13/03/2022
LE CYCLOWATT made in B
DOSSIER PEDAGOGIQUE
1. OBJECTIF
Le projet souhaite faire prendre conscience à chaque citoyen de son empreinte carbone en lui donnant un moyen facile de la compenser de manière sportive. COMMENT ? En pédalant collectivement. Ce n'est que collectivement qu'on pourra apporter une solution au réchauffement climatique et ses conséquences, en combinant tous les efforts individuels. Le sport est probablement l'activité qui fédère le plus de personnes et il est excellent pour la santé.
Après le football, le deuxième sport national est LE VELO, accessible à tous. Le principe de combiner le vélo avec production d'électricité n'avait jusqu'ici pas été étudié de manière approfondie.
La médecine du sport calcule que au repos nous produisons une moyenne de 100 Wh, càd 2,4Kw par jour et que le rendement énergétique du corps humain est de l’ordre de 100% !
C’est la protéine ATP (Adénosine triophosphate = le « fuel » des cellules servant à emmagasiner et à transporter l'énergie de tous les multi-cellulaires). Voir : https://fr.wikipedia.org/wiki/Ad%C3%A9nosine_triphosphate
Le CYCLOWATT est littéralement le mariage du cycle et du Watt, de James Watt. Il s'agit en effet d'un outil « vélorutionnaire » qui veut être résolument performant en matière de rendement : https://fr.wikipedia.org/wiki/V%C3%A9lorution
2. PUBLIC CIBLE
Les jeunes, au sein de leur établissement scolaire, du fondamental au supérieur. Les jeunes demandent comment ils peuvent agir pour la planète ? Leur cursus scolaire dure 12 ans au moins sans interruption. Selon notre enquête, 78% des élèves sondés accepteraient de pé**ler 50min./par jour. Ce résultat est très encourageant ! Le Corps enseignant est également réceptif. Plusieurs écoles ont manifesté leur intérêt d'une telle application sur le plan didactique, pédagogique et sportif.
3. INTERET PEDAGOGIQUE
Le CYCLOWATT permet de visualiser la NOTION DE RENDEMENT trop souvent négligée, voire ignorée. Quelques exemples sont parlants: l'efficacité énergétique d'une centrale au charbon: 40%, au gaz régénération: 55%, nucléaire: 50%, moteur thermique essence: 25- 30%, diesel nouvelle génération: 40%, moteur électrique pour voiture: 60-85%, moteur électrique industriel: 96%, éolienne HAWT : environ 8%.
A ce propos, le CYCLOWATT est comparable à une éolienne à axe vertical (VAWT).
L'école va pouvoir bénéficier de nombreuses applications pédagogiques.
Le cycle du courant est visualisé depuis sa source de production jusqu’à sa consommation finale sur écran LED.
L’école gère une véritable petite centrale électrique musculaire et comptabilise les cyclo-watts produits.
Que va faire l'école de l'électricité produite?
Alimentation des ordinateurs (19 vcc), des imprimantes et des GSM,
Recharge des vélos électriques,
Recharge de la banque de batteries LiFePO4 fournies,
Sonorisation
Eclairage LED
Alimentation d’un onduleur sinusoïdal 48 vcc → 220 vac : machine à laver.
4. INTERET SPORTIF
Une classe de 24 élèves développe une énergie potentielle de 2,4 Kw/h. Elle peut réaliser un défi-énergie avec une autre classe. Les titulaires de classe sont partie prenante de ces défis-énergie ; ils deviennent aussi des coachs. Un siège leur est réservé au centre du CYCLOWATT. Un panneauteur LED électronique affiche les paramètres et comptabilise les performances de chaque classe.
5. CARACTERISTIQUES TECHNIQUES
L’OUTIL: Le CYCLOWATTest un carrousel octogonal de 8,50m de diamètre démontable et aisément transportable. Il est constitué de 8 vélos-porteurs et de 8 vélos intermédiaires permettant aux cyclistes d’additionner leur puissance respective :
Ptot = Σi pi = p1+p2+p3+ p16
ou pi = 175 Watts de moyenne calculé pour toute personne confondue par la médecine du sport. La puissance potentielle instantanée du système est donc de 1600 Watts en 48 VDC. Cette tension recharge les batteries LiFePO4-50Ah fournies et disposées dans un bureau adjacent.
48 VDC == onduleur solaire 2500W-pure sine wave === 220 VAC
TESTS :
Quand le carrousel atteint la vitesse de croisière linéaire de 18 Km/h, il effectue une rotation en 5 secondes, soit 12 RPM. Lors des tests de 50min. non-stop, et une distance parcourue de 17km, les participants ne ressentent pas le tournis. Ils ont bavardé, chanté et pédalé en cadence. L'ennui s'installerait probablement pour des durées supérieures («comme au temps des galères», selon le coach).
Le CYCLOWATT possède un grand moment d'inertie :
I= m*r2
I = moment d’inertie.
m = la masse en mouvement = l’octogone + les vélos + les 16 cyclistes = +/- 1 T
r = le rayon de l’octogone = 4,50m
Résultat : I=1000Kg * (4,5m)2 = 20250 Kgm2
Définition du moment cinétique par rapport à un axe :
Le CYCLOWATT maintient sa vitesse de croisière constante et c’est comparable à une turbine à axe vertical (VAWT voir Wikipedia). Ce n'est pas une attraction foraine ! Bien mieux que cela, c'est une application pratique des équations du mouvement qui allie simplicité et efficacité et dont la conception a été mûrement réfléchie.
LA GENERATRICE CHOISIE :
La génératrice a un rendement optimal de 85%. Mais ce qui est plus concret, c'est de savoir à quelle vitesse elle atteint sa puissance nominale .Le CYCLOWATT n'aurait pas d'intérêt, sinon récréatif, avec un mauvais rendement.
La conversion d'énergie musculaire en énergie électrique avait, avant l'avènement des génératrices basse vitesse, aucun intérêt. Après plusieurs mois de recherche comparative, un fabriquant chinois GREEF a le produit que nous recherchons dans les basses et moyennes puissances.
Cette génératrice à aimant permanent est couplée à l’axe du CYCLOWATT par deux poulies :
12 RPM → 100 RPM
Quand la génératrice est en charge, elle freine le CYCLOWATT comme une force de friction. Cette force contre-électromotrice s’exprime par :
E = k’* Bs * Ω
k’ = frein magnétique
Bs = Champ magnétique permanent (aimant néodyme fer/borre)
B d’un aimant en néodyme N42 peut atteindre 13 000 gauss !
Ω = résistance interne des bobinages (inexistants sur cette génératrice Coreless !)
Descriptif du fonctionnement :
Imaginons une machine électrique alimentée par une source de tension U constante. Lorsque le moteur tourne à vide (il ne fait pas d'effort) il n'y a pas besoin de fournir de couple, Ii est très faible et U ≈ E La vitesse de rotation est proportionnelle à U.
• fonctionnement en moteur
Lorsque l'on veut la faire travailler, en appliquant un couple résistant sur son axe, cela la freine donc E diminue.
Comme U reste constante, le produit Ri*Ii augmente donc Ii augmente, donc le couple T augmente lui aussi et lutte contre la diminution de vitesse : c'est un couple moteur.
Plus on le freine, plus le courant augmente pour lutter contre la diminution de vitesse. C'est pourquoi les moteurs à courant continu peuvent « griller » lorsque le rotor est bloqué, si le courant de la source n'est pas limité à une valeur correcte.
• fonctionnement en génératrice : notre application CYCLOWATT
Si une source d'énergie mécanique essaie d'augmenter la vitesse de machine, (la charge est entraînante : ascenseur par exemple), Ω augmente donc E augmente.
Comme U reste constante, le produit Ri*Ii devient négatif et augmente en valeur absolue, donc Ii augmente, donc le couple T augmente lui aussi et lutte contre l'augmentation de vitesse : c'est un couple frein.
Le signe du courant ayant changé, le signe de la puissance consommée change lui aussi. La machine consomme une puissance négative, donc elle fournit de la puissance au circuit. Elle est devenue génératrice.
Ces deux modes de fonctionnement existent pour les deux sens de rotation de la machine. Celle-ci pouvant passer sans discontinuité d'un sens de rotation ou de couple à l'autre. On dit alors qu'elle fonctionne dans les quatre quadrants du plan couple-vitesse.
Machine à excitation constante
C'est le cas le plus fréquent : Bs est constant car il est créé par des aimants permanents ou bien encore parce que Ie est constant (excitation séparée alimenté en courant continu)
Si l'on pose : Bs*k’ = K , les équations du paragraphe précédent deviennent :
6. RENDEMENT
Le bilan des puissances fait apparaître le rendement d’un moteur à courant continu, en tenant compte des pertes fer (dans le circuit magnétique), des pertes joules (résistance des enroulements), des pertes mécaniques (frottements) :
Ptot = Σi pi = p1+p2+p3+ p16 = 3Kw
Puissance utile = Ptot = 3Kw
Puissance absorbée = 3,3529 Kw
Rendement du CYCLOWATT = 3/3,3529 = 0,85%
