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Les aérogénérateurs

Introduction
Soleil ou vent ?
Les axes verticaux
Les axes horizontaux
Précautions de montage
Technologie
Les courbes
Diminution des nuisances
Pannes classiques
Réalisation amateur
Liens

Maj : 27/10/10

Abstract :
Vertical axis wind generator. Darrieus rotors looks like an upside down eggbeater. Very high speed. Will not self-start. Savonius rotors low speed but low efficiency. Horizontal axes are only used now, the best one looks as airplane propellers, very good efficiency. These devices gives a lot or energy but with noise pollution ; vibrations and infrasound generate big headaches

Résumé :
Les aérogénérateurs à axe vertical : Les rotors de Darrieus ressemblent à un grand batteur à oeufs mais doivent être lancés. Les rotors de Savonius à faible vitesse ont un faible rendement. Seuls, les axes horizontaux sont maintenant utilisés, les meilleurs ressemblent à des hélices d'avion et ont un très bon rendement. Ces dispositifs fournissent une bonne énergie mais avec une pollution sonore ; les vibrations et les infrasons produisent des maux de tête importants.

 

Introduction

Cette page est un complément de la grosse rubrique "Charge batteries et énergie " qui traitera de la charge dans le cas complexe d'un bateau de voyage, équipé de plusieurs sources et de plusieurs batteries. Les pages annexes aux batteries et à la répartition de la charge sont :
Panneaux solaires

Les alternateurs sur le moteur et par l'hélice, montage et régulation, groupes électrogènes, piles à combustible et autres sources, dans la page. L'énergie du bord

Aérogénérateurs (cette page).

Fort curieusement, la France est extrêmement en retard sur l'éolien en général, les implantations de grosses machines commencent à peine. Les nordiques entre autres sont beaucoup plus avancés. Cet énorme retard ne pourra être rattrapé avant des décennie, le lobby du pétrole est très puissant et bloque ces développements. Les grosses machines sont importées. La France est un des pays les moins équipés, alors que les régions Languedoc Roussillon et Provence sont très ventés et disposent de sites éloignés des habitations pour installer d'énormes parcs. Nous n'avons aucune installation offshore, nous sommes les sous-développés de l'éolien.

Des intégristes écologiques qui prônaient l'éolien contre le nucléaire, luttent maintenant contre la création de ces champs, prétextant que cela défigure le paysage et tue les oiseaux, il faudrait un peu de sérieux pour arrêter de dire autant de stupidités...
Il est évident qu'il faut éloigner les gros aérogénérateurs à quelques kilomètres des habitations, la pollution infra-sonique étant très importante, mais en zones ventées et désertes, c'est une bonne solution.

En toute rigueur il faut parler d'aérogénérateurs, machines qui produisent de l'électricité à partir du vent et non pas d'éoliennes, machines pour pomper de l'eau.

La télévision nous inonde d’inepties comme "éolienne " pour « aérogénérateur », « mercure » pour « température », "nœuds à l’heure", "le soleil aura du mal à s’imposer", et « mal comprenant » pour « vrai con », ainsi que tant d’autres lieux communs ou imbécillités, en particulier dans les commentaires sportifs, alors "éolienne" ne peut plus choquer personne…
Le fait d’employer un mot pour un autre par des journalistes qui sont de plus en plus incultes et populistes, est un triste appauvrissement de notre langue.

<Un aérogénérateur fonctionne à l'énergie éolienne>

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Soleil ou vent ?

Ce chapitre est commun aux panneaux solaires et aérogénérateurs.

À force de naviguer entre les sacs plastiques et les plaques de mazout, vous devenez écologiste. Cette année vous équipez votre voilier en énergies douces. Vous allez investir quelques milliers d’euros pour vous acheter une conscience tranquille de vrai écologiste. Arrivé à ce stade une alternative vous apparaît : Soleil ou vent ?
Les deux exploitent les énergies douces, mais les problèmes sont très différents. Réfléchissez avant de vous lancer, voici les éléments de choix simplifiés au maximum :

 

Le vent

En zone bien ventée, l’aérogénérateur fonctionnera quasiment  toute l'année, jour et nuit, la moyenne peut être de  12 volts * 2 ampères = de l'ordre de 24 watts, soit en 24 heures, 24 W * 24 heures = environ 500 Whj.
Un demi kilowatt*heure par jour est alors possible en moyenne avec le meilleur matériel du marché. Le rendement est toujours optimal, l'aérogénérateur s'aligne sur le vent et demande peu d’entretien.

C'est beaucoup d'énergie en conditions optimales, de l'ordre de deux heures de marche au moteur (courant faible mais longtemps), toutefois sous le vent des îles et en périodes anticycloniques, l’énergie récoltée sera nulle.
Ce système a de gros défauts, avec un fort bruit généré, infrasons et vibrations très pénibles, ce qui explique le bout bloquant les pales sur les bateaux équipés, quand l'équipage est à bord.
En mouillage forain, on s'efforce toujours de trouver le coin le plus calme et le moins venté. Le rendement sera alors nul et le solaire sera beaucoup plus efficace.
Pendant l’hivernage, l’efficacité est excellente et les batteries seront chargées à bloc en arrivant au bateau.

 

Le soleil

Le rendement des panneaux est variable, suivant la saison et la latitude. L'été en Méditerranée c'est une bonne solution, sous les tropiques c'est incontournable.
Un simple petit panneau sous nos latitudes en été, fournira en moyenne autant d’énergie qu’un aérogénérateur, mais sans la moindre pollution !
Si le bateau le permet, en naviguant entre les cocotiers, la solution est de multiplier les panneaux sur un joli portique. C’est évidement un gros investissement, mais vous aurez alors une énergie très abondante sans aucune nuisance, avec pour seule contrainte légère de rincer de temps en temps pour maintenir les panneaux propres.
Quelques mètres carrés de panneaux sur un portique dégradent évidement la finesse du bateau et réduiront les performances au près serré, tout dépend si l’on navigue sur un Class America ou un catamaran de croisière.

C'est un vrai bonheur d'arriver à étaler sa consommation sans faire tourner le diesel dans un mouillage de rêve.
La page "charge des batteries " traite de l'optimisation et de la régulation anti-surcharge. Les bilans pratiques sont en page "énergie " et "bilan ".

 

Le sillage

Les alternateurs sur arbre d'hélice ou hydrogénérateurs sont traités en page alternateur. Ces matériels très contraignants sont beaucoup moins répandus que les aérogénérateurs d'un emploi plus simple.

 

Alors que choisir ?

C'est simple, pour un programme de voyage, avec un bateau disposant de nombreux équipements voraces, il faut combiner toutes les énergies douces possibles, aérien, solaire, arbre d'hélice, en plus évidement des alternateurs des moteurs, des groupes et piles à combustible. Ce n'est qu'une question de budget et de qualité d'installation. L'indépendance des sources complémentaires fiabilisera la gestion de l'énergie.
En vivant à bord, il n’y en aura jamais assez et le groupe électrogène et le chargeur de quai seront sollicités pour équilibrer le bilan.

 

Amélioration importante du rendement

Les aérogénérateurs et panneaux solaires souffrent du même problème. En conditions optimales, soleil tropical au midi perpendiculaire au panneau ou vent fort, le rendement est bon, l’énergie est maximale, proche de celle donnée sur la fiche du constructeur. En conditions normales, le rendement est faible et la tension trop basse pour charger efficacement.

Il existe un moyen évolué pour gonfler le flux d’énergie récupérable. Le principe d'un "booster" ou gonfleur est de monter un élévateur de tension piloté entre la source est la batterie.
Si la tension est trop basse, l’élévateur l’augmente peu à peu, le courant de charge augmente alors aussi. Évidement cela charge d’avantage la source qui à tendance à s’écrouler en tension. Il est très simple de calculer le produit P = V source * I source et de moduler la tension de sortie de l’élévateur par une rampe lente autour de la valeur précédente afin de se maintenir en permanence au sommet de la courbe de Gauss du "rendement / Vsortie". Un petit microcontrôleur fait cela parfaitement.
Une diode Schottky à très faible seuil strappe le dispositif pour passer en direct quand les conditions sont optimales (au midi solaire, panneau perpendiculaire, cela ne sert à rien) ou en cas de panne. Un très bon montage a un rendement de l’ordre de 87% et peut doubler l’énergie fournie en conditions faibles. Voir le chapitre de l’alimentation du PC portable qui parle des pompes de charges, c’est exactement le même montage.
Sur de grosses installations, la basse tenson sera transformée en 220 V alternatif par un convertisseur pour diminuer les pertes ohmiques, puis exploitée par un chargeur évolué (qui sert aussi à quai) afin d’optimiser la charge en fonction de l’énergie disponible.

Dans le cas d’un élévateur, l’électronique sera montée au plus près de la source pour compenser les pertes ohmiques de la ligne vers la batterie.
Pour le médiocre régulateur basique d’origine, le problème est inverse, il faudra le placer près de la batterie pour prendre en compte les pertes de ligne.

 

Considérations sur le retour sur investissement

La démarche pour des énergies douces est intellectuellement satisfaisante, mais qu’en est t’il en terme de rentabilité ?
Pour une installation fixe à terre,  il est raisonnable d’estimer que si tout se passe bien, en établissant un contrat EDF de rachat de l’énergie, l’équilibre financier risque d’être atteint au bout de 10 ou 15 ans, car pour le moment la revente d’énergie personnelle est largement sur payée.
Sur un voilier, ce calcul ne tient pas, il ne faut pas considérer la valeur comptable de l’énergie au tarif EDF mais sa valeur d’agrément d’utilisation qui est beaucoup plus élevée. Le fait d’être autonome en énergie et de ne pas avoir à actionner le groupe électrogène est un luxe qui se paye très cher.
Il semble raisonnable de considérer que sur dix ans d’utilisation sur un voilier, pour mille euros investis dans des énergies douces, seulement quelques dizaines de litres de gazole auront été économisés, mais le point très positif est de ne pas avoir pollué un mouillage tranquille par un groupe pétaradant et agressif.
Cela semble un prix exorbitant du litre économisé, mais ce n’est pas ainsi qu’il faut raisonner.

 

Tension de service

Lors du choix d’un aérogénérateur ou d'un panneau solaire, l’idée simpliste est de prendre un modèle à la tension de son parc à batteries. C’est un très mauvais choix, en particulier pour du 12 volts, car le courant sera très fort et imposera de grosses sections de cuivre pour limiter les pertes.
Il est préférable de partir de la tension le plus élevée possible pour qu’à puissance donnée, P=V*I, le courant soit le plus faible possible.
Les pertes par effet joule sont le produit du carré du courant par la résistance ohmique ! (Voir le chapitre sur le calcul des sections de cuivre)
Les installations de qualité ont des aérogénérateurs qui sortent une centaine de volts ou plus.
Il est facile ensuite, au plus près des batteries, de convertit par une pompe de charge, la tension trop élevée en basse tension de service, et ce, avec un très bon rendement.

 

Choix de la conversion

Un convertisseur 24 > 12 est très basique et ne se préoccupe pas du rendement (toujours médiocre), il est fait pour adapter des matériels 12 V sur un réseau 24, par exemple pour les camions. C’est de l’électronique très rustique.

Un système à pompe de charge est plus complexe. Coté source en 24 V, il règle sa charge en permanence pour tirer le maximum de puissance,  le produit V * I
Plus on tire de courant, plus la tension s’écroule, la courbe est une gaussienne, le dispositif se maintient au sommet.
Cette puissance récupérée est envoyée à un autre dispositif, le chargeur intelligent qui va optimiser la charge batterie.
Evidement ce système complexe n’a d’intérêt que pendant la phase de charge de la batterie, une fois le palier flottant atteint, l’énergie est gaspillée en pure perte et u  système basique suffit.
Le système intelligent à pompe permet de charger beaucoup plus vite et s’impose quand les parcs à batteries sont sollicités.

Fin du chapitre commun «  soleil / vent  »

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Les axes verticaux

Il existe deux familles basées sur des principes de construction très différents, celles à axe vertical et celles à axe horizontal. Nous allons considérer en premier les aces verticaux qui sont les matériels les plus anciens.
Ces machines ont été développées car elles présentaient un avantage, le moteur est placé en bas, c'est très pratique pour les installations lourdes à terre, et il n'y a pas à les orienter en fonction de la direction du vent. Cela n'a pas été un avantage pour les machines puissantes, car le poids et les contraintes de torsion sont énormes sur le palier inférieur.
Ces matériels ont été abandonnés comme petits aérogénérateurs sur les bateaux.
Les axes verticaux peuvent revenir d’actualité dans le cas de tours à vent qui seraient capables de fournir un solide palier supérieur.

Une très rare autre application de ces rotors est le remplacement de la voile, testée sur des petits catamarans de plage et sur les prototypes des bateaux de Cousteau Alcyone. La rotation de la voilure turbine peut entraîner un générateur électrique ou directement l'arbre d'hélice. De tels bateaux auraient l'extraordinaire propriété de remonter vent debout et de produire de l’énergie au mouillage !


Malheureusement, aucune technologie ne permet de résoudre les problèmes bloquants. Par principe, il est impossible de tenir la tête de la structure tournante par haubanage. Il serait simple de réaliser l’articulation de base du mât posée sur les fonds mais impossible de fiabiliser le colossal palier au niveau du pont. L’effet de levier produit par les masses en rotation cisaillerait le mât au palier du pont. Par mauvais temps les poids considérables placés dans les hauts sont incompatibles avec les contraintes de la mer. Nous ne parlerons même pas des bruits et vibrations que génèreraient un tel dispositif dans le bateau.
Des prototypes fonctionnent très bien sur maquettes en bassins calmes, mais les contraintes augmentent comme le poids, au cube des longueurs, et les jouets de bassins calmes ne sont pas transposables à la mer. Ces projets n'ont montré aucune possibilité de développement, mais ils étaient très porteurs sur le plan publicitaire et donnaient une bonne image d'écologie de façade.
Pour développer l'introduction nous distinguerons les deux seuls modèles connus.

Les rotors de Darrieus ressemblent à un grand batteur à œufs, formés de deux pales cintrées, ils ont un rendement acceptable mais doivent être lancés car ils ne démarrent pas seuls. Ils sont maintenant abandonnés

Les rotors de Savonius sont constitués d'une feuille en tôle rectangulaire et cintrée avec une section en forme de S approximatif. Il est facile d'en bricoler un (très mauvais) avec deux demi bidons. Ils ne peuvent pas tourner vite et ont un faible rendement, les meilleurs ne dépassent pas 50% de la limite de Betz (pourcentage maximum théorique de l'énergie du vent pouvant être récupérée). Les rotors de Savonius ne permettent pas de développer de grandes puissances et n'ont qu'un très faible rendement, ils ne connaissent pas un grand développement.
Sous forme dégradée, ils ne sont maintenant utilisés que pour les enseignes publicitaires tournant au vent...

Pour les esprits curieux, voir l'effet Magnus : wwwetu.utc.fr/~nouendez/moulin

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Les axes horizontaux

Ce sont les seules machines possibles pour la plaisance, dont certaines sont très performantes et toujours en évolution. Le corps est une structure profilée, avec un empennage auto-directif et une hélice. Mais il existe des modèles de qualité très variable.

 

Les désastreuses moulinettes

Les modèles les moins performants sont ceux qui tournent le plus vite. Ce sont des "moulins à vent ", avec un grand nombre de pales et un gros capot qui font plus de nuisances que de production d'énergie.
Ces bas de gammes sont rustiques et peu efficaces avec leurs multiples pales fixes en tôle emboutie au profil fantaisiste, et sont construits comme un ventilateur domestique ou un jouet d'enfant. Le bruit et le fardage sont très importants par vent fort.

Ces matériels entrent dans la catégories des "moulins à vent ", leur simplicité les fait apprécier pour le pompage de l'eau en agriculture, ce sont les éoliennes bien connues, pour lesquelles le rendement importe peu, mais qui devront pomper l'eau pendant vingt ans sans la moindre maintenance, mais ils sont inadaptés à nos besoins.

Ces aérogénérateurs bas de gamme se présentent avec seulement deux fils de descente qui se branchent sur une très rustique boîte qui ne régule rien mais ne fait que couper à la tension maximale (cas du bateau au mouillage, tous appareils coupés, équipage absent).
Ces matériels sont comme ce que l'on appelle improprement une "dynamo " de vélo (c'est en réalité un alternateur minimaliste), avec aimant fixe et transmission directe sur l'axe. Ils n'ont pas la moindre possibilité de contrôle avec seulement deux fils, donc une seule paire de bagues conductrices et frotteurs pour permettre le changement d'orientation.
Ils sont extrêmement bruyants et font vibrer tout le bateau, des plaques à silentblocs en absorbent une partie, mais ces pollutions sont inacceptables.
Ce modèle monté sans amortisseur rend la vie impossible à bord.

 Bas de gamme

 

Les matériels efficaces

Le choix du nombre de pales d’un matériel performant ne doit rien au hasard.
L’aérodynamique nous apprend qu’une monopale serait la plus efficace, car l’énergie récupérable dépend au premier degré de la surface balayée, mais l’expérience a montré qu’elle était inexploitable. Elle a été essayée en aéronautique, mais la nécessité du contrepoids à modifier suivant le régime ruine l’intérêt.
L’augmentation du nombre de pales a pour effet négatif d’augmenter les pertes par traînées de turbulences sans apporter de gain.
La bipale est la plus simple à réaliser et vibre beaucoup moins, elle a marqué les débuts de l’aviation.
La tripale ne vibre pas, elle a un rendement acceptable et les technologies actuelles en font le très bon choix. Les grands nombres de pales complexes adoptées sur les turbopropulseurs qui travaillent en flux guidés à grande vitesse ne sont pas adaptables sur un aérogénérateur.
Les pales sont étudiées comme celles des hélicoptères et des avions, avec des profils variables, et réalisées en matériaux composites. Ils sont évidement bien plus efficaces et d'un bien meilleur rapport qualité/prix que les moulinettes.

Ces machines existent dans toutes les tailles, depuis quelques dizaines de watts par vent moyen pour nos petits bateaux jusqu'aux monstres de centaines de kilowatts avec les pales de plusieurs dizaines de mètres, disposés par dizaines dans les champs de production.
Nous sommes bien loin des petites puissances des panneaux solaires, ces machines sont très efficaces mais malheureusement entachées de l'énorme défaut de la pollution sonore et vibratoire.
Le problème à terre est résolu en éloignant les grosses machines à plusieurs kilomètres de toute zone habitée, ou comme au Danemark en les installant en mer à plusieurs milles du rivage. Ce problème est catastrophique. A titre anecdotique divers modèles de très bons aérogénérateurs ont été installés sur l'île du Planier, en face de Marseille, pour alimenter le phare du temps où il était encore habité. Les machines de 3 mètres de diamètre produisaient avec le violent Mistral une énorme énergie, mais les vibrations transmises à toute l'île par le rocher étaient telles qu'aucun matériel n'a pu être conservé.

Le bruit émis par les turbines éoliennes peut être classé en deux catégories que l'oreille humaine perçoit différemment. Premièrement, il y a le bruit produit par le passage de l'air dans l'hélice et deuxièmement, il y a le bruit produit par la rotation des éléments mécaniques tels les boîtes d'engrenages et génératrices. Le premier bruit est un sifflement rythmique. Bien que ce soit généralement le plus bruyant des deux catégories de bruit quand on le mesure en décibels, c'est le moins perturbant et le moins sujet aux plaintes, à l'opposé du grincement aigu de la seconde source. L'impact du bruit est facilement minimisé par un choix judicieux de l'emplacement de l'éolienne par rapport aux caractéristiques topographiques et à la proximité d'habitations.

Sur le bateau, la pollution la plus importante est vibratoire, les vibrations basse fréquence et infrasons se propagent partout, le maximum est atteint avec les bateaux métalliques, mais évidement bien plus faibles qu'avec les moulinettes précédente.

Une hélice (mono, bi ou tripale) de 43 m de diamètre permet de fournir 750 kW. Sur nos bateaux nous utiliserons un diamètre légèrement inférieur...
N'oubliez pas que l'énergie maximale disponible est proportionnelle à la surface donc au carré du diamètre. Le facteur de proportionnalité est extrêmement variable suivant la machine:
Pour 43 m nous obtenons 750 kW, donc pour 43 cm, 100 fois moins en diamètre, 1002 = 10.000 fois moins en surface balayée, donc en énergie soit 75 W, ne rêvons pas, ce n'est qu'un dixième de cheval (1 Cheval Vapeur = 736 watts), votre moteur diesel de 20 CV produit 200 fois plus d'énergie, mais l'alternateur n'en absorbe que très peu pour charger...

Les aérogénérateurs de qualité sont pourvus d'une hélice à pas variable, avec mise en drapeau dans la tempête. Dans ce cas, l'inclinaison des pales est contrôlée, permettant de conserver un rendement élevé quelles que soient la vitesse du vent et la vitesse de rotation. Les modèles à pas variable ont comme autre avantage de commencer à produire de l'énergie par vents faibles. Le pas est ajusté automatiquement en permanence pour optimiser le rendement. La vitesse de rotation est toujours maintenue faible en jouant sur l'excitation, donc le couple moteur, pour optimiser en permanence la puissance maximum. Ce contrôle évolué diminue considérablement la pollution et assure la meilleure efficacité. L'électronique n'est pas très compliquée, le microcontrôleur a dans sa mémoire les courbes relevées au tunnel pour toutes les vitesses de vent et de charge électrique, il lit la vitesse de rotation et les niveaux électriques et ajuste par découpage le courant d'excitation donc la puissance restituée.

 

En résumé

En considérant les matériels plaisance de qualité :
Les modèles évolués, bi ou tripales tournent toujours lentement pour deux raisons.
L'excitation est pilotée suivant la vitesse du vent et la charge batterie.
Dans les petits airs, l'excitation est faible pour permettre de démarrer la rotation.
Dès que le vent monte, l'excitation est poussée afin de maintenir une vitesse régulière pour un rendement maximum. Un microcontrôleur qui possède la table de rendement de l'alternateur en fonction des courants de sortie pour les fcem (force contre-électromotrice liée à la tension de la batterie).
Si le vent est trop fort les pales s'effacent allant jusqu'à se mettre en drapeau pour faire ne pas emballer l'hélice.
Cela intervient par vent fort batterie chargée à bloc, L'énergie en excédent est basculée sur une résistance ballast
Avec ces dispositifs, l'hélice tournera toujours lentement, avec bruits et vibrations minimaux pour la puissance maximale. Il faut accepter de payer le produit plus cher pour éviter la médiocrité des moulinettes.

Je ne peux pas citer les marques qui offrent un matériel lamentable, cela me vaudrait des ennuis juridiques, mais à vous de regarder les bateaux qui vous entourent. Beaucoup de moulinettes sont bloquées par un bout dans les pales, elles sont tellement inefficaces et bruyantes qu’il n’est pas possible de les laisser tourner a équipage à bord. Quand le vent forcit, la vitesse s’emballe et les vibrations détruisent rapidement les roulements de pacotille.
Quand le vent souffle fort, regardez sur les bateaux les bi ou tripales à rotation lente et invitez le propriétaire à prendre l’apéritif pour qu’il vous parle de son matériel.

Les raisons de la décision d'achat

Sur nos bateaux les matériels de type "moulinettes " sont inacceptables, et il est regrettable qu'ils encombrent les catalogues des shipchandlers.
L'incompétence des vendeurs et des clients fait qu'ils constituent l'offre la plus importante.
Curieusement le rapport qualité/prix intervient peu dans la décision d'achat du consommateur lambda, pour les produits techniques.
Si deux produits sont en compétition, un produit "A " médiocre, mais deux fois moins cher qu'un produit "B " de qualité dix fois meilleure, c'est le produit "A " qui sera vendu majoritairement. Un fabricant a donc intérêt à vendre un produit très médiocre, en investissant beaucoup plus dans la publicité que dans la recherche et la production, il gagnera beaucoup plus d'argent. De toutes manières, lorsque vous achèterez un objet, vous paierez de plus en plus la publicité et de moins en moins le produit.

Attention aux mauvaises copies, il y a sur le marché des cochonneries qui imitent de loin les bonnes machines, un peu moins chères, mais se sont des pièges à gogos. Regardez avec soin ce que vous achetez, c'est le type de petits matériels le plus difficile à sélectionner pour un plaisancier moyen.

Un (bon !!!!) aérogénérateur, surtout dans les Caraïbes à l'Alizé toujours soutenu, est un investissement durable et utile.

/* Fin de l'aparté philosophico économique */

 

Tension de service

Lors du choix d’un aérogénérateur, l’idée simpliste est de prendre un modèle à la tension de son parc à batteries. C’est une erreur, en particulier pour du 12 volts, car le courant sera très fort et imposera de grosses sections de cuivre pour limiter les pertes.
Il est préférable de partir de la tension le plus élevée possible pour qu’à puissance donnée, P=V*I, le courant soit le plus faible possible.
Les pertes par effet joule sont le produit du carré du courant par la résistance ohmique !
(Voir le chapitre sur le calcul des sections de cuivre)
Les installations de qualité ont des aérogénérateurs qui sortent une centaine de volts ou plus.
Il est très facile ensuite, au plus près des batteries, de convertit par une pompe de charge, la tension trop élevée en basse tension de service, et ce, avec un très bon rendement.

 

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Précautions de montage

Il faut soigner le montage d'un aérogénérateur pour diminuer les vibrations transmises à la coque. Un montage sans précautions sur mât métallique rigide, fixé sur le pont ou sur l'arceau et une absurdité et fera vibrer le bateau. Il faut utiliser des liaisons souples et absorbantes, en privilégiant les tubes emboîtés sur manchon caoutchouc callé et les plaques de néoprène dur, fixées par collage sans transmission des vibrations par les boulons.

Il est possible de haubaner, mais seulement la base du pylône hors du champ de l'hélice, ne jamais utiliser de haubans inox, mais du kevlar ou du textile. Un morceau de mât de planche à voile absorbe mieux les vibrations qu'un tube en alliage léger ou en inox.

Un montage sur portique à l'arrière est délicat, il sera très difficile d'absorber les vibrations de l'arceau, l'antenne radar en particulier souffrira beaucoup. Dans ce cas les tubes inox doivent être surdimensionnés, mais l'esthétique en souffrira l'ensemble sera très lourd. Sur un 38 pieds, un diamètre de tube inox de 50 mm est minimum, et plus du double si le portique sert aussi de bossoir. Écartez les pieds au maximum longitudinalement. Prévoir de nombreux barreaux raidisseurs et montez l'ensemble sur plaques élastomères au niveau du serrage sur le pont avec entretoises caoutchouc.

Voici un exemple sur deux bateaux voisins. Deux plaques inox sont séparées par des silentblocs type industriels. Ceux de pieds de mâts de planche à voile sont trop durs. Les renforts entre le tube et la plaque sont efficaces. Ce petit dispositif minimum est assez efficace et casse une bonne partie des vibrations infernales.  Montage silentblocs

Il faudra évidement essayer de monter l'aérogénérateur en un endroit où ses remarquables propriétés de hachoir à viande ne se manifesteront pas trop. Prévoir du fil pour les sutures et la petite panoplie de chirurgien si l'équipage n'est pas casqué au voisinage de l'objet.

Une autre précaution à ne pas oublier est de soigner la régulation. Le problème n'est plus celui des panneaux solaires qui produisent peu, quelques heures par jour, un aérogénérateur produira beaucoup trop d'énergie pendant l'hivernage en particulier. Si l'équipage n'est pas à bord pour consommer de l'énergie, il faudra réguler avec un système très fiable pour ne pas détruire les batteries au premier coup de vent. En croisière, le problème ne se pose pas, il n'y aura jamais trop d'énergie. Je traiterai ce cas dans la page batteries et alternateurs.

 

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Technologie

Le vent produit l'énergie de rotation transmise à l'arbre. Cet arbre comporte un alternateur, ce matériel sera décrit dans une autre page. C'est toujours un aimant tournant, permanent pour les machines bas de gamme, électro-aimant pour les machines évoluées.
L'avantage de l'aimant fixe (comme sur les vélos) est la simplicité, pas de contact tournant, mais pas de régulation par l'excitation possible et rendement plus faible.

L'électro-aimant c'est le contraire, comme l'aurait dit Monsieur de la Palisse.

La boîte d'engrenage des meilleures machines à un facteur multiplicateur très important, car l'hélice de l'aérogénérateur ne tourne qu'à quelques dizaines de tours/minute alors que l'alternateur tourne à plusieurs milliers pour un rendement optimal.
La puissance transmise étant importante, il est facile de comprendre que la qualité des roulements à rouleaux, les profils des pignons, la qualité de la lubrification, sont des éléments déterminants de la qualité de l'ensemble, pour la fiabilité, le rendement les vibrations et le bruit parasite.
Il est plus facile de réduire la vitesse (par vis sans fin) que de l'augmenter, le transfert de puissance n'est pas une fonction réversible.

Un bon aérogénérateur offre la possibilité de vidanger la boîte à pignons lors de la maintenance annuelle. Lors de cette maintenance, les bagues et frotteurs de rotation verticale seront nettoyés des dépôts de sel, les bagues et charbons de l'alternateur vérifiés, les paliers et embouts électriques graissés...
Si le constructeur vous promet que le graissage des pignons est à vie, méfiez-vous, cela ne peut pas être sérieux.

Attention, dans ces matériels, le pire côtoie le meilleur… Je ne veux pas dénoncer, mais il y a vraiment des matériels lamentables dans les catalogues, choisissez bien, mais ne me m'écrivez pas pour me demander si le modèle " Ventalaize super extra balaize, garanti compatible an 2000 " est un bon choix...

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Les courbes

Vous serez surpris de ne pas trouver de courbes de rendement sur cette page. C'est voulu, vous en trouverez dans les liens, mais elle sont à considérer avec prudence.
Regardez les courbes d'énergie fournies sur la fiche en fonction de la vitesse du vent, elles sont plus réalistes que les courbes des panneaux solaires, mais en vérifiant les valeurs à bord vous n'obtiendrez pas ces chiffres optimistes. Pensez que la vitesse lue sur l'anémomètre en tête de mât est très supérieure à celle au niveau de l'arceau arrière et que le gréement freine. Comparez les vitesses avec un anémomètre à main au niveau de l'axe pour tracer votre courbe, et pensez que le courant est souvent indiqué pour une tension de sortie de 12 volts au bornier de la machine. Si les batteries sont déjà chargées à 14 volts, avec en plus 2 volts de perte dans les câbles, ce qui est très courant à 20 ampères, la tension de sortie sera de l6 volts. Vous mesurerez donc au maximum les 12/16 soit 75% de la fiche constructeur, c'est normal, mais ce sera souvent beaucoup moins car il y a toujours une inflation publicitaire… Plus la machine est médiocre, plus les chiffres sont gonflés.
Les courbes des fabricants sont trop optimisées et ne reflètent pas une réalité, ce ne sont jamais des rapports de tunnels de soufflerie, mais des mesures non vérifiées. La réalité et inférieure sur plusieurs points, vous ne reproduirez jamais ces valeurs.
Les vitesses de début de charge sont plus basses que dans la réalité, je ne peux pas afficher des courbes annonçant un début de charge à 4 nœuds, c'est idiot, les meilleures machines démarrent à une dizaine de nœuds.
La puissance croit ensuite régulièrement jusqu'à 20 ou 30 nœuds, pour atteindre un maximum, ensuite vous trouverez souvent un palier constant sur la courbe.
Ce n'est pas réaliste, passé ce pic, les rendements baissent à cause des phénomènes d'écoulements turbulents, pour quelques nœuds de plus, l'énergie tombe de moitié. Comme ce n'est pas très flatteur, la courbe est truquée.
Les moulins à vent saturent vite, seuls les aérogénérateurs de haut de gamme à pales avec pas contrôlé démarrent à faible vitesse et ne s'écroulent pas à vent fort.

Avant l'achat, lisez bien avec beaucoup de perspicacité et de suspicion la fiche très optimiste jointe et le matériel avant de l'acheter.

 

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Diminution des nuisances

L'aérogénérateur peut produire beaucoup d'énergie mais il génère des pollutions vibratoires et sonores très pénalisantes pour les modèles bas de gamme. Un montage d'amortisseurs soignés, par plaques et silentblocs, améliore toujours la situation.
Quand cela est possible, il faut remplacer les paliers ou roulements usés et médiocres par des roulements à rouleaux inox étanches et de qualité. Il est possible de faire encore beaucoup mieux en ralentissant encore les pales. Plus la rotation est rapide plus les vibrations sont intenses.
Les bas de gamme à grand nombre de pales, ou moulinettes déjà citées, sont sans espoir, ils comportent un aimant permanent, il n'y a rien à faire, sauf de ne pas les acheter.
Les tri ou bipales sont beaucoup moins polluants mais plus dangereux, car ce sont des lames de sabre dont le contact est à éviter, mais cela est simple en élevant suffisement le mât porteur. Ces matériels comportent un alternateur accéléré par boîte à pignons.
Il faut remplacer l'électronique trop rustique de régulation des premiers prix par un système intelligent qui augmente l'excitation quand le vent forcit, donc le couple moteur, empêchant les pales d'accélérer. Le dispositif est alors très peu bruyant, comme sur les grands systèmes de plusieurs dizaines de mètres de diamètre, optimisés à moins d'un tour par seconde. La limitation est qu'il y a beaucoup plus d'énergie produite donc plus d'échauffement. Il faut impérativement contrôler la température et diminuer la charge quand la limite est atteinte, mais les pales accélèrent alors à nouveau, le rendement tombe et les vibrations infra soniques reprennent. Un soin particulier sera porté au refroidissement pour gagner en puissance, c'est pour cela que les carénages des meilleurs ne sont jamais peints mais en aluminium anodise à ailettes.
Quand les batteries sont à pleine charge (cas fréquent ou mouillage sans équipage), l'énergie en excès est évacuée sur résistances et radiateur dans la cale moteur. Les ampoules sont à éviter à cause de la durée de vie trop faible. Attention à ne pas mettre le feu au bateau car la puissance dissipée est de plusieurs centaines de watts par vent fort, il faut bien ventiler naturellement, éloigner le radiateur des réservoirs de fuel et des parois, surtout si elles sont couvertes de mousse insonorisante, et prévoir des sécurités thermiques.

 

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Le rotor de Savonius "Eodyn "

Beaucoup se souviennent d’un ancien produit, un petit rotor de Savonius qui couinait sur beaucoup de barres de flèches dans les allées 80. Ce petit moulinet vibrait un peu et sifflait dans les rafales, mais avait l’avantage de maintenir les batteries chargées à l’hivernage. Le peu d’énergie produit suffisait à compenser les pertes d’autodécharge en hiver. Il déchirait un peu les génois lors des virements de bord ratés et les grand voiles au plein vent arrière, mais enfin…
Ce matériel n’est plus proposé à la vente, les tripales à axe horizontal étant bien plus efficaces, mais impossible à monter dans les barres de flèches.
C’était à ma connaissance la seule réalisation commerciale sur ce principe.

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Les pannes classiques des systèmes tournants.

Nous ne parlerons pas des classiques roulements grippés ou qui prennent du jeu dans les logements, le diagnostic est évident.
Si le circuit électrique est coupé quelque part, le rotor s’emballe sans courant de charge. Il faut rechercher les causes les plus probables :

Dans tous les matériels, fil coupé à une soudure ou un serrage, à cause des oxydations et des vibrations.

Sur les systèmes à balais en charbon, usure et coincement. Tout cela se voit lors du démontage.

Sur les rotors magnétiques sans balais, claquage des diodes du pont de redressement. Un contrôleur universel facilite ce diagnostic.

 

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Réalisation amateur

La réalisation amateur d’un bon aéro ou hydro générateur n’est pas aussi simple qu'il semblerait.
Il faut réaliser ou récupérer un moteur performant (pales aériennes ou immergées) pour commencer le projet.
Un alternateur quelconque pourrait être adapté, mais son rendement dépendra étroitement des caractéristiques en fonction du couple et de la vitesse disponible sur son arbre.
Il est essentiel qu’il soit entraîné à sa vitesse nominale, l’excitation réglant le couple réactif sur l’arbre, donc le courant utile fourni. Hors de cette vitesse, le rendement sera médiocre ou nul.

Il faut étudier très soigneusement deux points pour mettre le rotor à la bonne vitesse :
Aérodynamique classique pour calculer les pales aériennes ou de l’hydrodynamique pour l’hélice traînée, pour les différents paramètres de vitesse du fluide moteur (environ 6 courbes du minima à la mise en sécurité).
Mécanique de la boite à pignons accélératrice.

L’étude se déroule ainsi :
Le moteur (hélice) est testé en premier sur frein de Prony et dynamomètre de couple (création des courbes de charge mécanique) soit au tunnel utilisé pour tester les profils d'ailes, soit monté sur une voiture comme évoqué pour l'étalonnage des anémomètres.
Ensuite le multiplicateur est calculé et testé pour obtenir les courbes des facteurs de perte, les échauffements, les régimes vibratoires critiques...
Ensuite l’alternateur est choisi après exploitation des courbes et des données constructeur.

 

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Les liens vent

Oh grand Gourou, quel modèle dois j'acheter ? La réponse est ici .

Autant l’éolien peut constituer malgré ses nuisances une énergie de complément à bord, autant sur le plan industriel c’est une imbécilité et une imposture prônée par les intégristes écologistes politiques.
La grande arnaque de l'éolien français : ventdecolere.org
Petits modèles : wanadoo.fr/energies-nouvelles-entreprises
Terrestre belge : compagnons-eole
Liste marine intéressante : dcss.org/ayrs/24
Photos de rotor de Savonius : lien mort
Pico turbine, joli projet scolaire : picoturbine.com/rotorsim
Variante de Savonius : lien mort
Rotors verticaux : lien mort
Liens : web.jet.es/plopezp/viento/mol_mode
Détails de structure : eole.org/SitIngF . . . Petites éoliennes, site à explorer : eole.org/EolMoyF
Troubled times : zetatalk.com/energy/tengy027
Energy development : unlimited-power.co.uk
Guide d'achat de petites éoliennes : uqar.uquebec.ca/chaumel/guideeolien
ElectroVent, Canada : electrovent.com
Nouveau concept à voir : gual-industrie
Gros matériels : aquitaine-aerogenerateurs

* Liens vérifiés le 27/10/10

© Christian Couderc 1999-2014     Toute reproduction interdite sans mon autorisation