Comment calculer une éolienne : formules + exemple pratique de calcul

L'énergie alternative, obtenue à partir d'installations éoliennes, suscite un vif intérêt dans la société. Les exemples issus de la pratique domestique réelle sont nombreux.

Les propriétaires de biens immobiliers de campagne construisent des éoliennes de leurs propres mains et se satisfont du résultat obtenu, même si l'effet est parfois de courte durée. La raison – lors du montage, le calcul du générateur éolien n'a pas été effectué correctement.

Vous en conviendrez, il serait dommage, après avoir consacré du temps et des ressources à la réalisation du projet, d'obtenir une installation peu efficace. C'est pourquoi il est important de comprendre comment calculer un aérogénérateur et selon quels paramètres choisir les principaux composants de l'éolienne.

Cet article est consacré à la résolution de ces questions. La partie théorique est complétée par des exemples concrets et des recommandations pratiques pour l'assemblage d'une installation éolienne.

Calcul d'un générateur éolien

Par où commencer le calcul d'un système de production d'électricité à partir de l'énergie éolienne ? Étant donné qu'il s'agit d'un générateur éolien, il semble logique de commencer par une analyse préliminaire de la rose des vents dans une zone spécifique.

Des paramètres de calcul tels que la vitesse du vent et sa direction caractéristique pour ce territoire sont des paramètres importants. Ils déterminent dans une certaine mesure le niveau de puissance de l'éolienne qui sera réellement atteignable.

Il est même difficile d'imaginer des générateurs éoliens d'une telle puissance. Mais de telles constructions existent et fonctionnent efficacement. Cependant, les calculs de ces constructions montrent une puissance relativement faible par rapport aux sources d'énergie traditionnelles.

Il est remarquable que ce processus soit de longue durée (au moins 1 mois), ce qui est tout à fait évident. Il est impossible de déterminer les paramètres de vitesse du vent les plus probables et sa direction la plus fréquente avec une ou deux mesures.

Il faudra effectuer des dizaines de mesures. Néanmoins, cette opération est vraiment nécessaire si l'on souhaite construire un système efficace et productif.

Comment calculer la puissance d'une éolienne

Aux éoliennes domestiques, surtout celles faites maison, il n'a pas encore été donné d'étonner les gens par des puissances élevées. C'est compréhensible. Il suffit d'imaginer un mât massif de 8 à 10 m de haut, équipé d'un générateur avec une envergure de pales d'hélice de plus de 3 m. Et ce n'est pas l'installation la plus puissante. Seulement environ 2 kW.

Pour l'entretien d'éoliennes de cette puissance, on utilise des hélicoptères et des équipes de spécialistes comptant jusqu'à une dizaine de personnes. Pour calculer une telle installation énergétique, un nombre encore plus grand d'intervenants est sollicité.

En général, si l'on se réfère à un tableau standard montrant la relation entre la puissance d'une éolienne et l'envergure requise des pales de l'hélice, il y a de quoi s'étonner. Selon le tableau, pour une éolienne de 10 W, une hélice de deux mètres est nécessaire.

Pour une construction de 500 W, il faudra une hélice de 14 m de diamètre. De plus, le paramètre d'envergure des pales dépend de leur nombre. Plus il y a de pales, plus l'envergure est petite.

Mais ce n'est qu'une théorie, conditionnée par une vitesse du vent ne dépassant pas 4 m/s. En pratique, les choses sont quelque peu différentes, et la puissance des installations domestiques fonctionnant réellement pendant une longue période n'a jamais dépassé 500 W.

Par conséquent, le choix de la puissance ici est généralement limité à la plage de 250 à 500 W pour une vitesse moyenne du vent de 6 à 8 m/s.

Tableau de la dépendance de la puissance d'un système éolien par rapport au diamètre de l'hélice de travail et au nombre de pales. Ce tableau peut être utilisé pour les calculs, mais en tenant compte du fait qu'il a été établi pour une vitesse du vent allant jusqu'à 4 m/s (+).

D'un point de vue théorique, la puissance d'une centrale éolienne se calcule selon la formule :

N=p*S*V³/2,

où :

• p – la densité des masses d'air ;
• S – la surface totale balayée par les pales de l'hélice ;
• V – la vitesse du flux d'air ;
• N – la puissance du flux d'air.

Puisque N est un paramètre qui influence radicalement la puissance de l'éolienne, la puissance réelle de l'installation sera proche de la valeur calculée de N.

Calcul des pales des éoliennes

Lors de la conception d'une éolienne, on utilise généralement deux types d'hélices :

• à pales – rotation dans le plan horizontal ;
• rotor Savonius, rotor Darrieus – rotation dans le plan vertical.

Les conceptions d'hélices avec rotation dans l'un ou l'autre plan peuvent être calculées à l'aide de la formule :

Z= L*W/60/V

où :

• Z – le degré de rapidité (ou de lenteur) de l'hélice ;
• L – la longueur de la circonférence décrite par les pales ;
• W – la vitesse (fréquence) de rotation de l'hélice ;
• V – la vitesse du flux d'air.

En partant de cette formule, on peut facilement calculer le nombre de tours W – la vitesse de rotation.

Voici à quoi ressemble la conception d'une hélice appelée « Rotor Darrieus ». Cette variante d'hélice est considérée comme efficace pour la fabrication d'éoliennes de faible puissance et de petite taille. Le calcul de l'hélice présente certaines particularités.

Quant au rapport de fonctionnement entre la vitesse de rotation et la vitesse du vent, on peut le trouver dans des tableaux disponibles en ligne. Par exemple, pour une hélice à deux pales et Z=5, le rapport suivant est valable :

Le pas est également l'un des paramètres importants de l'hélice d'une éolienne.

Ce paramètre peut être déterminé à l'aide de la formule suivante :

H=2πR* tg α,

où :

• 2π – constante (2*3.14) ;
• R – le rayon décrit par la pale ;
• tg α – l'angle de coupe.

Des informations supplémentaires sur le choix de la forme et du nombre de pales, ainsi que les instructions pour leur fabrication, sont fournies dans cet article.

Sélection des générateurs pour les éoliennes

En disposant de la valeur calculée de la vitesse de rotation de l'hélice (W), obtenue selon la méthode décrite ci-dessus, il est possible de sélectionner (ou de fabriquer) le générateur correspondant.

Par exemple, avec un rapport de vitesse Z=5, un nombre de pales égal à 2 et une vitesse de rotation de 330 tr/min. Avec une vitesse du vent de 8 m/s, la puissance du générateur devrait être d'environ 300 W.

Générateur d'une éolienne « en coupe ». Exemple représentatif d'une des configurations possibles d'un générateur pour un système éolien domestique assemblé soi-même.

Avec ces paramètres, un moteur utilisé dans les vélos électriques modernes peut être un choix approprié comme générateur pour une centrale éolienne domestique. Le nom traditionnel de cette pièce est « vélo-moteur » (fabriqué en République populaire de Chine).

Voici à quoi ressemble un vélo-moteur électrique, sur la base duquel il est proposé de fabriquer un générateur pour une éolienne domestique. La conception du vélo-moteur est idéale pour une mise en œuvre pratiquement sans calculs ni modifications. Cependant, leur puissance est faible.

Les caractéristiques du vélo-moteur électrique sont approximativement les suivantes :

L'avantage des vélo-moteurs est qu'ils ne nécessitent pratiquement aucune modification. Ils ont été conçus comme des moteurs électriques à basse vitesse et peuvent être utilisés avec succès comme générateurs éoliens.

Pour fabriquer une éolienne, vous pouvez utiliser un alternateur de voiture ou assembler un appareil à partir d'une machine à laver.

Calcul et choix du contrôleur de charge

Un régulateur de charge de batterie est nécessaire pour toute installation éolienne, y compris les configurations domestiques.

Le calcul de cet appareil consiste à sélectionner un schéma électrique qui correspond aux paramètres calculés du système éolien.

Parmi ces paramètres, les principaux sont :

• tension nominale et maximale du générateur ;
• puissance maximale possible du générateur ;
• courant de charge maximal possible de la batterie ;
• tension de la batterie ;
• température ambiante ;
• niveau d'humidité ambiante.

En fonction des paramètres présentés, vous effectuez l'assemblage du régulateur de charge vous-même ou la sélection d'un appareil prêt à l'emploi.

Contrôleur de charge des batteries utilisées dans une installation éolienne. Appareil fabriqué industriellement, dont le choix nécessite seulement d'étudier attentivement les caractéristiques techniques pour un accord précis avec le système existant.

Bien sûr, il est souhaitable de choisir (ou d'assembler) un appareil dont le schéma assurerait une fonction de démarrage facile dans des conditions de faibles courants d'air. Un contrôleur conçu pour fonctionner avec des batteries de tensions différentes (12, 24, 48 volts) est également le bienvenu.

Enfin, lors du calcul (ou du choix) du schéma du contrôleur, il est recommandé de ne pas oublier la présence d'une fonction telle que la commande de l'onduleur.

Sélection de la batterie d'accumulateurs pour le système

En pratique, on utilise des batteries de différents types et presque toutes sont tout à fait adaptées à une utilisation dans un système éolien. Mais un choix spécifique devra de toute façon être fait. En fonction des paramètres du système éolien, la sélection de la batterie se fait en fonction de la tension, de la capacité et des conditions de charge.

Les batteries acide-plomb classiques sont considérées comme les composants traditionnels pour les éoliennes domestiques. Elles ont donné de bons résultats en pratique. De plus, le coût de ce type de batteries est plus acceptable par rapport à d'autres types.

Les batteries au plomb-acide sont particulièrement peu exigeantes quant aux conditions de charge/décharge, mais il est inadmissible de les intégrer au système sans contrôleur.

Si l'installation éolienne comporte un contrôleur de charge professionnel doté d'un système d'automatisation complet, il est rationnel d'utiliser des batteries de type AGM ou gel.

Bloc de batteries d'une éolienne domestique. Ce n'est pas la meilleure option d'exploitation, compte tenu du chaos des câbles et des exigences de stockage. Dans un tel état des accumulateurs d'énergie, on ne peut pas espérer une durée de vie à long terme.

Les deux types d'accumulateurs d'énergie se caractérisent par une efficacité accrue et une longue durée de vie, mais imposent des exigences élevées quant aux conditions de charge.

La même chose s'applique aux batteries dites blindées de type gel. Mais le choix de ces batteries pour une éolienne domestique est considérablement limité par le prix. Cependant, la durée de vie de ces batteries coûteuses est la plus longue par rapport à tous les autres types.

Ces batteries se distinguent également par un cycle de charge/décharge plus important, mais à condition d'utiliser un chargeur de qualité.

Calcul de l'onduleur pour une éolienne domestique

Il faut immédiatement préciser : si la conception de l'installation éolienne domestique ne comprend qu'une seule batterie de 12 volts, il est totalement inutile d'installer un onduleur sur un tel système.

En moyenne, la puissance consommée par un ménage est d'au moins 4 kW en charge de pointe. Par conséquent, le nombre de batteries pour une telle puissance doit être d'au moins 10 unités, de préférence sous une tension de 24 volts. Pour un tel nombre de batteries, il est logique d'installer un onduleur.

Cependant, pour alimenter complètement 10 batteries avec une tension de 24 volts chacune et maintenir leur charge de manière stable, il faudra une éolienne d'une puissance d'au moins 2-3 kW. De toute évidence, pour des constructions domestiques simples, une telle puissance n'est pas réalisable.

Onduleur de faible puissance (600 W), qui peut être utilisé pour une petite installation énergétique domestique. Avec un tel appareil, on peut alimenter en 220 volts un téléviseur ou un petit réfrigérateur. Pour les lampes d'un lustre, le courant ne suffira pas.

Néanmoins, la puissance de l'onduleur peut être calculée de la manière suivante :

1. Additionner la puissance de tous les consommateurs.
2. Déterminer la durée de consommation.
3. Déterminer la charge de pointe.

Sur un exemple concret, cela se présentera comme suit.

Prenons comme charge des appareils électroménagers : lampes d'éclairage – 3 pièces de 40 W, téléviseur – 120 W, réfrigérateur compact – 200 W. Additionnons les puissances : 3*40+120+200 et nous obtenons 440 W.

Déterminons la puissance des consommateurs pour une période moyenne de 4 heures : 440*4=1760 W. Sur la base de cette valeur de puissance en fonction du temps de consommation, il semble logique de choisir un onduleur parmi les appareils ayant une puissance de sortie d'au moins 2 kW.

En se basant sur cette valeur, on calcule la caractéristique volt-ampère de l'appareil requis : 2000*0,6=1200 V/A.

Schéma classique de production et de distribution de l'énergie obtenue à partir d'un générateur éolien de type domestique. Cependant, pour fournir de l'énergie à long terme à un tel nombre d'appareils, une installation suffisamment puissante est nécessaire (+)

En réalité, la charge d'un ménage de trois personnes, équipé de tous les appareils électroménagers, sera supérieure à celle calculée dans l'exemple. Habituellement, le paramètre de temps de connexion de la charge dépasse les 4 heures considérées. Par conséquent, un onduleur de système éolien plus puissant sera nécessaire.

Le calcul préliminaire de l'éolienne sera utile non seulement pour son assemblage personnel. Vous devez également déterminer les paramètres optimaux lors du choix d'un aérogénérateur prêt à l'emploi.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Comment se déroule l'analyse des données initiales et comment les formules sont appliquées, est présenté dans la vidéo :

Il est nécessaire d'utiliser les données de calcul dans tous les cas. Qu'il s'agisse d'une installation énergétique industrielle ou d'une installation conçue pour un usage domestique, le calcul de chaque composant apporte toujours un maximum d'efficacité à l'appareil et surtout – la sécurité de fonctionnement.

Les calculs préliminaires effectués déterminent la pertinence de la réalisation du projet, et aident à établir dans quelle mesure le projet s'avère coûteux ou économique.

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