LA VERITAT (www.amics21.com)

Comment construire une source d’énergie avec un baril de pétrole de

200 litres sans pétrole (aérogénérateur Savonius)

dédié a ma fille Claudia le 19 août 2008

par Manuel Franquesa Voneschen1

Allons enfants de la planète Le jour de gloire est arrivé Aux énergies citoyens! Formez vos éoliennes! Index 1. Introduction..................................................................................................... 2 2. Quelques mots sur l'énergie éolienne en général........................................... 3 2.1. Monsieur Betz, l'énergie du vent et la puissance d'une éolienne ................ 3 2.2 Vitesse de rotation d’une éolienne ............................................................... 4 3. Construction d’un aérogénérateur Savonius .................................................. 5 3.1. Principe ....................................................................................................... 5

3.2 Description................................................................................................ 6 3.3 Puissance d’un aérogénerateur Savonius ................................................ 7 3.4 Rapport de transmission (facteur de multiplication) .................................. 8

1 Auteur de “Kleine Windräder : Berechnung u. Konstruktion” - Wiesbaden ; Berlin : Bauverlag, 1989. ISBN 3-7625-2700-8. L'auteur est à Facebook.

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1. Introduction "Pense globalement, agit localement" Tôt ou tard, le chauffage global et le manque du pétrole nous obligera à chercher des énergies plus respectueuses avec la nature. Ce bref manuel te donnera une idée de comment on peut construire un aerogenerador avec un (ou deux) barils de pétrole de 200 litres. Cette machine s’appelle "générateur Savonius", en hommage à son inventeur. Sa puissance est assez modeste, mais c'est une très belle machine, économique et relativement facile de construire. Un autre grand avantage consiste en ce que, grâce à son axe vertical, la direction du vent n'importe pas. Mais attention: comme toute engin tournant, un aerogenerador est une machine assez dangereuse! Il faut utiliser des pièces TRÈS ROBUSTES et faire attention avec le rotor en mouvement!

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2. Quelques mots sur l'énergie éolienne en général 2.1. Monsieur Betz, l'énergie du vent et la puissance d'une éolienne La puissance maximale que on peut "saisir" du vent, soit avec un moulin à vent de "Don Quichotte" ou une éolienne moderne, ne peut être supérieure a la suivante valeur: P = 0,29 · D2 · v³

• P est la puissance en watts [W] • D est le diamètre du rotor en mètres [m] • v est la vitesse du vent en mètres par seconde [m / s].

Cette simple formule est fruit de M. Betz, un chercheur allemand qui en 1926 a publié le premier traité sur la théorie aérodynamique appliquée aux éoliennes. On appelle cette formule la limite de Betz. La première chose que nous dit cette formule est que la puissance augmente avec le cube de la vitesse du vent, ou, en d'autres termes, «plus de vent, beaucoup plus d'énergie." Cependant, dans la vie réelle on ne peut jamais atteindre cette valeur, puisque tous les composants d'une éolienne ont des pertes aérodynamiques et mécaniques (le rotor, les roulements, le système de transmission, le générateur, les câbles, la batterie pour stocker l'électricité, etc.) Donc, pour estimer la puissance maximale d'une éolienne réele on va utiliser la formule suivante (en supposant un rendement total d'environ 50%): P = 0,15 · D2 · v³ Exemple: Quelle puissance maximale peut fournir une éolienne avec un diamètre de 6 mètres? Si le vent souffle à 10 m / s (= 36 km / h), la puissance de l'éolienne sera P = 0,15 · 36 10 ³ = 5400 [W] = 5,40 [kW] (1 kW = 1000 W) Mais si le vent souffle à 20 m / s = 72 km / h (un vent "dangereux" pour une éolienne de bricolage!), la puissance sera P = 0,15 · 36 · 20 ³ = 43200 [W] = 43,20 [kW] Conclusion: si on double la vitesse du vent, l’éolienne aura 8 fois plus de puissance.

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2.2 Vitesse de rotation d’une éolienne La vitesse de rotation d’une élienne peut être calculé avec la formule suivante: n = (60 · λ · v) / (π · D)

• n est le nombre de tours par minute [tr / min] ou [rpm] • λ est appelée vitesse spécifique. Ce facteur dépend du typ d’éolienne

(rapide ou lente). Dans la pratique, sa valeur est comprise entre env. 0,8 et 14. Dans l’éolienne que nous allons construire ce facteur est 0,9 - 1,1.

• v est la vitesse du vent en mètres par seconde [m/s]. • D est le diamètre de l’éolienne en mètres [m]

La vitesse spécifique λ est définie comme suit: λ = uo/v où uo est la vitesse (tangentielle) des extrémités des pales du rotor et v la vitesse du vent (Fig. 2.2.-1)

Fig. 2.2.-1 Vitesse uo de l'extrémité des pales d'une éolienne Pour se faire une idée: Dans une éolienne moderne de 20 mètres de diamètre (du typ utilisé dans les controversées fermes éoliennes), la vitesse spécifique est d'environ λ = 8. Calculond avec cette formule sa vitesse de rotation sous un vent de 10 m / s (= 36 km / h): n = (60 · 8 · 10) / (π · 20) = 76,4 rpm Il ne semble pas beaucoup, mais le bout des pales tournent à uo = 288 km/h! Ca produit beaucoup de bruit et constitue un grave danger pour les oiseaux. Règles générales:

• plus de diamètre, moins de vitesse de rotation • un plus grand nombre de pales n'augmente pas nécessairement la

vitesse de rotation, mais le rendement de l'éolienne.

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3. Construction d’un aérogénérateur Savonius

3.1. Principe

Fig. 3.1-1 Principe d’un aérogénérateur Savonius (1 baril)

Fig. 3.1-2 Définition des valeurs D, d et e

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3.2 Description Le rotor est constitué de deux moitiés d'un baril de 200 litres, liées entre elles par des barres, qui à son tour seront fixées à l'axe du rotor. Les deux moitiés du baril peuvent être attachées à ces barres par des rivets ou des vis. L'axe du rotor est soudé à ces barres. En raison de la grande résistance que le rotor offre au vent, les roulements doivent être utilisés aux deux extrémités de l'axe. Ces roulements sont fixés à un cadre robuste en acier ou bois, lequel devrait avoir une largeur suffisante pour recevoir le rotor, la poulie d'entraînement et l'alternateur ou dynamo (générateur). Le cadre doit être fermement ancré sur une base aussi élevée que possible (colonnes, tourelle), dans un endroit où le vent peut se déplacer librement (à une distance de la maison ou d'autres obstacles (murs, arbres, etc) .. Les petites élévations du terrain souvent offrent de meilleures conditions pour le vent. Il n'est pas recommandée de monter le rotor Savonius sur un mur, car cela perturberait la libre circulation du vent. Pour un baril standard de 200 litres (hauteur H = 90 cm (env.), diametre d = 57 cm (env.)), l’entrefer (Fig. 3.1-2) doit etre e = env. 10 cm. (Pour d'autres rotors Savonius eopt = d/6). Cet entrefer est assez important, car il augmente le rendement aérodinamique du rotor Savonius.

Fig. 3.2-1 Aérogénérateur Savonius avec deux barils = double puissance, double couple, même vitesse de rotation

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3.3 Puissance d’un aérogénerateur Savonius Des mesures dans une soufflerie2 ont montré que la puissance maximale d’un rotor Savonius d’un baril peut être estimée avec l’equation suivante: Pmax = 0,18 · H · D · v³ [W] Si on tienne compte des rendements de l’ensamble (rotor env. 50%, système de transmission env. 90%, alternateur de voiture env. 50%), la puissance maximale d’un aérogénérateur Savonius d’un baril est (H·D = 0,94 m²): Pmax = 0,08 · v³ [W] Note: Pour obtenir la puissance en Watt [W], la vitesse du vent v doit être introduite en metres par seconde [m/s] et l’hauteur H et le diamètre D du rotor en metres [m]. La table suivante montre la puissance et la vitesse de rotation optimale d’un rotor Savonius construit avec 1 ou 2 barils:

Puissance maximale [W]

Vitesse du vent [m/s]

1 baril 2 barils

Vitesse de rotation optimale [rpm]3

5 (= 18 km/h) 10 20 75 7 (= 25,2 km/h) 27 54 105 10 (= 36 km/h) 80 160 150 12 (= 43,2 km/h) 138 276 180 14 (= 50,4 km/h) 220 440 210 16 (= 57,6 km/h) 327 654 240 20 (= 72 km/h) 640 1280 300 En fait, pour des vents de plus de 12 m/s, ces vitesses sont un peu plus basses, tant que les batteries sont en train de se charger (sans charge, le rotor est emballé)4. Figure 3.3-1 montre les courbes caractéristiques d'un rotor Savonius en fonction de sa vitesse de rotation pour quatre vitesses du vent (8, 10, 12 et 14 m/s). Les courbes supérieures correspondent à la puissance et les inférieures au couple développé par le rotor.

2 Le Gourières, D.: Énegie Eolienne. Théorie, conception et calcul pratique des installations. Paris, Editions Eyrolles, 1980 3 Révolutions par minute 4 Pour nos lecteurs les plus techniquement avancés: en vertu des vents importants, les batteries peuvent être chargées dans un temps relativement court. Une fois elles sont remplies, le régulateur de l'alternateur les déconnecte automatiquement, de sorte que le rotor sans travail peut s'emballer dangereusement (vibrations!). Pour "freiner" le rotor, on peut "brûler" l'excès de courant dans une résistance. Rappelez-vous q'un générateur Savonius ne peut pas être "enlevé" du vent, et même s'il peut être verrouillé avec un "frein" mécanique, il offrira toujours au vent une surface relativement importante

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Puissance

Couple

Fig. 3.3-1 Courbes de puissance et couple d’un rotor Savonius (1 baril de 200

litres, Fig. 2.1)

3.4 Rapport de transmission (facteur de multiplication) D’abord il faut dire qu’un alternateur de voiture n’est pas le meilleur choix pour un aérogénérateur. Son rendement est tres mauvais: environ 50%. Les seules avantages sont sa robustesse et le bas prix. Si on n’a pas besoin de un haut rendement, on peut bien commencer avec un alternateur de voiture. Pour qu'un alternateur de voiture commence à fournir des ampères, sa vitesse de rotation doit être assez élevée (min. 750 rpm). Comme nous avons vu plus en haut, le rotor tourne a une moindre vitesse, de façon que nous serons obligés à la multiplier. La méthode la plus simple et économique est d'utiliser deux poulies de différent diamètre et une courroie de transmission (voir Fig. 3.1-1). L'alternateur de voiture porte déjà sa poulie correspondante, dont le diamètre oscille entre 4 et 8 cm. La caractéristique courant versus vitesse de rotation d'un alternateur de voiture:

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Fig. 3.4-1 Courbe de courant d'un alternateur de voiture Nous voyons que l'alternateur commence à fournir du courant à env. 750 rpm. À 1250 rpm, le courant est d'env. 27 ampères. Si la tension de charge est de 14 volts, la puissance fournie par l'alternateur à 1250 rpm est à peu près 14V · 27A = 378W : Entre 750 et 1125 rpm le courant augmente d'une manière pratiquement linéaire et avec lui aussi la puissance (Fig. 3.4-2).

Fig. 3.4-2 Courbe de puissance de l’alternador

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Déplaçons maintenant cette courbe au champ de caractéristiques du rotor Savonius (Fig. 3.3-1), en respectant son inclinaison:

Fig. 3.4-3 La courbe de puissance de l'alternateur déplacée au champ de

courbes du rotor Savonius construit avec un baril de 200 litres Nous positionnerons la courbe de puissance (droite) de l'alternateur de telle façon, qu’elle coupe les courbes du rotor Savonius le plus près possible des maxima respectifs: Dans la possibilité "1" de la Fig. 3.4-3, la courbe de puissance de l'alternateur coupe la courbe du rotor correspondant à un vent de 8 m/s dans son point maximal, mais pour des autres vitesses du vent elle s'éloigne considérablement des maxima respectifs. La possibilité "2" est meilleure, puisqu’elle passe près des maxima de toutes les courbes du rotor correspondantes aux vents énergétiquement plus intéressants (entre 10 et 14 m/s). Pour déterminer le rapport de transmission optimal nous ferons le suivant: la droite "2" coupe l'axe horizontal à peu près dans le point 170 rpm, équivalent aux 750 rpm de l'alternateur. Par conséquent, le rapport de transmission sera : k = 750 : 170 = 4,4

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Dans la Fig. 3.3-1 nous voyons que sous un vent de 14 m/s le rotor Savonius développe une puissance maximale d'env. 210 W, ce qui équivaut à un courant approximatif de l'alternateur de 210 W : 14 V = 15 ampères. Pour calculer le rapport de transmission de n’importe quel alternateur, nous devons connaitre au moins deux points de travail de sa courbe de courant:

• n0 = vitesse de rotation sous laquelle il commence à fournir du courant et, par exemple:

• n15 = vitesse de rotation sous laquelle il fourni env.15 ampères. Avec ces deux points de travail nous pourrons dessiner la caractéristique du courant de l'alternateur (une droite) et –en multipliant le coutant par la tension de charge (14 volts) - sa caractéristique de puissance, comme nous avons fait dans la Fig. 3.4-2. Si nous connaissons seulement la valeur n0, nous pouvons faire une première tentative avec le suivant rapport de transmission: k = n0 : 170 Pour n0 = 1000 rpm, le rapport de transmission sera d’environ k = 1000 : 170 = 5,9 Pour calculer le diamètre de la poulie fixée à l'axe du rotor Savonius (poulie grande, Fig. 3.1-1), nous aurons à multiplier le diamètre de la poulie de l'alternateur par le rapport de transmission k estimé:

diamètre de la poulie grande = k · diamètre de la poulie de l'alternateur

Observations:

• De toute façon, le diamètre idéal devra être trouvé en essayant ("trial and error method"). Les moteurs des perforatrices de table ont une pièce conique, formée par une "tour" de poulies de différent diamètre (poulie multiple, Fig. 3.4-3). Cela permet d'adapter rapidement la vitesse de rotation optimale (prévoir un système pour pouvoir monter et baisser l'alternateur et tendre la courroie de transmission chaque fois qu'on essaie un autre diamètre.

• Comme nous voyons dans la table, il est convenable de choisir un alternateur avec une poulie de moindre diamètre, dans le cas contraire la poulie du rotor Savonius devra avoir un diamètre assez grand.

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Fig. 3.4-4 Alternateur avec triple poulie Les points d'intersection de la courbe "2" (Fig. 3.4-2) avec les courbes de puissance du rotor Savonius nous permettent de calculer la caractéristique courant versus vitesse du vent de l'aerogenerador Savonius :

Vitesse du vent Puissance (env.) fournie par le rotor Savonius

(1 baril)

Courant (env.) fournie par l’alternateur (a 14 V)

8 m/s 40 W 2,5 A 10 m/s 75 W 5 A 12 m/s 125 W 9 A 14 m/s 200 W 14 A

Courant fourni par un aerogenerador Savonius construit avec un baril de 200 litres (voir Fig. 3.1-1) et l'alternateur avec la caractéristique représentée dans la Fig. 3.4-1 en fonction de la vitesse du vent Si nous utilisons deux rotors Savonius (Fig. 1.2), la puissance et le couple doubleront, c'est-à-dire :

Vitesse du vent Puissance (env.) fournie par le rotor Savonius

(2 barils)

Courant (env.) fournie par l’alternateur (a 14 V)

8 m/s 80 W 5 A 10 m/s 150 W 10 A 12 m/s 250 W 18 A 14 m/s 400 W 28 A

Courant fourni par un aerogenerador Savonius construit avec deux barils de 200 litres (voir Fig. 3.1-1) et l'alternateur avec la caractéristique représentée dans la Fig. 3.4-1 en fonction de la vitesse du vent

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Fig. 3.4-5 Courbes de puissance d’un rotor Savonius construit avec deux

barils de 200 litres (voir Fig. 3.2-1) (Note: les valeurs de la puissance et du couple ont doublé)

4. Système électrique Sur le système électrique nous ne dirons pas beaucoup. Consultez avec un bon mécanicien ou électricien de voitures. Il est important de savoir si on peut utiliser le régulateur incorporé a l'alternateur pour charger la batterie de notre aérogénerateur Savonius (le régulateur est un système électronique qui empêche que la tension monte trop, limite le courant de charge et déconnecte la batterie quand elle est pleine). Il convient d'utiliser l'alternateur d'une petite voiture, puisque avec un rotor Savonius avec 1 baril nous dépasserons rarement 10 ampères (20 ampéres avec 2 barils). Note importante: aussi tenir compte que si l'aerogenerador Savonius est très loin de la maison, pour transporter le courant à 12 volts il faut des câbles avec une tres grande section!

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5. Conclusion Je dois confesser que personellement je n'ai jamais construit un aérogénérateur Savonius. Ce que je vous ai présentés ici est purement théorique. Cependant, je suis convaincu que ce modeste manuel vous aidera a arriver plus vite a la troiseme ligne de ce vieux proverbe chinois:

"Ce que j'ecoute, j’oublie, ce que je vois (lis), je m’en souviens

ce que je fais, je comprends"

Et si votre Savonius construit avec un baril ne fourni pas assez de courant pour lire ce manuel, vous pouvez toujours ajouter un déuxieme baril (voir Fig. 1.2).

Lisez aussi notre manuel pour construire une éolienne à axe horizontal de 2 mètres de diamètre:

http://www.amics21.com/laveritat/manuel_aerogenerateur_francais.pdf

Et si vous voulez savoir plus sur la théorie générale des éoliennes:

www.amics21.com/laveritat/introduction_a_la_theorie_des_eoliennes.pdf

Ce manuel est aussi disponible en espagnol: http://www.amics21.com/laveritat/generador_savonius.pdf

en allemand:

http://www.amics21.com/laveritat/savonius_generator_deutsch.pdf

et en anglais: http://www.amics21.com/laveritat/savonius_generator_english.pdf

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http://www.amics21.com/laveritat/manuel_aerogenerateur_francais.pdfhttp://www.amics21.com/laveritat/introduction_a_la_theorie_des_eoliennes.pdfhttp://www.amics21.com/laveritat/generador_savonius.pdfhttp://www.amics21.com/laveritat/savonius_generator_deutsch.pdfhttp://www.amics21.com/laveritat/savonius_generator_english.pdf

1. Introduction2. Quelques mots sur l'énergie éolienne en gén�2.1. Monsieur Betz, l'énergie du vent et la puis�2.2 Vitesse de rotation d’une éolienne3. Construction d’un aérogénérateur Savonius3.1. Principe3.2 Description3.3 Puissance d’un aérogénerateur Savonius3.4 Rapport de transmission (facteur de multiplication)