Eolienne à voile
Publié : 05/03/09, 12:07
Pour une éolienne à voile moderne:
En faisant de la voile depuis plus de 40 ans, j’ai eu l’occasion d’apprécier ces superbes machines écologiques que sont nos voiliers qui peuvent naviguer avec la force du vent en utilisant seulement quelques mètres carré de tissus.
Pourquoi ne pas utiliser, à terre également, des voiles pour récupérer la force du vent?
Evidemment, cela existe depuis des millénaires, les «moulins crétois» de la mer Égée en sont les meilleurs exemples. Outre leurs fonctions premières, de puiser l’eau ou de moudre le grain, ils sont beaux, et sont même devenus un symbole esthétique des îles grecques.
Le principe de ces voiles triangulaires, enroulées sur des espars, est génial, mais il a un inconvénient: il nécessite une surveillance constante. Leurs meuniers devaient, jours et nuits, régler la bonne surface de voile sous peine de destruction avec un vent trop fort.( le Meltem qui souffle dans cette région atteint très souvent la force 8…).
Nos voiliers modernes ont repris, en le perfectionnant, ce moyen de réduire la voilure par enroulement sur l’étai pour les focs ou même à l’intérieur du mat pour les grand voiles. Ces procédés, désormais généralisés sur les voiliers, sont parfaitement fiables et fonctionnent dans les pires conditions météo.
Donc pourquoi ne pas reprendre ce principe ancestral en utilisant nos techniques actuelles?
Une éolienne à voiles moderne, dont l’enroulement des voiles serait assuré par des moteurs électriques asservis électroniquement à la force et à la direction du vent mesurés par une girouette-anémomètre, est parfaitement réalisable. Le matériel nécessaire, de qualité marine, donc résistant bien à des conditions extrêmes, est facilement disponible dans toutes les dimensions, puisque déjà diffusé à grande échelle dans la plaisance. Pour la réalisation des voiles, des progrès très importants ont été faits récemment sur la qualité des tissus les rendant plus résistants et parfaitement aptes à un fonctionnement en continu.
Evidemment, pour les fortes puissances, une éolienne à voiles ne pourra jamais concurrencer les grandes éoliennes tripales, les problèmes techniques seraient insurmontables avec des surfaces de voiles trop importantes.
Par contre, dans des dimensions réalistes (moins de 10m de diamètre ), donc pour des petites ou moyennes puissances, elle serait aussi efficace qu’une éolienne tripale traditionnelle sans être plus onéreuse (son coût serait comparable à celui du gréement d’un voilier de taille moyenne).
De plus, en tournant plus lentement, elle est beaucoup plus silencieuse, ce qui permettrait de l’utiliser en milieu urbanisé mais venté comme le littoral et non obligatoirement en rase campagne ou offshore comme avec les éoliennes actuelles. Autre avantage de cette vitesse plus faible : elle épargnerait les oiseaux contrairement aux grandes tripales qui font de véritables carnages…
Elle serait également plus sûre car une voile qui se déchire dans la tempête est moins dangereuse que des pales de carbone jouant les «sabres volants».
Et surtout, elle serait indéniablement plus esthétique; et cette dernière qualité est loin d’être négligeable s’agissant du principal argument du lobby anti-éolien…
Ses dimensions modestes et ses qualités spécifiques en favoriseraient l’implantation géographique plus facile même dans les zones habitées, donc à proximité des besoins électriques. Pourquoi ne pas en équiper, par exemples, les ports de plaisance, pour en en assurer l’autonomie électrique ou les ronds points giratoires pour leur éclairage?
Une petite éolienne à voile autorégulée :
Pour un usage domestique, donc avec des petites dimensions ( moins de 2 ou 3 m de diamètre), donc de faible puissance, l’asservissement par moteurs électriques des voiles devient trop onéreux, et avec un rendement énergétique trop faible si le vent est irrégulier (ce qui est toujours le cas avec des petites éoliennes proches du sol). Avec une régulation trop souvent sollicitée, l’électricité produite ne servirait qu’à faire fonctionner les moteurs d’enroulement… Cette petite éolienne à voiles serait certes décorative, mais malheureusement inefficace !
Il faut donc trouver un moyen lui permettant d’être autorégulée
Pour enrouler les voiles sur les espars, outre la force du vent, la seule force utilisable ne nécessitant pas d’apport extérieur est la force centrifuge.
Pouvoir utiliser la masse de contre-poids s’écartant de l’axe en fonction de la vitesse de rotation, donc de la force du vent, serait une bonne solution car elle rendrait l’éolienne autonome.(Là encore, je n’ai rien inventé: c’est James Watt qui, au 18ème, a eu l’idée géniale du régulateur à boules)
Autre intérêt: la fonction de régulation de la vitesse de rotation. La masse des contre-poids se comportant comme un volant d’inertie pourrait rendre l’éolienne moins dépendante des variations du vent, ce qui serait favorable à la production électrique ; les générateurs fonctionnant le mieux à une vitesse régulée.
L’idée est donc séduisante sur le papier, mais sa mise en œuvre révèle de nombreuses difficultés, comme j’ai pu les découvrir en fabriquant une maquette d’1m20 de diamètre(cf. photos).
1- Comment faire un régulateur à boule qui fonctionne dans le plan vertical? En effet, dans ce cas, la gravité intervient: la boule supérieure à tendance à «tomber» vers l’axe et l’inférieure à s’en écarter. Une seule solution: les relier par un double parallélogramme déformable centré sur l’axe, qui neutralise la gravité. Facile à réaliser pour un couple de contre-poids, il est beaucoup plus complexe quand il y en a plusieurs.
2- Il faut que la force centrifuge soit suffisante pour permettre l’enroulement donc que la masse des contre-poids soient adaptées à la surface des voiles. Cette donnée essentielle est difficilement calculable, seules solutions trouvées: une position réglable par rapport à l’axe, et…le tâtonnement.
3- Il faut transformer ce déplacement axial en enroulement des voiles. Je l’ai fait en copiant ce qui se fait sur les voiliers par un cordage enroulé sur un tambour à la base des voiles Il est en en circuit fermé car il doit fonctionner dans les deux sens: enroulement –déroulement. Et pour éviter les frottements, tous les renvois doivent se faire sur des poulies, le bout étant mis sous tension par un sandow.
4- Autre variable dont il faut évidemment tenir compte: la longueur des «écoutes» servant à «border» ou à «choquer» les voiles. Cette fois, le régulateur à boules donne facilement la solution: en fixant les écoutes sur les contre-poids, dont les déplacements centrifuges ou centripètes en fonction de la vitesse de rotation permettent aux voiles d’être automatiquement réglées selon leur enroulement.
5- Une fois enroulées quand le vent est fort, les voiles doivent pouvoir se dérouler seules quand il faiblit ,donc il faut prévoir des ressorts de rappel ou des sandows sur le régulateur pour son retour au centre.( celui de Watt utilise la gravité pour revenir à zéro).
Résultats pratiques: La maquette fonctionne bien dans des vents modérés ( forces 3 à 6 ) mais je ne l’ai pas encore testée avec des vents tempétueux. Elle est encore perfectible pour les vents faibles car les frottements sont encore trop importants surtout pour l’axe de rotation qui n’est pour le moment pas monté sur roulements à billes. Enfin, il reste à réaliser le couplage électrique avec un petit générateur.
NB: Pour cette maquette, le régulateur centrifuge peut paraître sur-dimensionné (donc inesthétique ; ce qui est particulièrement néfaste pour une éolienne à voiles) mais je pense qu’à une échelle plus grande il pourrait être proportionnellement moins important. De plus, pour être moins visible, il pourrait être placé derrière les voiles .
En faisant de la voile depuis plus de 40 ans, j’ai eu l’occasion d’apprécier ces superbes machines écologiques que sont nos voiliers qui peuvent naviguer avec la force du vent en utilisant seulement quelques mètres carré de tissus.
Pourquoi ne pas utiliser, à terre également, des voiles pour récupérer la force du vent?
Evidemment, cela existe depuis des millénaires, les «moulins crétois» de la mer Égée en sont les meilleurs exemples. Outre leurs fonctions premières, de puiser l’eau ou de moudre le grain, ils sont beaux, et sont même devenus un symbole esthétique des îles grecques.
Le principe de ces voiles triangulaires, enroulées sur des espars, est génial, mais il a un inconvénient: il nécessite une surveillance constante. Leurs meuniers devaient, jours et nuits, régler la bonne surface de voile sous peine de destruction avec un vent trop fort.( le Meltem qui souffle dans cette région atteint très souvent la force 8…).
Nos voiliers modernes ont repris, en le perfectionnant, ce moyen de réduire la voilure par enroulement sur l’étai pour les focs ou même à l’intérieur du mat pour les grand voiles. Ces procédés, désormais généralisés sur les voiliers, sont parfaitement fiables et fonctionnent dans les pires conditions météo.
Donc pourquoi ne pas reprendre ce principe ancestral en utilisant nos techniques actuelles?
Une éolienne à voiles moderne, dont l’enroulement des voiles serait assuré par des moteurs électriques asservis électroniquement à la force et à la direction du vent mesurés par une girouette-anémomètre, est parfaitement réalisable. Le matériel nécessaire, de qualité marine, donc résistant bien à des conditions extrêmes, est facilement disponible dans toutes les dimensions, puisque déjà diffusé à grande échelle dans la plaisance. Pour la réalisation des voiles, des progrès très importants ont été faits récemment sur la qualité des tissus les rendant plus résistants et parfaitement aptes à un fonctionnement en continu.
Evidemment, pour les fortes puissances, une éolienne à voiles ne pourra jamais concurrencer les grandes éoliennes tripales, les problèmes techniques seraient insurmontables avec des surfaces de voiles trop importantes.
Par contre, dans des dimensions réalistes (moins de 10m de diamètre ), donc pour des petites ou moyennes puissances, elle serait aussi efficace qu’une éolienne tripale traditionnelle sans être plus onéreuse (son coût serait comparable à celui du gréement d’un voilier de taille moyenne).
De plus, en tournant plus lentement, elle est beaucoup plus silencieuse, ce qui permettrait de l’utiliser en milieu urbanisé mais venté comme le littoral et non obligatoirement en rase campagne ou offshore comme avec les éoliennes actuelles. Autre avantage de cette vitesse plus faible : elle épargnerait les oiseaux contrairement aux grandes tripales qui font de véritables carnages…
Elle serait également plus sûre car une voile qui se déchire dans la tempête est moins dangereuse que des pales de carbone jouant les «sabres volants».
Et surtout, elle serait indéniablement plus esthétique; et cette dernière qualité est loin d’être négligeable s’agissant du principal argument du lobby anti-éolien…
Ses dimensions modestes et ses qualités spécifiques en favoriseraient l’implantation géographique plus facile même dans les zones habitées, donc à proximité des besoins électriques. Pourquoi ne pas en équiper, par exemples, les ports de plaisance, pour en en assurer l’autonomie électrique ou les ronds points giratoires pour leur éclairage?
Une petite éolienne à voile autorégulée :
Pour un usage domestique, donc avec des petites dimensions ( moins de 2 ou 3 m de diamètre), donc de faible puissance, l’asservissement par moteurs électriques des voiles devient trop onéreux, et avec un rendement énergétique trop faible si le vent est irrégulier (ce qui est toujours le cas avec des petites éoliennes proches du sol). Avec une régulation trop souvent sollicitée, l’électricité produite ne servirait qu’à faire fonctionner les moteurs d’enroulement… Cette petite éolienne à voiles serait certes décorative, mais malheureusement inefficace !
Il faut donc trouver un moyen lui permettant d’être autorégulée
Pour enrouler les voiles sur les espars, outre la force du vent, la seule force utilisable ne nécessitant pas d’apport extérieur est la force centrifuge.
Pouvoir utiliser la masse de contre-poids s’écartant de l’axe en fonction de la vitesse de rotation, donc de la force du vent, serait une bonne solution car elle rendrait l’éolienne autonome.(Là encore, je n’ai rien inventé: c’est James Watt qui, au 18ème, a eu l’idée géniale du régulateur à boules)
Autre intérêt: la fonction de régulation de la vitesse de rotation. La masse des contre-poids se comportant comme un volant d’inertie pourrait rendre l’éolienne moins dépendante des variations du vent, ce qui serait favorable à la production électrique ; les générateurs fonctionnant le mieux à une vitesse régulée.
L’idée est donc séduisante sur le papier, mais sa mise en œuvre révèle de nombreuses difficultés, comme j’ai pu les découvrir en fabriquant une maquette d’1m20 de diamètre(cf. photos).
1- Comment faire un régulateur à boule qui fonctionne dans le plan vertical? En effet, dans ce cas, la gravité intervient: la boule supérieure à tendance à «tomber» vers l’axe et l’inférieure à s’en écarter. Une seule solution: les relier par un double parallélogramme déformable centré sur l’axe, qui neutralise la gravité. Facile à réaliser pour un couple de contre-poids, il est beaucoup plus complexe quand il y en a plusieurs.
2- Il faut que la force centrifuge soit suffisante pour permettre l’enroulement donc que la masse des contre-poids soient adaptées à la surface des voiles. Cette donnée essentielle est difficilement calculable, seules solutions trouvées: une position réglable par rapport à l’axe, et…le tâtonnement.
3- Il faut transformer ce déplacement axial en enroulement des voiles. Je l’ai fait en copiant ce qui se fait sur les voiliers par un cordage enroulé sur un tambour à la base des voiles Il est en en circuit fermé car il doit fonctionner dans les deux sens: enroulement –déroulement. Et pour éviter les frottements, tous les renvois doivent se faire sur des poulies, le bout étant mis sous tension par un sandow.
4- Autre variable dont il faut évidemment tenir compte: la longueur des «écoutes» servant à «border» ou à «choquer» les voiles. Cette fois, le régulateur à boules donne facilement la solution: en fixant les écoutes sur les contre-poids, dont les déplacements centrifuges ou centripètes en fonction de la vitesse de rotation permettent aux voiles d’être automatiquement réglées selon leur enroulement.
5- Une fois enroulées quand le vent est fort, les voiles doivent pouvoir se dérouler seules quand il faiblit ,donc il faut prévoir des ressorts de rappel ou des sandows sur le régulateur pour son retour au centre.( celui de Watt utilise la gravité pour revenir à zéro).
Résultats pratiques: La maquette fonctionne bien dans des vents modérés ( forces 3 à 6 ) mais je ne l’ai pas encore testée avec des vents tempétueux. Elle est encore perfectible pour les vents faibles car les frottements sont encore trop importants surtout pour l’axe de rotation qui n’est pour le moment pas monté sur roulements à billes. Enfin, il reste à réaliser le couplage électrique avec un petit générateur.
NB: Pour cette maquette, le régulateur centrifuge peut paraître sur-dimensionné (donc inesthétique ; ce qui est particulièrement néfaste pour une éolienne à voiles) mais je pense qu’à une échelle plus grande il pourrait être proportionnellement moins important. De plus, pour être moins visible, il pourrait être placé derrière les voiles .
