Difficulté
Difficile
Durée
1 jour(s)
Coût
50 EUR (€)
Description
Des trucs sur les moteurs stirlings
Sommaire
Sommaire
- 1 Description
- 2 Sommaire
- 3 Introduction
- 4 Étape 1 - revue de la litterature web
- 5 Étape 2 - la puissance des jouets
- 6 Étape 3 - Verification vitesse de rotation avec analyse video
- 7 Étape 4 - faire tourner le moteur avec une source solaire
- 8 Étape 5 - optimiser et fabriquer un recepteur solaire mobile
- 9 Étape 6 - a vous
- 10 Commentaires
Introduction
Nous vivons maintenant dans 1 monde post-covid, et quevous fassiez partie de ceux qui
pensent que les milliardaires prennent très au serieux le changement climatique et veulent
régler la question par la population en se réfugiant dans des bunkers survivalistes,
ou que vous fassiez partie de ceux qui pensent que les milliardaires s'en foutent et veulent
juste continuer à s'enrichir jusqu'à la dernière goutte de pétrole,
il devient urgent de trouver des alternatives aux modèles qu'on nous propose et au fascisme,
et ca passe aussi par des alternatives techniques.
Le moteur stirling a été inventé au XIXè s. avant le moteur thermique
et a connu quelques applications industrielles "mainstream", notamment dans les années
60 (Ford Torino, navire américain Caloric).
Aussi appelés "moteurs à air chaud", le principe est de balader de l'air alternativement d'1
zone froide à 1 zone chaude et récupérer la force mécanique engendrée par la dilatation et la
contraction de l'air.
Les moteurs stirling performants ont nécessité beaucoup de r&d et ont atteint des rendements
plus importants que les moteurs thermiques avec carburants (autour de 40%).
Ils sont fiables, silencieux et ont des rendements élevés.
Ils sont cependant mieux adaptés à des régimes fixes.
Étape 1 - revue de la litterature web
On liste ici quelques vidéos de moteurs stirling "diy" (do it yourself)
plus ou moins bricolés et en langue française.
On voit que ca va du moteur fait avec 1 canette de coca cola (DDM Brico Voyageur <nowiki>https://www.youtube.com/watch?v=nBxKOkYx2rI</nowiki>) à 1 moteur en bois
avec des seringues en verres pour les pistons(Incroyables Experiences <nowiki>https://www.youtube.com/watch?v=s79odgWz6BM</nowiki>), à 1 moteur 125 cm3 usiné avec une puissance de 5kW à 50kW,soit 4ch à 40ch, au regard de la mesure de 800tr/min et d'un poids du plateau estimé entre 100g et 1kg (French Stirling Fablab <nowiki>https://www.youtube.com/watch?v=Z24dZ3St_JE</nowiki> d la serie d'épisod <nowiki>https://www.youtube.com/playlist?list=PLE1TyIvCXNyjlvWRi10LUsEMXKyRS6Ltx</nowiki> sur la chaine <nowiki>https://www.youtube.com/@FrenchStirlingFablab</nowiki>).
Vous y trouverez nettement plus de ressources pour essayer de fabriquer
votre propre moteur stirling que dans le texte ci-dessous.
En bonus, pour les enseignants, 1'exemple de jouet de typ tracteur et grue fabriqué en meccano ici :
http://cm1cm2.ceyreste.free.fr/stirling.html
Étape 2 - la puissance des jouets
On va maintenant essayer de mesurer la puissanc de moteurs stirling dits "jouets scientifique"
qu'on peut trouver sur aliexpress ou chez des revendeurs comme science labs.
Vous trouverez en pièce jointe deux vidéos qui montrent 1 moteur stirling "jouet scientifique" qui tourne
avec pour source de chaleur 1 flamme provenant d'1 bougie et de combustion d'alcool.
Le moteur est fourni avec 1 petit contenant et 1 meche à imbiber d'alcool qui produit 1 puissance
adaptée au moteur(video 1).
On voit dans la vidéo avec la bougie (video 2) que la flamm de la bougi ne produit pas 1 puissance adaptée
et le moteur tourne quelques secondes puis s'arrette et devient capricieux pour redémarrer (1 peu aléatoire apres
divers essais même apres refroidissement).
On mesure donc la puissanc des deux flammes (voir video 3 et 4):
temps pour porter à ébullition 10mL d'eau de 20°C à 100°C
Energie=10*80 calories=800*4,184J=3347,2J
temps pour flamme lampe à alcool: 40s à 1 minute(selon fremissement ou bouillonement entier)
temps pour bougie : 90 à 120s
lampe a alcool:
Puissance_max=3347/40=84W
Puissance_min=3347/60=56W
bougie
Puissance_max=3347/90=37W
Puissance_min=3347/120=28W
Pour essayer de mesurer le rendement, on fixe 1 poids au moteur (ici 1 boulon pété de 5g voir video 5),
et on mesure le couple d'entrainement
ainsi que la vitesse angulaire.
Le boulon pèse 5g et est fixé à 1 distance d=3cm de l'ax de rotation.
Mesure de la vitesse de rotation avec un tachymetre à 25€ ce mardi 25 juin 2024 (video 6): le tachymetre fonctionne par frottements (entrainement d'un bout de caoutchouc qui fait tourner un axe dont on mesure la vitesse de rotation): l'entrainement se fait sur une demie seconde à une seconde et affiche des valeurs comprises entre 100 et 500 tours minutes puis fait stopper le moteur.
Mesure de rotation avec 1 tachymetre laser moteur 1(video 5): 1400 tours minutes avec le boulon de 5g attaché à 3cm de l'axe
Mesure de rotation avec 1 tachymetre laser moteur 2(video 6): 1000 à 5000 tours/ minutes avec l boulon de 5g attaché à 1,6cm de l'axe
Le rendement est faible, mais il faut se rappeler que c'est un jouet et pas un moteur fait pour etre performant. On pourrait cependant prolonger l'exercice avec des jouets moteurs stirling dits "performants" (multi cylindres, deplaceurs vertical, poulie d'entrainement plus petite, etc.) et/ou mettre un poids plus lourd à entrainer pour éviter le phénomène de plafond de vitesse de rotation. Les moteurs stirling industriels ont des rendements qui peuvent atteindre 40%.
Étape 3 - Verification vitesse de rotation avec analyse video
Pour mesurer la vitesse angulaire, on va utiliser deux logiciels: 1 bout de code python reposant sur opencv, et ffmpeg
commandes python:
sudo apt install virtualenv
virtualenv --python=/usr/bin/python3 .
source bin/activate
pip3 install opencv-python
import cv2
import os
def charger_images_video(video_filename, output_folder):
"""
Charge les images vidéo d'un fichier et sauvegarde chaque frame en tant qu'image JPG.
Args:
video_filename: Le chemin d'accès au fichier vidéo.
output_folder: Le dossier où sauvegarder les images JPG.
Returns:
Un tableau NumPy contenant les images vidéo (3D array: frames, rows, cols).
"""
# Ouvrir la vidéo avec OpenCV
cap = cv2.VideoCapture(video_filename)
#Vérifier l'ouverture réussie
if not cap.isOpened():
print("Erreur d'ouverture du fichier vidéo:", video_filename)
return None
# Vérifier que le dossier de sortie existe, sinon le créer
if not os.path.exists(output_folder):
os.makedirs(output_folder)
# Liste vide pour stocker les images vidéo
images_list = []
frame_number = 0
# Lire les images vidéo image par image
while True:
ret, frame = cap.read()
# Vérifier la lecture de l'image
if not ret:
break
# Sauvegarder chaque frame en tant qu'image JPG
frame_filename = os.path.join(output_folder, f'frame_{frame_number:04d}.jpg')
cv2.imwrite(frame_filename, frame)
# Ajouter l'image à la liste
images_list.append(frame)
frame_number += 1
# Fermer la capture vidéo
cap.release()
return images_list
# Exemple d'utilisation
video_filename = '00009.MTS'
output_folder = 'frames'
images_list = charger_images_video(video_filename, output_folder)
commands ffmpeg:
sudo apt install ffmpeg ffmpeg -i 00009.MTS -vf fps=25 output_frame_%04d.png
Vous pouvez reproduire la mesur avec le fichier vidéo source (lien en bas) et les bouts de cod ci-dessus.
Malheureusement, à ce stade de l'expérience, la prise de video à 25fps ne permet pas de mesurer correctement
la vitesse angulaire du moteur qui tourne trop vite et produit 1 flou sur la vidéo décomposée en 25 images par secondes.
Malheureusement, la captation video à 60fps ou plus coute cher (camera sony ou zcam à plus de 1000€ sur amazon, l'avantage de la loi actuelle sur les ventes par internet c'est que vous avez 14j pour tester la camera puis vous faire rembourser si ell ne convient pas).
On trouve des webcam 60fps mais apres test (la Svpro Full HD 1080P Webcam USB Objectif de Mise au Point Manuelle 4 mm, 30fps/60fps/100fps Caméras de Bureau USB CMOS OV2710 pour Linux Windows Android Mac OS, Plug and Play sur amazon à 33€) ce mercredi 26 juin, ca capture à 30fps. Et ce n'est pas évident de configurer des logiciels de captation vidéo adéquatement, voir cette page par exemple où il n'y a pas de parametres pour definir les fps:
https://wiki.archlinux.org/title/Webcam_setup
Test avec la zcam e2:
vidéo de 60s à 60fps (en théorie 3600 frames) avec un fond de thérébentine (plus d'alcool à 90° confisqué par les flics): le moteur tourne mais visiblement plus doucement que lorsque le pot est plein d'alcool à 90°. On verifie la vitesse de rotation.
Bizzarement, j'ai un message "processus arret" à la frame 273 avec le script python
et ffmpeg fait le taff et on obtient un demi tour entre deux frames, soit 30 tours secondes, soit bien 1800 tours minutes
Fichier disponible ici si vous souhaitez vérifier:
Étape 4 - faire tourner le moteur avec une source solaire
Fair 1 moteur stirling performant exige beaucoup d r&d (go! pour les hackers qui veulent faire des leaks des archives d philips ou d la ford torino -oui les années 60/70 cest pas q génial pour la musiqu-).
En théori, avec 1 rendement d 40%, il faudrait 1 recepteur solair d 2,5m2 (soit approximativement un recepteur de 90cm de rayon) pour 1 moteur d 1 kW
et on va ici s caler sur la puissance d la flamm qui fait tourner l moteur correctement:
60W à 90W
On va d'abord utiliser 1 reflecteur d petit taill sur lequel on va venir fixer des bouts d mirroir pétés (apres test d fixation d bouts d mirroir c'est nettement moins bon qu'avec la surfac initial du reflecteur) et mesurer l temps d'ébulition d'1 petit quantit d'eau
et on viendra fair 1 regl d trois pour 1 diametr adapt (la puissanc du soleil est linéair d la surfac ensoleill):
test c mardi 25 juin 2024 ensoleill.
Reflecteurs d 6cm d rayon en photo dont la surfac reflechissant est constitu d "bumps" pas nécessairement aussi bon que les surfaces dédiées telles que vendues par solar brother (https://www.solarbrother.com/acheter/reflecteur-solaire-adhesif-s-reflect-500/)
En mettant l doigt au milieu du reflecteur le midi en pointant l reflecteur en direction du soleil, on a une sensation proch d la sensation d brulur d'1 briquet au bout d 5s.
Le test pour fair bouillir 3mL d'eau a cependant échou, soit parce qu les surfaces ne sont pas assez lisses, soit parc qu la bougi fait trop d'ombr au reflecteur, soit parc que l reflecteur n'est pas assez bien orient par rapport au soleil et/ou la bougi pas plac assez précisément au foyer d convergences des rayons.
L'ensoleillement est d'environ 1000W/m2, et la surfac du reflecteur d'environ 3,14*0,06*0,06=0,0113m2
La puissanc du reflecteur est donc théoriquement d'environ 0,0113*1000=11,3W
Pour avoir 1 puissanc d 90W à midi (qu'on pourra moduler à la baiss avec 1 horair où l'ensoleillement est plus faibl), il faudrait donc 1 reflecteur d rayon r:
r=√(90/3,14*1000)=√(90/3140)=√(0,02866242)=0,17m
Il nous faut donc un bout d spher d 34cm d diametr.
L'antenn satellit (dit paraboliqu) récupér dans une recycleri fait 60cm d diametr, c qui est beaucoup trop grand, la surfac etant proportionell au carr du rayon (en premier approximation).
On va donc acheter une antene paraboliqu parabol d diametr 40cm (pas trouv plus petit) et y fixer un réflecteur solair adhésif.
Test du 12/07 négatif avec parabol d 40cm et réflecteur adhésif: le cylindr du piston est transparent et la chaleur des rayons solaires concentrés n chauff pas bien l cylindr. On peut pas démonter l cylindre pour y mettr dla paill d fer comm dans la vidéo de l'étape 1. Test demain avec collag dfeuill alu. Sinon il faudra trouver un moteur avec un cylindre métal.
La vidéo buggu est n'est pas uploadabl. Retest quand météo numériqu meilleur
Test negatif du 13/07 midi avec papier alu sur le cylindr: régler la parabol sur le cylindr a midi est compliqu, il fzut etr tres précis et avec l materiel qj'ai (un pied de micro) il faut suspendr l moteur en l'air,etc.
Test négatif du 16 juillet 18h: parabol d 40cm, concentration des rayons a peu près satisfaisant, puissanc solair insuffisant
Test négatif du 23 juillet 18h: parabol d 60cm, concentration des rayons solaires trop dispers, puissanc solair insuffisant
Le carr d lumièr concentr est trop dispersé. Il semblerait judicieux d fair un concentrateur plus précis (un véritable bout dsphère).
Test 25.08: fabrication d'un reflecteur avec un ballon de yoga de 85cm. Obtention d'un reflecteur de 45cm de diametre. Un peu court.
Commande d'un ballon de 150cm le 26.08. Hack d'amazon et du compte en banque. On referra quand la banque autorisera un credit consommation parce que pendant que les macronistes se gavent, je suis a sec.
28.11: fabrication réussie d'un reflecteur solaire de 80cm de diametre avec un ballon 150cm. Test négatif d'entrainement du moteur stirling, concentration solaire trop dispersée (voir video).
Prochains essais avec une lentille de fresnel.
La fabrication de concentrateurs solaires à partir de parabole et de bout de sphere en platre sera externalisée dans un tuto dédié pour capitaliser et socialiser les essais/erreurs
Étape 5 - optimiser et fabriquer un recepteur solaire mobile
Là, j vous pass la balon.
D'abord, il faudrait réfléchir à 1 récepteur qui suit l soleil dynamiquement en fonction d sa position dans la journ (du jour et d l'heur) et d la latitud et longitud,
et plus important: qui soit capabl d renvoyer les rayons concentrés sur 1 point fix quel q soit l'heur.
Ensuit, on peut imaginer 1 truc constitu d plusieurs recepteurs d diametres distinct adapté à 1 ensoleillement variabl.
On a alors 1 sourc d'énergi renouvelabl infini et transportabl qui va fonctionner pour 1 ensoleillement avec 1 seuil haut et 1 seuil bas.
On peut mêm aller jusqu'à imaginer 1 sociét dont les machines n tournent pas quand il n'y pas assez ou trop d soleil, mais c'est d la scienc fiction.
Pour donner des points d repères, les plus grands mirroirs non pétés qu'on est actuellement capables d fabriquer sont les mirroirs d téléscop géants d 30m d diametr.
Les mirroirs d téléscopes d 5m à 10m d diametres sont plus courants pour les grands téléscopes.
J n suis pas spécialist du tout, just 1 vulgarisateur préoccupé par l changement climatiqu
et la mont du fascism.
A c titr et à c stad d mon expérimentation, seuls deux aspects "pratiques" m'interrogent pour 1 utilisation courant:
stopper l moteur (il suffit pas d stopper l'injection de carburant)
pour des utilisations longues: garder la sourc froid froid assez longtemps sans surdimensionner la puissanc en entr d la sourc chaud (pour 1 deltaT performant)
Et parc qu'à l'heur du fascim rampant qui mont dans tout la société, il faut arreter d s'auto censurer pour parler d politiqu quand on parl en son nom,
1 gouvernement qui prend au sérieux l changement climatiqu aurait depuis longtemps mis
les moteurs stirling dans les problemes d prépa, incité des consortiums à travailler dessus,
cr des groupes mixtes d'ingénieur.e.s-technicien.e.s-bricoleurs.e.s non diplomé.e.s multi territoriaux pour travailler sur c type d questions!
Les connaissances scientifiqu et techniques sont contextuelles d'époques et c n'est pas q dans le spatial (aller sur la lun)
qu'on a perdu des savoirs faires, si les lobbys empechent d remettr à l'ordr du jour des techniques oubliées
qui ont fait leur preuv, c'est au politique d créer les incitations nécessaires!
Étape 6 - a vous
voilà, vous avez maintenant des ressources web pour fabriquer un moteur stirling, des pistes pour faire des recherches sur les fabricants de moteurs stirlings performants, une methodo pour tester et verifier les vitesses de rotation de moins de 3600 tours/minutes dans un contexte numérique de flicage surveillance et entrave, une idée pour des moteurs à concentration à base de concentrateurs dynamiques.
Pour un algo de suivi du soleil, vous pouvez reprendre du code ici:
Dimensionner et faire un tracker solaire photovolatïque low tech
Cependant, un dispositif à base de 4 celulles photoelectriques et un petit circuit electronique de recherche de maximum par rotation/entrainement d'un moteur pourrait avantageusement remplacer le codage en dur et s'adapter à toutes les latitudes et longitudes.
J'ai aussi le soucis du sabotage des concentrateurs (rayures, reflecteur décollés) assez vite, mais je suis sur que vous trouverez des parades à ça aussi!
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