Pédalier générateur

Low-tech Lab

https://wiki.lowtechlab.org/wiki/P%C3%A9dalier_g%C3%A9n%C3%A9rateur

Dernière modification le 11/08/2023

Difficulté

Hard Difficile

Durée

3 day(s) jour(s)

Coût

400 EUR (€)

Description

Ce tutoriel présente les étapes de fabrication d'un pédalier générateur d'électricité, conçu et fabriqué dans le cadre du projet expérimental "Biosphère, capsule en milieu aride" porté par Corentin de Chatelperron et Caroline Pultz du Low-tech Lab. Ce pédalier permet à la fois d'alimenter directement des équipements électroniques ou de stocker l'énergie dans une batterie pour répondre à une partie des besoins énergétiques identifiés dans cet habitat autonome expérimenté. La dernière partie du tutoriel est dédiée aux retours d'expérience du binome ayant utilisé ce système low-tech durant les 4 mois d'expérimentation.

Sommaire

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Introduction

Contexte

Après une dizaine d’années d'exploration, en quête de nouveaux et épanouissants modes de vie, l'une des ambitions du Low-tech Lab est de proposer un autre scénario du futur où la low-tech est vecteur d’émancipation, de convivialité et d’épanouissement. En ce sens, le projet Biosphère se veut être un démonstrateur d’une vie future, spécifique à un contexte bien précis et abritant un écosystème vivant produisant suffisamment de nourriture, d'eau et d'énergie pour subvenir aux besoins identifiés sur une période de 4 mois. Au-delà d’un habitat, cette expérimentation explore, à travers un scénario fictif, une alternative enthousiasmante, guidée par une réflexion sur les besoins dans un contexte de raréfaction des ressources.

La Biosphère expérimentée en Thaïlande par Corentin de Chatelperron était une première étape sur laquelle ils se sont basés pour dimensionner la nouvelle base de vie adaptée, cette fois-ci, au milieu aride. Installée dans un désert de Basse Californie au Mexique, la "Biosphère, capsule en milieu aride" de 60m² produit suffisamment de protéines, de vitamines et de minéraux pour faire vivre deux humains, avec moins d’un euro d’intrants par jour. Sous cette chrysalide faite de bois et de tissu bio-sourcé, l'élevage de mouches soldats noires et de grillons, la culture de spiruline et de champignons et le système d’hyroponie partagent l’espace avec des solutions pour désaliniser l’eau ou chauffer les aliments à l’aide de l’énergie solaire ou musculaire.

Pour cette nouvelle étape, nous avons cherché à dissocier l’image archaïque parfois associée aux low-tech en travaillant sur la désirabilité et le design pour créer l’imaginaire d’un futur low-tech souhaitable dans un contexte de grande sécheresse. Pendant 3 mois nous avons conçu, prototypé puis fabriqué chaque système low-tech pour qu'ils s’adaptent à cet environnement particulier, en utlilisant un maximum de matériaux biosourcés disponibles dans l'atelier de l'association.

Un rapport d'expérimentation, présentant le projet, les besoins de l'habitat, le dimensionnement des différents systèmes low-tech et les résultats de l'expérience, est actuellement en cours d'écriture. Une fois publié, le lien du document open source sera rajouté au tutoriel

Démarche

Avant de débuter le dimmensionnement d'un système, il est important de questionner ses besoins et d'identifier les moyens peu impactants pour les satisfaire. Ce travail, effectué pour chacun des systèmes low-tech composant la Biosphère, a permis de privilégier l'utilisation d'un panneau solaire de 30W pour les journées ensoleillées et un pédalier générateur en "back-up" ou par temps nuageux. Vous pourrez retouver les détails de la démarche en début de tutoriel.

En partant de ces besoins, le tutoriel présente ensuite la conception du pédalier fabriqué par l'association Véloma spécialisée dans la conception et fabrication de vélos-cargos, de remorques et d'outils de basse technologie dans l’optique de l’autonomie et de la transition énergétique.

Le vélo transforme le pédalage en courant électrique directement acheminé vers nos équipements ou bien stocké dans une batterie (cf. Etape 2). Les pédales entrainent le pignon principal à une vitesse de 60 tours par minute. Ce dernier est relié à un second pignon plus petit permettant de multiplier par 4 la vitesse de rotation. Sur le même axe est encastré une roue d’inertie atteignant une vitesse de 1000 tours par minute qui est elle-même reliée à un alternateur allant à 4000 tours par minute.

Dans le but de varier les sollicitations musculaires, nous avons prévu 3 modes d’utilisation : mannelier, vélo et rameur. Le tutoriel "Pédalier générateur - Fonction rameur" est dédié à la fabrication de la structure permettant de l'utiliser en fonction rameur.

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Matériaux

Métal

• 615 mm de tube carré creux inox de 10 mm, d’épaisseur 1,5 mm
• 315 mm de tube carré creux inox de 25 mm, d’épaisseur 1,5 mm
• 450 mm de tube carré creux inox de 45 mm, d’épaisseur 1,5 mm
• 68 mm de tube rond creux inox de ⌀ 40 mm, d’épaisseur 1 mm
• 60 mm de tube rond creux inox de ⌀ 40,2 mm, d’épaisseur 1 mm
• 150 mm de tube rond plein inox de ⌀ 20 mm
• plaque inox de 90 x 800 mm, d'épaisseur 3 mm

Matériel - Pédalier

• 2 manivelles avec pédales
• chaine de vélo
• plateau vélo de ⌀ 280 mm (extérieur)
• tendeur de chaîne de vélo mono vitesse
• patte de dérailleur
• boitier de pédalier à souder bsa, à extrémité carré
• poulie à courroie plate de ⌀ … mm (extérieur), ⌀ ... mm (intérieur)
• alternateur à aimant permanant 12v
• pignon inox de 9 dents
• 2 roulements 20 - 40 mm
• 2 colliers de serrage

Matériel - Système électrique

• cadran voltmètre
• cadran ampèremètre
• pont diode
• condensateur 300 µF 50V
• régulateur de charge solaire SHS-10
• cables

Matériel - Fonction rameur

Outils

• Visseuse, perceuse
• Coupe tube
• Poste à souder
• Lime à métal
• Serre joint
• Mètre
• Règle, rapporteur
• Casque et lunettes de protection

Étape 1 - Questionner ses besoins

L'énergie la moins chère et la plus propre est celle qu'on ne produit ou ne consomme pas !

Pour arriver à nos solutions techniques, nous avons adopté la démarche négaWatt qui propose de repenser notre vision de l’énergie en trois étapes: Sobriété, Efficacité puis Énergies Renouvelables.

Notamment, il est essentiel de se poser plusieurs questions:

• Quels sont mes besoins ?
• Lesquels sont essentiels et incompressibles ?
• L'électricité est-elle la façon la plus efficace de répondre à tous ces besoins  ?

Dans la Biosphère, la conservation des aliments ne passe pas par l'utilisation d'un frigo. En plus d'être gourmand en énergie, ce dernier contribue à faire perdre les vitamines et les fibres des fruits et légumes. Ainsi, on consomme principalement des aliments frais, que l’on peut aussi cuisiner grâce au cuiseur solaire. En cas de surplus de nourriture, le garde-manger et le déshydrateur solaire permettent de conserver les aliments tout en gardant leurs valeurs nutritives et leurs saveurs.

Nous entendons chaque jour qu’il est urgent de réduire notre consommation d’énergie. Comment faire lorsqu’on ne réalise pas exactement ce que l’on consomme ?

Pour matérialiser les consommations électriques des équipements du quotidien et pouvoir éventuellement prioriser certains, le jeu open-source REVOLT traduit ces consommations en temps de pédalage.

Étape 2 - Calculer les besoins énergétiques et identifier les sources d'énergies les plus adapatées

Dans le but de limiter la consommation énergétique de l'habitat, seuls les équipements indispensables au bon fonctionnement de l'écosystème ont été conservé :

• une pompe qui achemine l'eau salée en entrée des dessalinisateurs
• une pompe permettant d'acheminer l’eau douce générée par les dessalinisateurs vers la bioponie et la culture de champignons via un système d’irrigation en circuit fermé
• une pompe à air installée dans le bac de spiruline pour assurer une agitation régulière
• un microcontroleur Arduino permettant de piloter des systèmes électroniques
• une guirlande
• 2 lampes frontales
• 2 téléphones portables pouvant être convertis en ordinateurs portables

Comment connaitre la consommation énergétique de ces équipements ?

À l'aide d'un ampèremètre, il est possible de mesurer le courant consommé par chaque appareil électrique. Pour calculer l’énergie consommée par ces derniers, il nous faut convertir les ampères en Watts/h. Il suffit de multiplier le nombre d'ampères mesuré par la tension en volts (ici 12 Volts), puis de multiplier par le nombre d'heures d'utilisation (cf. tableau)

Il est recommandé de ne pas sous-estimer ses besoins et de toujours considérer le cas le plus défavorable !

L’estimation de la consommation électrique totale (73 Wh/j) dépend d’un certain nombre de facteurs comme les durées et fréquences d'utilisation. Pour éviter de sous-estimer les besoins, on considère une consommation journalière de 100 Wh.

Comment satisfaire efficacement et dans une démarche low-tech nos besoins énergétiques?

En journée, il semble pertinent d’utiliser l’énergie la plus abondante sur place, à savoir le soleil. De fait, nous utilisons un panneau solaire de 30W qui alimente alternativement les pompes et la batterie grâce à un microcontrôleur arduino. Pour en connaitre davantage sur les étapes de dimensionnement d'une installation électrique, rendez-vous sur le tutoriel "Remorque génératrice solaire - Système électrique" du wiki.

La nuit ou par temps couvert, il faudra compter sur nos muscles pour actionner le pédalier générateur d’électricité. C'est ce qu'on appelle le fitness utile !

Étape 3 - Réalisation de la structure

Tube carré creux inox avant (1), support de l'axe du pédalier

L'axe du pédalier s'insère dans le tube rond creux inox (7). Ce dernier est soudé à l'une des extrémités du tube carré creux inox (1).

• Couper un tube carré creux inox de 25 mm, d’épaisseur 1,5 mm, 440 mm de longueur (1)
• A l'aide d'une meuleuse, réaliser l'encoche permettant d'accuellir la courbure du tube rond creux inox (7)

Tube carré creux inox arrière (4), support à l'axe de la roue d'inertie

L'axe de la roue d'inertie s'insère dans le tube rond creux inox (8). Ce dernier est soudé à l'une des extrémités du tube carré creux inox (4).

• Couper un tube carré creux inox de 25 mm, d’épaisseur 1,5 mm, de 175 mm de longueur (12)
• A l'aide d'une meuleuse, réaliser l'encoche permettant d'accuellir la courbure du tube rond creux inox (8)

Assemblage de la structure

• Couper un tube carré creux inox de 45 mm, d’épaisseur 1,5 mm, de 450 mm de longueur (5)
• Couper un tube carré creux inox de 10 mm, d’épaisseur 1,5 mm, de 315 mm de longueur (2)
• A l'aide d'une meuleuse, couper les 2 extrémités du tube (2) à 45°
• Couper un tube rond plein inox de Ø 5 mm, de 155 mm de longueur (3) (renfort de structure)
• Couper 2 plaques inox de 35 x 370 mm, d’épaisseur 3 mm (6). Des percages ont été réalisé sur chacune des plaques, dans le but de fixer le pédalier à une structure en utilisation
• Mise en place de la structure avant soudure : Positionner les 2 plaques (6) sous le tube (5), à 270 mm d'écart (côte intérieure). Placer les tubes (1) et (4) à 280 mm d'écart (côte intérieure) sur le tube (5). Placer le tube (2) entre les tubes (1) et (4) (cf. photo). Pointer puis souder. Poisitonner le renfort (3), pointer puis souder (cf. photo)

Étape 4 - Fixation du pédalier

Le pédalier est fixé à l'axe du boitier de pédalier via des vis de ⌀ 13 mm. Ce dernier est inséré dans le tube rond (7) pour le maintenir en position.

• Couper un tube rond creux inox de ⌀ 40 mm, d’épaisseur 1 mm, de 68 mm de longueur (7). Les dimensions du tube dépendent de celles du boitier de pédalier utilisé
• Souder le tube rond (7), de manière centrée, sur le tube carré avant (A) de la structure
• Insérer le boitier de pédalier à l'intérieur du tube rond (7), de manière centrée
• Positionner et fixer l'ensemble plateau et manivelle à l'une des extrémitiés de l'axe du boitier de pédalier via un écrou de ⌀ 13 mm
• De la même manière, fixer la seconde manivelle à l'autre extrémité de l'axe

Étape 5 - Fixation du pignon, de la roue d'inertie et du tendeur de chaine

Le plateau du pédalier entraine un galet soudé à l'axe de la roue d'inertie. Pour supporter et guider la rotation de cet axe, 2 roulements à bille sont insérés et maintenus en place dans le tube rond creux inox (8).

• Couper un tube rond creux inox de ⌀ 40,2 mm, d’épaisseur 1 mm, de 60 mm de longueur (8). Les dimensions du tube dépendent de celles des roulements utilisés
• Pour faciliter l'insertion des roulements, réaliser une fente en coupant le tube (8) dans sa longueur à l'aide d'une meuleuse
• Souder le tube rond (8), de manière centrée, sur le tube carré arrière (4) de la structure. S'assurer que la fente, réalisée auparavant, est orientée vers le haut
• Couper un tube rond plein inox de ⌀ 20 mm, de 150 mm de longueur (9). Il sera utilisé comme axe de la roue d'inertie
• Positionner les roulements sur l'axe puis insérer l'ensemble à l'intérieur du tube rond (8), de manière centrée
• Le serrage du tube rond (8) autour des bagues extérieurs des roulements est réalisé via 2 colliers de serrage
• Positionner le galet sur l'axe, en s'assurant qu'il soit aligné avec le pédalier. Pointer puis souder

La roue d'inertie est un disque métallique lourd qui, entrainé par le pédalage, permet de fluidifier le mouvement et ainsi améliorer les performances. Plus elle est lourde, plus le pédalage sera régulier, confortable et fluide.

• Positionner la roue d'inertie sur l'autre extrémité de l'axe. Pointer puis souder

Le tendeur de chaine permet d'ajuster la tension de la chaine de vélo

• Mettre en place la chaine sur le plateau et le galet
• Fixer la patte de dérailleur au tendeur de chaine avec une vis de ⌀ 9 mm
• Positionner l'ensemble sur le tube rond (8) puis souder la patte de dérailleur au tube
• Vérifier l'alignement du galet tendeur avec le plateau et le pignon. Si besoin, ajouter des rondelles pour régler l'alignement du galet
  

Étape 6 - Fixation de l'alternateur

L'alternateur transforme l'énergie mécanique en électricité et alimente les différents équipements de la Biosphère. Il est relié à la roue d'inertie via une courroie trapézoïdale.

La longueur de la courroie (L) dépend des diamètres des poulies (D et d) et de la distance (a) séparant les 2 poulies (cf. photo). Dans notre cas, nous avons choisi une courroie de 1050 mm de longueur : D = 280 mm / d = 50 mm / a = 235 mm

Fixation de l'alternateur sur le tube carré (1)

• Souder un écrou de ⌀ 15 mm au tube carré (1). Le diamètre de l'écrou dépend du diamètre du trou de fixation de l'alternateur
• Fixer ce côté de l'alternateur à l'aide d'une vis de ⌀ 15 mm. L'alignement de la roue d'inertie avec la poulie de l'alternateur peut se régler en ajoutant des rondelles

Fixation de l'alternateur sur le tube carré (2)

• A partir d'une plaque inox d'épaisseur 2 mm, réaliser le système de tension de la courroie en suivant le plan (cf. photo).
• Percer un trou de ⌀ 6 mm dans le tube carré (2)
• Fixer le système de tension de la courroie au tube carré (2) à l'aide d'une vis de ⌀ 6 mm
• Positionner la courroie trapézoïdale sur la roue d'inertie et la poulie de l'alternateur
• Fixer l'alternateur au système de tension de la courroie à l'aide d'une vis de ⌀ 6 mm
• De la même manière, l'alignement de la roue d'inertie avec la poulie de l'alternateur peut se régler en ajoutant des rondelles

Étape 7 - Système électrique

L'électricité générée par le pédalier passe par un pont diode qui permet de transformer une tension alternative en tension continue. Un condensateur, connecté au pont diode, emmagasine l'énergie puis la restitue en lissant et stabilisant l'alimentation électrique. En sortie, un voltmètre et un ampèremètre permettent de controler l'énergie fournie. Le courant électrique passe enfin par le régulateur de charge solaire avant d'être réparti dans les différents équipements électriques.

Étape 8 - Fonction rameur (facultatif)

Notes et références

Document rédigé par Emma Bousquet-Pasturel dans le cadre du projet expérimental "Biosphère, capsule en milieu aride" du Low-tech Lab.

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