Conception de pale optimisée pour les moulins à vent faits maison

Le but de ce projet, créé en collaboration avec Mech425, est d'identifier le meilleur angle pour des pales plates et uniformes par rapport au flux d'air. L'angle des pales doit être optimisé pour convertir la plus grande quantité d'énergie en mouvement de rotation. Les pales plates sont utilisées conjointement avec des turbines à axe vertical et leur conception est généralement choisie lorsque la simplicité est préférée ou lorsque l'accès aux outils et aux fournitures est limité.

• Le projet a été sélectionné pour soutenir les particuliers souhaitant produire de l'électricité en récoltant l'énergie éolienne.
• Le public cible est constitué de personnes qui n'ont pas les moyens d'acheter des modèles disponibles dans le commerce et qui ont choisi de construire leur propre modèle.

Les éoliennes ont de nombreuses fonctions et peuvent être exploitées partout où il y a accès au vent. Les éoliennes utilisent leurs pales pour convertir l’énergie du vent en mouvement de rotation. Ce mouvement de rotation peut être utilisé soit pour un travail direct, soit reconverti en électricité. À l’origine, les moulins à vent étaient utilisés pour effectuer le broyage dans les moulins. Aujourd'hui, ils sont toujours utilisés à cette fin, mais ont étendu leur gamme d'utilisations au pompage de l'eau et à la production d'électricité. Dans les pays économiquement moins développés, l’électricité produite par les éoliennes artisanales est souvent utilisée pour charger des batteries et des téléphones portables ou pour faire fonctionner des appareils d’éclairage, des radios et des pompes d’irrigation.

Les éoliennes modernes disponibles dans le commerce ont été conçues pour répondre à des vitesses de vent spécifiques et sont capables de générer des mégawatts d'électricité à partir de chaque éolienne. Cependant, les solutions maison sont souvent de faible technicité et ont fait l’objet de peu d’examens en termes d’optimisation. Ce rapport vise à identifier le meilleur angle pour incliner les pales par rapport au vent venant en sens inverse afin de générer la plus grande quantité d'électricité.

William Kamkwamba est un exemple fantastique de personne qui pourrait bénéficier de l’analyse présentée dans ce rapport. Il a pu construire le moulin à vent en utilisant son ingéniosité et sa mentalité d'essais et d'erreurs. Il a réussi à transformer les matériaux de rebut qui l’entouraient en un moulin à vent fonctionnel offrant à la fois lumière et irrigation. Son travail a permis d'offrir une vie meilleure à sa famille et à ses amis, tout en inspirant des personnes du monde entier. Cependant, en raison de sa formation formelle limitée, il n'a pas intégré de calculs techniques pour optimiser la conception. Alors que de plus en plus de personnes tentent d’exploiter le potentiel du vent, il est très utile d’optimiser ces appareils afin de maximiser leurs avantages sociaux.

Pour plus d’informations sur William, son histoire inspirante peut être consultée ci-dessous :

Avantages des lames plates

Les lames plates sont moins courantes que les autres modèles mais offrent des avantages significatifs, en particulier dans les zones à faible revenu ou éloignées. Voici une liste des avantages offerts par l’utilisation de lames plates :

• Facile à construire
• Moins de conception et de connaissances locales requises
• Moins d’équipement et de temps sont nécessaires pendant la construction
• Il est plus facile de garantir que les lames ont une forme et une taille constantes

Calculs techniques

L'énergie cinétique stockée dans le vent peut être trouvée selon le principe de Bernoulli :

KÉ = 1 / 2( m * v ² )

Pour trouver l’énergie du vent, il faut trouver la masse du cylindre. Ceci est basé sur le volume du cylindre multiplié par la densité du fluide :

m = ρ * V

Le volume total du fluide représenté par la colonne cylindrique est :

V = A * L

Nous pouvons calculer l’aire de la base du cylindre par :

UNE = 1 / 4(π * D ² )

La longueur du cylindre représente la quantité de fluide qui a traversé la zone balayée par l'éolienne. Ceci est calculé en multipliant la vitesse du vent par le temps :

L = v * t

Cela peut être simplifié comme suit :

KE = 1 / 8(ρ * π * D ² ) * v ³ * t

Enfin, la puissance du vent est simplement l’énergie par unité de temps

P = π / 8(ρ * D ² * v ³ )

Comme démontré, la puissance du vent est fortement liée à la vitesse de l’air et, dans une moindre mesure, au diamètre des pales. La quantité d'énergie dans le fluide est liée à la vitesse du fluide au cube et indique l'importance des vitesses de vent élevées. Par conséquent, pour augmenter la production d’énergie, le facteur le plus important est de trouver un emplacement avec des vitesses de vent élevées. Ceci peut être réalisé en créant une tour afin de placer le moulin à vent dans un endroit plus élevé. Cela contribuera à réduire l’impact de toute obstruction provenant du niveau du sol. La taille des pales de la turbine est également importante et doit également être considérée comme une méthode permettant d’obtenir plus de puissance.

Efficacité maximale possible

La limite de Betz a été développée par Albert Betz et est destinée à représenter l'énergie maximale possible qu'un appareil peut dériver d'un flux de fluide à une vitesse donnée. Dans le cas d'une éolienne, l'efficacité théorique maximale d'un rotor mince peut être trouvée sur la base des hypothèses suivantes :

• Le rotor est considéré comme idéal, ayant un nombre infini de pales et aucune traînée.
• L'écoulement entrant et sortant du rotor est axial et conforme aux équations de conservation.
• Le fluide est modélisé sur la base d'un écoulement incompressible.

La limite de Betz prévoit que la valeur maximale théorique du coefficient de puissance est de 0,593. Cela signifie que la limite théorique de la puissance extraite du fluide est de 59,3 %. En comparaison, les éoliennes commerciales sont actuellement capables d'atteindre une conversion de 40 à 50 % en raison de légères inefficacités liées à la conception des pales et au processus mécanique. ^[1]

Angle optimal des lames

La quantité d'énergie disponible dans un flux de fluide a été indiquée ci-dessous et est étroitement liée à la fois à la vitesse du fluide et à la surface balayée par les pales. L’autre élément important est la quantité d’énergie qui peut être dérivée du fluide venant en sens inverse. Pour les pales plates, l'angle d'inclinaison des pales de l'éolienne par rapport au flux de fluide déterminera la quantité d'énergie pouvant être convertie en mouvement de rotation, puis capturée par le système pour un travail significatif. L'angle optimal a été calculé ci-dessous :

La pression du vent est la quantité de force exercée par le vent par unité de surface des pales et est donnée par : P = 1/2 (1 + c ) * ρ * v ²

• Où c est une constante et est égale à 1,0 pour les longues plaques plates.

La force du vent contre la pale du moulin à vent est basée sur la pression du vent multipliée par la surface de la pale faisant face au flux venant en sens inverse. Dans le cas où la pale est inclinée selon un angle par rapport au flux d'air venant en sens inverse, la zone de la pale exposée au fluide est réduite d'un facteur sin θ . Ainsi, le calcul de la pression du vent est multiplié par A * sin θ pour obtenir la force du vent sur les pales. De plus, la force du vent convertie en mouvement de rotation est liée à l’angle de la pale par rapport à l’écoulement du fluide venant en sens inverse. Cette relation est donnée par un facteur cos θ .

De plus, les pales rencontreront un coefficient de traînée lié à l'angle des pales lorsqu'elles tournent sur leur propre axe perpendiculaire à l'écoulement de fluide venant en sens inverse. Ce coefficient de traînée sera représenté par D * cos θ .

Par conséquent, le calcul combiné pour déterminer l’équilibre des forces sur les pales est le suivant :

F = ρ * v ² * A * sin θ * cos θ * D * cos θ

Une relation importante à noter est celle entre la force et θ . Le bilan des forces combinées indique une relation entre la force et le péché θ * cos θ * cos θ .

En conséquence, l’inclinaison optimale des pales fournirait un angle au flux d’air tel que sin θ * cos θ * cos θ soit un maximum. Cette valeur a été présentée dans le graphique ci-dessous pour montrer comment la valeur change à mesure que θ est ajusté. 

L'angle est ajusté en radians et semble indiquer une valeur maximale d'environ 0,62 radians, soit environ 35,5 degrés. Cela se traduit par une conversion maximale de 38,5 % de la force du vent en mouvement de rotation. Par conséquent, les pales doivent être inclinées à un angle d’environ 35,5 degrés par rapport au flux d’air venant en sens inverse pour obtenir la quantité optimale d’énergie en utilisant des éoliennes à pales plates.

Une analyse numérique de la dynamique des fluides (CFD) était destinée à cet angle de pale afin d'étudier la répartition de la pression et le débit d'air lors du passage des pales. Malheureusement, la licence du logiciel CFD, Fluent, a expiré. Le modèle maillé de la conception de la lame, utilisant le programme Gambit, a été inclus ci-dessous.

Angle de pale optimisé pour éolienne à pale plate

L'analyse CFD terminée sera publiée une fois que l'accès à Fluent ou à un logiciel équivalent sera disponible.

Considérations régionales

Les régions cibles de cette technologie sont les endroits où les gens ont un accès limité aux outils ou aux fournitures, comme l'Afrique subsaharienne. De plus, la zone doit avoir accès à une ressource éolienne raisonnable et avoir accès à certains matériaux clés. Ces matériaux comprennent de nombreux matériaux technologiquement avancés tels que des générateurs et des moteurs. Cependant, ceux-ci peuvent être trouvés dans les casses à condition qu'ils soient fonctionnels et puissent répondre à leurs exigences fondamentales. Bien que de nombreuses personnes n’aient pas les moyens d’acheter ces articles, de nombreuses voitures et appareils électroménagers en panne seraient suffisants.

En termes d’impact social, la possibilité d’accéder à l’électricité est un outil puissant qui a la capacité d’aider les communautés à sortir de la pauvreté. À l’inverse, il a été démontré à plusieurs reprises qu’elle contribue à perpétuer et à élargir la fracture économique. Il est important que l’énergie soit manipulée avec respect et qu’elle ne soit pas utilisée comme un outil pour appauvrir davantage les malheureux.

Matériaux

La liste suivante représente les matériaux de base nécessaires pour fabriquer un moulin à vent, soit à la maison, soit en utilisant des matériaux de récupération. Alors que William Kamkwamba a montré ce qui est possible et a inspiré les gens du monde, les matériaux qu'il a utilisés pour construire son premier moulin à vent sont présentés ci-dessous : ^[2]

Si l'éolienne est en cours de construction et que l'intention est de stocker de l'électricité, les matériaux suivants sont également requis : ^[3]

• Batteries à décharge profonde 12V (si l'utilisateur a l'intention de stocker de l'énergie électrique)
• Contrôleur de charge pour réguler la charge de la batterie
• Convertisseur CC/CA
• Pont redresseur (pour garantir que l'électricité circule dans les batteries)

Outils

S'il n'y a aucune contrainte sur les outils à portée de main, il serait alors utile d'avoir une scie, un tournevis, des vis, un marteau, des clous, des rondelles, des écrous et des boulons, un niveau et un marqueur. De plus, les travaux électriques seraient plus faciles avec des pinces mais aussi des compteurs de tension, d'ampérage et de résistance. Cependant, dans les régions rurales du monde, les gens sont obligés d’être plus créatifs avec les ressources disponibles. Voici quelques exemples de la façon dont c'est le cas : ^[4]

• Les lames plates peuvent être créées en coupant un tuyau en PVC dans le sens de la longueur, à l'aide d'une scie ou d'un appareil similaire, puis en chauffant le tuyau au feu. Une fois chaud, il peut être moulé en une lame longue et plate.
• Les rondelles peuvent être fabriquées en martelant les bouchons des bouteilles pour qu'ils soient plats, puis en perçant un trou au milieu.

Dans ces circonstances, les clous, les pierres, le feu et le bois deviennent les outils nécessaires à la construction de l’éolienne. L'acier ou les roches peuvent être utilisés comme marteaux et les rayons de vélo peuvent être grattés le long d'une roche pour créer un bord plat et des sacs en plastique peuvent être fondus pour former une poignée autour d'une extrémité. De plus, des forets peuvent être créés à partir d'un épi de maïs comme manche et d'un clou d'extrusion. Le clou peut ensuite être chauffé sur un feu ouvert jusqu'à ce qu'il devienne rouge puis être utilisé pour pénétrer à travers certains matériaux.

Compétences et connaissances

Afin de bénéficier du potentiel de production d’énergie des éoliennes, il est important de comprendre la quantité de vent disponible à un endroit donné. Une échelle de Beaufort fournit une indication de la vitesse du vent basée sur divers indices visuels. Bien que ces indices offrent des indications sur la vitesse du vent au sol, il est probable que la quantité d’énergie du vent augmente à mesure que l’altitude augmente. Ceci est basé sur la couche limite qui se développe à la surface de la Terre, ainsi que sur diverses obstructions au sol qui affectent le flux du vent. L'échelle de Beaufort est fournie ci-dessous : ^[5]

Échelle de Beaufort indiquant la vitesse du vent

Afin d'obtenir une liste plus complète des facteurs d'identification physiques, veuillez suivre ce lien.

De plus, pour transmettre l'électricité générée afin de l'utiliser pour des applications telles que des lampes de fonctionnement, des radios ou des batteries de chargement, il est essentiel de comprendre la théorie électrique, telle que la tension et l'ampérage requis pour alimenter l'appareil souhaité. Un aperçu de ces connaissances peut être trouvé ici.

Spécifications techniques

William a pu construire son moulin à vent sur la base du schéma ci-dessous. ^[6] Il fut ensuite monté sur une grande tour qu'il créa en bois. Dans l’ensemble, la machine est d’un concept assez simple, les principales limitations étant les matériaux disponibles et l’accès limité aux outils. Grâce à des tests, William a découvert qu'en utilisant sa conception, une éolienne à quatre pales était capable de générer plus de puissance que son homologue à trois pales. ^[7]

Schéma du moulin à vent de William Kamkwamba

Prix ​​estimés

William has disclosed that his windmill cost approximately $15 to produce and that the bicycle generator was the most difficult to attain.^[8] An estimate of the costs for the various components has been compiled based on what he has been able to find for free in the scrap yard or from family.

Estimated costs for William Kamkwamba's windmill

In rural settings, the cost for the parts will vary significantly based on the materials that can be salvaged or must be purchased either locally or from neighbouring villages. Therefore, it is more appropriate to offer a range of anticipated costs based on the variability of how accessible certain materials are. While this is purely an estimate, it offers an idea as to how much one might expect to pay for the parts.

Estimated range of costs for a flat blade windmill

As indicated, the range of costs is approximately $0 - $99 and provides a general range of project costs based on how much can be salvaged. Based on these estimates, William's $15 budget appears to be at the lower end of the range as he was able to find the majority of his materials from what others considered to be waste.

Beyond the initial cost, the power harnessed from the wind has an opportunity to become an income generating technology. Cell phones have provided jobs to many people who rent their phones to individuals looking to call neighboring markets to determine the price for various goods. Similarly, power can be sold to people looking to charge their cell phones or other batteries that can be used for lighting applications or to listen to radios. 

Common Mistakes

There are many variations to the windmill design used by William Kamkwamba and refined throughout this section. However, there are some variations that are commonly used and have a negative impact on performance. One of these examples is using wood as the material to create blades. Wood is a poor choice as it is a heavier substance and therefore requires more energy to begin rotation and achieve more spin. Other materials should be considered.

Also, it is very important that blades are evenly shaped as this can cause a wobble to occur. The wobble will result in reduced performance and will shorten the windmill's life based on additional vibrations. The windmill blades should also be placed high above all other obstructions in order to obtain a more powerful and consistent wind stream. A good rule of thumb is to place the turbine twice as high as any nearby obstructions.

Other Designs

If you happen to have access to additional equipment such as saws and sand paper, then it may be possible to use the design showcased in the video below. Also, be sure to note that the wind turbine is able to pivot and uses a tail to direct the blades into the wind.

References