L'enercan, brique productrice d'énergie - Projet Open source Energy

L’Enercan

Pour suivre le projet : Le blog d'Open Source Energy[[1]] - Avec les images en plus !

Module générateur, ayant pour mission d’assurer la transformation de l’énergie mécanique issue d’activités humaines (musculaire) ou environnementales (éolien, hydraulique…) en une énergie électrique viable et adaptable. Module standard dont les caractéristiques et les performances sont connues pour permettre la mise au point de systèmes connectés. Un boitier permet la génération du signal électrique et un second boitier permet sa transformation, son stockage et sa diffusion.

Caractéristiques et performances.

Boitiers modulables et réplicables

- tube PVC de diamètre 140 et 160 mm - contre-plaqué 5 et 18 mm - tige filetée 6mm - prise 220 standard - colliers plastique

Prise secteur AC 230V (Max 100 Watts), prise allume cigare DC 12V et port USB.

Batterie au plomb 12V 7Ah / Indicateur de charge LED

Entrées/Sorties

Sortie AC de courant: 220V / 100 Watts max

Sortie DC: 4.5V ou 12V (par sélecteur)

Sortie USB

Evolutions souhaitées

Remplacement des éléments issus du rétro-engineering par des composants séparés, intégrés au sein de systèmes open-source (Arduino, impression 3D des pièces mécaniques…).

Vers L’ENERCAN V2

Cahier des charges

Lignes directrices

- Facilement reproductible

- Pouvant être facilement sourcé (Encourager au maximum la réutilisation d’éléments préexistants dans la mesure du possible.)

- Simplicité et facilité d’utilisation.

- Robustesse (cf. conception de matériel militaire)

- Abordable au regard des services rendus.

Caractéristiques

2 signaux de sortie : 12V / USB

- USB - Sortie 12V standard - La sortie 220V standard, un temps envisagée a été mise de coté pour le moment pour des questions de pertes, de normes et de sécurité. Elle pourra être réintégrée dans les versions ultérieures en fonction des besoins.

1 élément de stockage (à définir): Batterie Plomb ou Li-Poly

- Possibilité de brancher une batterie supplémentaire ou un autre module de stockage.

- Possibilité de brancher trois modules générateurs sur le module de stockage avec un sélecteur (1,2, 3 + tous) afin de multiplier les sources d’énergie. Éléments de transformation (à définir): Mix de composants analogiques (Facilement identifiables et récupérables) et électroniques (arduino/micro-controller) 1 Générateur (à définir) :

Moteur pas à pas d’imprimante / Moteur DC (modélisme) /génératrice asynchrone ?

Etude préliminaire (10/01/2013)

Une première étude des différents modules de l’Enercan a été effectuée jeudi 10 janvier au fablab. Voici les données récoltées.

Générateur (action à manivelle) :

- 15,45V en sortie (indépendamment de la vitesse de rotation – max 5 tour de manivelle par seconde).

- 1 Ampère maximum – moyenne de 0,5 Ampère.

- Courant continu

Batterie :

- Sortie : 12,5 V (mesuré) et 2 Ampères maximum (caractéristiques de la batterie)

Module de branchements :

- 1 sortie 12V (mesurée)

- 1 sortie USB informatique fonctionnelle (non mesurée)

- 1 sortie 220V (non fonctionnelle)

Pistes de développement :

Le concept de base de l’Enercan est la connexion de différents modules assurant chacun une tache précise (transformation, acquisition, stockage…).

Premiers tests de générateurs (01/02/2013)

Après le recadrage du cahier des charges, il faut bien commencer par un bout. Le plus pertinent est de définir quel(s) élément(s) permet(tent) de fournir les 12V demandés avec le minimum d’effort.

Nous commençons donc par le module générateur et plus précisément le générateur à l’intérieur. Le reste du module sera conçu en fonction de ses caractéristiques.

Voici les pistes envisagées ainsi que leurs avantages et leurs inconvénients :

Type	Avantages	Inconvénients
Moteur CC (imprimante)	Prix – couple faible – encombrement	Vitesse de rotation élevée – ampérage très faible – difficile à identifier (absence de marquage)
Moteur CC (modélisme)	Couple faible – encombrement	Prix – Vitesse de rotation élevée – ampérage très faible – voltage faible (6 -12V)
Moteur CC (visseuse sans fil)	Prix (récup) – voltage 12V ou plus	Vitesse de rotation élevée – ampérage très faible – difficile à identifier (absence de marquage)
Moteur brushless CC (modelisme)	Usure minimale	Prix – Vitesse de rotation élevée – sortie triphasée à redresser
Moteur pas à pas (imprimante/reprap (nema))	Vitesse de rotation basse – prix (si récup)	Sortie triphasée à redresser
Générateur coaxial à aimant permanents (type Piggot)	Modularité – conception totalement ouverte – vitesse de rotation basse – puissance – couple faible	Fabrication longue – Prix (aimants néodymes) – sortie à redresser
Dynamo (cc) pour vélo (6 ou 12V)	Approvisionnement facile	Vitesse élevée (V en fonction de la vitesse de rotation) / puissance très faible
Alternateur 12V (auto ou moto)	Prix (casse auto) – fort ampérage	Vitesse de rotation élevée – couple élevé

Une première cession de test a été réalisée avec une sélection de moteurs CC de 6 à 14V. Deux types d’entrainement ont été choisis : un banc d’essai à manivelle (environ 3600 tr/min) et une visseuse sans fil (environ 1500 tr/min).

Résultats des tests

Moteur	Entrainement	vitesse de rotation	Voltage	Ampérage	Type de courant
CC 6V (visseuse Black et Decker – 1987)	Banc à manivelle	~3600 tr/min	2V	0,1 Amp	continu
Moteur CC – 14,4V (Visseuse Bosch)	Visseuse	~1500tr/min	0,5V	0,1 Amp	continu

Moteur	Entrainement	Vitesse de rotation	Voltage	Ampérage	Courant
CC 6V (visseuse Black et Decker – 1987)	Banc à manivelle	~3600 tr/min	2V	0,1 Amp	continu
Moteur CC – 14,4V (Visseuse Bosch)	Visseuse	~1500tr/min	0,5V	0,1 Amp	continu
Moteur imprimante (R35445PA14233R – TD375824 – 00FM-S29 – diam 3cm)	Visseuse	~1500tr/min	8,6V	1,5 Amp	continu
Moteur imprimante (diam sup à 4cm)	Visseuse	~1500tr/min	6,5V	4,3 Amp	continu
Moteur imprimante (diam 2,7 cm)	Visseuse	~1500tr/min	2,2V	2 Amp	continu
Moteur imprimante (diam 3,6 cm)	Visseuse	~1500tr/min	6,2V	2 Amp	continu
Moteur imprimante (diam 3,1 cm)	Visseuse	~1500tr/min	7,7V	1,25 Amp	continu
Visseuse Bosch 14,4V + réduction (train d’engrenage) – gros effort à fournir (couple important)	visseuse	~1500tr/min	15,5V	?? aucune sortie mesurable	continu

Interprétation

Les moteurs CC de visseuses ne donnent pas satisfaction car ils sont prévus pour tourner à des vitesses très élevées. Les moteurs CC issus des imprimantes (entrainement des feuilles et de la tête d’impression) ont des rendus biens plus intéressants. Pour le moment les 12V ne sont pas atteints mais la piste est intéressante. L’étape suivante sera de tester les moteurs pas à pas. L’alternateur auto/moto est pour le moment écarté à cause du couple trop important. Le générateur type Piggot est mis de coté pour le moment du fait du coût élevé de construction.

Une question se pose alors : Comment atteindre les 12V recherchés ?

- Augmenter la vitesse de rotation = démultiplication importante => pertes et encombrement.

- Doubler le moteur = Est-il possible d’additionner la tension de deux moteurs montés en générateur.

- Utiliser un système pour augmenter artificiellement la tension = > le convertisseur BOOST

Un convertisseur Boost (ou Step-Up en anglais), ou hacheur parallèle, est une alimentation à découpage qui convertit une tension continue en une autre tension continue de plus forte valeur.

Pistes pour la conception du module générateur

Afin d’atteindre la vitesse de rotation du moteur/générateur il faudra avoir recours à une démultiplication simple limitant les pertes.

- Pas d’engrenages : pertes importantes et difficulté de fabrication

- Système d’entrainement par galet (comme pour le Solex) sur une roue de type roller ou trottinette

- Insertion d’un volant d’inertie pour lisser la vitesse de rotation et emmagasiner l’énergie cinétique.

- Système d’entrainement à roue libre (ébauche de plan à venir):

Roulement anti-recul pour ski à roulettes – (Prix élevé (20 euros) et non open-source mais encombrement réduit)

Roue à rochets simplifiée (cout réduit à la fabrication mais encombrement important)

Deuxième phase de tests de moteurs/générateurs (13/02/2013)

Une deuxième phase de tests a permis d’évaluer une partie des performances des moteurs pas à pas disponibles à partir de matériel courant comme les imprimantes.

Un moteur pas à pas, qu’est ce que c’est ?

Un moteur pas à pas transforme une impulsion électrique en une énergie mécanique permettant le déplacement angulaire du rotor, appelé " pas ". On distingue 3 familles: aimants permanents, réluctance variable, hybrides.

Les moteurs du test

Les moteurs sélectionnés sont très probablement du type à aimants permanents. Ils n’ont pas été extraits directement des appareils d’origine, ce qui rend difficile leur identification malgré les quelques marquages visibles.

Deux moteurs ont été testés comportant 5 et 6 sorties.

Protocole

Chaque moteur a été connecté à une perceuse tournant à 1500 tr/min.

Un oscilloscope a permis de matérialiser la courbe de tension en fonction des sorties connectées. L’affichage choisi est de 5V/division.

Seule la tension a été testée pour le moment. L’ampérage sera évalué ultérieurement en utilisant la loi d’Ohm => U=RI où U est la tension en Volts, R une résistance connue en Ohms et I l’intensité en ampères.

Résultats

Moteur à 5 sorties

Sorties connectées	Ampleur de la courbe (nb de divisions)	Tension (volts)
5+4	3	15
3+5	4,5	22
2+5	2,5	12
1+5	3	15
1+4	5	25
3+4	3	15
2+4	2,5	12,5
2+3	2,2	12,5
1+3	4	20
1+2	2,5	12,5

Moteur à 6 sorties

Sorties connectées	Ampleur de la courbe (nb de divisions)	Tension (volts)
1+6	4	20
1+5	?	0.5
1+4	8	40
1+3	?	0.5
1+2	?	0.5
2+3	8	40
2+4	?	0.5
2+5	4	20
2+6	?	0.5

Interprétation

Les données récoltées font état de voltages importants pour une force contre électromotrice faible. Il est nécessaire d’attendre l’évaluation de l’ampérage pour tirer les conclusions sur la puissance que l’on peut en attendre.

L’évaluation de ces moteurs a mis en évidence des disparités entre les différents modèles. Le manque d’information sur chaque moteur rend difficile leur identification précise. C’est un élément problématique dans notre démarche puisqu’il freine la réplicabilité du générateur que nous concevons.

Après de longues réflexions, nous avons décidé d’explorer une voie jusque là écartée : la conception d’un générateur à aimants permanents afin d’éviter l’écueil de l’approvisionnement en moteurs.

Une nouvelle voie : Le générateur à aimant permanents.

Un modèle particulier de ce type de générateur est très utilisé parmi les autoconstructeurs d’éoliennes : le générateur créé par Hugh Piggott (Axial Flux Permanent Magnet Generator).

Hugh Piggott ([2]) un écossais qui habite sur la presqu'île de Scoraig (en). Disposant de plus de 30 ans d'expérience dans le domaine de l'éolien et d'une expérience pratique très complète acquise à travers l'installation et la maintenance de nombreux modèles d'aérogénérateurs sur la presqu’île de Scoraig, il est aujourd'hui reconnu comme l'un des experts mondial du petit éolien. (source : Wikipedia).

Il a créé un modèle (open source) de générateur en forme de disque qui a fait ses preuves parfaitement adapté aux petites éoliennes. Dimensionné pour être compatible avec le réseau de distribution d’électricité (tension du secteur et plusieurs ampères), il est très couteux à construire et assez encombrant. Notre cahier des charges ne nécessite qu’une tension de 12V pour une puissance d’une dizaine de watts minimum afin de charger la ou les batteries.

Notre idée est de partir du design de Hugh Piggott en le dimensionnant tant dans la taille que dans les coûts de fabrication. Des premières ébauches ont été réalisées pour étudier les différentes possibilités à notre portée.

Afin de réduire les coûts, nous avons décidé de prendre comme base matérielle des plaques de matériau homogène et résistant qui seront travaillées à la fraiseuse CNC ou aux outils à main.La modélisation suivra.

L'équipe d'OSE

Pour suivre le projet : Le blog d'Open Source Energy [[3]]

Un cahier des charges pour l’ENERCAN (24/04/13)

Au fil des rencontres et des échanges, le projet Open Source Energy se construit pas à pas. Des grandes lignes du projet sont nées des choix technologiques plus précis.

Le tout a été rassemblé dans une première version d’un cahier des charges complet détaillant les caractéristiques, la nomenclature et les schémas directeurs des deux modules ENERCAN. Pour le télécharger : [4]

Aujourd’hui nous avons d’un regard critique extérieur pour nous aider à lever le nez du guidon. Vous êtes familier avec un aspect du projet (mécanique, électricité, usinage, électronique…), vos remarques et vos idées sont les bienvenues, notamment pour la partie électronique.

Merci d’avance.

L’équipe d’Open Source Energy

L’Enercan: du dessin à la maquette (28/05/2013)

En laissant momentanément de coté les détails internes, nous avons travaillé sur l’ergonomie du module générateur. La maquette à l’échelle 1 de cet élément a permis de valider les différentes idées en les confrontant à la réalité de ses futurs usages (déplacement, fixation, rangement…).

L’échelle du module permet à la fois une utilisation nomade et sédentaire.

Les découpes permettent une assise parfaite de l’ensemble.

Les boulons d’assemblage sont prolongés pour faciliter la fixation sur les futurs systèmes.

Une poignée légère permet de ranger le câble tout en assurant un transport facile.

Nous nous attelons maintenant à la validation des montages électroniques pour démarrer au plus vite la production des prototypes.

L’équipe d’Open Source d’Energy

Essais de construction pour le prototype : c’est parti pour le bobinage (18/06/2013)

C’est parti, après des mois de conception, après avoir peaufiné tous les détails, nous avons débuté les tests pour la construction du prototype.

Nous avons commencé par le processus de fabrication des bobines de cuivre qui formeront le cœur du générateur. A partir des techniques des autoconstructeurs d’éoliennes, nous avons élaboré un outil et un processus adapté à taille des bobines (80 tours de fils de cuivre de 1,2mm de diamètre) et réalisé quelques essais.

La partie électronique sera construite après quelques prises de mesures sur le générateur assemblé.

L’équipe d’Open Source Energy