Minor project windbelt


Published on

Published in: Business, Technology
1 Like
  • Be the first to comment

No Downloads
Total views
On SlideShare
From Embeds
Number of Embeds
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Minor project windbelt

  1. 1.  Background    The world has become increasingly dependent on renewable energy sources such as solar, wind,  biogas  etc.  We  chose  to  work  on  wind  energy  for  this  project.  In  this  context,  we  focused  on  developing  a  product  that  can  generate  electricity  using  the  kinetic  energy  of  the  wind.  All  the  conventional wind mills have a simple phenomenon of doing the same. A typical wind mill has a  rotating device called “turbine” which rotates when wind flows over it. The shaft is coupled to a  dynamo and thus electricity is generated. This process sounds pretty good. But, when we try to  apply it on a small scale level, for example lighting a LED or charging a mobile phone etc., there are  a lot of problems involved. Rotation‐based wind turbines don’t scale down well due to friction and  he lower energy of lower wind speeds. So, there is a need to develop a new innovation which does t not use rotary equipment, to achieve the required targets at the small scale.     By applying TRIZ techniques (TRIZ is a theory of inventive problem solving), one can easily say that  turbine is the part that is causing all the trouble. So, we simply eliminated it! Now, we need some  mechanism to capture the wind energy. After rotation, one can think of vibration. So, let there be a  membrane vibrating due to the wind. If we place magnets at its ends and make them oscillate in and  out  of  a  copper  coil,  electricity  can  be  produced!  Shawn  Frayne,  an  MIT  graduate  was  the  first  person to discover this idea and he created something called “Windbelt”. He started a company by  the name “Humdinger” which sells these Windbelts. Inspired by him, we tried out working on the  same principle in this course.  Windbelt Theory     Until recently, the only viable wind harvesting device was the turbine. Humdinger’s Windbelt is the  first non‐incremental innovation beyond this century‐old approach. Instead of using conventional  geared,  rotating  airfoils  to  pull  energy  from  the  wind,  the  Windbelt  relies  on  an  aerodynamic  phenomenon known as “aeroelastic flutter”. This phenomenon is a well‐known destructive force.  However, it can also be used as a powerful mechanism for catching the wind at scales and costs  beyond the reach of turbines. At its heart, The Windbelt uses a tensioned membrane undergoing a  flutter oscillation to pull energy from the wind.     To picture how this works, think of how you held a blade of grass between your fingers as a kid and  made it whistle—or how the strapping on a truck can be seen moving in the wind. That is roughly  how the Windbelt can pull energy from the wind—then, it’s a second step to turn that energy of the  moving membrane into electricity, which is done by actuating new types of linear generators.    
  2. 2. The Tacoma Narrows Bridge callapse is a famous example of the destructive power of aero elastic  flutter.  The  bridge  across  Puget  Sound  opened  on  July  1,  1940.  Four  months  later  a  strong  continuous wind induced oscillation into the structure, which showed torsional and longitudinal  flutter, eventually causing its collapse. The photos given below are stills from video footage of that  flutter and collapse. Structural engineers studied the failure; newer suspension bridges were built  differently to avoid such oscillation.      How does the Windbelt turn its “flutter” into electricity? A pair of magnets is fastened to the belt, so  as the belt moves up and down the magnets follow the same motion. This motion of the magnets  takes place directly next to the stator (coil). A magnetic field moving next to a coil of wire induces a  current to flow. As generated, the electricity is alternating current (AC). This AC may be converted  o direct current (DC) with the enclosed rectifier. t   Specifications     The Windbelt consists of a taut membrane made of Mylar coated Taffeta, 2 cap magnets, copper coil  and a frame to hold these equipment. Apart from this, it consists of an electrical unit that gives the  desired output power.    
  3. 3. 3D Model of our product:     This figure shows a basic model of our Windbelt. There is a lot of scope for improvement and more  ower can be obtained using multiple belts in parallel.  p   Materials  Important  materials  involved  in  this  project  are  Cap  magnets,  Copper  coil  and  of  course,  a  belt  material.  • Magnets – Disc Magnets NdFeB / Neodymium  Stator coils – Cu  • Belt material – Mylar coated taffeta tape, Gun tape, Duct tape, Polystyrene ribbon, Packaging  tape, Video disc tape  •            
  4. 4. Cost Analysis  Rough cost of the project we carried out:  Object  Quantity  Dimensions  Co `) st ( Belt  1  1 meter long  15  Wooden frame  1  Slightly longer than belt  25  Magnets  2  1cm diameter  60  Stator coils  2  ‐  20  Miscellaneous (Nails,  adhesives etc.)   ‐  Differe t sizes n 20  Total      140    Rough cost estimates of a final useful product:  Object  Quantity  Dimensions  Co `) st ( Frame  1  1m x 5cm x 2cm  25  Belt  1  1m x 2cm  30  Magnets  4    80  Stator coils  4    30  Rectifier  1  ‐  15  Nails, Nuts and Bolts  ‐  Different sizes  10  Total      190    hus, a basic model of a wind belt costs less than `200 to manufacture. T                
  5. 5. Our work (in photographs)  We played around with tools and materials in CFI (Center for Innovation), IIT Madras and finally  built a Windbelt prototype!      Calculations  Windbelt consists of two cap magnets, which move in and out of two copper coils connected in  series. So there is change in magnetic flux which produces electricity in the coil. The output from  the coil is AC, can be converted DC through a rectifier circuit attached between two terminals of  copper coil. 
  6. 6.  ­ Rectifier circuit  Voltage output from Windbelt V=20.19 mV and current output I=0.04A (measured using  Multimeter)  belt prototype  Therefore power output from Wind P=V*I=0.81 mV ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ (1)  pproximating vibrations of the membrane (belt) to a parabolic shape A   Belt at stationary      Belt under vibrations  Here  =1.0cm, equation of the parabola passing through 3 points (0,0), (47.5,1), (95,0) is  Belt  L=95cm Magnets  4.432 10 0.0421   So area swept by belt (under vibrations) across wind flow is   2   = 126.63 ned in wiPower contai nd can be found by  ⁄   Here density of air,  =1.23   Swept area, A=126.63   Velocity of wind, v=2   (Table fan setting 2)  Therefore power P=15.57mW  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ (2)  100 . . 100Efficiency of Windbelt =     = 5.20%   
  7. 7. Advantages of a Windbelt  • The Windbelt is a light weight, low cost, portable, easy‐to‐use device.   • The  1  meter  Windbelts  are  designed  to  work  alone  or  in  groups  to  provide  power  to  or any situation demanding 0.1 kWh to 1 kWh of lighting, WiFi nodes, micro‐base stations,  • energy per month.  It can also be used for lighting bed lamps.   •   a mobile A Windbelt  can be kept  on a  moving car and the output can  be used to charge phone while travelling.  • A Windbelt can be placed on poles in high wind zones and used for street lighting.  • An array of Windbelts placed side by side can form a “Windcell” and it may be used to light  up an entire room!     The Windcell have a form factor similar to Solar panels and are designed for larger installations,  targeting applications with 5 kWh to several MWh of energy demand per month, with particular  attention to cost.  On larger installations, the Windcell panels have an initial projected production cost of Rs. 2.5 per  kWh (at 6m/s average wind speed).  Cost combined with modularity, safety and form factor gives the variation of the technology access  to many of the places that wind and solar cannot presently go.     
  8. 8. Scope for further improvement  There is a lot of scope for improving the design of the Windbelt for a better performance.   • One straightforward improvement in performance efficiency  would be to use magnets of   and length higher strength, coils with more number of turns and belt with optimum tension • to be in resonance.  The number of magnets and coils used can also be increased for a higher output.  • As mentioned earlier, a series of Windbelts can be used to form a Windcell, so that we can  get output for medium scale appliances as well.  • The design can be modified in such a way that the wind is directed on to the belts. One such  example is shown in the following figure.        FAQ  Q: What if the belt does not vibrate?   A: The belt tension can be increased or decreased (as the Windbelt is in the moving airstream).  Make sure that the magnets are not stuck to the stator. If the belt is mounted so close to the stator  that the magnets are clinging to the stator, the Windbelt should be rotated so that the wind blows  hrough  it  from  the  other  side.  Otherwise,  the  belt  should  be  remounted  with  proper  spacing  etween the belt and stator.   t b   Q: The belt is vibrating there is no electrical output.   A: The stator should be installed in the proper orientation and the pair of magnets is so close to— but not touching—the stator. Otherwise, there will not be any electrical output.   
  9. 9. Q: The belt is seems to be in torsion, and is generating very little output.  A: Measure the electrical output (if any) with a meter to have a comparison. Then flick the belt with  your  finger.  If  that  does  not  work,  the  belt  tension  can  be  varied  with  fingers.  Try  rotating  the  indbelt so the air blows through from the other side. Torsional flutter often occurs when the belt  s incorrectly tensioned, misaligned on the bolts, or too close to the stator.  W i   Q: Is it ok to hook up two or more units together to power a bigger load?  A: Yes, as long as they are hooked up in parallel (positive‐to‐positive, and negative‐to‐negative).   N o   ote: If they are in series, the induced current from one Windbelt may flow through the coil of the  ther Windbelt, and potentially disrupt the induced current generation of that generator.    Q: Doe A: No   s it matter if the Windbelt is horizontal or vertical when it is in front of the fan?    Q: What is the expected electrical output?   A: 10mW to100mW (milliWatts), depending on wind speed. At 6m/s wind speed, around 50mW is  delivered to the load. Voltage, unloaded, will be around 2‐3 volts AC before rectification.  Q: How does moving a magnet past a coil generate electricity?                                                                 A: This process is called electromagnetic induction  Q: At what frequency does the wind usually vibrate?                                                                                      A: The 0.5 meter Windbelts will vibrate at around 70‐100 Hz. The 1 meter Windbelt vibrates at a  lower frequency: 20‐50 Hz range ideally. Frequency varies depending on belt thickness, belt  ension, wind speed etc. t   References  • en.wikipedia.org  • www.humdingerwind.com  • www.popularmechanics.com/science/energy/solar­wind/4224763  • http://buildingstuffinthebasement.blogspot.com/2009/11/diy‐Windbelt‐with‐wood‐and‐duct‐ tape.html  • http://www.instructables.com/id/Windbelt‐from‐hard‐drive‐voice‐coil‐and‐magnets/