaux et leurs effets sur la puissance de sortie.

Interactions bobine/champ magnétique : La possibilité de modifier facilement le placement des aimants par rapport au champ permettrait aux utilisateurs de tester les effets du mouvement des aimants au sein du champ.

Placement des aimants Différents placements des aimants sur le ruban modifieront le mouvement et les interactions de champ, changeant ainsi la puissance de sortie.

Vitesse du vent Une soufflerie à vitesse de vent variable serait optimale pour tester ces variables sous différentes vitesses de vent.

Ce projet a connu plusieurs phases de construction, d'échec et de reconstruction, ce qui a permis de tirer quelques enseignements :

• Le ruban magnétique est trop plastique et se déforme avec le temps. Il ne convient pas à la fabrication de courroies de renfort.
• L'utilisation d'un disque dur pour produire de l'électricité exploitable est peu probable, mais c'est un bon outil pour enseigner aux constructeurs le concept des éoliennes à ceinture.
• La pellicule photographique est un matériau similaire au taffetas enduit de mylar (le matériau utilisé par Shawn Frayne). Elle semble convenir à la fabrication de ceintures coupe-vent. Elle présente un faible fluage, une résistance relative, est inélastique et ne se déforme pas plastiquement. Cependant, elle devient de plus en plus rare et coûteuse.
• Il est difficile de tirer des conclusions définitives à partir de prototypes de ceintures à vent. De nombreuses variables peuvent être contrôlées ou non dans une telle conception. Un contrôle adéquat de ces variables, grâce à un système plus précis, permettrait d'aboutir à des conclusions plus fiables.
• L'utilisation de deux rubans parallèles distincts provoque un comportement erratique de la courroie d'air, car elle perturbe le flux d'air au-dessus des rubans.

• Greg Pfotenhauer
• Augustin Gonzalez