Wind turbine

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Tutorial de avatarLow-tech Lab | Categories : Energy

Introduction

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

Context :

Access to energy and in particular access to electricity is an indispensable condition for a country's economic and sanitary development.

Although the worldwide energy consumption has almost doubled since 1970, it hasn't increased much in poorer countries. To this day approximately 2 billion people can't rely on having access to enough energy for living under reasonable conditions and 1.6 billion people don't have access to electricity at all. Consequences for environment and sanitary conditions are enormous.

Renewable energies like the wind turbine might be a solution: "A wind turbine converts kinetic energy in the form of wind into electrical energy."


Industrial wind turbines

An industrial wind turbine with a power output of 2 megawatts produces about 4400 megawatt hours per year, which is equal to the consumption of around 2000 people. Industrial wind turbines are full of sensors, movable parts, controllers and mechanical parts in general. Their production is complex and the environmental impact when building a wind turbine isn't neutral at all. Additionally up to today it isn't possible to repair a wind turbine for common people.


The low-tech wind turbine

A low tech wind turbine for less than 10€, simple to build from recycled parts, that's possible. Despite their slight power output compared to industrial wind turbines, they are quite good for many local applications like charging a mobile phone, powering LEDs or a little pump. For these applications some watts will be sufficient.

This wind turbine might therefore be very useful for remote areas without an electricity grid but with favorable winds. In Senegal e.g. only 40 per cent of the population is connected connected to the electricity grid in urban zones and only 10 per cent in rural areas. The ability to generate electricity with the help of a self-built wind turbine provides a good opportunity.

Video overview

Materials

Wind turbine

1- A wooden plank (minimum 10mm thick)

2- A piece of flat steel (minimum 2mm thick)

3- A stepper motor from a printer (with it's connectors)

4- A PVC tube (diameter between 55mm and 100mm;

   wall thickness minimum 3mm)

5- A bicycle inner tube

6- Some wood screws


Electric circuit

3- Stepper motor from a printer

8- A support made from plastic, to take the different system components

   (you could e.g. use a flat part of the printer housing)

9- Two rectifier diodes or bridge rectifiers

10- One capacitor, 1000µF 16V

11- A voltage stabilizer LM7805 for fixing the voltage at 5V

    or LM7812 for fixing the voltage at 12V

11'- Instead of the tension stabilizer you could also use a voltage amplifier

     or a DC/DC booster or even more advance it by supplying the USB connector
     with a voltage between 0,9 and 5 Volts.

12- An USB connector

13- solder

14- wire

Also take a look at global 3D model of this wind turbine after reading. [1]

Tools

Wind turbine

a - a vise

b - a saw for metal and wood

c - a ruler

d - a cordless screwdriver

e - a voltmeter

f - alligator clamps


Electric circuit

g - wire cutting pliers

h - a soldering iron

Step 1 - How it Works

"This tutorial shows how to build a small wind turbine from old stepper motor

from an old printer or photocopier. It is able to e.g. charge a mobile phone."


1 - Rotation of the rotor blades

Powered by the wind, the propeller, also called rotor, starts to move. The propeller blades rotate.

The rotor has 4 blades and is mounted on a mast in order to get more wind.


2 - Production of electricity

The rotor propels a stepper motor.

From the rotors rotation energy the stepper motor produces an alternating current (AC)


3 - Electric circuit

The circuit "handles" the alternating current from the motor output, so that it can be used to charge a mobile phone or another device via USB.


It consists of:

-The rectifiers, which "rectify" the tension from the motor output

in order to provide a direct current (DC).

- A capacitor which allows a continuous power supply,

 although the wind doesn't blow at a constant speed.

A tension stabilizer which limits the tension produced by the motor at the desired voltage, e.g. 5V.

In order for the wind turbine to start rotating, a minimum wind speed of 10-15km/h is necessary.



Step 2 - Steps Involved in Making the System

Wind turbine

1 - Preparing the motor

2 - Motor axis

3 - Preparing the rotor blades

4 - Aileron and base for rotor blades

5 - Assembly


Electric circuit

1 - Rectifiers

2 - Capacitors

3 - tension stabilizer

4 - Connecting the USB port

motor protection

Step 3 - L'éolienne - Le moteur

Choosing the motor

De manière générale, plus le moteur a de pas (steps en anglais), moins la vitesse de rotation sera élevée à tension constante. Les caractéristiques techniques importantes dans le choix du moteur sont : - La tension maximale ou nominale (mesurée en volts) : Vmax - Le courant par phase (mesuré en ampères / phase) : A/ph - Le nombre de pas ou l'angle de pas (mesuré en °)

Par exemple, un moteur pas-à-pas dont l'angle est de 3.6° aura 360/3.6 = 100 pas, un moteur à 1.8° aura 360/1.8 : 200 pas... Si vous deviez choisir entre deux moteurs aux caractéristiques (Vmax et A/ph) identiques, préférez le moteur avec le plus grand nombre de pas (ici le moteur à 1.8° puisqu'il a 200 pas), il nécessitera une vitesse de rotation moins importante pour délivrer une tension satisfaisante.

Le choix du moteur sera aussi conditionné par la tension maximale (Vmax). Un moteur caractérisé à 3V délivrera une puissance nettement inférieure à un moteur caractérisé à 50V à vitesse de rotation égale. Choisissez votre moteur (dans la limite du choix disponible) en fonction de l'application souhaitée et de la puissance demandée.


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 utiliser le point milieu. On va en fait cumuler 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 ;)


Step 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)


Step 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 :

L olienne - quipe des l phants - Hack le Lab Formule puissance vent.gif

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

L olienne - quipe des l phants - Hack le Lab Relation longueur pale - vitesse vent.gif

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 !

Step 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)


Step 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.



Step 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)

Step 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.



Step 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.


Step 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)


Step 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)



Step 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 and references

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RETROUVEZ LE TUTORIEL DE SKAVENJY, inspiré de ce modèle: https://www.skavenji.fr/wp-content/uploads/2019/09/TUTORIEL-EOLIENNE-LOW-TECH-SKAVENJI.pdf

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