Dionysienne à axe horizontal
Equipe : ZEPHYR
Présentation:
Nous sommes étudiants au département GIM de l’IUT de Saint-Denis. L’objectif de cette formation est d’effectuer de la maintenance sur tous types d’équipements pluri-techniques et installations multi-techniques.
Pour l’édition 2023 à St Nazaire , nous sommes fiers de vous présenter ZEPHYR , notre éolienne nouvelle génération
Notre équipe est constituée de :
Présentation de l’éolienne:
Notre éolienne est principalement construite à partir de pièces imprimées en 3D. Nous avons utilisé un programme appelé « Darwin » pour sélectionner les profils de pales les plus performants. Ce programme utilise un processus d’évolution artificielle pour générer et sélectionner les meilleurs profils de pales en fonction des critères que nous avons déterminés pour répondre à nos besoins spécifiques. Cette méthode de sélection des profils de pales peut être considérée comme innovante et efficace.
Le rotor et le stator de l’éolienne ont également été conçus par impression 3D, ce qui permet de minimiser le poids de l’ensemble tout en garantissant une résistivité élevée. Cela montre que l’impression 3D est une technologie très utile pour la création de pièces complexes, légères et résistantes.
Fonctionnement de l’éolienne:
L’éolienne est un dispositif qui transforme l’énergie cinétique du vent en énergie électrique. Les pales de l’éolienne sont conçues pour capter l’énergie cinétique du vent. Lorsque le vent souffle, il pousse les pales et les fait tourner autour d’un axe central. Les pales sont connectées au rotor, qui est une pièce rotative de l’éolienne. Lorsque les pales tournent, elles transmettent l’énergie mécanique au rotor, qui tourne également. Le rotor est composé d’un aimant ou d’une série d’aimants qui créent un champ magnétique. Le stator, quant à lui, est composé de bobines de cuivre qui sont disposées autour du rotor. Lorsque le rotor tourne, le champ magnétique tournant créé par les aimants engendre un flux électrique dans les bobines du stator. Ce flux électrique produit une différence de potentiel entre les extrémités des bobines, ce qui génère de l’électricité. Cette électricité peut être stockée dans des batteries pour une utilisation ultérieure ou être envoyée directement à un onduleur pour être convertie en courant alternatif et utilisée pour alimenter des appareils électriques. En résumé, le fonctionnement d’une éolienne repose sur la capture de l’énergie cinétique du vent par les pales, qui transmettent l’énergie mécanique au rotor. Le rotor crée un champ magnétique tournant dans les bobines du stator, ce qui produit de l’électricité. Cette électricité peut être stockée ou utilisée directement pour alimenter des appareils électriques.
Conception et fabrication des pales:
Pour créer les pales de notre éolienne, nous avons utilisé le logiciel « programme Darwin », qui nous a permis de calculer la forme optimale de la pale pour obtenir une aérodynamisme efficace et ainsi réduire les frottements. Ce logiciel a créé plusieurs pales sur plusieurs générations et nous a donné en fin de programme la pale la plus performante en fonction des critères que nous avions définis.
Une fois la forme optimale de la pale obtenue, nous modélisons la pale sur SolidWorks puis sur Cura (afin de réaliser les pièces en 3D) (afin de l’imprimer, nous avons enregistré le fichier sur une carte SD afin de pouvoir l’imprimer. L’impression a été réalisée dans un parc d’imprimantes 3D, où les six premières pales de notre éolienne ont été imprimées, ainsi que la majorité des autres composants.
Systèmes de pivot des pales :
A parti de ce que nous avons découvert des dionysiennes développées par nos prédécesseurs, nous avons voulu innover et nous donner un défi : réaliser une dionysienne active équipée d’un système d’orientation des pales.
Ce système repose sur 3 hubs:
C’est l’énergie centrifuge qui « actionne » le système, rapprochant les hubs selon la vitesse de rotation et réglant ainsi l’orientation des pales.
La génératrice de notre éolienne est constituée :
Enroulements du stator de la génératrice
Cela permet de produire du courant à l’instar d’un alternateur.
Génératrice de l’éolienne conçue en 3D sur SolidWorks
ESSAIS ssais en soufflerie (St-Denis) :
Utilisation de la soufflerie et acquisition des données de production de l’éolienne ?
Qu’est ce qu’une soufflerie ?
Une soufflerie est une installation d’essai utilisée en aérodynamique pour étudier les effets du flux d’air sur le corps, généralement un modèle réduit en taille par rapport à la réalité. La soufflerie est composée d’un circuit aérodynamique qui comporte une veine d’essais. Il existe des souffleries à circuit ouvert et à circuit fermé.
Comment fonctionne une soufflerie ?
Le système consiste en un anneau dans lequel de l’air circule. Nous devons placer le support de test au milieu de la chambre d’essais. Le vent est créé par une hélice de ventilateur située à l’intérieur du tunnel. Afin que le vent ne soit pas perturbé, l’intérieur du tunnel est constitué de déflecteurs qui permettent de corriger le flux.
Après un contrôle de serrage des différents éléments de la turbine, nous pouvons placer l’éolienne dans la soufflerie et la fixer au sol:
Puis nous effectuons les branchements nécessaires pour lancer la soufflerie et ainsi acquérir des données sur l’application « test_hacheurV2 » spécialement développée (un essai pour chaque inclinaison des pales / inclinaison réglée à l’aide d’un smartphone et d’un repère) :
Pour effectuer l’orientation, nous devons dévisser les écrous, ce qui nous permet de faire bouger le hub. Des biellettes qui relient le hub aux pales permettent d’orienter toutes les pâles de l’éolienne:
Une fois que nous avons fixé l’orientation, nous pouvons lancer la soufflerie ainsi que l’application “TesteurHacheurV2” sur notre smartphone. Voici une image de l’interface de cette application:
Sur l’application, nous pouvons relever la puissance (W), l’intensité du courant (A) et la tension (V) et sortie de l’éolienne. Puis sur un oscilloscope, nous pouvons également relever la vitesse de rotation (tr/min) en utilisant la formule n(t/min) = 60 x f / p = 60 / (p x T) avec p = 6 dans notre cas :
Voici le tableau qui regroupe les données relevées:
On obtient ainsi les courbes suivantes pour la première génération des pales:
Courbes obtenues lors des tests des pales
Est-ce que l’éolienne ZEPHYR est fiable ?
Nous avons réalisé des tests de résistance jusqu’à rupture afin de déceler tout défaut de fiabilité. Suite à ces tests, nous avons amélioré la qualité de notre éolienne en utilisant diverses techniques telles que la mise en place d’un outil de surveillance (Grafana) pour visualiser et surveiller son fonctionnement, ainsi que des modifications comme l’optimisation des profils des pales, la création de nouveaux supports d’extrémité de pale et le réglage de l’espacement entre le rotor et le stator, ce qui a permis d’obtenir des résultats encore plus performants.
ZEPHYR est-elle une éolienne innovante ?
Nous avons installé un système de surveillance Grafana afin de tester de nouveaux profils de pales pour notre éolienne. En principe, une éolienne horizontal ne peut pas démarrer seule, mais grâce aux nouveaux profils de pales que nous avons développés, elle peut désormais démarrer sans assistance tout en maintenant des performances optimales. Pour la conception de ces nouveaux profils, nous avons utilisé un logiciel basé sur la théorie de l’évolution, également appelé « Darwin ». Cela nous a permis d’éviter d’ajouter des systèmes complexes à l’éolienne pour son démarrage, tout en améliorant sa fiabilité.Nous avons aussi un nouveau système: des pales qui se pivote grâce a des hubs (hub relié à la pale à l’aide de billette).
ZEPHYR est-elle maintenable ?
Afin d’assurer la maintenabilité de notre éolienne ZEPHYR, nous avons mis en place une gamme de montage/démontage pour permettre aux futurs utilisateurs de se familiariser avec le système. Notre éolienne est conçue de manière simple, avec des pièces facilement accessibles telles que des pales imprimé à l’aide d’une imprimante 3D et des supports de pale. Nous avons également mis en place un suivi de la performance de l’éolienne sur un tableau de bord (Grafana), avec l’intégration de capteurs et la mise en place de seuils pour assurer un fonctionnement optimal.
ZEPHYR s’intègre t-elle urbainement ?
Notre éolienne, de type Aval ou Amont, est facilement intégrable dans l’environnement urbain grâce à son design simple et à ses choix de couleurs sobres. De plus, elle est silencieuse et peut tourner dans n’importe quelle direction du vent, ce qui constitue un avantage. Cette éolienne résiste également à l’eau, ce qui la rend adaptée à une utilisation en milieu urbain.