il est important de dire ici q

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LA VERITAT
(www.amics21.com)
Comment faire pour commencer à
essayer de construire une éolienne
simple
dédié au peuple de Madagascar
par Manuel Franquesa1
Allons enfants de la Patrie
Le jour de gloire est arrivé
Aux éoliennes citoyens! Formez vos énergies!
Index
Introduction ...................................................................................................... 1
1. Monsieur Betz, l'énergie du vent et la puissance d'une éolienne ............ 2
2. Vitesse de rotation d’une éolienne ............................................................. 2
3. Un peu d'aérodynamique............................................................................. 3
4. Construction de l’éolienne .......................................................................... 4
5. Éolienne à voiles ........................................................................................ 12
Conclusion...................................................................................................... 15
Introduction
“Penser globalement, agir localement”
Tôt ou tard, le réchauffement climatique et les pénuries de pétrole vont nous
obliger à rechercher des énergies plus respectueuses avec la nature.
Ce petit manuel vous donnera une idée de comment construire une turbine
éolienne de petite puissance en utilisant des matériaux simples.
Mais attention: comme toute machine qui tourne, une éolienne peut etre très
dangereuse! Les pièces utilisées doivent être TRÈS ROBUSTES!
1
Auteur de “Kleine Windräder : Berechnung u. Konstruktion” - Wiesbaden ; Berlin : Bauverlag,
1989. ISBN 3-7625-2700-8 et ex enseignant du Centre Universitaire Régional d’Antsiranana
(1983 – 1985)
1
2
1. Monsieur Betz, l'énergie du vent et la puissance d'une éolienne
La puissance maximale que on peut "saisir" du vent, soit avec un moulin à
vent de "Don Quichotte" ou une éolienne moderne, peut etre calculé avec la
formule approximative suivante, qui prend en compte tous les pertes
(aérodynamiques, mécaniques et eléctriques) de la machine:
P = 0,15 · D2 · v³
•
•
•
P est la puissance en watts [W]
D est le diamètre du rotor en mètres [m]
v est la vitesse du vent en mètres par seconde [m / s].
Cette simple formule est fruit de M. Betz, un chercheur allemand qui en 1926 a
publié le premier traité sur la théorie aérodynamique appliquée aux éoliennes.
La première chose que nous dit cette formule est que la puissance augmente
avec le cube de la vitesse du vent, ou, en d'autres termes, “plus de vent,
beaucoup plus d'énergie".
Exemple:
Quelle puissance maximale peut fournir une éolienne avec un diamètre de 6
mètres?
Si le vent souffle à 10 m / s (= 36 km / h), la puissance de l'éolienne sera
P = 0,15 · 36 10 ³ = 5400 [W] = 5,40 [kW] (1 kW = 1000 W)
Mais si le vent souffle à 20 m / s = 72 km / h (un vent "dangereux" pour une
éolienne de bricolage!), la puissance sera
P = 0,15 · 36 · 20 ³ = 43200 [W] = 43,20 [kW]
Conclusion: si on double la vitesse du vent, l’éolienne aura 8 fois plus de
puissance.
2. Vitesse de rotation d’une éolienne
La vitesse de rotation d’une élienne peut être calculé avec la formule suivante:
n = (60 · λ · v) / (π · D)
•
•
n est le nombre de tours par minute [tr / min] ou [rpm]
λ est appelée vitesse spécifique. Ce facteur dépend du typ d’éolienne
(rapide ou lente). Sa valeur est compris entre env. 1 et 14. Dans
l’éolienne que nous allons construire, ce facteur est d'env. 4.
2
3
•
•
v est la vitesse du vent en mètres par seconde [m/s].
D est le diamètre de l’éolienne en mètres [m]
Pour se faire une idée:
Dans une éolienne moderne de 20 mètres de diamètre (du typ utilisé dans les
controversées fermes éoliennes), la vitesse spécifique est d'environ
λ = 8.
Calculons avec cette formule sa vitesse de rotation sous un vent de 10 m / s
(= 36 km / h):
n = (60 · 8 · 10) / (π · 20) = 76,4 rpm
Il ne semble pas beaucoup, mais le bout des pales tournent à 288 km/h! Ca
produit beaucoup de bruit et constitue un grave danger pour les oiseaux.
Règles générales:
•
•
plus de diamètre, moins de vitesse de rotation
un plus grand nombre de pales n'augmente pas nécessairement la
vitesse de rotation, mais le rendement de l'éolienne.
3. Un peu d'aérodynamique
Les pales d'une éolienne ne sont autre chose que des ailes d’un avion qui
tourne autour d'un axe.
Au décollage, le moteur pousse l’avion vers l’avant et les ailes commencent à
"couper" l'air. Grace a leur profil et au fait d’etre légèrement inclinées (angle
d'attaque), la circulation d'air autour des ailes crée une surpression dans le bas.
Cette pression “pousse” les ailes et, par conséquent, l'avion vers le haut: il
"vole".
Fig. 3.1 A poussée, W resistence des ailes (R resultante)
Comme toute invention humaine, les ailes ne sont pas idéales: ils offrent une
résistance à l'air, au coût de la consommation de carburant de l’avion.
3
4
L'hélice de l'avion a aussi des “ailes”, plus petites, qui tournent autour de l'arbre
du moteur, se "vissant" dans l'air comme un tire-bouchon. Dans ce contexte, il
faut dire que les avions à hélice ont une meilleure performance que les jets,
mais ils sont plus lents. Du point de vue environnemental, les moteurs à
réaction sont des machines préhistoriques. Ce qui génère son énorme
puissance n'est rien d’autre que un flux de gaz d'échappement mal brûlés, dont
la composition n'est pas connue exactement. Ils laissent dans l'atmosphère2
des trillions de particules de toutes les tailles et hautement préjudiciables.
La section d'une aile moderne a une forme de larme allongée (Fig. 3.1). Cette
forme augmente la poussée et diminue la résistance. Les ailes longues, étroites
et fines ont un rendement beaucoup plus élevé que les ailes courtes, larges et
épaises. Un bon exemple sont les albatros, qui peuvent voler pendant des jours
sans bouger les ailes ou les planificateurs dans les Alpes suisses, qui ont des
ailes extrêmement longues et minces et qui peuvent rester en suspension
pendant des heures, bien q’ils n'ayant pas de moteur.
L'avantage des (petites) éoliennes est que parce que le vent est (encore)
gratuit, les pales ne doivent pas être aussi sophistiquées. Les pales des vieux
moulins à vent étaient souvent des simples tables en bois! Le moindre
rendement des éoliennes avec des pales simplifiées peut étre compensé
augmentant légèrement le diamètre du rotor.
4. Construction de l’éolienne
4.1 Description de la machine
On va construir un aérogénérateur avec une vitesse spécifique nominale λd = 4
et un diamètre de 2 mètres. Pour produire de l'électricité nous utiliserons un
alternateur de voiture avec son régulateur associé.
On utilisera des pales rectangulaires et légèrement courbées ( "flèche" = 5% de
la largeur des pales) de tôle, préférement de l'aluminium. L'épaisseur de la tôle
doit être env. 1,5% de la largeur des pales (voir ci-dessous).
2
L'atmosphère a une hauteur comprise entre 30 et 50 km. Si l'on compare cette distance avec
les 12000 km de diamètre de la Terre, l'atmosphère agit comme une couche de latex de 1,5
mm d'épaisseur appliqué à un ballon de soccer de 30 cm de diamètre.
4
5
angle d’inclinaison
des pales
vent
axe de
transmission
pales courbes
en tòle
flèche
Fig. 4.1
A gauche: rotor à pales courbes en tôle
A droite: une possibilité de fixer les pales (pour des raisons aérodynamiques, il
est important que la barre soit fixé à la surface inférieure des pales (le côté
attaqué par le vent), sans quoi leur performance aérodynamique sera
significativement réduite.
Le plus dur est de trouver le "corps" de l’éolienne, c'est à dire le palier de
transmission entre le rotor et le générateur (les récupérateurs de ferraille ont
beaucoup de pièces de voitures et camions qui pourrait être utilisées!).
Ce “corps” doit:
•
•
être solide
avoir un axe, qui d'un côté a un disque ou similaire pour fixer les pales et
à l'autre bout la possibilité de fixer la poulie d'entraînement de
l'alternateur (voir Fig. 4.2)
Nous reproduisons ci-dessous la couverture de l'excellent brochure de
Hengeveld, Lysen et Paulissen concernant l'adaptation des rotors de vent à des
générateurs de faible puissance. Le dessin est très inspirant.
5
6
Fig. 4.2
1 rotor, 2 axe, 3 coussinets, 4 frein à disque, 5 poulies de transmission, 6
générateur (par exemple alternateur de voiture), 7 mécanisme centrifuge pour
modifier l'angle des pales (régulation de la vitesse du rotor), 8 câbles
éléctriques, 9 régulateur, 10 batteries, 11 fils vers le consommateur
6
7
4.2 Les données plus importantes de l’éolienne
4.2.1 Largeur, angle d’inclinaison et flèche (5%) des pales rectangulaires
en tôle / épaisseur minimale de la tôle
Diamètre du rotor
Nombre de pales*
Largeur des pales
Angle d'inclinaison
des pales**
Flèche des pales
Épaisseur minimale
de la tôle
2
31,4 cm
10º
3
21 cm
10º
2m
4
15,7
10º
5
12,6
10º
6
10,5
10º
16 mm
4 mm
11 mm
3 mm
8mm
2 mm
6 mm
2 mm
5 mm
2 mm
* Note: un nombre supérieur de pales augmente le rendement aérodynamique du rotor
** Angle que les pales forme avec le plan du rotor (perpendiculaire à la direction du vent)
4.2.2 Vitesse de rotation optimale et puissance de l’éolienne en fonction
de la vitesse du vent
Viresse du vent
Vitesse de rotation optimale
Puissance (aprox.)
8 m/s
305 rpm
300 W
10 m/s
380 rpm
600 W
12 m/s
460 rpm
1000 W
4.2.3 Facteur de multiplication entre le rotor de l’éolienne et l'alternateur
Il est important de dire ici q’un alternateur de voiture n'est pas le meilleur
choix pour une éolienne, car ils ont un tres mauvais rendement
(probablement un effet secondaire du bas prix du pétrole d'antan) dépassent
rarement 50%! Toutefois, ils présentent certains avantages: ils sont des
machines très robustes et à bon marché (ferraille). Si vous n'avez pas besoin
de que votre éolienne a un haut rendement, vous pouvez tranquillement
commencer avec un alternateur de voiture.
Un alternateur de voiture nécessite une certaine vitesse de rotation pour
commencer à founir du courant (au moins 750 rpm). Étant donné que le rotor
éolique tourne beaucoup plus lentement, nous devrons prevoir un système de
transmission. La solution la plus simple est de fixer a l'arbre du rotor éolien una
grande poulie (p.ex. la jante d'une roue de bicyclette ou la poulie
d'entraînement du tambour d'une vieille machine à laver), qui se joindra à la
poulie de l'alternateur au moyen d’une courroie ou similaire (voir Fig. 4.2).
La Fig.4.2.3 montre la caractéristique courant / vitesse de rotation d'un typique
alternateur de voiture:
7
8
Caracteristique courant / vitesse de rotation
d’un alternateur de voiture 12V/130A
Fig. 4.2.3 Caracteristique courant / vitesse de rotation d’un alternateur de
voiture
Nous voyons que l'alternateur commence à fournir
du courant à env. 750 rpm. À env. 1000 rpm, le débit est d'environ 25 ampères.
Le tableau suivant indique le facteur de multiplication en fonction de la vitesse
de rotationà laquelle le générateur fournie un courant de charge acceptable
(entre 15 et 30 ampères):
Vitesse de rotation de
l’alternateur (rpm)
Facteur de multiplication
1000
1200
1400
1600
2,6
3,2
3.7
4,2
Après avoir determiné le facteur de multiplication, le diamètre de la poulie de
transmission du rotor de l’éolienne dépendra du diamètre de la poulie de
l'alternateur et de la vitesse de rotation de celui-la:
Vitesse de rotation de l’alternateur 1000 rpm
Diamètre de la poulie
4 cm
6 cm
8 cm
d'alternateur
Diamètre de la poulie de
10 cm
15 cm
20 cm
transmission de
l’éolienne
Vitesse de rotation de l’alternateur 1200 rpm
Diamètre de la poulie
4 cm
6 cm
8 cm
d'alternateur
Diamètre de la poulie de
12 cm
20 cm
19 cm
transmission de
l’éolienne
8
9
Vitesse de rotation de l’alternateur 1400 rpm
Diamètre de la poulie
4 cm
6 cm
8 cm
d'alternateur
Diamètre de la poulie de
15 cm
22 cm
30 cm
transmission de
l’éolienne
Vitesse de rotation de l’alternateur 1600 rpm
Diamètre de la poulie
4 cm
6 cm
8 cm
d'alternateur
Diamètre de la poulie de
17 cm
25 cm
33 cm
transmission de
l’éolienne
Commentaires:
1. Comme on voit dans ces tables, il est convenient d’utiliser un alternateur
avec une poulie plus petite, du contraire la poulie du rotor de l’éolienne devra
avoir un diamètre assez grand.
Toutefois, le diamètre idéal devrait être testé. Les moteurs des machines à
percer de table ont une poulie conique formé par une “tour” de poulies de
différent diamètre (poulie multiple). Cela permet de “trouver” plus rapidement la
vitesse optimale de rotation (prevoir un système pour monter et descendre et
regler la tension de la courroie de transmission de l'alternateur chaque fois que
on a changé de diamètre).
Alternateur aven une triple poulie (d’une vielle machines à percer de table)
Sur le système électrique nous ne dirons pas beaucoup. Consultez un bon
mécanicien ou electricien de voitures. Il est important de monter l'alternateur
avec son régulateur associé, ce qui empêche que la tension monte trop, limite
le courant de charge et déconnecte la batterie quand elle est completement
chargé.
9
10
2. Plus le facteur de multiplication est haut, plus faible sera le couple de
démarrage du sisteme rotor éolique/alternateur, c'est à dire, le rotor a du mal à
démarrer, surtout si l’alternateur est déjà excité. Il est donc important de prévoir
un système de régulation (dans certains cas, on peut utiliser le regulateur qui
était dans la voiture; consulter avec un electricien de voitures), qui par un
côté limite le courant de charge et de l'autre côté ne laisse pas circuler le
courant d'excitation de l’alternateur jusqu’à celui là a atteint une certaine vitesse
de rotation.
4.2.4 Le gouvernail de l’éolienne
Fig. 4.2.4 Gouvernail d’une éolienne
Le gouvernail sert à mettre l’éolienne dans le vent. C'est une tôle, dont la forme
a peu d'importance (sauf l'esthétique) attaché à une tige d'une longueur
comprise entre 60 et 100% du diamètre du rotor éolique.
La tôle doit avoir une surface minimale (voir la table suivante):
Longueur de la tige du
gouvernail*
Surface minimale de la
tôle du guvernail
1,2 m
2m
0,40 m²
0,25 m²
(par exemple
plaque
rectangulaire de
80 x 50 cm)
(par exemple
plaque
rectangulaire de
63 x 40 cm)
*Distance entre l'axe du mât et le centre de gravité de la tôle du guvernail
4.2.5 Mât ou tour de l'éolienne
Comme mât de l’éolienne on peut utiliser n'importe quel tube solide (même un
vieux poste de téléphone en bois).
Il doit être ancré correctement dans le sol (avec du béton) et éventuellement
sécurisé avec trois câbles d'acier aussi ancrés au sol.
Il faut dire que le mât ne doit pas seulement resister le poids du
aérogénérateur, mais aussi le couple généré par la force du vent sur le rotor
éolique en mouvement. C'est comme si on pousse la pointe d'un cure-dent
coincé dans un bouchon: si la force est excessive, le cure-dent se cassera près
de la base.
10
11
4.2.6 Système de sécurité simple contre les vents excessifs
N'oubliez pas que l'énergie du vent, et donc la croissance des forces, augmente
avec le cube de sa vitesse. Une rafale de vent peut détruire votre éolienne en
quelques minutes, provoquant des blessures graves aux personnes!
On peut monter un frein à disque (voir Figure 4.2).
Il y a un système très “primitif” pour “tirer” l’éolienne hors d’un vent excessif:
Si vous habitez prés de l’éolienne, c'est à dire si vous êtes un agriculteur qui ne
peut jamais quitter sa maison à cause des animaux, vous pouvez attacher deux
cordes au gouvernail. Quand le vent commence à se mettre en colère, tirez des
cordes pour mettre l’éolienne hors du vent et attachez les extrémités des deux
cordes à deux points d'ancrage solides espacés. Mais n’oubliez pas que le vent
est le principal protagoniste de toutes les tempêtes, et que vous ne pouvez pas
savoir d'avance le rôle qu’il va jouer dans les moments suivants.
Mais si vous n’habitez pas près de l’éolienne, vous pouvez ajouter à votre
machine un dispositif mécanique relativement simple, qui offre une certaine
sécurité.
La métode consiste en fixer rigidement au corps de l’éolienne un gouvernail
transversal, c'est à dire perpendiculaire à la direction du vent. Dans ce cas, le
gouvernail principal est lié au corps de l’éolienne au moyen d’une "charnière"
ou similaire et un ressort3. La Fig. 4.2.7 montre schématiquement le principe de
ce système.
Fonctionnement: Lorsque le vent dépasse une certaine vitesse dangereuse, le
gouvernail transversal est “poussé” vers l’arrière jusqu'à ce que le ressort cède,
mettant l’éolienne hors du vent (le rotor s'arrête ou tourne lentement).
3
Essayez un ressort avec une constante d’environ 20 N/cm (sans garantie!)
11
12
Fonctionnement
gouvernail
principal (mobile)
position normal
ressort
gouvernail
transversal
(fixe)
vent fort
gouvernail
transversal
(fixe)
gouvernail principal
(mobile)
Fig. 4.2.7 Éolienne avec un gouvernail transversal (sécurité)
5. Éolienne à voiles
Le rotor de ces anciennes éoliennes est construit avec des voiles triangulaires
(Fig. 5.1).
Les “mâts” de ces voiles (= rayons du rotor) peuvent être en bois, mais
aujourd'hui on peut utiliser des tubes d'aluminium.
Chaque voile est attachée au rayon suivant avec une corde ou câble. Vous
pouvez également utiliser des ressorts pour maintenir les voiles en pleine
tension. Les ressorts ont également l'avantage que les voiles peuvent “ceder”
un peu à la pression du vent, ce qui réduit la tension exercée sur elles.
Parce que les voiles peuvent fournir une résistance considérable au vent, le
rotor éolien généralement a son axe prolongé vers l'avant (à travers du centre
du moyeu), au quel les extrémités des rayons du rotor sont attachés avec des
câbles d'acier, qui empêchent que la pression du vent les cassent.
12
13
Fig. 5.1
Éolienne avec 6 voiles (a = 0,8·R; b = 0,25·R; c = 0,45·R)
Ces rotors éoliques ont une vitesse spécifique nominale λd = 1,2 ... 1,4, de
sorte que leurs vitesses de rotation sont basses. Pour la propulsion d'un
alternateur de voiture on a besoin d'un facteur de multiplication significative
(k> 8 pour un rotor D = 2 m (Fig. 5.2).
13
14
Fig. 5.2
Caractéristiques P,n,v d'un rotor à 6 voiles de 2 mètres de diamètre (Fig. 5.1),
mesurée dans une soufflerie par [Smulders et al.]
Puissance maximale d'un aérogénérateur construit avec le rotor à voiles de la
Fig. 5.1 (2 mètres de diamètre) et un alternateur de voiture avec un rendement
d’environ 50%:
Vitesse du vent
Vitesse de rotation optimale du
rotor (environ)
Puissance (environ)
8 m/s
100 rpm
10 m/s
125 rpm
12 m/s
144 rpm
100 W
200 W
350 W
Facteur de multiplication approximatif entre le rotor à voiles de la Fig. 5.1
(2 mètres de diamètre) et l'alternateur de voiture:
Vitesse de rotation de
l’alternateur (rpm)
Facteur de multiplication
(environ)
1000
1200
1400
1600
8
10
12
14
14
15
Conclusion
Je dois avouer que, personnellement, j'ai seulement construit deux de ces
éoliennes “de bricolage”. Ce que je viens d'évoquer içi est la quintessence de
ma modeste expérience.
Centre Universitaire Régional de Diego Suarez (Madagascar,1984)
Cependant, je suis convaincu que ce petit "manuel" peut être une aide
précieuse pour le débutant.
Dans le pire des cas, c'est à dire si votre éolienne ne fournit pas suffisamment
de puissance, vous devrez l’améliorer avec vos propres moyens.
Cela vous mènera rapidement à la troisième ligne de ce vieux proverbe chinois:
”Ce que j'entends, j'oublie;
Ce que je vois je me souviens;
Ce que je fais, je comprends.”
Je vous souhaite santé, humour et vent
Manuel Franquesa Voneschen, Castelldefels, Espagne
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Voir aussi notre manuel pour construire une éolienne avec les deux moitiés
d'un baril de 200 litres (générateur Savonius) :
www.amics21.com/laveritat/aerogenerateur_savonius_francais.pdf
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