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 tnot 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.  

 

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.  

 

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 

•

 

 

 

 

 

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

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. 

 ­ 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% 

 

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  chargephone 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. 

 

 

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.  tb 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.  

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. Wi 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).  No 

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: DoeA: 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/