Prototype de Low-tech Lab Brest | Categories : Energy
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 (Low-tech lycée Institution Saint-Malo la Providence) en partenariat avec le Low-tech Lab Brest, Explore, Elemen'terre Project et Milwaukee.
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 (Low-tech lycée Institution Saint-Malo la Providence) en partenariat avec le Low-tech Lab Brest, Explore, Elemen'terre Project et Milwaukee.
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 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 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 brut et s’inscrit dans le cadre d’un projet pédagogique réalisé par plusieurs groupes de lycéens. Il est librement inspiré du pédalier du Low-tech Magazine.
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 converter) 12-32V vers 5V
1x Répartiteur USB (optionnel)
1x Ampèremètre/voltmètre USB
5 m de câble électrique, section 1mm² (rouge)
5 m de câble électrique, section 1mm² (noir)
Bornes automatiques type Wago 2x et 3x fils
Colson
Etain (pour soudure électriques)
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
Lorsque l’utilisateur pédale, la roue du vélo entraîne 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 bornes + et - du moteur sont reliées 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 abaisseur de tension (step down converter) est intégré au système afin de stabiliser la tension à 5V.
La protection du système, en cas de polarité inversée, est réalisée par une diode Schottky en série. 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. La relation suivante permet d'en déduire la puissance instantanée ː
P (Watt) = U (Volt) * I (Ampère)
Pour mesurer la charge effective de l’appareil branché sur le connecteur USB, un multimètre (qui intègre un voltmètre et un ampèremètre) est rajouté en sortie de l’abaisseur de tension.
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 :
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 tours/min). On rappelle ici que la tension générée par le moteur est proportionnelle à la vitesse de rotation.
Ensuite il faut appliquer l'équation suivante :
∅ Roue arbre moteur = (⌀ Pédalier * ⌀ Roue vélo * Vitesse rotation pédalier) / (⌀ Pignons * Vitesse rotation du moteur)
Voici un exemple avec un moteur P40-250 de AmpFlow :
Umoteur = 12V @ 1700 tours/min
Et avec les caractéristiques suivantes au niveau du vélo ː
⌀ Roue = 64 cm
⌀ Pédalier = 21 cm
⌀ Pignons = 6,5 cm
⌀ Roue arbre moteur = (21 ̽ 64 ̈ 60) / (6,5 ̈ 1700)
⌀ Roue arbre moteur = 7,3 cm
Dans notre cas, une roue de roller fait parfaitement l'affaire. Nous avons récupéré des roues de 7 cm de diamètre environ.
Installer le home trainer pour surélever la roue arrière du vélo.
Dévisser l'écrou sur l'axe moteur pour retirer les parties métalliques noires présentes sur l'axe.
Ensuite on installe l'adaptateur d'arbre. Il est emmanché directement sur l'arbre du moteur et est maintenu par deux vis serrées sur l'axe.
Démonter une roue de roller.
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 roller par rapport à l'arbre moteur avant de serrer l'écrou.
Fabriquer un support en bois pour maintenir le contact entre la roue de roller et la roue du vélo. Ce support peut avoir plusieurs formes. Cependant le type de support réalisé par le Low-tech Magazine est pertinent puisqu'il permet à la roue de roller de rester en contact avec la roue de vélo grâce à son plan incliné.
Fixer le support moteur sur le home trainer.
La partie électronique se compose de plusieurs éléments ː
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 = 2 x 2 = 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 câbles est terminé, on peut intégrer les éléments ː
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 correct . On peut alors vérifier la charge d'un appareil USB, branché sur l'un des deux ports présents sur le multimètre.
Fabriquer un support en bois, suffisamment large pour y intégrer l'électronique, le voltmètre, l'ampèremètre, le multimètre ainsi qu'un espace suffisant pour poser une tablette ou un smartphone.
Le support est fixé directement sur le guidon.
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 idéal comme outil pédagogique (pour de l'électronique ou de la mécanique) pour des classes de collège/lycée. Il est toutefois clairement possible de l'améliorer de plusieurs manières ː
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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