Convertisseur électrique à partir de l'énergie naturelle du vent

350px-windradDéveloppement et construction d'un convertisseur électrique à partir de l'énergie naturelle du vent au moyen d'une hélice fendue. L'hélice fendue a fait l'objet d'un brevet déposé par l'ingénieur Khamas de Berlin / Damskus qui nous a autorisé à développer et optimiser son hélice. L'hélice est facile et rapide à monter et est conçue comme une hélice éolienne non fendue tout en observant quelques principes de construction bien particuliers. L'hélice fendue est composée d'un panneau de forme trapèze doté d'une fente en son centre et sur toute sa longueur. Les chants du panneau et de la fente ont fait l'objet d'une technique spéciale de découpe. En outre, les deux parties de l'hélice sont reliées au corps principal en position oblique afin d'assurer plus de stabilité. Les années passées, des étudiants de l'Ecole Supérieure de Sciences Physiques ont pu faire des travaux de recherche et optimiser différents modèles d'hélices au sein de notre système de soufflerie en libre d'accès. Les hélices fendues apportent les avantages suivants :

  • Construction simple à partir de panneaux d'acier ou d'aluminium.
  • Leur montage n'exige aucun outil particulier.
  • Des rendements supérieurs en comparaison aux autres hélices non fendues.
  • Couples au démarrage supérieurs. Ainsi les hélices fendues sont tout à fait adaptées à un entraînement direct par des pompes mécaniques et générateurs électriques.
  • Faible volume de l'hélice.

Rotor de Savonius

savonius-rotorLe département de Sciences Physiques s'est concentré ces dernières années sur le développement des ventilateurs à turbine éolienne. Avant de construire un ventilateur à turbine éolienne (rotor de Savonius) avec une application pratique, différents modèles ont été optimisés en soufflerie à l'aide de prototypes en carton.

Une version disposant de trois surfaces de résistance a finalement été retenue pour la construction d'un rotor sur le toit de l'école. Le rotor de Savonius sur le toit de l'école affiche une hauteur de 2 mètres et pour un mètre de diamètre. A l'extrémité inférieure de l'axe vertical se trouve un générateur de courant triphasé de 60W attaché par une courroie et qui délivre une tension de 12 V. Celle-ci est ensuite transmise à un redresseur pour être convertie en tension de courant continu.

Le rotor de Savonius vient en complément de l'installation photovoltaïque autonome et apporte l'énergie nécessaire, notamment durant les mois d'hiver. Dans les livres, on souligne la sécurité du rotor de Savonius même en cas de tempête car selon la théorie, le tourbillonnement de l'air provoqué par de hautes révolutions des palmes éviterait au rotor de tourner encore plus vite. Cependant, selon nos propres expériences réalisées au moment d'un ouragan survenu à Berlin il y a quelques années, nous avons pu prouver que les rotors de Savonius n'étaient en aucun cas adaptés en cas de tempête, malgré ces affirmations, à moins de disposer d'un système de freinage. Notre rotor afficha au moment de la tempête 800 rotations par minute et n'a pu être stoppé qu'à l'aide de l'intervention de nos collègues usant de tronc d'arbres pour le freiner. Les vibrations survenues alors et le haut niveau énergétique de la rotation des palmes d'un poids de 100 kg auraient endommagé le rotor et son armature si l'on n'était pas intervenu. A la suite de ces constatations, on dut renoncer à installer à la place un plus grand rotor de Savonius prévu pour un diamètre de 2 mètres.

Le nouveau rotor installé sur le toit de l'école est doté d'un frein autonome qui arrête le rotor en cas de rotation trop importante. Pour des raisons de sécurité, la remise en marche du système ne peut se faire que manuellement. Le frein est composé principalement d'un cylindre à ressort avec un écrou qui est situé sur le disque du rotor et tourne avec le rotor. Lorsque le nombre de tours maximal est atteint, l'écrou déclenche suit à la force centrifuge un mécanisme de freinage situé à l'extérieur. Malgré son faible rendement (12% comparé aux autres roues éoliennes), l'utilisation d'un rotor de Savonius apporte les avantages suivants :

  • Simplicité de construction et des matériaux.
  • Couple au démarrage élevé. Ainsi les rotors de Savonius sont adaptés pour une utilisation directe avec des pompes mécaniques
  • Les rotors de Savonius sont très robustes et fiables dans la pratique et n'exigent que peu d'entretien.

Cependant, le rendement de 23% tel qu'il est mentionné dans les livres, n'a jamais pu être atteint par les rotors de Savonius que nous avons étudiés. Ce chiffre nous semble bien trop élevé, il s'élève selon nous à environ 12%.