Éolienne miniature

Suite au projet S2 sur les éoliennes, voici un projet rapide de « mini éolienne » qui devrait, à terme, pouvoir être utilisée pour recharger des téléphones portables ou des petits appareils. Ce projet se base sur une première réalisation, trouvée sur un site avec plein de projets intéressants.

L’éolienne est découpée en trois parties, qui seront remplies au fur et à mesure de l’avancement du projet.

Liste des matériaux

Pour réaliser votre propre mini éolienne, il vous faudra le matériel suivant :

• Un aimant cylindrique diamétriquement magnétisé (entre 20 et 30€, trouvé ici)
• Une hélice tripale 12″ avec un pas de 6″ (12×6, modèle utilisé ici)
• De la tige filetée M6 en inox (A2 suffisant, A4 préférable), au moins 125mm
• De la tige filetée M3 en inox (A2 suffisant, A4 préférable, au moins 350mm
• Des écrous (au moins 4 M6, une trentaine de M3) en Inox (A2 suffisant, A4 préférable)
• Du fil de cuivre émaillé de diamètre 0.25mm (une estimation large donne environ 18 mètres de fil)
• Un collecteur tournant 6 contacts (environ 6€ sur ebay)

Les outils suivants ont été utilisés :

• Clés plates
• Tournevis
• Imprimante 3D
• Pince coupante, pince plate
• Scie à métaux efficace

Étude théorique

Commençons par une rapide étude théorique pour voir quelle puissance on peut espérer de notre éolienne. Les calculs ont été réalisés à l’aide des informations précieuses disponibles sur l’ancien site de Hugh Piggott et sur celui de Ed Lenz.

L’éolienne aura un diamètre de 12″, soit approximativement 30cm. L’énergie mécanique de vent disponible pour ce diamètre est de : 1/2*1.22*(pi*0.15²)*v*v*v , où v est la vitesse du vent en m/s. On obtient donc la courbe de performance suivante, pour des vents allant de 0 à 25m/s (90km/h).

Ceci est la courbe de puissance totale du vent. Cependant, une bonne hélice peut récupérer environ 40% de cette puissance, l’intervalle moyen oscillant entre 20 et 40% récupéré. Il faut également prendre en compte la performance du générateur électrique, c’est-à-dire sa capacité à transformer l’énergie mécanique transférée par l’hélice en énergie électrique. Etant donné le type de générateur utilisé, ce ratio est assez faible, environ 40%. D’autres pertes de conversion électriques seront à ajouter dans le système au final. On peut espérer récupérer environ 10% de l’énergie du vent. On obtient alors la courbe de puissance suivant pour des valeurs allant de 0 à 10m/s (36 km/h). Attention, ceci est une estimation grossière. Cependant, on voit que la puissance d’une telle éolienne n’est pas énorme. Elle devrait cependant suffire pour de la recharge ponctuelle de petits appareils, avec une batterie en tampon.

Génératrice et hélice

Tout comme dans le projet de départ, l’éolienne se base sur une hélice de drone du commerce à trois pâles. Le modèle choisi, qui a l’air solide et qui fonctionne bien d’après les tests est une Master Airscrew 12×6 tripale, achetée sur E-Bay pour 15€ plus les frais de ports. Les premiers tests, réalisés avec des hélices de mauvaise qualité, n’ont pas été très concluants.

Une fois cette hélice choisie, on peut créer le générateur adapté à l’hélice. Cette partie n’est pas encore optimisée, mais semble fonctionnelle d’après les tests. De plus amples expérimentations devront être menées pour améliorer tout ça. Voici cependant les plans tels qu’ils sont utilisés pour l’instant.

Une génératrice est en principe assez simple : on fait tourner les deux pôles d’un aimant au milieu de bobines, ce qui génère un courant dans les bobines. Il a été décidé de faire une génératrice triphasée, en utilisant le même aimant (très) puissant que dans le projet de départ. L’aimant est la pièce la plus chère de l’éolienne, en partie parce que l’on n’a pas encore trouvé d’autres sites permettant de diminuer les frais de ports. En tout, pour deux aimants, avec les frais de ports, le prix était d’à peu près 25€ par aimant. Vous trouverez les références ici.

L’armature du générateur, qui servira de support pour tout l’axe a été modélisée sous FreeCad, et imprimée à l’imprimante 3D. Tous les plans sont disponibles sur le dépôt Git pour la mini-éolienne. Une fois les pièces imprimées, l’aimant a été monté sur une tige filetée M6 de 125mm de long en Inox (si possible du A4, mais il est hors de prix, du A2 est donc suffisant). Pour maintenir l’aimant solidaire de l’axe, du Téflon a été enroulé autour de la tige, et deux écrous M6 pour serrer l’aimant. Attention en serrant, l’aimant est très fort, et les outils en métal sont attirés par lui, ce qui peut se révéler problématique. Le port de lunettes de protection est recommandé. Les deux roulements en plastique ont été montés sur les supports, puis l’axe inséré dans ces roulements. Une fois ceci fait, de la tige filetée M3 en inox toujours a été utilisée pour assembler les portions. Pour rendre le résultat propre, pensez à faire tourner l’axe central, et à régler si besoin l’écartement des supports. L’axe doit tourner sans contraintes.

Maintenant que l’armature est terminée, il reste une des parties les plus ennuyeuses : bobiner le stator. Le générateur est triphasé, il faut donc trois bobines. Dans sa version actuelle, chaque bobine est constituée de 300 tours de fil de cuivre émaillé de diamètre 0.25mm, dans le sens horaire. Attention en bobinant, le fil a tendance à s’accrocher sur les tiges filetées ou à rester hors de l’encoche circulaire prévue pour le bobinage. Les trois bobines doivent avoir le même sens, pensez à marquer les fils d’entrée et de sortie de chaque bobine.

Une fois les bobines terminées, on peut monter les pieds du générateur. Faites passer les bouts des bobines dans les petits trous prévus à cet effet, puis montez les pieds sur les tiges M3 de l’armature.

Si possible, les fils devraient passer du côté opposé à l’hélice. Montez ensuite le pied du côté de l’hélice. Le générateur est terminé. Vous pouvez vérifier que tout fonctionne avec un voltmètre. En lançant l’axe avec les doigts, on obtient sur notre éolienne un pic à 4.5V sur chaque bobine.

Support et mât

En cours de réalisation !

Conversion éléctrique

L’éolienne produit un courant alternatif triphasé, incompatible avec la charge d’appareils mobiles. Il faut donc convertir ce courant. La première étape est le redressement des différentes phases. Pour celà, on utilise un pont de Graetz avec des diodes, et un redressement complet. Ceci requiert 6 donc 6 diodes. Dans sa version actuelle, seule un branchement en étoile a été tenté. Une fois redressé, on obtient, dans un vent qui avoisinant les 10km/h, entre 5V et 10V selon les rafales. Notez que la vitesse du vent n’a pas été mesurée, des tests plus précis seront réalisés prochainement.