HISTORIQUE :

Cette recherche d’une nouvelle éolienne a été faite initialement pour une association spécialisée dans l’Education à l’Environnement, crée par des enseignants passionnés. L’un de ses objectifs était d’apporter à l’Afrique par l’intermédiaire de ses enseignants, des solutions écologiques simples et économiques, réalisables sur place, si possible avec la participation des enfants eux mêmes.

Le cahier des charges de cette « éolienne Africaine » était très contraignant . Elle devait être :

1- Efficace : pas « symbolique » ou « décorative » mais réellement utilisable pour l’alimentation électrique des écoles des villages isolés.

2- Economique : fabriquée avec des matériaux courants peu onéreux . Seuls le générateur et les batteries devaient être importés.

3- Simple, réalisable et réparable sur place, car l’expérience a prouvé que ce qui était construit in-situ était beaucoup mieux entretenu que du matériel importé. Sans compter sur la fierté légitime des villageois d’œuvrer pour le bien commun et de ne plus se sentir assistés.

4- Silencieuse, car même la fée électricité ne vaut pas qu’on lui sacrifie son sommeil !

5- Pas dangereuse : étant installée au cœur des villages, cette éolienne devait être capable de supporter des surventes sans se briser . Cette contrainte, sans doute la plus importante, était également la plus difficile à respecter car elle excluait à priori toutes les solutions techniques existantes : les pales rigides d’une éolienne classique arrachées par une tempête pouvant un jour jouer les « sabres volants » dans la cour de l’école…

Pour respecter tous ces impératifs, les problèmes techniques sont nombreux et s’additionnent, par exemple : pour être simple elle doit être auto-orientée, pour être sûre, elle doit être auto-régulée, etc. Certes, des solutions modernes existent avec des éoliennes du commerce, mais elles sont trop sophistiquées donc trop onéreuses et peu fiables dans le contexte « rustique » des pays en voie de développement. Bref, cela revenait à découvrir le « mouton à cinq pattes » des éoliennes ! Mais paradoxalement, ces contraintes drastiques m’ont aussi aidé à concevoir une éolienne originale dont les qualités principales sont la souplesse et la légèreté, d’où son nom : « Soupl’éole », et sa devise (peut-être un peu ambitieuse…) : « elle plie mais ne rompt pas » !

Dans mes élucubrations, comme Icare, je voulais faire ressembler ses pales aux ailes des oiseaux. Comme cet illustre prédécesseur, j’ai fait beaucoup essais et erreurs, mais fort heureusement moins dramatiques… La démarche a été longue car il est toujours plus facile de faire compliqué que simple. J’ai cherché dans un premier temps à faire une éolienne à axe vertical mais son rendement était insuffisant. Je suis donc revenu à un axe horizontal. Pour la souplesse et l’économie, j’ai tout de suite pensé à faire une éolienne à voile (domaine que je connais bien en naviguant depuis 50 ans sur de nombreux voiliers). Pour la sécurité également car une voile qui se déchire dans la tempête sera toujours moins dangereuse que des pales de carbone projetées à plusieurs mètres. Certes, rien de bien novateur car les moulins grecs ou crétois (qui m’ont toujours fasciné par leur simplicité et leur beauté), dominent les îles de la mer Egée depuis des millénaires. Mais leurs meuniers étaient contraints de veiller jours et nuits sur l’enroulement des voiles sous peine de destruction lors des tempêtes. J’ai donc essayé de rendre cet enroulement automatique en utilisant la force centrifuge. La première maquette que j’ai faite fonctionnait parfaitement mais était beaucoup trop compliquée et donc peu fiable.

Après d’autres tentatives avec des voiles coniques ou en forme d’anneaux, mais toujours avec une armature rigide, donc dangereuse, j’ai progressivement orienté mes essais vers une armature souple soutenant les voiles qui seule pourrait s’adapter automatiquement aux sautes de vent en toute sécurité. Après de nombreux croquis et trois maquettes d’éoliennes souples, dont une gonflable, je crois avoir trouvé une solution simple et fiable. ( voir les pages suivantes) Lors de la fabrication des maquettes, je me suis aperçu qu’elle était relativement aisée pour un bricoleur moyen comme moi donc qu’elle pourrait intéresser des particuliers à la recherche d’une petite ou moyenne éolienne économique et facile à fabriquer pour une utilisation domestique.

CONCEPTION :

Etat de la technique : Presque toutes les éoliennes modernes, des plus grandes tripales aux plus petites, comme celles installées sur les voiliers, sont à axe horizontal car elles sont les plus efficaces. Le dessin de leurs pales rigides, dans la recherche du meilleur rendement, est toujours le résultat d’un compromis : vitesse de rotation / vitesse moyenne du vent. Leur surface ainsi que leur vrillage de l’axe vers l’extrémité ne peuvent être modifiés, et leur pas : leur angle par rapport au plan de rotation, est presque toujours fixe. Seules les très grandes disposent de systèmes sophistiqués pour régler le pas des pales, mais ils ne sont pas utilisables à petite échelle car trop lourds et volumineux et surtout trop onéreux. Résultats : ces éoliennes ont leurs limites : ne démarrent qu’a partir une certaine vitesse de vent, ne produisent convenablement que par vent moyen, et doivent être arrêtées, sous peine de destruction, lors des tempêtes. La seule solution simple pour qu’une éolienne puisse s’adapter automatiquement en permanence aux sautes de vent : il faudrait que ses pales soient souples, comme les ailes des oiseaux. C’est l’objectif de la présente recherche qui porte sur une éolienne légère, à axe horizontal, auto-régulée grâce à la souplesse de sa structure faite de tiges flexibles, doublées ou remplacées par des boudins gonflables. Elle plie mais ne rompt pas. Pour que ses pales soient déformables elles sont recouvertes de voiles en double épaisseur, qui, de plus, forment des tuyères courbes canalisant l’air vers leurs extrémités pour renforcer la rotation par réaction. Ce sont des turbo-pales. Toujours par souci de simplicité et de légèreté elle est également auto-orientée sous le vent de son mat, donc dépourvue d’un gouvernail lourd et encombrant .

FABRICATION :

L’armature souple :

Elle est faite de tiges flexibles, effilées et recourbées dans le plan de rotation. Pour que les pales soient facilement démontables ces tiges sont enfilées dans des tubes fixés par des pontets réglables par des boulons sur les côtés d’un moyeu en forme de polygone.

Cette pièce, qui a autant de côtés que de pales, est solidarisée à l’arbre du générateur , pour lui transmettre le couple de rotation . Ce dispositif simple permet de modifier l’angle frontal des tiges de l’armature ce qui règle le pas et le vrillage des pales souples, afin de trouver la rotation optimale de l’éolienne.

Selon une variante de l’éolienne, l’armature en fibres de verre ou de carbone peut être doublée ou remplacée, pour l’alléger ou pour augmenter l’épaisseur du profil des pales, par des chambres à air gonflables en forme de crosses dont les extrémités sont effilées. Ces boudins gonflables peuvent être confectionnés, selon leur tailles, avec des chambres à air de caoutchouc, avec des films de polyuréthane soudés comme ceux des voiles de Kit Surf, ou avec des tissus imprégnés plus résistants comme ceux des bateaux pneumatiques.

Les pales creuses :

Pour être flexibles, elles sont faites avec des voiles en double épaisseur qui viennent recouvrir la structure comme des housses ouvertes aux deux extrémités. Elles sont tendues entre la tige souple de l’armature et/ou le boudin gonflable sur le bord d’attaque, et un cordage : le « nerf de chute » , sur le bord de fuite. Ce cordage relie l’extrémité de la tige souple à un sandow, un ressort, ou un vérin, selon la taille, fixé sur le côté adjacent du moyeu polygonal. Sa tension permet de régler la courbure initiale de l’armature dans le sens de rotation, et de permettre à la voile de se mettre en drapeau dans les tempêtes. La largeur des pales à leur bases est celle des cotés du moyeu polygonal.

A l’identique des pales rigides des éoliennes traditionnelles, elles sont effilées et vrillées du centre vers leurs extrémités et utilisent la composante transversale de la poussée vélique pour faire tourner cette éolienne.

Ces voiles sont, de plus, cintrées dans le sens et le plan de rotation, et ouvertes à leur base, de manière à ce que l’air s’y engouffre. Elles forment des tuyères courbes où l’air est ensuite canalisé jusqu’à l’extrémité distale de la pale pour ressortir en y étant accéléré, par une échancrure latérale plus petite sur le bord de fuite.

Les tissus utilisés pour ces pales sont ceux des voiles de la navigation de plaisance en jouant sur leur épaisseur, donc leur résistance, en fonction de la taille de l’éolienne : du tissu à spi pour les plus petites, aux toiles de fort grammage en fibres exotiques pour les plus grosses.

Selon une variante de l’éolienne, ces tissus peuvent être remplacés par des films souples de polyuréthane ou de polyéthylène, identiques à ceux des boudins gonflables, dont la transparence peut rendre l’éolienne particulièrement discrète pour lui permettre de mieux s’intégrer à son environnement. La fabrication de cette variante, en serait facilitée car ces films peuvent être assemblés par soudure au lieu d’être cousus comme les toiles à voiles.

Le générateur électrique ou hydraulique :

Ce générateur pivotant sur le mat est obligatoirement positionné au vent de la voilure pour que les pales ne puissent le toucher, cela permet aussi à cette éolienne d ‘être auto-orientée sans l’aide d’un gouvernail lourd et encombrant, puisque le centre de poussée vélique est en arrière du pivot . Etant placé en avant de l’éolienne, le générateur peut être caréné pour améliorer l’aérodynamisme.

Variantes structurelles :

Lors de la conception de l’éolienne, il est possible de moduler sur ses caractéristiques par le nombre de pales ou la surface des voiles : les pales peuvent être larges : pour plus de puissance, ou plus effilées : pour une plus grande vitesse de rotation. Cela permet de l’adapter d’une manière optimale selon son utilisation, à son générateur et aux conditions météo du lieu. D’autres variantes structurelles sont envisageables :

 Sa légèreté lui permet d’être constituée de deux ou de plusieurs éoliennes identiques accolées ou espacées sur le même axe ou sur un câble sans torsion

 Pour diminuer le poids en tête de mat, et supprimer l’effet de masque, le générateur peut être déporté à sa base avec un renvoi à angle droit ou un câble flexible de transmission.

 Même dans de grandes dimensions, la légèreté de cette éolienne lui permet d’utiliser des mats de moindre section ou d’être suspendue à un ou deux points hauts, murs, arbres, ou falaises, dans le sens du vent dominant .

 Autre variante de l’éolienne : dans sa version avec armature gonflable, elle peut même être plus légère que l’air en étant gonflée à l’hélium.

FONCTIONNEMENT :

La souplesse de l’armature et des pales, permet à cette éolienne d’être très sure et auto-régulée : Elle plie mais ne rompt pas . Quand le vent force, la surface active des voiles est automatiquement réduite de deux manières simultanément :

 Par la déformation globale vers l’arrière de la structure, grâce à la souplesse de l’armature, ce qui diminue son diamètre frontal et sa prise au vent, donc réduit « l’effet parachute » et les efforts sur le mat et la fixation.

 Par l’effacement dans les rafales des extrémités des pales, qui par leur forme courbée dans le plan de rotation, et la tension progressive des nerfs de chute, peuvent pivoter et se vriller vers l’arrière pour se mettre « en drapeau ». Cela a pour effet de réduire considérablement la surface active des voiles, de ralentir la rotation et d’empêcher l’éolienne de s’emballer jusqu’à sa destruction pendant les tempêtes.

Quand le vent faibli, l’élasticité de l’armature, et les « nerfs de chute » : les cordages des bords de fuite des voiles, tendus par leurs sandows , ressorts ou vérins, redonnent son aspect initial à l’éolienne.

Le flux d’air pulsé dans les turbo-pales a plusieurs effets positifs :

 Il gonfle la voile creuse en lui donnant un profil aérodynamique optimal de pale d’éolienne : bombé sur l’extrados et plus plat sur l’intrados.

 Il renforce la rotation par réaction et effet Venturi à sa sortie distale en étant dévié latéralement et accéléré par la forme en tuyère courbe de la voile creuse.

 Il améliore l’aérodynamisme en empêchant la formation de turbulences : les vortex, aux extrémités des pales. Ce qui, avec leur courbure dans le sens de rotation, atténue le bruit à grande vitesse. Les voiles s’effacent dans l’air et ne le cisaillent pas en sifflant comme des pales rigides. Résultat : cette éolienne est quasiment silencieuse.

 D’un point de vue pratique : ces ouvertures pratiquées aux extrémités des voiles creuses leur permettent également d’évacuer l’eau de pluie, la neige ou le sable qui pourraient s’y accumuler et les alourdir.

INTERETS :

Bien qu’envisageable dans les grandes dimensions, où sa légèreté serait très intéressante pour en alléger toute la structure et donc la rendre beaucoup moins onéreuse, cette éolienne est plutôt conçue pour des dimensions plus modestes, donc de petites ou moyennes puissances. En effet elle présente de nombreux atouts pour une utilisation domestique :

 Elle est économique puisque construite avec des matériaux courants peu onéreux : scions de cannes à pêche pour l’armature souple, tissus de voiles pour les pales, etc.

 Sa réalisation est simple et n’impose pas un outillage spécifique et coûteux. Elle est adaptée à une construction amateur ou en « kit ».

 Elle est légère et ne nécessite donc pas de mats ou de supports surdimensionnés. Elle peut même être suspendue sur un câble tendu entre des points hauts.

 Elle est facilement démontable, donc aisément transportable.

 Elle est peu dangereuse du fait de la souplesse de son armature et des pales en toiles. Une voile qui se déchire sera toujours moins dangereuse qu’une pale rigide arrachée s’envolant dans la tempête.

 La souplesse, la forme courbée et la sortie d’air à leurs extrémités de ses pales la rendent silencieuse car elles ne fendent pas l’air en sifflant.

 Elle est aussi particulièrement esthétique grâce a la forme courbe et effilée de ses pales et à son absence de gouvernail. Elle peut même être transparente en étant fabriquée avec des films de polyuréthane ou de polyéthylène pour mieux s’intégrer à son environnement, ou être plus discrète pour le voisinage.

UTILISATIONS :

Cette éolienne a de nombreuses utilisations possibles (liste non limitative) :

 Peu dangereuse, construite avec des matériaux simples et économiques, facilement réparable, elle est particulièrement adaptée aux pays en voie de développement pour lesquels elle a été conçue initialement. Elle pourrait être confectionnée et réparée sur place. (Son armature pourrait être réalisée avec des tiges de bambous souples, et ses pales faites de palmes tressées, par exemples). Sa légèreté lui permettant de se passer d’un mat et de son haubanage en étant suspendue à un ou des points hauts : murs, arbres, ou falaises, son installation y serait encore plus économique.

 Dans des dimensions modestes, pour de petites puissances, elle est également parfaitement adaptée au camping et au yachting.

 Dans des utilisations domestiques : pour pomper de l’eau ou pour l’alimentation électrique d’habitations, avec des puissances moyennes, donc dans des dimensions plus importantes, elle est également très intéressante par son auto-régulation. Sa souplesse lui permet d’être installée, en toute sécurité, dans des sites isolés ou des régions aux vents irréguliers. Elle est même utilisable dans des sites urbains où les vents sont souvent turbulents du fait des constructions de différentes hauteurs. Sa version transparente, donc encore plus discrète, lui permettra une intégration plus facile dans son environnement en site isolé ou vis a vis du voisinage en habitat dense.

 Facilement démontable, surtout dans sa version gonflable, elle est même utilisable outre-mer dans les régions cycloniques.

 Transportable, elle peut alimenter en électricité les camps de base d’expéditions. Pour cette utilisation, sa version gonflée à l’hélium serait la plus appropriée car la plus légère . Mais elle serait également utilisable dans sa version classique, où les seules pièces lourdes et encombrantes sont le générateur et le mat. Dans ce cas, pour être encore plus adaptée à cette fonction nomade, son générateur peut être déporté au sol, relié à l’éolienne par un renvoi d’angle ou un câble flexible de transmission, et son mat peut être télescopique ou en plusieurs tronçons emboîtés. Il peut être stabilisé par des haubans fichés en terre ou reliés à une base ne nécessitant pas de scellements, constituée de cadres repliables tendus de toiles ou de filets, posés sur le sol et lestés, selon le lieu, de neige, de sable, de terre, ou de pierres.

 Etant allégée de son générateur, elle peut, pour une utilisation ludique, être utilisée comme cerf volant contrôlé du sol par une suspente à émerillon. L’aspect esthétique de sa rotation peut être accentué par des rubans fixés au extrémités des pales et s’enroulant en spirale dans son sillage.