Conception optimisée des pales pour les éoliennes artisanales
L'objectif 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 en conjonction avec les turbines à axe vertical et cette conception est généralement choisie lorsque la simplicité est privilégiée ou lorsque l'accès aux outils et aux fournitures est limité.
- Le projet a été sélectionné pour apporter un soutien aux particuliers souhaitant produire de l'électricité en exploitant l'énergie éolienne
- Le public cible est constitué de personnes qui ne peuvent pas se permettre des modèles disponibles dans le commerce et qui ont choisi de construire leur propre
Les éoliennes ont de nombreuses fonctions et peuvent être utilisées partout où il y a du vent. Les éoliennes utilisent leurs pales pour convertir l'énergie du vent en mouvement de rotation. Ce mouvement de rotation peut être utilisé pour un travail direct ou converti à nouveau en électricité. À l'origine, les éoliennes servaient à effectuer le broyage des moulins. Aujourd'hui, elles sont toujours utilisées à cette fin, mais ont étendu leur champ d'application au pompage de l'eau et à la production d'électricité. Dans les pays moins développés économiquement, 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 produire des mégawatts d'électricité à partir de chaque turbine. Cependant, les solutions artisanales sont souvent peu techniques et ont fait l'objet de peu d'études d'optimisation. Ce rapport vise à identifier le meilleur angle pour incliner les pales par rapport au vent venant en sens inverse afin de produire la plus grande quantité d'électricité.
William Kamkwamba est un exemple fantastique de quelqu’un qui pourrait tirer profit de l’analyse présentée dans ce rapport. Il a pu construire le moulin à vent grâce à son ingéniosité et à sa méthode d’essais et d’erreurs. Il a réussi à transformer les matériaux de récupération qui l’entouraient en un moulin à vent fonctionnel qui offre à la fois de la lumière et de l’irrigation. Son travail a offert une vie meilleure à sa famille et à ses amis, tout en inspirant des gens dans le monde entier. Cependant, en raison de son éducation formelle limitée, il n’a pas intégré de calculs d’ingénierie 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 dispositifs pour maximiser leur bénéfice social.
Pour plus d'informations sur William, son histoire inspirante peut être consultée ci-dessous :
Contenu
Avantages des lames plates
Les lames plates sont moins courantes que les autres modèles, mais offrent des avantages considérables, 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 uniformes
Calculs d'ingénierie
L'énergie cinétique stockée dans le vent peut être trouvée selon le principe de Bernoulli :
KE = 1 / 2( m * v 2 )
Pour trouver l'énergie du vent, il faut trouver la masse du cylindre. Celle-ci est basée 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 :
A = 1 / 4(π * D 2 )
La longueur du cylindre représente la quantité de fluide qui a traversé la zone balayée par l'éolienne. Elle est calculée 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
Finalement, la puissance du vent est simplement l'énergie par unité de temps
P = π / 8( ρ * D2 * v3 )
Comme nous l'avons démontré, la puissance du vent est étroitement 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. Cela peut être réalisé en créant une tour afin de placer l'éolienne dans un endroit plus élevé. Cela aidera à réduire l'impact de toute obstruction au niveau du sol. La taille des pales de l'éolienne est également importante et doit également être considérée comme une méthode pour 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 dispositif peut tirer 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 a prédit que la valeur maximale théorique du coefficient de puissance serait de 0,593. Cela signifie que la limite théorique de 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 est 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 qui arrive. Pour les pales plates, l'angle d'inclinaison des pales de l'éolienne par rapport au flux de fluide déterminera la quantité d'énergie qui peut être convertie en mouvement de rotation et ensuite être captée 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 égal à 1,0 pour les plaques plates longues.
La force du vent sur la pale de l'éolienne est basée sur la pression du vent multipliée par la surface de la pale faisant face au flux d'air venant en sens inverse. Dans le cas où la pale est inclinée à un angle par rapport au flux d'air venant en sens inverse, la surface de la pale exposée au fluide est réduite d'un facteur de 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 au flux de fluide venant en sens inverse. Cette relation est donnée par un facteur de cos θ .
De plus, les pales subiront un coefficient de traînée lié à l'angle des pales lorsqu'elles tournent sur leur propre axe perpendiculaire au flux de fluide entrant. 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 :
F = ρ * v 2 * A * sin θ * cos θ * D * cos θ
Une relation importante à noter est celle entre la force et θ . L'équilibre des forces combinées indique une relation entre la force et sin θ * cos θ * cos θ .
Par conséquent, 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 lorsque θ est ajusté.

L'angle est réglé 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 entrant pour obtenir la quantité optimale d'énergie à l'aide d'éoliennes à pales plates.
Une analyse de dynamique des fluides computationnelle (CFD) était prévue pour cet angle de pale afin d'étudier la distribution de pression et le flux d'air lorsqu'il passe entre les pales. Malheureusement, la licence du logiciel CFD, Fluent, a expiré. Le modèle maillé de la conception de la pale, utilisant le programme Gambit, a été inclus ci-dessous.
L'analyse CFD terminée sera publiée dès que l'accès à Fluent ou à un logiciel équivalent sera disponible.
Considérations régionales
Les régions ciblées par cette technologie sont celles où les gens ont un accès limité aux outils ou aux fournitures, comme l’Afrique subsaharienne. En outre, la région doit avoir accès à une ressource éolienne raisonnable et à certains matériaux essentiels. Ces matériaux comprennent de nombreux matériaux technologiquement avancés tels que des générateurs et des moteurs. Cependant, ceux-ci peuvent être trouvés dans des parcs à ferraille à condition qu’ils soient fonctionnels et qu’ils puissent répondre à leurs besoins fondamentaux. Bien que de nombreuses personnes ne puissent pas se permettre ces articles, il existe de nombreuses voitures et appareils électroménagers en panne qui suffiraient.
En termes d’impact social, l’accès à l’électricité est un outil puissant qui peut aider les communautés à sortir de la pauvreté. Inversement, il a été démontré à maintes reprises qu’il contribue à perpétuer et à élargir les inégalités économiques. Il est important que l’énergie soit gérée avec respect et qu’elle ne soit pas utilisée comme un outil pour appauvrir davantage les plus démunis.
Matériels
La liste suivante présente les matériaux de base nécessaires pour fabriquer un moulin à vent, soit à la maison, soit à partir de matériaux de récupération. Comme William Kamkwamba a montré ce qui est possible et inspiré les gens du monde entier, 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'objectif est de stocker de l'électricité, les matériaux suivants sont également nécessaires : [3]
- Batteries à décharge profonde 12V (Si l'utilisateur souhaite stocker de l'énergie électrique)
- Contrôleur de charge pour réguler la charge de la batterie
- Convertisseur DC/AC
- Pont redresseur (pour assurer le flux d'électricité vers les batteries)
Outils
Si les outils à disposition ne sont pas limités, il serait 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 et également des voltmètres, des ampèremètres et des résistances. Cependant, dans les régions rurales du monde, les gens sont obligés d'être plus créatifs avec les ressources disponibles. Voici quelques exemples de ce qui se passe : [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-dessus d'un feu. Une fois chaud, il peut être moulé en une longue lame plate.
- Les rondelles peuvent être fabriquées en martelant des bouchons de bouteilles pour les aplatir, puis en perçant un trou au milieu.
Dans ces conditions, des clous, des pierres, du feu et du bois deviennent les outils pour construire l'éolienne. L'acier ou les pierres peuvent être utilisés comme marteaux, les rayons de vélo peuvent être grattés le long d'une pierre pour créer un bord plat et des sacs en plastique peuvent être fondus pour construire un manche autour d'une extrémité. De plus, des forets peuvent être fabriqués à partir d'un épi de maïs comme manche et d'un clou extrudé. Le clou peut ensuite être chauffé sur un feu ouvert jusqu'à ce qu'il devienne rouge vif, puis utilisé pour pénétrer certains matériaux.
Compétences et connaissances
Pour tirer parti 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 en fonction de divers indices visuels. Bien que ces indices offrent des indications sur la vitesse du vent au sol, la quantité d'énergie contenue dans le vent est probablement plus importante à mesure que l'altitude augmente. Cela 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]

Afin d'obtenir une liste plus complète des facteurs d'identification physique, veuillez suivre ce lien.
De plus, pour transmettre l'électricité produite et l'utiliser pour des applications telles que l'éclairage, les radios ou le chargement de batteries, il est essentiel de comprendre la théorie électrique, comme 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 en se basant sur le schéma ci-dessous. [6] Il a ensuite été monté sur une grande tour qu'il a créée en bois. Dans l'ensemble, la machine est assez simple dans son concept, 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, un moulin à vent à quatre pales était capable de générer plus d'énergie que son homologue à trois pales. [7]

Coûts estimés
William a révélé que son moulin à vent avait coûté environ 15 $ à produire et que le générateur de vélo était le plus difficile à obtenir. [8] Une estimation des coûts des différents composants a été établie en fonction de ce qu'il a pu trouver gratuitement dans la casse ou auprès de sa famille.

Dans les zones rurales, le coût des pièces détachées varie considérablement en fonction des matériaux récupérables ou à acheter localement ou dans les villages voisins. Il est donc plus approprié de proposer une fourchette de coûts anticipés en fonction de la variabilité de l'accessibilité de certains matériaux. Bien qu'il s'agisse d'une simple estimation, elle donne une idée du prix que l'on peut s'attendre à payer pour les pièces détachées.

Comme indiqué, la fourchette des coûts est d'environ 0 à 99 $ et fournit une fourchette générale des coûts du projet en fonction de ce qui peut être récupéré. Sur la base de ces estimations, le budget de 15 $ de William semble se situer à l'extrémité inférieure de la fourchette, car il a pu trouver la majorité de ses matériaux à partir de ce que d'autres considéraient comme des déchets.
Au-delà du coût initial, l’énergie éolienne peut devenir une technologie génératrice de revenus. Les téléphones portables ont fourni du travail à de nombreuses personnes qui louent leurs téléphones à des particuliers souhaitant appeler les marchés voisins pour déterminer le prix de divers produits. De même, l’électricité peut être vendue à des personnes souhaitant recharger leurs téléphones portables ou d’autres batteries pouvant être utilisées pour des applications d’éclairage ou pour écouter la radio.
Erreurs courantes
Il existe de nombreuses variantes de la conception des éoliennes utilisées par William Kamkwamba et affinées tout au long de cette section. Cependant, certaines variantes sont couramment utilisées et ont un impact négatif sur les performances. L'un de ces exemples est l'utilisation du bois comme matériau pour créer des pales. Le bois est un mauvais choix car c'est une substance plus lourde et nécessite donc plus d'énergie pour commencer la rotation et obtenir plus de rotation. D'autres matériaux doivent être envisagés.
Il est également très important que les pales soient de forme uniforme, car cela peut provoquer un vacillement. Ce vacillement entraînera une réduction des performances et réduira la durée de vie de l'éolienne en raison des vibrations supplémentaires. Les pales de l'éolienne doivent également être placées bien au-dessus de tous les autres obstacles afin d'obtenir un flux de vent plus puissant et plus constant. Une bonne règle de base consiste à placer l'éolienne deux fois plus haut que les obstacles à proximité.
Autres modèles
Si vous avez accès à des équipements supplémentaires tels que des scies et du papier de verre, il est possible d'utiliser le modèle présenté dans la vidéo ci-dessous. N'oubliez pas non plus que l'éolienne est capable de pivoter et utilise une queue pour diriger les pales dans le vent.
Références
- ↑ Gorlov AM, Silantyev VM, Limites de l'efficacité des turbines pour l'écoulement libre des fluides, Journal of Energy Resources Technology - Décembre 2001 - Volume 123, Numéro 4, pp. 311-317.
- ↑ Kamkwamba, William. Le garçon qui dompta le vent.fckLRWilliam Morrow, 2009.
- ↑ Fabriquer une éolienne. Disponible sur : http://web.archive.org/web/20210101102628/http://makeawindturbine.com/ [consulté le 9 avril 2010].
- ↑ Le club des acteurs. Disponible sur : http://web.archive.org/web/20100822115207/http://changeobserver.designobserver.com:80/entryprint.html?entry=10707 . [Consulté le 4 avril 2010]
- ↑ L'échelle de Beaufort. Disponible à l'adresse : http://web.archive.org/web/20100822162021/http://gcaptain.com:80/maritime/blog/beaufort-scale-images [consulté le 4 avril 2010].
- ↑ Le club des acteurs. Disponible sur : http://web.archive.org/web/20100822115207/http://changeobserver.designobserver.com:80/entryprint.html?entry=10707 . [Consulté le 4 avril 2010]
- ↑ Kamkwamba, William. Le garçon qui dompta le vent. William Morrow, 2009.
- ↑ Académie africaine de leadership. Disponible sur : http://www.alagapyear.org/community/african_students/williamk.htmlfckLR [consulté le 16 avril 2010].