La turbine à air

Après avoir vu le problème de l'hélice creuse en haut du mât, son orientation dans le vent et sa protection en cas de tempête, occupons-nous du récupérateur de puissance au pied du mât : la turbine à air. Son rôle est de capter l'aspiration d'air provoquée par l'éolienne, et de la transformer en mouvement rotatif. Il ne s'agit pas ici de produire de l'électricité, mais juste de fournir du mouvement. L'application que l'on greffera sur ce mouvement est un problème indépendant.

Principe de fonctionnement de la turbine

Il faut tout savoir que la récupération de l'énergie d'un flux d'air dans une conduite fermée, comme c'est le cas ici, ne se passe pas comme celle d'une hélice d'éolienne en plein vent. On n'est pas soumis à la limite de Betz de 59.3% : une turbine dans une conduite forcée de barrage, par exemple, dépasse fréquemment 90% de rendement. Non parce qu'il s'agit d'eau, mais parce qu'on est en écoulement fermé. Jean Andreau parlait d'une turbine de rendement 80 à 85% pour l'éolienne de 7m, et de plus de 90% pour l'éolienne (jamais construite) de 55 mètres.

Une turbine est un appareil de détente, chargée de récupérer l'énergie mécanique d'un fluide. Notre turbine a été conçue avec l'aide de Michel Pluviose, spécialiste Français des turbomachines, et auteur de nombreux ouvrages. Notre choix s'est porté sur une turbine à degré de réaction 1/2, c'est à dire que la détente de l'air s'opère pour moitié dans le distributeur fixe (en rose sur l'image ci-dessus), et pour moitié dans la roue mobile (en rouge). Ceci permet d'avoir une courbe de rendement plus plate, et donc une turbine qui tolère une large gamme de régimes de fonctionnement. La turbine tourne plus vite que l'éolienne, d'un facteur allant de 5 à 10. Son diamètre est d'une dizaine de centimètres, si bien qu'elle s'interface parfaitement avec un mât creux classique.

Réalisation

Après avoir dessiné les aubes de la turbine avec Michel Pluviose, la turbine a été conçue sous Catia (image précédente), en prenant soin de garder une démontabilité totale tout en ayant un minimum de pièces.

Sa fabrication a été très rapide une fois les plans établis. Elle a été réalisée chez différents collaborateurs Toulousains:

. Le stator et le diffuseur (pièces jeune et bleu clair) ont été faits en fil fondu (impression 3D à partir du fichier CAO), dans le laboratoire de mécanique de l'INSA, par Michel Seitier.

. Le distributeur et la roue mobile, qui sont le coeur du système et exigent une plus grande précision, ont été faits en stéréolithographie laser à partir des fichiers CAO, par l'entreprise Polyform.

. Enfin les pièces métalliques, carters, axe, entretoise, ont été usinées chez Estève Pasquet.

La pièce critique est la roue mobile, puisqu'elle doit pouvoir supporter des milliers de tours par minutes. Nous nous sommes assurés par simulation Catia que la matériaux employé pour sa fabrication était à-même de supporter ces contraintes centrifuges.

Adaptation de la turbine à l'éolienne

Voyons maintenant sommairement comment la conception de la turbine doit prendre en compte la caractéristique d'aspiration de l'éolienne.

Voici comment se pose le problème.

Graphe 1 (à gauche) : L'éolienne qui tourne se comporte comme une pompe centrifuge sans volute, entraînée par le vent. Elle présente une caractéristique débit/dépression classique : si on bouche totalement le mât, la dépression interne est maximale et le débit d'air est nul. La puissance disponible, produit débit x dépression, est donc nulle. A l'inverse, si on ouvre totalement le mât, on a un débit d'air maximum, mais une dépression - presque - nulle, donc encore une puissance nulle. Entre ces deux états existe une cloche de puissance, qui atteint un maximum pour un couple (débit/dépression) donné.

Graphe 2 (à droite) : Une turbine en rotation est un appareil de détente. Elle maintient une dépression de part et d'autre de sa roue, et en tire son énergie rotative. Ainsi la conception de la turbine revient à l'exercice suivant : il faut que par sa rotation elle absorbe la dépression optimale mise à disposition par les pales de l'éolienne.