Eolienne à axe vertical de Gilbert Gal et Marc Ménager

Mars 2008, par Gilbert Gal

Eolienne à axe vertical

Historique

Brevet

Le principe de fonctionnement de ce moteur éolien fait l'objet d'un brevet déposé à l'INPI le 19 juin 1979 par Gilbert Gal.

Prototype n°1

- Hauteur du rotor : 2 m
- Diamètre du rotor : 2 m
- Surface active : 4 m²

Fabriquée par Gilbert Gal et mise au vent en 1981 à Emance (78120, France) sur la propriété de Marc Ménager, cette machine a permit de vérifier le bon fonctionnement aérodynamique et la précision de la cinématique de rotation et de mise au vent.

Prototype n°2

- Hauteur du rotor : 4.5 m
- Diamètre du rotor : 4.5 m
- Surface active : 20 m²

Fabriquée par l'association Echo et mise au vent en 1981 sur la propriété de Marc Ménager, cette machine est démontée et installée pour essais au CSTB de Nantes qui l'instrumente pour en définir les caractéristiques couple-vitesse de rotation en fonction de la vitesse du vent. La machine est démontée fin 1982 pour être remise au vent à Emance.

Caractéristiques particulières

Les différents travaux expérimentaux effectués pendant 2 ans font apparaître les caractéristiques de fonctionnement particulières à ce type de moteur éolien :
- Vitesse de rotation lente et couple élevé donnant un fonctionnement silencieux
- Grande robustesse
- Utilisation directe de l'énergie mécanique au sol
- Mise au vent automatique
- La girouette de mise au vent devra faire l'objet d'un dessin particulier pour les machines de plus de 10 m de diamètre afin d'anticiper les changements
- Courbe de puissance proportionnelle au cube de la vitesse du vent
- Rendement de 0.2 perfectible par la mise en place de profil aérodynamique laminaire plus performant que le NACA 009 utilisé

L'expérience acquise à ce jour permet d'envisager sans crainte la construction de grosses machines de surface active de 100 à 200 m² pour des applications domestiques et industrielles.

Développement à prévoir de l'étude :
- Assistance de l'empennage d'orientation
- Amortissement de la rotation de l'empennage
- Profil de pale NACA 63.018
- Réglage de l'angle des cardans à l'aide d'un système de commande depuis le sol afin de choisir le régime de fonctionnement de l'éolienne. Ce système permet aussi l'arrêt aérodynamique.

Fiche technique du moteur éolien G135

Dimensions :
- Diamètre : 12 m
- Hauteur : 11.25 m
- Surface active : 11.25 x 13 = 135 m²

Pales :
- Longueur : 5.6 m
- Largeur : 0.8 m
- Surface : 4.48 m²
- Nombre : 6
- Profil : laminaire symétrique NACA 63.018
- Surface totale des pales : 26.88 m²
- Rapport surface pales / surface active : 26.55 / 135 = 0.2

Puissance :
- A V = 20 m/s : 0.37 x 0.25 x 135 x 20 x 20 x 20 = 99.9 kW
- A V = 15 m/s : 0.37 x 0.25 x 135 x 15 x 15 x 15 = 42.1 kW
- A V = 10 m/s : 0.37 x 0.25 x 135 x 10 x 10 x 10 = 12.5 kW
- A V = 5 m/s : 0.37 x 0.25 x 135 x 5 x 5 x 5 = 1.6 kW

Vitesse de rotation :
- A V = 20 m/s : 20 x 0.8 x 60 /12 / 3.14 = 25.5 tr/min
- A V = 15 m/s : 15 x 0.8 x 60 /12 / 3.14 = 19.1 tr/min
- A V = 10 m/s : 10 x 0.8 x 60 /12 / 3.14 = 12.8 tr/min
- A V = 5 m/s : 5 x 0.8 x 60 /12 / 3.14 = 6.4 tr/min

Couple :
- A V = 20 m/s : 99.9 x 30 / 3.14 / 25.5 = 37.4 Nm
- A V = 15 m/s : 42.1 x 30 / 3.14 / 19.1 = 21.1 Nm
- A V = 10 m/s : 12.2 x 30 / 3.14 / 12.8 = 9.1 Nm
- A V = 5 m/s : 1.6 x 30 / 3.14 / 6.4 = 2.3 Nm

Applications

Chauffage éolien

Sous nos latitudes :
- La répartition annuelle de l'énergie du vent est de forme sinusoïdale avec un maximum d'intensité aux mois les plus froids de janvier et février et un minimum en été
- La répartition quotidienne est aussi variable avec un maximum à midi solaire

En France, la production moyenne est bien connue :
- Par une carte de production moyenne annuelle donnant la puissance disponible en kWh/m²/an
- Par des histogrammes temps / seuil de vitesse de vent
- Par des histogrammes déduits des précédents donnant Energie annuelle / seuil de vitesse
- Des coefficients de correction selon l'altitude / sol, la rugosité du lieu, la forme du site

Exemples :
- Chauffage par conversion directe de l'énergie mécanique en chaleur (par coupleur hydraulique, par coupleur à courants de Foucault)
- Chauffage par entraînement d'un compresseur de pompe à chaleur

Moulins à céréales

Les caractéristiques de fonctionnement de ce moteur éolien à axe vertical sont idéales pour l'application au broyage des céréales. Un moulin équipé d'un moteur G-135 est capable de produire 1500 tonnes de farine par an, ce qui est financièrement rentable. Associé aux céréales issues de l'agriculture biologique, les produits de qualité ainsi obtenus reviendraient à un prix voisin du tout venant bourré de pesticides et engrais chimiques que nous sommes obligés de consommer actuellement. Il en est de même pour la production d'huile. La conduite de tels moulins est facile puisqu'il n'est pas nécessaire de les mettre au vent et que la puissance est réglable depuis la salle des meules. Ces moulins peuvent participer à redonner une vie à nos campagnes de plus en plus abandonnées par les jeunes.

Applications diverses

D'autres applications utilisant des récepteurs dont la courbe de couple est proportionnelle au carré de la vitesse de rotation sont particulièrement intéressantes. On peut citer la production d'air comprimé dont certaines industries ont besoin en grandes quantités. Le pompage reste une application traditionnelle à développer dans le domaine de l'oxygénation des eaux stagnantes des lacs et plans d'eau.

Eolienne à axe vertical - Prototype n°1

Eolienne à axe vertical

- Construite en 1978
- Surface active : 4 m²
- Hauteur du rotor : 2 m
- Diamètre du rotor : 2 m
- Vitesse de rotation à 10 m/s : 75 tr/min
- Puissance à 10 m/s : 370 W

La mise au vent de ce moteur éolien prototype a permit de vérifier le bon fonctionnement de la cinématique de variation cyclique de l'incidence des pales ainsi que celui de l'empennage de direction de vent. Cette machine n'a pas être instrumentée ; elle était chargée en entraînant une pompe à huile débitant dans un régulateur de pression ajustable. Fonctionnement silencieux donné par le rapport U/V optimum de 0.7 à 0.8 alors que les éoliennes hélices modernes fonctionnent à U/V de 6 à 8 en bout de pale.

Eolienne à axe vertical - Prototype n°2

Eolienne à axe vertical

- Construite en 1980
- Surface active : 20 m²
- Hauteur du rotor : 4.5 m
- Diamètre du rotor : 4.5 m
- Vitesse de rotation à 10 m/s : 30 tr/min
- Puissance à 10 m/s : 1500 W

Le développement réalisé sur cette machine concerne essentiellement les méthodes de construction. Tous les organes mécaniques sont protégés par ces carters étanches avec lubrification permanente. Les pales sont réalisées en résine armée. Cette machine a pu être instrumentée ; elle était chargée par un coupleur électromagnétique. Des courbes de fonctionnement ont pu être tracées. Le rendement est de 0.2 pour un rapport U/V de 0.6 à 0.7. L'expérience acquise permet de définir un cahier des charges et les derniers développements à intégrer dans la construction d'une machine industrielle de 100 à 150 m² de surface utile.

Autres photographies

Eolienne à axe vertical