Dernière modification le 01/06/2023
Difficulté
Moyen
Durée
1 jour(s)
Coût
150 EUR (€)
Description
Vélo qui permet de produire de l'électricité afin de recharger des appareils du quotidien, comme les smartphones et les tablettes. Le projet a vocation à évoluer pour intégrer du stockage d’énergie sur batterie. Le projet a été réalisé par les éco-délégués du Low-tech ISM (lycée Institution Saint-Malo la Providence) en partenariat avec le Low-tech Lab Brest, Explore, Elemen'terre Project et Milwaukee.
Introduction
L’usage du numérique est omniprésent dans notre quotidien. Loin d’être verte, la “révolution numérique” représenterait 12% de la consommation électrique en France (soit 56 TWh).
On distingue trois grandes catégories d’équipements :
- Les ordinateurs, smartphones, écrans ou autres objets connectés ;
- Les datacenters, qui hébergent les équipements fournissant les services numériques (site web, réseaux sociaux, etc.)
- les infrastructures du réseau comme les antennes (3G, 4G, etc.), fibres optiques ou autres composants techniques qui relient les datacenters aux usagers;
Les services proposés ne sont donc pas “dématérialisés” tels que nous avons l’habitude de le concevoir. De plus, ils sont en constante augmentation. L’enjeu est donc de sensibiliser les usagers sur la représentation physique de cet usage, afin de permettre une meilleure appropriation du sujet. Une sensibilisation aux fondamentaux physiques peuvent en effet favoriser les choix collectifs en accord avec les enjeux sociétaux actuels.
Le pédalier est un outil intéressant puisqu’il permet de représenter physiquement la notion de puissance produite instantanément (exprimée en W) et le concept d’énergie (exprimé en Wh). En outre, c’est une solution idéale pour recharger ses appareils et il peut facilement être déployé au sein de structures d’enseignement ou dans des lieux publics.
Il se base en grande partie sur des objets récupérés (vélo, roues rollers, chutes de bois, etc.) mais nécessite néanmoins certaines connaissances en électronique : fonctionnement d’un moteur électrique, transformation de l’énergie mécanique en énergie électrique, seuils de tension etc.
Le design du pédalier représenté ici est brute et s’inscrit dans le cadre d’un projet pédagogique réalisé par plusieurs groupes de lycéens. Il est librement inspiré du pédalier suivant : https://www.lowtechmagazine.com/2022/03/how-to-build-bike-generator.html
L’assemblage peut aisément s’adapter aux besoins d'un public différent.
Matériaux
1x Vélo avec une transmission en état
1x Support de roue type home trainer
1x Adaptateur d’axe moteur
1x Roue pour adapter le diamètre de l’arbre moteur
1x Moteur électrique
1x Ampèremètre analogique
1x Voltmètre analogique
1x Diode Schottky
1x Fusible
1x Abaisseur de tension (step down) 12-32V vers 5V
1x Répartiteur USB (optionnel)
1x Ampèremètre/voltmètre USB
5m de câble électrique, section 1mm² (rouge)
5m de câble électrique, section 1mm² (noir)
Bornes automatiques types Wago 2x 3x et 5x fils
Colson
Etain (pour soudure électriques)
Outils
Électricité
Fer à souder
Éponge pour nettoyer la panne du fer à souder
Pince multiple
Pince à dénuder
Pince coupante
Autres
Tournevis
Perceuse
Embouts visseuse (en kit)
Foret à bois (en kit)
Foret à métaux (en kit)
Clé à cliquet
Douilles (en kit)
Serre-joints
Scie à bois
Scie à métaux
Marteau
Clés Allen (en kit)
Clés plates (en kit)
EPI
Casque antibruit ou bouchons d’oreille
Lunettes de protection
Gants multi-usages
Chaussures de sécurité
Étape 1 - Principe de fonctionnement
Lorsque l’utilisateur pédale, la roue du vélo entraine l’arbre moteur dans un mouvement de rotation. Le moteur génère alors une tension proportionnelle à la vitesse de rotation du pédalier. Et lorsque les conducteur + et - du moteur sont reliés à un appareil électrique, ce dernier est alors alimenté.
A noter que plus le courant consommé par l'appareil est important, plus la résistance mécanique ressentie par l’utilisateur est importante.
La tension qui varie en fonction de la vitesse de rotation de la roue pose problème pour des appareils électriques type tablettes et smartphones, qui nécessitent une tension de 5V stable pour fonctionner. Ainsi un convertisseur de tension est intégré au système afin de stabiliser la tension à 5V.
La protection du système est réalisée par une diode Schottky en série, afin de protéger le circuit en cas d’inversion de la polarité. Cette diode permet également d’éviter que le montage électrique ne fasse tourner le moteur (et les pédales !), notamment en cas de branchement d’une batterie par exemple.
Enfin, des appareils de mesures sont installés pour monitorer la production électrique instantanée aux bornes du moteur : un voltmètre, ainsi qu'un ampèremètre entre la diode et l’abaisseur de tension (step-down). La relation P (W) = U (V) * I (A) permet d'en déduire la puissance instantanée.
Pour mesurer la charge effective de l’appareil branché sur le connecteur USB, un multimètre (qui intègre un voltmètre et un ampèremètre) est intégré en sortie de l’abaisseur de tension (step-down).
Étape 2 - Dimensionnement du vélo
La première étape consiste à déterminer le diamètre de la roue à fixer sur l'arbre moteur.
Pour ce faire il faut connaître les dimensions de plusieurs éléments du vélo :
- Diamètre du pédalier ;
- Diamètre de la roue de vélo ;
- Diamètre du pignon ;
- Diamètre de l'arbre moteur (en prenant en compte l'adaptation de ce dernier par une roue de roller ou de skate par exemple).
Il est également nécessaire de connaître les données constructeur du moteur, à savoir l'équivalent en tension (exprimé en V) en fonction de la vitesse de rotation du moteur (exprimé en tour/min). On rappelle ici que la tension produite par le moteur est proportionnelle à la vitesse de rotation.
Pour le confort lors de l'utilisation, on fixe une vitesse de rotation au niveau du pédalier à 60 tour / min.
Ensuite il faut appliquer l'équation suivante :
Diamètre roue arbre moteur = (Diamètre pédalier * Diamètre roue * Vitesse rotation pédalier) / (Diamètre pignons * Vitesse rotation du moteur)
Voici un exemple avec un moteur P40-250 de AmpFlow :
Umoteur = 12V @ 1700 tour/min
Diamètre roue arbre moteur =
Dans notre cas, une roue de roller fait parfaitement l'affaire. Diamètre ?
Étape 3 - Intégration du moteur
Installer le home trainer pour surélevée la roue arrière du vélo. Ou fabriquer soit même son propre support.
Dévisser l'écrou sur l'axe moteur pour retirer les parties métalliques noires présentes sur l'axe.
/!\ Pour dévisser l'écrou qui est sur l'axe moteur, il faut procéder dans le sens des aiguilles d'une montre.
Ensuite on installe l'adaptateur d'arbre. Il est emmanchée directement sur l'arbre et maintenu par deux vis serrées sur l'axe.
Démonter une roue de roller et supprimer le roulement à bille.
Installer la roue de roller sur l'axe, maintenue par l'écrou et les rondelles fournies avec l'adaptateur d'arbre. Il faut centrer au maximum la roue de rolleur par rapport à l'arbre moteur avant de serrer l'écrou.
Fabriquer un support en bois. Ce dernier peut avoir plusieurs formes. Cependant le type de support réalisé par le Low-tech Magazine est pertinent puisqu'il permet à la roue de rolleur de rester en contact avec la roue de vélo grâce à son plan incliné.
Fixer le support moteur sur le home trainer.
Étape 4 - Câblage de l'électronique
La partie électronique se compose de plusieurs éléments ː
- Le moteur, qui permet de générer une tension;
- Une diode Schottky qui protège le circuit;
- Un fusible qui protège lui aussi le circuit ;
- Un voltmètre pour mesurer la tension ;
- Un ampèremètre pour mesurer le courant ;
- Un convertisseur de tension 32V - 5V (step-down) qui permet de stabiliser la tension en sortie à 5V. Il ne fonctionne pas pour une tension en entrée inférieure à 9V. L'utilisateur doit donc maintenir une tension au moins égale à 9V lorsqu'il pédale ;
- Un multimètre USB qui permet d'afficher la tension et le courant consommé par les appareils USB ;
- Un appareil à recharger compatible USB.
La première étape consiste à déterminer la section des câbles qui seront utilisés ː
S = p * L * I / U
Avec :
S (mm²) = Section du câble
p (Ω.mm²/m) = Résistivité du cuivre (0.023 Ω.mm²/m)
L (m)= Longueur du fil (additionner la longueur des conducteurs + et -)
I (A)= Intensité maximale de l’appareil
U (V) = Chute de tension admissible (Vmax * 3%)
Exemple dans notre cas où nous branchons des appareils de très faible puissance :
L = 2x2 = 4m
I = 3 A max
U = 12 * 0.03 = 0.36V
S = 0.023 * 4 * 3 / 0.36 = 0.76 mm².
Un câble de section 1mm² a été retenu. A noter qu'augmenter la section d'un câble augmente très rapidement le coût de ce dernier.
Lorsque le dimensionnement des câble est terminé, on peut intégrer les éléments ː
- Supprimer, via la pince coupante, les deux cosses présentes sur les fils rouge et noir du moteur. Y Souder ensuite, sur les couleurs correspondantes le fil noir, puis le fil rouge;
- Sur le fil rouge, on connecte la diode Schottky grâce à une première borne automatique 2 fils;
- Une fois la diode connectée, on insère le fusible dans l’autre partie du Wago puis l'autre extrémité du fusible dans une seconde borne automatique ;
- Dans cette seconde borne automatique, on insère un autre fil rouge ;
- Insérer la suite du fil rouge dans une borne 3 fils. Y ajouter deux fils supplémentaires ː l'un est relié à la borne + du voltmètre et l'autre à la borne + de l'ampèremètre.
- La borne - de l'ampèremètre est reliée à une nouvelle borne automatique 2 fils. Un fil rouge est alors connectée sur le deuxième contacteur automatique. L'autre extrémitée de ce fil est reliée à la borne in du step-down;
- Le fil noir du moteur est relié à une borne automatique 3 fils. Un deuxième fil sera alors relié à la borne - du voltmètre, tandis que le troisième fil est relié au - du step-down ;
- On connecte alors le multimètre USB sur le connecteur correspondant présent sur le step-down.
Il est toujours important de vérifier le câblage réalisé avant la mise sous tension, sous peine de détériorer le matériel.
Lorsque la vérification est concluante, on peut alors faire parcourir les câbles le long du cadre du vélo et les fixer via des Colsons.
Ensuite, il est possible de pédaler pour vérifier si le multimètre USB s'allume. Si c'est le cas, le câblage réalisé est correcte. On peu alors vérifier la charge d'un appareil USB, branché sur l'un des deux ports présents sur le multimètre.
Étape 5 - Réalisation du dashboard
Notes et références
Aller plus loin
Le vélo générateur tel qu'il est présenté est une bonne base pour sensibiliser le public aux enjeux du numérique.
Il est toutefois clairement possible de l'améliorer de plusieurs manières ː
- Ajouter une batterie et une électronique associée pour qu'elle puisse être chargée lorsque quelqu'un utilise le vélo;
- Ajouter une diode Zener entre les bornes e+ t - du moteur pour limiter la tension en dessous de la valeur maximale en entrée du step-down (32V).
Références
https://solar.lowtechmagazine.com/fr/2022/10/how-to-build-bike-generator.html
https://www.lowtechmagazine.com/2022/03/how-to-build-bike-generator.html
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