1

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

axe de transmission

vent

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 2 m Nombre de pales* 2 3 4 5 6 Largeur des pales 31,4 cm 21 cm 15,7 12,6 10,5 Angle d'inclinaison des pales**

10º 10º 10º 10º 10º

Flèche des pales 16 mm 11 mm 8mm 6 mm 5 mm Épaisseur minimale de la tôle

4 mm 3 mm 2 mm 2 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 8 m/s 10 m/s 12 m/s Vitesse de rotation optimale 305 rpm 380 rpm 460 rpm Puissance (aprox.) 300 W 600 W 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)

1000 1200 1400 1600

Facteur de multiplication 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 d'alternateur

4 cm 6 cm 8 cm

Diamètre de la poulie de transmission de l’éolienne

10 cm 15 cm 20 cm

Vitesse de rotation de l’alternateur 1200 rpm Diamètre de la poulie d'alternateur

4 cm 6 cm 8 cm

Diamètre de la poulie de transmission de l’éolienne

12 cm 20 cm 19 cm

8

9

Vitesse de rotation de l’alternateur 1400 rpm Diamètre de la poulie d'alternateur

4 cm 6 cm 8 cm

Diamètre de la poulie de transmission de l’éolienne

15 cm 22 cm 30 cm

Vitesse de rotation de l’alternateur 1600 rpm Diamètre de la poulie d'alternateur

4 cm 6 cm 8 cm

Diamètre de la poulie de transmission de l’éolienne

17 cm 25 cm 33 cm

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*

1,2 m 2 m

Surface minimale de la tôle du guvernail

0,40 m² (par exemple

plaque rectangulaire de

80 x 50 cm)

0,25 m² (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

gouvernail principal (mobile)

Fonctionnement

position normal vent fort

Fig. 4.2.7 Éolienne avec un gouv

5. Éolienne à voiles Le rotor de ces anciennes éoliennes est co(Fig. 5.1). Les “mâts” de ces voiles (= rayons du rotoraujourd'hui on peut utiliser des tubes d'alumChaque voile est attachée au rayon suivanpouvez également utiliser des ressorts poutension. Les ressorts ont également l'avantun peu à la pression du vent, ce qui réduit Parce que les voiles peuvent fournir une rérotor éolien généralement a son axe prolondu moyeu), au quel les extrémités des rayocâbles d'acier, qui empêchent que la press

gouvernail transversal (fixe)

ressort

gouvernail transversal (fixe)

gouvernail principal(mobile)

ernail transversal (sécurité)

nstruit avec des voiles triangulaires

) peuvent être en bois, mais inium.

t avec une corde ou câble. Vous r maintenir les voiles en pleine age que les voiles peuvent “ceder” la tension exercée sur elles. sistance considérable au vent, le gé vers l'avant (à travers du centre ns du rotor sont attachés avec des ion 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 8 m/s 10 m/s 12 m/s Vitesse de rotation optimale du rotor (environ)

100 rpm 125 rpm 144 rpm

Puissance (environ) 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)

1000 1200 1400 1600

Facteur de multiplication (environ)

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

15

16

16

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