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EOLIENNE BSB
Hugues Boyenval – 3, rue Grizot – 30000 Nîmes – 04 66 67 02 55
Quel type d'éolienne choisir sur un navire ?
Les éoliennes à axe horizontale communément utilisées actuellement à terre ou enmer sont élevées au sommet d'un mât pour 2 raisons simples:
Sur terre pour s'élever au dessus des obstacles contraignant la bonne circulationdu vent ( arbres, immeubles, relief etc..).
Sur terre et en mer pour donner suffisamment d'espace à la rotation du rotor( positionné verticalement , face au vent) dont l'envergure est proportionnelle àla puissance fournie.
Ces éoliennes ne conviennent pas pour une utilisation sur navire car leurscaractéristiques physiques sont contraires au principe de stabilité des navires:
Le centre de gravité, se trouve en haut du mât. Point que l'on tend à descendreau maximum sur un navire pour lui offrir une stabilité maximum.
Posée sur un navire, ce type d'éolienne augmenterai sont fardage et son tirantd'air
La rupture d'une pale à grande hauteur provoquerai un mouvement de gîtealternatif dont l'angle croîtrait en résonance
Pour se trouver face au vent, l'éolienne doit être posée sur un pivot ( comme unegirouette ) faisant varier la géométrie du navire.
Le générateur situé en haut du mât augmente l'instabilité et, difficilementaccessible, complique sa maintenance
Il existe plusieurs types d'éoliennes à axe vertical :
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Celles qui privilégient la vitesse de rotation au couple. Elles sont généralementde type turbine et font appel à une technologie de construction onéreuse. Sesmécanismes, fragiles, sont contrindiqués en milieu marin ( salinité et humidité del'air ambiant).
Celles qui font appel à la hauteur du rotor à vitesse de rotation lente. Le coupleest important mais on a toujours le problème du tirant d'air, de la maintenance etde la gîte en cas de rupture d'une pale.
Les autres ont une envergure plus importantes pour une hauteur plus réduite.Leur couple est élevé , leur vitesse de rotation est faible. Elles peuvent êtreempilées. L'alternateur ou le compresseur peut être positionné à la base du rotorou à des niveaux inférieurs. C'est sur ce dernier type d'éolienne que j'aidéveloppé mes recherche afin de concevoir l'éolienne idéale pour navires ouplateforme offshore.
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3 - Le produit et le marché
3.1- Description du produit ou du service
Description de l'éolienne à axe vertical BSB: Equipée de 4 pales horizontalestournant d'une part autour d'un axe vertical commun sur 360° et chacune sur elle-même autour de leur axe propre sur un angle de 90° environ. Le rotor aura uneenvergure de huit mètres pour une hauteur de 1m30 environ. L'ensemble montéavec le stator sera d'environ 8m60 de diamètre pour une hauteur de 1M80
A) LE ROTOR:
fixés (Rivetés) sur une armature en aluminium, les corps de pale sont en matériauxcomposites ( polyesther armé ou kevlar carbone). Légères et extrèmement rigide,elle devrait supporter des efforts importants:
Encombrement sans les axes : 2800x2800x1000Matériau: Polyesther armé fibre de verre -épaisseur moyenne : 20 mm
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L'armature du rotor est en aluminium mécano soudé et est constituée de 2 parties( supérieure et inférieure ). Ces deux parties réunies forment l'axe de l'éolienne
Armature de rotor supérieure assemblée avec ses 4 supports de ressort à gaz, sonaxe central supérieur et les 4 paliers supérieurs recevant les axes supérieurs depaleEncombrement : Diamètre hors tout = 4m Hauteur = 68 cmMatériau de la structure: aluminium Matériau axe, paliers et supports: Acier
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Armature de rotor inférieure en aluminium
Armature de rotor assemblée
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Montage d'une pale sur l'armature
Fixée sur un palier dans sa partie haute et posée emboitée sur une butée à billedans sa partie inférieure. A ce moment du montage, la pale est libre de mouvementen rotation sur 95° bloquée en position ouverte ou fermée par les 2 butées fixéessur la platine de serrage inférieure.
Position pale ferméeInnov’up
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Position pale ouverte.
Mais nous désirons que la pale soit ouverte en position repos, c'est à dire quandil n'y a pas de vent afin qu'elle puisse démarrer par vent faible. On ajoute unressort à gaz de poussée qui maintiendra la pale ouverte et amortira leséventuels changements brutaux du vent.
La pale est montée , on agit de même pour les trois autres.
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A ce stade du montage, les 4 pales sont solidaires du rotor, restent en positionouverte naturellement grâce aux 4 ressorts à gaz mais ne sont absolument passynchronisées entre elles. Ce pourrait être un avantage , considérant que la paleau vent se fermerait d'elle même pour opposer une résistance moindre et que lapale contre le vent resterait ouverte pour faire son travail . Le problème est quecette configuration entraine un déplacement important du centre d'inertie doncun déséquilibre dans le mouvement du rotor. Il faut donc que les 4 pales seferment et s'ouvrent en même temps.
4 vilebrequins sont fixés sur les axes supérieurs des pales
Puis une croix de liaison les rend totalement dépendantes l'une de l'autre. Cettecroix n'est pas symétrique, la couronne centrale est conçue de façon à ce qu'ellesoit concentrique de l'axe du rotor quand les 4 pales sont fermées. Cettecouronne nous servira pour la fermeture automatique et programmable ( mise endrapeau ) de l'éolienne.
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Des masselottes sont ensuite fixées sur chaque pale, elles ont deux fonctions:l'équilibrage du rotor. Elles actionnent naturellement, grâce à la force centrifuge,la géométrie variable de l'ensemble en fonction de la vitesse du vent. Plus levent est fort, plus le rotor à tendance à tourner vite, plus les masselottess'écarteront de l'axe de rotation. Le diamètre du rotor diminue, la vitesse derotation aussi.
La masselotte est fixée sur un rail permettant le réglage du rotor. Plus lamasselotte est éloignée de l'axe de la pale, plus la force centrifuge est active surl'angle de cette pale. L'éolienne se ferme plus tôt. La vitesse moyenne derotation du système est réduite. Cette régulation est donc naturelle et ne faitappel à l'intervention humaine qu'au montage pour le réglage.
Mais l'éolienne BSB aura aussi, en option la possibilité d' être fermée à distanceou automatiquement grâce à un anémomètre et un vérin pneumatique incorporéau stator commandé éléctroniquement et géré informatiquement. Nous verronscela plus bas.
B) LE STATOR
Composé de modules tous identiques permettant un transport plus aisée. il seraassemblé sur place.Chaque module est constitué d'une armature en aluminium pourune utilisation sur navire ou en acier pour une utilisation terrestre ou plateformeoffshore, question de poids et de coût. Recouvert d'un bardage pourl'aerodynalisme.
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Armature de module externe stator Module stator externe habillé
Armature du stator assemblée: (16 modules)
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Stator externe habillé. La forme du stator provoque une concentration du vent captévers le centre et une légère accélération de celui ci. Au centre dans la partiecentrale une platine recevant l'alternateur et l'axe de l'éolienne.Platine de stator inférieurePlatine inférieure avec axe du rotor, L'alternateur est encastré et fixé dans lerenfoncement prévu à cet effet sous la platine. iI est relié directement à l'axe del'éolienne. Le principal avantage de ce type d'alternateur est qu'il fournissentbeaucoup d' énérgie à une vitesse de rotation lente ( 1 tour/seconde). Parfaitementadapté à l'éolienne BSB qui privilègie le couple à la vitesse. Le modèle choisi pourl'éolienne BSB est le 800STK 4M1 de chez ALXION dont voici les caractéristiques:
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D'après les calculs réalisé, l'éolienne BSB de 8 mètres accouplé à cet alternateurdevrait facilement fournir 15 Kw de puissance électrique à 1 tour par seconde. Voicile tableau des calculs:
La partie supérieure du stator reçoit aussi une platine centrale équipé du systèmeautomatique de géomètrie variable.
La platine de stator supérieur reçoit l'axe supérieur du rotor et un vérin pneumatiquepermettant de fermer l'éolienne à volonté. Ce vérin est actionné grâce à une pompereliée à un micro processeur ou un ordinateur. Un anémomètre électronique( courant sur les navires) situé à proximité détermine la fermeture automatique del'éolienne en cas de vent violent. Bien entendu, la pompe pourra aussi êtreactionnée manuellement depuis un poste de gestion éloigné.
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Calculs simplifiés éolienne envergure 8 mètresTour /minutes 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100vitesse du vent M/s 4,19 8,38 12,56 16,75 20,94 25,13 29,32 33,51 37,69 41,88DésignationEnvergure (en mètre) ou diamètre 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8Hauteur des pales (en mètre) 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1Nombre de pales au vent 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2Section des pales en m2 8,37 8,37 8,37 8,37 8,37 8,37 8,37 8,37 8,37 8,37Circonférence (en mètre) 25,13 25,13 25,13 25,13 25,13 25,13 25,13 25,13 25,13 25,13Rayon milieu de pale / centre éolienne 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2Vitesse pour 1T/seconde (en m/s) 12,56 12,56 12,56 12,56 12,56 12,56 12,56 12,56 12,56 12,56Force du vent (en Newton) 222,1 444,2 666,3 888,4 1110,5 1332,6 1554,7 1776,8 1998,9 2221Force du vent éolienne 4 Pales 1T/s 444,2 888,4 1332,6 1776,8 2221 2665,2 3109,4 3553,6 3997,8 4442Couple en Nm 444,2 888,4 1332,6 1776,8 2221 2665,2 3109,4 3553,6 3997,8 4442Vitesse en radian par seconde 1,05 2,09 3,14 4,19 5,24 6,28 7,33 8,38 9,42 10,47Puissance éolienne (en watt) 465,16 1860,63 4186,42 7442,52 11628,94 16745,68 22792,73 29770,09 37677,77 46515,77Puissance en kw 0,47 1,86 4,19 7,44 11,63 16,75 22,79 29,77 37,68 46,52
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Le vérin pneumatique équipé d'une roulette permet le re-centrage de la croix deliaison des pales vue page 11. En effet cette croix est excentrée quand les palessont ouvertes mais parfaitement coaxiale en position fermée.
Quand la pression est relachée dans le vérin, les 4 ressorts à gaz vusprécédemment (page 10) ouvrent automatiquement et lentement l'éolienne.
Les platines inférieures et supérieures de stator sont conçues de façon à permettrel'empilement d'éoliennes. Ainsi 4 éoliennes empilées, totalement indépendante l'unede l'autre fourniront 60kw à 1T/s , 6 =90kw, 10= 150kw etc...
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3. - Le marché :
Economique:Inestimable de part son ampleur et le caractère innovant du projetGéographique: MondialSecteur: Production d'énergieConcurrence: A ma connaissance, il n'existe pas d'éolienne actuellementpouvant répondre aux besoins spécifiques visés
Caractéristique de la demandeBesoin d'énergie éolienne sans possibilité de monter un Mat pour des raisonstechniques, économique ou géographique
ex : Plateforme offshore – Paquebot de croisière- Gros navires de fret- navires deplaisance catamaran – Immeubles citadins – Centre commerciaux etc...
Les clients principaux seront donc: Les armateurs et chantiers navals, lespétroliers, les entreprise de bâtiment et travaux publique, Les collectivitéslocales, les propriétaires de bâtiment spécifique.
Caractéristique de l'offre
L' éolienne à axe verticale BSB tourne dans le même sens quelque soit la directiondu vent. Elle continue de tourner au port et au mouillage. Accouplée à unalternateur, elle capte le vent et le transforme en électricité pour la stocker à bord.Sa faible hauteur n' influe que très peu sur le tirant d' air. Sa masse volumique n'élève que très peu le centre de gravité. A géométrie variable, elle tourne à unevitesse constante et se met en drapeau ( se ferme et n' oppose que très peu derésistance au vent) automatiquement en cas de tempête ou manuellement depuis lapasserelle.
Posée sur un toit plat d'immeuble à grande hauteur, elle est invisible du sol.Plusieurs éoliennes peuvent être empilées et ainsi multiplier la puissanceproportionnellement au nombre de couches. L'éolienne BSB est etudiée pour ëtreposée sur des aires de couverture en hauteur.
4 - Politique commerciale
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