L’analyse de Léonard

Pour Léonard de Vinci, l’idée d’une éolienne à axe verticale lui vient d’un succession de réflexion. En 1502 il parcours l’Arno afin de trouver un moyen de faciliter la navigation fluviale entre Pise et Florence. Son constat était d’avoir

Essai du redresseur et du convergent

Nous pouvons conclure que l’ensemble Turbine + convergent + mur est la solution la plus favorable. (Le mur consiste a obstruer la moitie de l’éolienne dans sa partie s’opposant par sa rotation au sens du vent)

Essai complémentaire

Profitant de notre turbine ainsi montée à la façon d’une manche à air ou une cage d’écureuil, le vent entre par le centre de l’éolienne et diffuse sur les pales par l’intérieur. Donc sans mur, ni convergent et ni redresseur, nous l’avons orienté de façon horizontale et réaliser une mesure.

Nous obtenons un rendement de 107 % ce qui est impossible. Nous avons dû nous tromper dans la prise de mesure du vent.

Mesure du vent en entrée et en sortie de la soufflerie

La mesure du vent avec l’anémomètre est donc imparfaite. Nous allons donc réaliser un autre test pour mesurer la vitesse du vent.

Pour cela nous allons utiliser une règle de physique, l’énergie de pression et l’énergie cinétique du vent.

L’énergie de pression ce transforme en énergie cinétique lorsque le gaz sous pression peut s’échapper de son contenant.

La relation qui permet le calcul, s’exprime sous la forme suivante :

q est la différence de pression entre le gaz sous pression et le gaz à l’extérieur il s’exprime en Pascal (Pa)

Pour trouver q on applique le calcul de différence des pressions, que l’on a l’habitude de noter Dp

                   q=Dp = P1 – P2

On peut ainsi extraire la vitesse de fuite par la relation suivante :

Nous pouvons alors mesurer une approximation de la vitesse réelle du fluide en sortie de la ventilation.

Par défaut nous prendrons r = 1,225. Cependant on peut le calculer en fonction de la pression et de la température.

Le mesure de la vitesse du vent par différentiel de pression

La carte Arduino :

Les cartes Arduino possèdent un microcontrôleur facilement programmable ainsi que de nombreuses entrées-sorties. Elle permet de piloter des capteurs ou des actionneurs.

Le capteur de pression :

Capteur de pression atmosphérique BMP180 avec sortie digitale, baromètre, capteur pour Arduino

Le câblage et le programme

Télécharger le logiciel ARDUINO sur http://arduino.cc/en/main/software ainsi que le programme de gestion et la bibliothèque de pilotage du capteur de pression.

Il existe de nombreux site web qui nous permettent de télécharger les programmes ainsi que les bibliothèques des capteurs à piloter.

Nous allons utiliser ici le site : https://projetsdiy.fr/bmp180-capteur-pression-temperature-barometre/

Intégrez le programme dans le logiciel ARDUINO

  1. Branchez le microprocesseur ARDUINO à l’ordinateur via le port USB.
  2. Appuyez sur le bouton « vérifier » puis « téléverser ».
  3. Mesuré avec le visualisateur ARDUINO

Traitement des données 

Nous pouvons conclure que la vitesse du vent créer par la soufflerie et largement supérieure à 6 m/s. Nous trouvons 12 m/s avec la possibilité de monter à 20 m/s en obstruant la section de sortie.

Nous avons là une approximation de la vitesse du vent pour nos essais

Mesure du vent équivalent en montant l’éolienne sur une voiture

Nous avons déjà mesuré les puissances de l’éolienne sur le banc d’essai. L’idée et de confronter nos résultats avec  les résultats issu d’un essai de l’éolienne en profitant du vent relatif créer par le mouvement d’une voiture.

Les résultats concordent avec ceux obtenu pour une vitesse de 50 km/h soit un vent de 14 m/s.

Bilan : Nous mesurons pour l’éolienne à axe verticale avec un convergent et un mur un rendement de 2% ce qui est faible devant les éoliennes classiques à axe verticale qui atteigne des rendements de 40%.

Cependant l’éolienne de type manche à air atteint un rendement de 15% ce qui est relativement intéressant par rapport à la qualité de notre matériel d’essai. (Défauts de surface, défauts de coaxialité et frottement globale important).

Nous somme loin des 25% annoncé pour la turbine Lafond en feuilletant les documentation disponible ont apprend que cette turbine est utilisé avec de l’eau c’est peut-être dans ce cas précis qu’elle atteint 25% de rendement ?

Eolienne individuelle : branchez-vous sur Aérocube

En 2010, Aeolta a conçu un système éolien discret, performant et silencieux, destiné aux particuliers appelé « Aérocube ». L’objectif d’Aeolta était de créer une éolienne de toiture urbaine, adaptée au manque de place des zones urbaines, car souvent, les éoliennes verticales ou horizontales sont posées sur un mat, ce qui n’est pas du tout pratique ou esthétique.

L’Aérocube est une éolienne d’une longueur de 1,30 mètres, esthétiquement proche d’une cheminée, et que l’on peut placer facilement sur un toi. Elle dispose d’un rotor vertical placé horizontalement dans un caisson d’environ 1m de long, capable de capter les moindres coups de vent. L’Aérocube peut détecter le vent sur 120° de part et d’autre de l’hélice, ce qui compense le fait qu’elle soit fixe.

Un Aéorcube est capable de produire un maximum de 1000kWh/an, avec une puissance de 1 KW, ce qui correspond à 20% des besoins d’un foyer en électricité et chauffage, selon la région et l’orientation de la maison.

Aérocube, un échec prématuré

A peine une année après sa création, la start-up a été mise en liquidation judiciaire et d’après plusieurs forum (pas d’articles sur ce sujet ou en tout cas introuvables), la production de l’Aérocube quand le vent arriverait de la bonne direction atteindrait à peine 20%, soit entre 150W et 200W, ce qui est très peu par rapport aux promesses de la startup avant la commercialisation de l’éolienne.

Ce constat confirme donc nos mesures, avec ce type d’éolienne nous n’obtenons pas 25% de rendement mais effectivement 2,5%. Cette entreprise aurait mieux fait de faire un prototype avant de lancer l’industrialisation et la commercialisation !

Le redresseur et le convergent

En réalisant un mur d’obstruction lors de l’étude aérodynamique d’une éolienne à axe vertical, nous avons pu observer que l’éolienne accélère et la tension délivrée est largement augmentée. Validant ainsi l’idée de Léonard de Vinci de l’usage de redresseur.

Le concept d’éolienne de Léonard de Vinci

Ici, Léonard de Vinci étudie une éolienne de type dite Américaine mue par une girouette utilisée au XIXème siècle pour puiser de l’eau ou faire de l’électricité.

Dans la suite de ses esquisses, Léonard de Vinci schématise une éolienne Savonius avec des redresseurs.

Les redresseurs

En général, les redresseurs sont présents dans les turbines d’avion à réaction, ils permettent d’orienter le flux d’air ou de gaz sur les pâles de la turbine.

Adaptation d’un redresseur sur notre éolienne

Nous allons reprendre les profils de pâle de l’éolienne « Lafond » que nous inverserons. Le redresseur sera positionné en amont de la turbine .

Stabilisation de la turbine

La conception actuelle de la turbine permet un défaut de coaxialité entre la turbine et son axe.

En conception, nous utilisons des symboles permettant de définir tous les défauts de réalisation. Ici, nous trouvons le symbole du défaut de coaxialité. Il s’agit d’un défaut de position et plus précisément de coaxialité.

Expression du défaut de coaxialité de notre turbine

Représentation du défaut de forme en dessin technique

Exemple : la coaxialité 

Rappel des vues en dessin industriel

La solution retenue pour résorber le défaut de coaxialité

La cause du défaut de coaxialité est due à la liaison entre l’arbre et la turbine. La matière plastique a tendance à se déformer sous l’effort engendrant une élasticité dynamique.

Pour palier à ce problème, nous avons fait traverser l’arbre à travers la turbine. Ainsi, la fixation de la turbine à l’arbre a pu se faire sur deux points distants résolvant ainsi le problème de coaxialité.

Le maintien de la turbine

Ayant maintenant un arbre traversant, nous allons changer le maintien de la turbine.

Les liaisons : Au nombre de 11, les liaisons permettent d’autoriser ou de ne pas autoriser les mouvements simples au nombre de 6, comprenant dans un repère tridimensionnel orthonormé 3 translations et 3 rotations. Tout mouvement est une composition de ces 6 mouvements simples.

La symbolisation des liaisons 

Une composition mécanique de ces liaisons permet de guider un mécanisme. Ici, 9 sont représentées. Il manque la liaison encastrement et la liaison sphérique à doigt.

Exemple de mécanisme symbolisé 

Représentation cinématique de notre turbine 

Ces deux liaisons sont réalisées avec un roulement identique.

Choix du rapport de réduction du système poulie courroie

Afin de choisir le rapport de réduction le plus favorable à nos essais, nous avons réalisé un jeu de poulie nous permettant de tester différents rapports de réduction.

Etude d’un convergent

L’objectif d’un convergent est d’augmenter la vitesse du fluide qui le traverse.

Nous allons donc profiter de la conception du redresseur pour prévoir une tuyère convergente à l’entrée de notre éolienne. Les caractéristiques à observer pour cette conception est de donner une pente de rétrécissement de la section d’entrée approchant 15% et de veiller à ce que le fluide s’écoule sans contrainte. Ces contraintes pourraient être la source de turbulences freinant le fluide. Ce qui aurait pour conséquences de diminuer fortement l’accélération du fluide .

La conception du redresseur

Mesure de l’intensité

L’intensité se mesure avec le multimètre. L’intensité est la mesure de la quantité d’électrons circulant dans un circuit électrique. L’unité de l’intensité électrique (I) est L’ampère (en hommage à André-Marie Ampère).Le symbole de l’Ampère est : A.

Pour mesurer une intensité électrique, on utilise un ampèremètre et pour mesurer l’intensité entre deux points A et B d’un circuit, on branche L’ampèremètre en série entre ces deux points.

Pour mesurer l’intensité utilisable produite par notre éolienne, nous devons mettre une résistance dans notre circuit, on appelle cela la charge. Cette résistance ne doit pas être importante et doit être similaire à la résistance de charge d’une batterie. Pour notre essai, nous prendrons une résistance de 120 Ohms.

La résistance

La résistance électrique est un composant s’opposant au passage d’un courant électrique. Elle est souvent désignée par la lettre R et son unité de mesure est l’Ohm (symbole : Ω).

Pour notre essai d’intensité, nous avons choisi arbitrairement une résistance. Cette résistance à la première barre marron, la deuxième rouge et la troisième marron.

Calcul de la puissance fournie par l’éolienne

La puissance reflète la vitesse à laquelle un travail est fourni. C’est la quantité d’énergie par unité de temps. En électricité, on obtient cette puissance en multipliant la tension par l’intensité d’un courant. Nous obtenons la puissance électrique.

Calcul du rendement de notre éolienne

Une équation nous donne la puissance théorique d’un vent en fonction de sa vitesse.

Cette puissance est calculée en fonction de la densité de l’air (r0), de la section d’entrée de l’éolienne (S) et de la vitesse du vent (v).

Puissance maximale récupérable

nous avons vu que la théorie de Betz nous disait qu’une éolienne ne peut fournir plus de 60% de l’énergie d’un vent. Cette théorie se traduit par le calcul de la puissance maximale récupérable d’un vent. (puissance en Watt)

Calcul du rendement de notre éolienne

Le rendement est le rapport de l’énergie utilisable fournie par une machine à l’énergie qui lui a été fournie.

Ici, Pu correspond à la puissance fournie électrique par l’éolienne et  Pf correspond à la puissance du vent ayant traversé l’éolienne.

  1. Le rendement des éoliennes

Nous avons donc pu, à partir des puissances mesurées, évaluer les rendements de nos éoliennes de forme 6 et 7. Les mesures de vitesse de vent restent approximatives de 6 m/s. Les mesures ont été réalisées pour deux cas : l’une avec un mur d’obstruction sur le côté de retour de pâle et l’autre sans mur.

Le résultat semble acceptable avec un rendement de 31% pour l’éolienne de forme 6 munie d’un mur. Nous nous proposons de la tester avec le convergent-mur.

Mesure sur le banc d’essais

Un essai a été réalisé par une école de Versailles sur trois modèles d’éolienne

Les résultats de cet essai sont les suivants :

Pour notre essai il ne sera pas nécessaire de relever la distance. Nous modulerons la puissance du vent avec la vanne papillon.

Protocole d’essai

  1. Mettre le prototype à une distance moyenne de la buse du ventilateur.
  2. Fermer la vanne papillon.
  3. Alimenté le ventilateur.
  4. Ouvrir la vanne papillon jusqu’au démarrage du prototype.
  5. Relever avec l’anémomètre la vitesse du vent.

Il apparaît que la forme 6 donne le meilleur résultat. Pour la suite des expérimentation nous privilégieront cette forme.

Détail de l’anémomètre utilisé :

Nous devons maintenant mesurer l’éolienne fournissant le plus de puissance. A cet effet nous avons commandé de petits alternateurs.

  • Caractéristiques techniques
  • Le rotor D28.5mmx10mm
  • Plaque de fixation 30mm x 30mm
  • Arbre Taille : D3mm x H31.5mm
  • Tension : 3-24 V
  • Courant : 0.1A-1A
  • Vitesse nominale : 300-6000 tours/min
  • Puissance nominale : 0.5-12 W

Je dois adapter ce générateur à l’éolienne. Sachant que son régime de fonctionnement est de 300 à 6000 tr/mn

Un essai de vitesse de rotation a été réalisé sur une éolienne LAFOND à l’INSA de Blois et un relevé a été produit.

Accouplement du générateur avec le prototype

Le système poulies courroie

Pour être efficace notre génératrice doit tourner à une vitesse de 6000 tr/mn au maximum et 300 tr/mn au minimum.

Notre ensemble poulie-courroie est symbolisé ici par ce que l’on appelle le transmetteur.

Le système à poulies-courroie permet de transmettre un mouvement de rotation à une distance plus ou moins importante.

Il est possible d’inverser le sens de rotation de la poulie réceptrice en croissant la courroie.

Il est possible de faire varier la vitesse de rotation en fonction des diamètres des poulies par ce que l’on appelle le rapport de réduction.

Et de connaitre les dimensions des poulies à réaliser pour obtenir ce rapport de réduction par la relation suivante :

Calcul du rapport de réduction 

Nous devons connaître la vitesse de rotation minimum et maximum de notre turbine. Le cahier des charges nous donne la vitesse de vent minimum et maximum soit 0 à 70 km/h, ce à quoi notre soufflerie répond. La vitesse de rotation de sortie sera donc : wd = ws = 6000 tr/mn.

Nous avons préconisé d’utiliser le diamètre de la turbine comme poulie. Ce sera donc notre poulie d’entrée et le diamètre est d = 100 mm.

  1. Relevé de la vitesse de rotation

Une mesure doit être réalisée pour connaître la vitesse de rotation (we) maximum de nos quatre éoliennes.

Protocole de mesures :

  1. Mettre le prototype collé au plus proche de la buse du ventilateur.
  2. Alimenter le ventilateur.
  3. Ouvrir la vanne papillon au maximum.
  4. Relever avec l’anémomètre la vitesse du vent.
  5. Relever avec le tachymètre la vitesse de rotation de la turbine.

Le tachymètre optique :

Calcul de la poulie de sortie D (de la génératrice) :

Hypothèses : d = 100 ; ws = 6000 ; we = Mesure

     r = ws/we ; D = d/r

Nous avons trouvé un diamètre de 30 mm

Modification de la conception de la petite poulie

La courroie ne tenant pas sur la petite poulie, nous avons été amenés à modifier sa conception en ajoutant des flasques sur les côtés de la poulie. Nous avons appliqué le minimum matière pour alléger l’objet.

Les éoliennes de type Savonius ne démarrent pas avec ce rapport de réduction. Nous conserverons pour nos essais les éoliennes de type Lafond.

Analyse du relevé des tensions

  1. Analyse de l’essai

Nous observons que la vitesse de rotation des éoliennes ainsi que la vitesse de démarrage ont changé par rapport à notre premier essai sans générateur

Amélioration du banc d’essai

Amélioration de la boite à câbles

Problématique : Les câbles d’alimentation du ventilateur ne sont pas protégé. Un capot doit être réalisé. Pour réaliser ce capot il est nécessaire relever les dimensions de ce dernier sur le boitier existant.

Création d’une vanne de régulation de flux

Problématique : Afin de régler notre flux d’air et rendre immobile le support de prototype, nous devons imaginer une vanne permettant d’obstruer l’arrivée d’air du ventilateur.

Pour la vanne guillotine il faut réaliser 3 éléments principaux pour la vanne papillon deux suffisent. Notre choix s’arrêtera sur la vanne papillon.

Deux pièces ont été réalisées, le corps de la vanne papillon doit s’emboiter dans la buse d’admission d’air du ventilateur.

La pièce mobile est montée sur roulement. Il a été prévu de la piloter grâce à un servomoteur et une carte Arduino. Cependant un pilotage manuel à été prévue.

Association des différents éléments du banc d’essais.

Banc d’essais et prototypes

Le banc d’essai

La problématique : Pour tester nos créations de profils d’éoliennes, nous devons réaliser un banc d’essai.

Matériaux à notre disposition

Soufflerie de VMC
Anémomètre
Planche support (0,5x0,5x1,30)
Gaine glissière de câbles électriques
Visseries

Modélisation du banc d’essai

La modélisation se réalise sous SketchUp, c’est un logiciel de CAO gratuit avec une modélisation simplifiée.

Remarque : Pour utiliser convenablement SketchUp, il est nécessaire de dessiner en utilisant un plan différent pour chaque objet sans oublier de grouper cet objet.

La modélisation 3D permet de travailler sur le prototype virtuellement. Ce prototype virtuel rassemble toutes les dimensions nécessaires à la réflexion.

Le support de prototypes

Problématique : Nous avons plusieurs éoliennes à tester et notamment tester le passage d’une éolienne Savonius multi-pâles à une éolienne Lafond. L’objectif sera de choisir le meilleur profil pour notre éolienne. Les performances à mesurer seront la capacité à démarrer et à produire le plus d’énergie.

Matériaux à notre disposition

Impression 3D pour les supports de bases
Axes visserie et tiges filetées
Roulements céramiques
Carte Arduino

Modélisation du support de prototype

Les prototypes

Problématique : Nous avons plusieurs éoliennes à tester notamment tester le passage d’une éolienne Savonius multi-pâles à une éolienne Lafond. Chaque prototype devra s’adapter sur le support de prototypes. De plus, chaque prototype devra avoir les mêmes caractéristiques dimensionnelles d’encombrement.

Matériaux à notre disposition

 Impression 3D pour les supports de base      
Axe M8x80 et écrous

Modélisation du prototype

L’éolienne à axe vertical de Léonard

L’originalité de l’éolienne à axe vertical de Léonard:

L’originalité du concept Léonard réside bien sur la mise en oeuvre d’une éolienne à axe vertical mais aussi sur l’ensemble des redresseur positionné autour de l’éolienne. Pour testé ces redresseur nous allons utiliser un type d’éolienne à axe vertical de type Savonius. Cette éolienne a été inventée en 1924 par un Finlandais.

Sigurd Johannes Savonius (2 novembre 1884 – 31 mai 1931) était un architecte et un inventeur finlandais. Il est surtout connu pour l’éolienne Savonius, qu’il a inventée en 1924.

Définition du projet

En reprenant le projet de Léonard de Vinci, nous allons modifier le type d’éolienne utilisé afin d’améliorer sa productivité énergétique.

Un graphique de performance des éoliennes nous montre que l’éolienne Savonius à un coefficient de puissance de 0,18. Alors que la théorie nous apprend qu’une éolienne peut avoir un coefficient de puissance maximum de 0,6. Le coefficient de puissance représente ici la quantité d’énergie récupérée par une éolienne par rapport à la quantité d’énergie fournie par le vent.

Exemple : pour un vent ayant un potentiel de 2000 W, l’éolienne Savonius ne récupèrera que :

P x CfSavo = 2000 x 0,18 = 360 W

Etude des autre type d’éolienne :

Analyse des éoliennes à axe vertical :

Le graphique de performance des éoliennes nous montre que les éoliennes à axe vertical sont moins performantes que les éoliennes à axe horizontal.

Si les éoliennes à axe vertical peuvent fonctionner quel que soit le sens du vent, elles sont soumises à un problème fonctionnel important qui freine leur efficacité.

Choix d’un nouveau type d’éolienne :

La turbine LAFOND a été inventée en 1964 par un Français. La performance de cette turbine réside dans le fait que le vent peut circuler dans le centre de la turbine et fonctionner comme une éolienne Savonius.

Communication de l’INSA de Blois

Dans notre projet, nous sommes aidés par l’INSA de Blois. Ils nous ont communiqué le dernier essai réalisé par l’université de Florence en Italie sur ce type de turbine. En fonction des formes d’aubage, la performance peut varier. Ici, l’efficacité est de 0.25. Cependant, cette étude nous permet par une modélisation expérimentale de voir les turbulences à l’intérieur de la turbine.

L’éolienne de Léonard

En 1502, Léonard de Vinci présente un projet d’éolienne permettant de produire de l’énergie.

« Dirigé par la puissance de voiles combinées à un assemblage de planches. Le travail est parfait avec des poutres, des courroies et des voiles étendues et fixées  » Léonard de Vinci 1502

A l’observation de se dessin nous pouvons voir que Léonard est un précurseur de l’éolienne à axe horizontal de type « Bolet » et n’oubli pas d’étudier l’éolienne à axe vertical.

Etude électrique des cellule à plaques

Si le dégagement de chaleur et la production de peroxyde d’azote hydraté, quoi qu’il semble que se soit du pentoxyde d’azote qui se transforme en peroxyde d’azote hydraté dans le réservoir de décantation, soit appréciable visuellement, d’un point de vue électrique à première vue ne semble pas bouleversant. Effectivement j’ai bien une puissance observée un peu supérieur à la puissance des cellules tubulaire (même masse de métaux), mais elle n’est pas en adéquation avec les surfaces utilisées.

Néanmoins en essayant une cellules multi-plaques en série il est apparut que si les deux plaques opposées n’était pas de la même matière (7 zinc et 6 cuivre) il n’y avait pas de tension. Dans la lettre de volta de 1800, déjà il mentionné se phénomène. De plus l’association série en quinconce d’un ensemble de plaques ne favorise pas l’augmentation d’intensité. Et si les bornes de la cellule se trouve à l’opposé la puissance et divisée par deux. J’abandonne donc l’idée d’une cellule multi-plaques en quinconce. Malgré tout il faut rappelé qu’un dérivé de se principe permet l’empilage de la pile de volta. Je vais donc conservé l’idée de cellules individuel. Dans un première essai j’ai couplé en quinconce deux plaque de zinc et une plaque de cuivre pensant doublé de fait les surface pour une cellule. Cependant cela n’apporte rien de plus que l’usage d’une plaque de zinc et d’une plaque de cuivre. Mais en réalisant deux circuit utilisant la même anode nous obtenons deux circuit identique de même tension et même intensité que dans le cas du couplage de deux plaque de zinc avec une plaque de cuivre. De fait la cellule produit deux fois plus de puissance. cependant les borne doivent être du même coté sinon les puissances obtenues sont de fait divisées par deux. Avec ces observations on peut pensé qu’un phénomène de type « force de Laplace » existe au sein de la cellule.

La production de peroxyde d’azote hydraté

Avant de prévoir une circulation de l’électrolyte saturé en peroxyde d’azote afin de compenser l’évaporation de l’eau, je vais complémenter mes cellules avec la solution saturé et vidanger mes cellules tous les deux jours. Je devrai observer une augmentation de la quantité de sels orangés.

Nota : A la vue de la buée sur les parois, l’évaporation de l’eau continue dans le réservoir de décantation.