L'idée derrière le projet est relativement simple. Un support permet à la roue arrière d'un vélo de tourner librement (généralement utilisé pour les exercices en salle) et supporte un vélo qui alimente un générateur. L'énergie générée (en fait, elle est convertie) est stockée dans une batterie et utilisée sur des appareils électriques d'une tension appropriée.
Matériaux
Voici une liste des éléments utilisés pour ce projet :
- vélo
- support pour vélo d'exercice
- Batterie 12 V, 60 A*heure (cycle profond)
- Générateur à aimant permanent DC 900 tr/min
- Roue de skateboard de 3 pouces (diamètre)
- Régulateur Delco 12v
- diode de blocage (45V, 35A)
- Onduleur 375w
- Fusibles en ligne de 15 A (2x)
- Jauge de tension analogique Monacore (lecture de 0 à 15 ampères)
- Fil de calibre 10 (environ 15 pieds)
- ferraille
- connecteurs bout à bout
Conception
Fig 1 : Schéma des composants du générateur
Photo 1 : Générateur avec roue de friction et plaque de montage fixée
Photo 2 : Entretoises fixées par un boulon à l'extrémité supérieure. Une tôle d'acier de 3 pouces a été soudée au-dessus du boulon visible pour augmenter la résistance
Photo 3 : Image légèrement floue du groupe électrogène fixé aux entretoises et monté sur le support de vélo. Notez que la roue de friction entre en contact avec la roue du vélo, mais peut être tournée loin du point de pivotement inférieur, permettant ainsi au vélo de se retirer.
Photo 4 : Batterie attachée au boîtier avec onduleur monté sur le côté
Photo 5 : Vue latérale de la batterie
Fig 2 : Schéma du système. Notez qu'il y aura un régulateur de tension entre le fusible de l'extrémité positive de la génération et la diode sur cette même ligne. Il ne devrait y avoir qu'un seul fusible avant la séparation du fil de la borne de la batterie.
Photo 6 : Système terminé
Photo 7 : Vue rapprochée
La première tâche de ce projet était de concevoir un système approprié en termes de prix, de disponibilité, de productivité et de durabilité. Parce que je n'avais jamais travaillé sur un projet de pédale, j'ai consulté l'expert local Bart Orlando pour m'aider avec la conception initiale. J'ai utilisé ses conseils comme modèle, puis j'ai adapté la conception pour l'adapter à diverses limitations et idées de ce que je pensais que le projet devrait offrir. De plus, il a eu de bonnes suggestions sur la localisation d'un générateur à aimant permanent de taille appropriée et dans les limites du budget. Grâce à ses conseils, j'ai trouvé et acheté un générateur à aimant permanent réversible de 900 tr/min CC bon marché auprès d'une société appelée C and H Industrial Supply.
Un support à vélo pour le cyclisme en salle a été obtenu gratuitement auprès d'un proche partant rejoindre le Peace Core. Cet article a non seulement décollé la roue arrière du sol, mais a également fourni un cadre dans lequel travailler. Le support a été modifié pour s'adapter au projet en supprimant la roue de friction fabriquée en usine, permettant ainsi de monter le générateur et réduisant également les frictions inutiles.
Une fois le générateur arrivé, une roue de skateboard d'un diamètre de 3 pouces a été acquise à Arcata. La roue et le générateur ont été apportés chez le machiniste local – Gene's Machines – où la roue de la planche à roulettes a été fixée à l'arbre du générateur (voir Figure 1) pour fabriquer la nouvelle roue à friction. Cela a été réalisé en perçant une gaine métallique sur un tour juste assez grande pour s'adapter à l'arbre du générateur. La gaine était filetée, permettant à un boulon de traverser la roue du skateboard, et était serrée avec une rondelle en caoutchouc et un boulon de ¾ de pouce. Deux vis de réglage ont été percées dans la gaine à des angles de quatre-vingt-dix degrés pour exercer une pression contre l'arbre du générateur. Il était important que la roue à friction soit vraie et suffisamment serrée pour supporter le couple de la roue du vélo qui tournait.
Pour monter le générateur, une tôle d'acier de 7 1/4 x 3 3/4 pouces a été acquise dans un tas de ferraille. Une meuleuse a été utilisée pour enlever la rouille avant de découper une rainure de 1 x 3 pouces au milieu du côté le plus court. Cela permettait à l'arbre du générateur de glisser contre la tôle. De plus, quatre trous ont été percés autour de la rainure conformément aux vis de montage sur le générateur (voir photo 1). Plus tard, l’excès de métal autour du générateur a été meulé pour des raisons esthétiques et pour éviter les blessures.
L'étape suivante consistait à prendre deux entretoises en acier de 34 1/2 pouces et à les souder à environ 3 pouces l'une de l'autre de manière parallèle (voir photo 2). Comme je n'ai aucune expérience en soudage, j'ai demandé à un ami de m'aider sur cet aspect. Une extrémité des entretoises soudées était fixée au support de vélo où la roue à friction fabriquée en usine avait été retirée. A l'autre extrémité, le générateur était monté. Pour aligner le pneu du vélo avec la roue du skateboard, le générateur a été monté à l'extérieur de la jambe de force droite (si l'on est assis sur le vélo), de sorte que le générateur produise une sortie positive. Cela a été déterminé à l'aide d'un voltmètre standard. Les entretoises étaient serrées sur le support, mais suffisamment lâches pour tourner. Cette capacité de pivotement permettait au générateur de garder le contact avec la roue arrière de tout vélo fixé dans le support (voir photo 3).
De plus, une batterie 12 V, 60 A/heure a été achetée chez Interstate Battery Systems et l'onduleur a été acheté chez Redwood Electronic Supply (tous deux à Eureka). Ces deux éléments ont été montés ensemble et sont séparés du reste du système. Un mince morceau d'acier inoxydable a été découpé et peint à la bombe pour abriter la batterie et monter l'onduleur. Plusieurs trous ont été percés, permettant aux cordons élastiques de fixer la batterie (voir photos 4 et 5). Étant donné que le support en acier inoxydable est relativement fin et que l'onduleur est léger, l'ensemble de cet appareil peut être transporté par la poignée de la batterie. Des connecteurs à anneau ont été utilisés pour relier le générateur aux bornes positives et négatives de la batterie, mais peuvent être facilement détachés en retirant les écrous à oreilles qui les maintiennent serrés.
Le câblage était l’étape suivante après la fabrication d’une structure utilisable. Un fusible de 15 ampères court à l'extrémité positive du générateur et est suivi directement par la diode de blocage. Cette ligne mène ensuite à la borne positive de la batterie et est fixée par un connecteur à anneau. La ligne sortant de la borne négative contient la jauge de volt et retourne ensuite à la ligne négative du générateur. Cette ligne a une longueur supplémentaire, permettant à la jauge de volt de se fixer au guidon du vélo avec des attaches torsadées et de la rendre visible pour l'utilisateur. Tous les fils sont de calibre 10, à l'exception de quelques pouces de fil de calibre 14 hors du générateur et entourant les fusibles. Des connecteurs bout à bout de différentes tailles ont été utilisés pour connecter des morceaux de fil qui avaient été sectionnés pour ajouter des fusibles et la diode. Un câblage supplémentaire comprenait les lignes allant de la batterie aux bornes positives et négatives de l'onduleur. Sur la ligne positive, une coupure a été réalisée pour insérer un fusible de 15 ampères. Il y a deux prises CA sur l'onduleur.
De plus, un régulateur de tension a été acheté sur Internet et sera reçu sous peu. Il sera épissé sur la ligne positive du générateur, entre le fusible et la diode.
Résultats
Le système de génération fonctionne correctement puisque l'énergie mécanique est convertie en électricité et stockée dans la batterie, mais le système ne fonctionnera pas idéalement tant que l'énergie électrique ne sera pas limitée à 12 volts. La tension dans ce système sans régulateur est supérieure à l'échelle de 15 V sur le voltmètre. Aucune mesure ne sera effectuée sur le temps nécessaire pour charger complètement la batterie jusqu'à ce qu'un régulateur de tension soit intégré au système. Lorsque le générateur tourne à la vitesse la plus élevée, environ 700 watts peuvent être produits. Cette vitesse et ce rendement sont extrêmement difficiles à atteindre et ne peuvent être maintenus que quelques instants. 150 watts est un rendement plus réaliste pour toute période prolongée. Un rythme confortable qui pourrait être maintenu pendant au moins 20 minutes se situerait probablement autour de 100 à 114 watts.
Discussion
À mon avis, la force de la conception réside dans le fait que le générateur est monté au-dessus de la roue du vélo. C’est ce qui permet aux vélos d’être interchangeables dans le système tout en restant efficaces pour produire de l’électricité. Bien que cela ajoute un peu de poids en faisant en sorte que les jambes de force supportent l'unité génératrice au-dessus de la roue, cela supprime également une partie du couple de l'arbre du générateur lorsque la roue de friction repose légèrement. De plus, les entretoises fournissent une structure pour faire passer les fils et abriter un fusible et la diode. Le régulateur de tension sera également monté sur un support, une fois reçu.
Un autre aspect souhaité de la conception était un système de génération portable et alimenté de manière universelle. Malheureusement, le poids du système limite une partie de la portabilité. La batterie représente une grande partie de ce poids (environ 60 livres) et n'est pas fixée au support de vélo, car cela rendrait presque impossible le déplacement d'une seule personne. Le générateur aurait pu être monté vers le bas du support pour supprimer un poids inutile, mais comme mentionné ci-dessus, cela aurait réduit d'autres aspects bénéfiques. Les entretoises, le générateur et le support à vélo pèsent environ 30 lb au total.
Même si le poids du système empêche de transporter facilement l'appareil à pied ou à vélo, il reste pratique de le déplacer en voiture. Il est assez compact (voir photo 7) une fois plié et la batterie détachée. Il serait facile de le mettre dans le coffre d'un véhicule et de l'emmener dans un parc ou en camping à condition qu'un vélo soit disponible.
Bien que n'importe quel vélo puisse alimenter le système, certaines capacités du vélo font fonctionner le système de manière optimale. Un facteur important est la bande de roulement du pneu. Les vélos avec des empreintes légères ont un meilleur contact avec la roue à friction et continuent de rebondir au minimum. Cela facilite la génération de puissances plus élevées et met également moins de pression sur le système. De même, comme la friction est extrêmement faible lors de la rotation du générateur, il peut être difficile de pédaler pendant une période prolongée. C'est comparable à pédaler sur un terrain plat en deuxième ou en troisième vitesse, car il faut beaucoup de rotation pour parcourir une petite distance. Pour compenser cela, il est utile d'avoir des rapports bas. Je pense qu'il faudrait construire un pignon personnalisé pour obtenir un rapport suffisamment bas pour un confort de pédalage optimal.
Un troisième aspect bénéfique serait d’avoir un gros pneu arrière. Plus le pneu est gros, plus le générateur tournera rapidement à une entrée donnée. On pourrait également obtenir le même résultat en réduisant la taille de la roue de friction du générateur. Mais, à un certain moment (qui m'est inconnu), il y a trop peu de contact entre le vélo et le générateur pour créer de l'électricité (c'est-à-dire que l'arbre ne tourne pas). Le vélo que je conduis quotidiennement (pour lequel le système a été initialement conçu) répond à tous ces critères d'efficacité optimale, étant un hybride à 24 vitesses possédant des pneus de 26 pouces presque sans bande de roulement. À défaut d’un vélo de route haut de gamme, c’est probablement le vélo idéal pour alimenter le système.
Le seul aspect du projet qui n'est pas terminé à la fin de cet article concerne l'intégration du régulateur de tension qui a été commandé. Cela n'a pas été pris en compte dans la conception initiale du projet, mais il est nécessaire et sera ajouté. Un régulateur de tension applicable aurait pu être fabriqué, mais le temps et mon manque de connaissances en électricité étaient un facteur limitant.
Dans mon esprit, les applications les plus pratiques de ce type de générateur électrique à pédale seraient avec une personne vivant hors réseau. Le système peut alimenter n’importe quel appareil électrique d’environ 150 W pendant une période considérable. De plus, on pourrait pédaler tout en utilisant un appareil donné et charger à un rythme comparable à la consommation d’énergie. Si l'espace était disponible, on pourrait installer un vélo en permanence dans le stand et, espérons-le, ne pas le déplacer souvent. Idéalement, les gens pourraient produire de l’électricité tout en effectuant diverses activités improductives et épuisantes comme regarder la télévision. Cela permettrait non seulement au spectateur de faire de l'exercice et de fournir de l'électricité gratuitement, mais cela pourrait également dissuader les gens (en particulier les enfants) de cette activité engourdissante pour le cerveau.
Le coût a été un facteur important dans la construction de ce projet. Certains éléments coûteux étaient nécessaires à la construction (j'ai dépensé plus de 300 $), même si le total était raisonnable pour ce qui avait été accompli. L'aspect le plus coûteux du projet consistait à fixer la roue à friction personnalisée à l'arbre du générateur. Cela totalisait 90 $, dont seulement 10 $ environ étaient consacrés aux pièces. Si quelqu’un avait accès à un tour et à des compétences de base en fabrication, il pourrait économiser près d’un tiers de ses dépenses totales. Un autre élément incontournable était la batterie, qui coûtait environ 60 dollars. Comme mentionné précédemment, le générateur a été commandé auprès d’une entreprise spécialisée dans les équipements mécaniques bon marché. La plupart des générateurs équivalents que j'ai trouvés sur le Web coûtaient entre 200 et 350 dollars. J'ai acquis le générateur à aimant permanent DC 900 tr/min pour une somme nominale de 45 $, plus 6 $ supplémentaires pour l'expédition. Il va sans dire qu’il s’agit de l’économie la plus importante du projet.
D'autres coûts importants comprenaient l'onduleur (40 $), la jauge de volt (21 $), la diode (12 $), le régulateur (13 $) et d'autres pièces diverses (20 $ : fils, connecteurs, plusieurs boulons et divers petits objets que je n'ai pas utilisés). La seule véritable économie que j'aurais pu faire avec ces articles aurait été de trouver un appareil cassé contenant une jauge de volt et de l'adapter à mon projet. Mais la jauge n'a été obtenue qu'à l'approche de la date limite du projet, et dépenser de l'argent semblait plus facile et moins précieux que mon temps et mon énergie. De même, la diode obtenue n'était pas idéale pour le projet. Le manque d'accessibilité (et le fait que j'avais déjà acheté deux diodes bon marché mais erronées) m'a aidé à justifier la dépense supplémentaire. Comme mentionné précédemment, le support à vélos a été acquis gratuitement. Après le générateur, il s’agit de la deuxième plus grande économie, car des modèles similaires que j’ai vus coûtent plus de cent dollars. Tout le métal utilisé était de la ferraille et gratuit.
Using a battery was something that I initially debated, because they contain hazardous chemicals and various non-biodegradable materials. And, if the overall idea of the project was to make something appropriate, I had to consider if its function made it justifiable. Besides being able to store amazing amounts of energy for long periods of time, the battery in this system also works as a regulator. If I were to run the energy produced from the generator directly to an electric device, it would be extremely difficult to maintain an even output. In addition, one would need to pedal constantly or the device in use would turn off.
One option to replace the battery would be to create a mechanically powered device. There are both positives and negative to this design. The benefit is that as energy changes form, some of it is dispersed, and therefore less available to do work. As a human powers a bike, their chemical energy is converted into mechanical energy. This is usually a fairly efficient transfer, but there is still energy being lost to heat, light and sound (but mostly heat). The biggest drawback to designing a mechanically powered system is that it would probably be limited to one function (powering a blender, transporting a person, making ice cream, etc.). While there is additional energy lost between the conversion of mechanical to electric energy (which is also a less efficient conversion), the product allows for a much broader range of functions. Therefore, the battery was justifiable because it allowed for the long-term storage of an extremely universal and practical energy source.
Something that needs to be considered in any project is the long-term maintenance of the product. On the system that I built, there are various moving parts, and areas that obtain more stress than others. With that said, the maintenance should be limited to keeping nuts, bolts and screws tight, in addition to keeping the generator bearings lubricated. The structure is mostly solid steel and isn't going to be exposed to the elements. Most of the wires are located in places where they can't be damaged easily. Fuses may need to be replaced if too much current is produced at any time.
It is worth mentioning that Bart Orlando was very helpful with developing the design of the friction wheel and the appropriate specs for the system. I had extremely limited fabrication experience and very limited electrical knowledge prior to this project. And, while I was initially apprehensive about using Bart as a resource (he can be abrasive and difficult to work with), he was helpful and more than willing to share his knowledge. Something to keep in mind when trying to get Bart's time and energy is to provide him with foodstuffs for his solar cooking. For additional help (beyond picking his mind), he actually requires payment in eatables, which is pretty minimal in comparison to the resource he provides.
Conclusions
This project was extremely challenging, consuming huge amounts of time, energy and resources. However, the knowledge and experience obtained was tremendously valuable and has given me confidence to partake in more complicated fabrication and electrical projects. It is important in projects like this to be willing to make mistakes, and to take setbacks in stride. Most aspects of the construction took more time then initially expected, and it seems like there are always additional steps that can be taken to make the system better. I know next time I will be less paralyzed by the enormity of the project and will have a better understanding of what steps should be taken to design and construct a complicated system.
I plan on using this project to power music in places without electricity (either on CD players or amps), charge batteries, my ipod, and dissuade my roommate from watching so much television. In addition, it will allow for light and access to various appliances when there are power-outages. Hopefully it will be a valuable tool for all these reasons, and justify my time and cost.
Notes
Artist statement:
- By Rowan Steele
- ENGR305 Appropriate Technology
- 05/05/05
This project is similar to Steven Vromman's pedal power generator
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