The wind turbine

Low-tech Lab

https://wiki.lowtechlab.org/wiki/L%27%C3%A9olienne/en

Dernière modification le 09/02/2018

Difficulté

Medium Moyen

Durée

1 day(s) jour(s)

Coût

10 EUR (€)

Description

Build a wind turbine from printer stepper engine

Sommaire

énergie, électricité, nomade, USB, générateur, continu, en fr 1

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Introduction

"In Africa, 600 million people in rural areas don't have access to electricity."

CONTEXT :

Access to energy, and especially access to electricity, is a prerequisite for the economic and health development of a country. While global energy consumption has almost doubled since the 1970s, the share of poor countries has steadily increased. Today, it is estimated that 2 billion people do not have sufficient access to energy to live in acceptable conditions, and 1.6 billion people do not have access to electricity at all. This has dramatic health and environmental consequences. Renewable energies such as wind could be a solution: A wind turbine converts the kinetic energy of the wind into electrical energy.

THE INDUSTRIAL WIND TURBINE :

A 2-megawatt industrial wind turbine produces approximately 4400 megawatts / hour annually, which represents the power consumption of about 2,000 people. Industrial wind turbines are filled with sensors, moving parts, regulators and mechanical parts of all kinds. They are complex in manufacturing and their environmental impact on construction is far from neutral. Moreover it is not possible today to repair these wind turbines with local means.

THE LOW-TECH WIND TURBINE :

Easily build a low-tech wind turbine from recycled materials for less than 10 € is possible! Lower in power than industrial wind turbines, it can be used for local applications: charging a phone, lighting LEDs, operating a small pump ... For such applications, a few watts are enough.

This wind turbine can therefore be very useful for remote areas with no access to grid electricity and that benefit from favorable winds. In Senegal, for example, only 40% of the population is connected to the electricity grid in urban areas and only 10% in rural areas. The possibility for people to be able to generate electricity from a self-built wind turbine would be a great opportunity.

1. 
2. 

Matériaux

Wind turbine :

1 - A wooden board (at least 10 mm thick)

2 - A flat iron plate (at least 2 mm thick)

3 - A printer stepper motor (with its connection pin)

4 - A PVC tube (55 mm < diameter < 100 mm and at least 3 mm thick)

5 - A bicycle inner tube

6 - Wood screws

Electric circuit: </ u>

3 - The printer stepper motor

8 - A plastic support to accommodate the various elements of the system (recoverable on a flat part of the printer case)

9 - Two voltage rectifiers or diode bridge ^W

10 - A 1000μF 16V capacitor ^W

11 - A voltage regulator ^W LM7805 to set the voltage to 5V, we can also use the LM7812 to set the voltage to 12V

11' - Instead of the voltage regulator you can use a voltage booster or DC / DC Booster or Step Up which will provide an output voltage of 5V (USB) with an input voltage ranging from 0.9 to 5V .

12 - A USB connector

13 - Tin for soldering

14 - Electric wire

Find the 3D model of this wind turbine by following this link

Outils

Wind turbine: </ u>

a - A vice

b - Wood and metal saw

c - Ruler

d - Screwdriver

e - Voltmeter

f - Alligator clips

Electric circuit: </ u>

g - Cutting pliers

h - Soldering iron

Étape 1 - How it works

This tutorial shows how to make a small wind turbine from old stepper engine from printers or copiers. It will allow for example to recharge a mobile phone.

1 - The rotation of the blades

Under the effect of the wind, the propeller, also called rotor, starts up. His blades turn.

The 4 blade rotor is placed at the top of a mast to take more wind.

2 - Electricity generation

The propeller drives a printer stepper motor.

Thanks to the energy provided by the rotation of the blades, the stepper motor produces an alternating electric current.

3 - The electric circuit

The circuit "treats" the output current of the motor, so that it can be used to charge a phone, or other device from a USB port.

It is made of :

- Rectifiers that "straighten" the voltage at the output of the motor to have a continuous current.

- A capacitor to redistribute electricity constantly, because the wind provides a non-continuous energy.

- A voltage regulator that limits the voltage of the electric current produced by the motor to the desired voltage, here 5V.

The wind turbine requires a minimum wind speed of about 10 to 15 km / h to start its rotation.

Étape 2 - Manufacturing steps

L'éolienne

1 - Préparation du moteur

2 - Axe du moteur

3 - Préparation des pales

4 - Aileron et base des pales

5 - Assemblage

Le circuit électrique

1 - Redresseurs

2 - Condensateur

3 - Régulateur de tension

4 - Raccordement du port USB

Protection du moteur

Étape 3 - L'éolienne - Préparation du moteur

1 - Couper les 6 fils sortant du moteur pas à pas, les dénuder et les torsader.

A partir de la deux méthodes possibles :

Méthode #1

Afin de savoir lesquels des 6 fils a la tension de sortie la plus haute, il faut tester tous les couples possibles de sortie du moteur, et sélectionner les deux plus élevés.

2 - A l’aide d’une visseuse, d’un voltmètre réglé sur « alternatif » et de pinces crocodiles, tester les couples de fils. Noter la tension pour chacun des couples. (image 1)

3 - Sélectionner les deux couples de fil ayant la tension de sortie la plus élevée (ici 10V, cela peut varier en fonction du moteur). Ce sont eux qui seront ensuite connectés au circuit électrique de l’éolienne.

* Astuce : Marquer d’un scotch de couleur les deux couples retenus pour ne plus les mélanger aux autres.

Méthode #2

En fait les moteurs pas-à-pas (stepper en anglais) sont constitués schématiquement de deux ou quatre bobines :

(image 2)

Comme décrit dans l'image, dans le cas d'un 6 fils on ne va pas utilisé le point milieu. On va en fait cumulé deux bobines pour n'en faire qu'une et générer plus de tension.

A partir de la c'est finalement très simple :

1) Il suffit de placer son multimètre en mode ohmètre, ou encore mieux en mode détection de contact (vous savez quand il fait "BBIIIIPPPPP !!" quand les deux sondes se touchent ;) ).

2) Il s'agit tout d'abord de séparer les deux jeux de fil pour chacune des bobines.

Pour un 4 fils du coup c'est très simple : vous prenez un fil sur une sonde, et avec l'autre sonde vous touchez les autres fils. Quand il y en a qui fait "BBBIIIIIPPPPP !!!" ou que la résistance mesurée devient faible (tout dépend du moteur mais une fourchette large serait 1 à 50 ohms) vous êtes bon vous avez trouvé votre bobine et par élimination les deux fils qui restent sont pour l'autre bobine.

Pour un 6 fils c'est à peine plus complexe : on applique la même méthode pour déterminer les jeux de 3 fils par bobine. Ensuite on passe en mode ohmètre et cherche quelle paire de fils par bobine donne la pllus grande résistance ==> bingo vous avez trouvé les bons fils pour une bobine, répétez l'opération pour l'autre et vous êtes bons ;)

Note : il existe aussi des 8 fils. En fait c'est un 6 fils (donc 4 bobines) mais avec 4 bobines indépendantes (comme un 4 fils donc ...). Utilisez alors la méthode du 4 fils mais plus de fois ;)

Étape 4 - L'éolienne - Axe du moteur

1 - Découper une plaque métallique de 80x30 cm. La percer de 5 trous de diamètre 4.

* Astuce : Vous pouvez vous aider du schéma 1 ci-dessus pour découper et percer la plaque.

2 - Souder la plaque de métal au niveau de son trou central à l’axe du moteur. (image 2)

Étape 5 - L'éolienne – Préparation des pales

A partir de la formule reliant la vitesse du vent, une surface donnée et la puissance du vent sur cette surface :

On peut établir cette formule, permettant de calculer la longueur des pales de l'éolienne :

Où :

• L = longueur de la pale en m
• P = puissance caractéristique du moteur en W
• V = vitesse du vent en m/s (en fonction de la localisation)

Dans les conditions courantes, la Longueur de la pale doit être de 35 cm.

1 - Dessiner et découper les pales dans un tube PVC. (image 3)

* Astuce : Vous pouvez vous aider du schéma 2 ci-dessus pour dessiner la forme des pales.

Le schéma 3 indique le sens de la découpe.

2 - Poncer les bords de chacune des pales : le bord d’attaque doit être arrondi, et le bord de fuite aiguisé.

3 - Percer les pales : le perçage s’effectue au plus proche du bord de fuite afin que ce dernier puisse être fixé à plat sur la plaque qui porte les pales. (image 4)

Vos pales sont prêtes !

Étape 6 - L'éolienne - Aileron et base des pales

1 - Dans une planche de bois, dessiner et découper l’aileron. (image 5)

* Astuce : Vous pouvez vous aider du schéma 3 ci-dessus pour dessiner la forme de l’aileron.

2 - Dans cette même planche découper un carré de la taille de votre moteur (ici 80x80cm) qui servira à accueillir les pales précédemment découpées afin de les solidariser entre elles. (schéma 3 - base des pales)

3 - Sur l’aileron, marquer l’emplacement du moteur de façon à ce qu’il puisse s’encastrer de force dans la forme. (schéma 3 - moteur)

* Remarque : Les dimensions de cette partie dépendent de la taille de votre moteur.

4 - Poncer les rebords de l’aileron pour un meilleur aérodynamisme et un meilleur rendu. (image 5)

Étape 7 - L'éolienne - Assemblage

1 - Visser les pales (découpées à l’étape 3) sur leur base (découpée à l’étape 4).

2 - Visser la base des pales sur la plaque en métal. Utiliser les trous percés dans la plaque métallique à l’étape 2. (image 6)

3 - Vérifier qu’il y ait le même angle entre chacune des pales.

Étape 8 - Le circuit électrique - Redresseurs

Le circuit électrique est celui du schéma 4.

En sortie du moteur, on obtient du courant alternatif. Or, pour charger une batterie ou allumer une lampe, il est nécessaire d’avoir du courant continu. Pour transformer du courant alternatif en courant continu on utilise deux redresseurs : ils « redressent » la tension à la sortie du moteur.

Chaque redresseur dispose de 4 pattes : Les deux pattes centrales sont les pôles alternatifs du condensateur Les deux pattes extérieurs sont les pôles positifs et négatifs du condensateur

* Astuce : sur la tête du redresseur chacun de ces 4 pôles sont indiqués.

1 - Souder les sorties tension du moteur pas à pas (précédemment sélectionnées) aux entrées alternatives de chaque redresseur : le premier couple avec les pôles alternatifs du premier redresseur, et le deuxième couple avec les pôles alternatifs du deuxième redresseur. (image 7)

* Astuce : Il est possible d’utiliser de la gaine thermorétractable pour couvrir les connections afin de protéger le système.

2 – Souder les sorties négatives des deux redresseurs entre elles, puis souder les sorties positives des deux redresseurs entre elles. (image 8)

Étape 9 - Le circuit électrique – Condensateur

L’énergie fournie par l’éolienne n’est pas constante car la vitesse du vent varie en permanence. Il faut donc stocker provisoirement la surcharge afin de pouvoir la redistribuer de façon constante. On utilise pour cela un condensateur.

Le condensateur est un composant polarisé : - la borne positive est la tige la plus longue - la borne négative est la tige la plus courte

* Astuce : Il est également possible de se référer au symbole “-” inscrit sur la borne moins.

1 - Souder les pôles négatifs entre eux puis les pôles positifs entre eux en sortie de redresseur. (image 9)

* Astuce : si les tiges de vos différents composants sont trop courtes pour se souder entre elles, vous pouvez les relier à l’aide de fils électriques.

Étape 10 - Le circuit électrique – Régulateur de tension ou rehausseur de tension

Le régulateur de tension permet de récupérer un courant 5V en sortie.

*Remarque : Chaque régulateur est différent, si vous voulez une sortie en 12V, par exemple, achetez votre régulateur en conséquence. Ici pour connecter un port USB nous prendrons du 5V.

Le régulateur de tension à 3 tiges différentes : - 1 entrée - 1 commun - 1 sortie

1 - Souder le pôle négatif du condensateur avec le commun du régulateur de tension. Souder le plus du condensateur à l’entrée du régulateur de tension. (image 10)

Alternative : utiliser un rehausseur de tension qui fournira une tension de sortie de 5V (USB) avec une tension d'entrée allant de 0,9 à 5V.

Étape 11 - Le circuit électrique – Raccordement du port USB

Lorsque vous posez votre connecteur sur une table avec la lamelle plastique vers le dessus, la patte de droite est votre borne positive, et la patte de gauche votre borne négative.

1 – Souder un fil rouge à la borne positive et un fil noir à la borne négative. Ce seront les fils de sortie de votre éolienne, auxquels vous pouvez connecter une batterie, une ampoule, etc,et dans le cas présent un port USB. (image 11)

2 – Souder le fil rouge avec la sortie du régulateur et le fil noir avec le commun du régulateur. (image 12)

Votre circuit est prêt à fonctionner vous pouvez y brancher un téléphone, à condition qu’il y ait du vent bien sûr. (image 13)

Étape 12 - Protection du moteur

Couvrir le moteur et le circuit électrique de chambre à air : cela permettra de les protéger de la pluie ou des embruns. (image 14)

Étape 13 - Utilisation

Brancher un téléphone portable ou autre appareil comportant une connexion USB au circuit électrique et laisser recharger quelques heures. Par vent moyen compter 5 heures de charge pour une batterie de téléphone.

Notes et références

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