Pompe à vent

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Une pompe à vent à lames multiples dans une ferme de l'Iowa.

Une pompe à vent ou pompe à énergie éolienne (En anglais, windpump ou drainage windmills) est un type d'éolienne utilisée pour pomper de l'eau.

De Olifant at Burdaard, Friesland

Les pompes à vent ont été utilisées pour pomper de l'eau depuis au moins le IXe siècle dans ce qui est aujourd'hui l'Afghanistan, l'Iran et le Pakistan. L’utilisation d’éoliennes s’est généralisée dans le monde musulman, puis en Chine et en Inde[1]. Les moulins à vent ont par la suite été largement utilisés en Europe, notamment aux Pays-Bas et dans la région d’East Anglie en Grande-Bretagne, à partir de la fin du Moyen Âge, pour drainer des terres à des fins agricoles ou constructives..

Les travaux de Simon Stevin dans le secteur des eaux ont consisté à améliorer les écluses et les déversoirs afin de contrôler les inondations. Les moulins à vent (moulin de polder) étaient déjà utilisés pour pomper l'eau, mais dans Van de Molens (À propos des moulins), il a suggéré des améliorations, notamment l'idée que les roues doivent bouger lentement et un meilleur système pour engrener les dents de l'engrenage. Ces améliorations ont multiplié par trois l'efficacité des éoliennes utilisées pour pomper l'eau des polders[2]. Stevin a obtenu un brevet sur son innovation en 1586.

Des moulins à vent à huit ou dix pales ont été utilisés dans la Région de Murcie en Espagne pour recueillir l'eau à des fins d'irrigation[3]. L'entraînement du rotor de l'éolienne a été conduit à travers la tour et à travers le mur pour faire tourner une grande roue appelée noria. La noria supportait une chaîne à godets qui pendait dans le puits. Les seaux étaient traditionnellement en bois ou en argile. Ces moulins à vent sont restés en service jusque dans les années 1950 et nombre de leurs tours sont encore debout.

Bernard Forest de Bélidor en 1737 dans son Architecture hydraulique décrit le mécanisme d'une pompe aspirante dont le piston agit par le moyen des ailes d'un moulin à vent[4].

Les premiers immigrants du Nouveau Monde ont apporté avec eux la technologie des moulins à vent d’Europe[5]. Dans les fermes américaines, en particulier dans les Grandes Plaines, des pompes à vent ont été utilisées pour pomper l’eau des puits de ferme, pour abreuver le bétail. En Californie et dans d’autres États, le moulin à vent faisait partie d’un système autonome d’alimentation en eau domestique, comprenant un puits creusé à la main et un château d’eau en séquoias, soutenant un réservoir de séquoias et entouré d’un revêtement extérieur (Tankhouse (en)). La pompe à vent de ferme auto-régulée a été inventée par Daniel Halladay (en) en 1854[6],[7]. Finalement, des pales en acier et des pylônes en acier ont remplacé la construction en bois et, à leur apogée en 1930, environ 600 000 unités étaient utilisées, avec une capacité équivalente à 150 mégawatts[8]. De très grandes éoliennes plus légères en Australie, lancent directement la pompe avec le rotor de l’éolienne. Un engrenage arrière supplémentaire entre les petits rotors, pour les zones de grand vent, et la manivelle de la pompe, empêchent d'essayer de pousser les tiges de la pompe sur la course descendante, plus rapidement qu'elles ne peuvent tomber par gravité. Sinon, un pompage trop rapide entraîne le flambage des tiges de pompe, ce qui provoque une fuite du joint du presse-étoupe et une usure à travers la paroi de la conduite principale (UK: rising main, US: drop-pipe), de sorte que toute sortie est perdue[pas clair].

La pompe à vent à aubes multiples ou turbine à vent située au sommet d’une tour en treillis bois ou acier est donc devenue, pendant de nombreuses années, un élément essentiel du paysage à travers l’Amérique rurale. Ces moulins, fabriqués par divers fabricants, comportaient un grand nombre de pales leur permettant de tourner lentement, avec un couple important, par vent modéré et de s'auto-réguler par vent fort. Une boîte à engrenages et un vilebrequin au sommet d'une tour ont converti le mouvement de rotation en mouvements alternatifs; entraînant vers le bas une tige jusqu'au cylindre de pompe situé dessous. Aujourd'hui, la hausse des coûts de l'énergie et l'amélioration de la technologie de pompage suscitent un intérêt croissant pour l'utilisation de cette technologie qui jadis allait déclinant .

Utilisation universelle[modifier | modifier le code]

Un drainage windmills, moulin de polder en bois dans les Fens du Cambridgeshire, au Royaume-Uni

Les Pays-Bas sont bien connus pour leurs moulins à vent (moulin de polder). La plupart de ces structures emblématiques situées le long des polders sont en réalité des pompes à vent, conçues pour drainer le sol. Celles-ci sont particulièrement importantes car une grande partie du pays se situe sous le niveau de la mer.

Au Royaume-Uni, le terme windpump  est rarement utilisé, et ils sont mieux connus sous le nom drainage windmills (éoliennes de drainage). Nombre d'entre elles ont été construites dans Broads et les Fens d'Est-Anglie pour permettre l'assèchement des terrains, mais la plupart d'entre elles ont depuis été remplacées par des pompes à moteur diesel ou électriques. De nombreux moulins à vent d'origine sont encore dans un état délabré, même si certains ont été restaurés.

Les pompes à vent sont largement utilisées en Afrique australe, en Australie et dans les fermes et les ranchs des plaines centrales et du sud-ouest des États-Unis. En Afrique du Sud et en Namibie, des milliers de pompes à vent fonctionnent toujours. Celles-ci sont principalement utilisées pour fournir de l'eau à usage humain ainsi que de l'eau de boisson pour les grands stocks de moutons.

Le Kenya a également bénéficié du développement en Afrique des technologies de la pompe à vent. À la fin des années 1970, l’ONG britannique Intermediate Technology Development Group a fourni un appui en ingénierie à la société kényane Bobs Harries Engineering Ltd pour le développement des pompes à vent Kijito. Bobs Harries Engineering Ltd fabrique toujours les pompes à vent Kijito, dont plus de 300 fonctionnent dans toute l'Afrique de l'Est.

Dans de nombreuses régions du monde, une pompe à corde est utilisée conjointement avec des éoliennes. Cette pompe facile à construire fonctionne en tirant une corde nouée à travers un tuyau (généralement un simple tuyau en PVC), entraînant ainsi le pompage de l'eau dans le tuyau. Ce type de pompe est devenu courant au Nicaragua et ailleurs.

Construction[modifier | modifier le code]

Pour construire une pompe éolienne, le rotor à lames doit être adapté à la pompe. Avec les pompes à vent non électriques, les rotors à haute solidité sont mieux utilisés conjointement avec les pompes à déplacement positif (à piston), car les pompes à piston à simple effet nécessitent environ trois fois plus de couple pour les démarrer que pour les maintenir en marche. Les rotors à faible solidité, par contre, sont mieux utilisés avec les pompes centrifuges, les échelle à eau (waterladder pump (en)) et les pompes à chaîne et à rondelle, pour lesquelles le couple requis par la pompe pour démarrer est inférieur à celui nécessaire pour fonctionner à la vitesse de conception. Les rotors à faible solidité sont mieux utilisés s'ils sont destinés à entraîner un générateur d'électricité; qui à son tour peut entraîner la pompe[9].

Pompes à vent à lames multiples.[modifier | modifier le code]

Pompe à eau éolienne à Oak Park Farm, Shedd, Oregon.

Les éoliennes à lames multiples se trouvent dans le monde entier et sont fabriquées aux États-Unis, en Argentine, en Chine, en Nouvelle-Zélande et en Afrique du Sud. Une pompe à vent de 16 pi (4,8 m) de diamètre peut soulever jusqu'à 1600 gallons américains (environ 6,4 tonnes métriques) d'eau par heure jusqu'à une altitude de 100 pi avec un vent de 15 à 20 mph (24–32 km / h)[10]. Cependant, ils ont besoin d’un vent fort pour renverser la manivelle de la pompe à piston. Les pompes éoliennes nécessitent peu d'entretien - en règle générale, il suffit de changer l'huile de boîte à engrenages chaque année[11].. On estime que 60 000 pompes à vent sont encore utilisées aux États-Unis. Ils sont particulièrement intéressants pour une utilisation sur des sites distants où l’alimentation électrique n’est pas disponible et où la maintenance est difficile à fournir.

Une pompe à vent à plusieurs lames commune alimente utilement environ 4% à 8% de la puissance éolienne annuelle traversant la zone balayée[12],[13] Cette conversion plus faible est due à une mauvaise adaptation de la charge entre les rotors de vent et les pompes à pistons à course fixe.

Problèmes fondamentaux des pompes à vent à lames multiples[modifier | modifier le code]

Rotor inefficient[modifier | modifier le code]

Réservoir d'eau abandonné avec moulin à vent en arrière-plan

La caractéristique principale d'un rotor à plusieurs lames est le "couple de démarrage élevé", nécessaire au démarrage d'une pompe à piston. Une fois démarré, un rotor à plusieurs pales fonctionne à un rapport de vitesse de rotation trop élevé et à un rendement inférieur à son meilleur rendement de 30%[14]. D'autre part, les rotors éoliens modernes peuvent fonctionner avec une efficacité aérodynamique de plus de 40% à un rapport de vitesse de rotation plus élevé pour un tourbillon plus faible ajouté et gaspillé au vent. Mais ils auraient besoin d'un mécanisme de course très variable plutôt que d'une simple manivelle pour pompe à piston.

Mauvaise correspondance de charge[modifier | modifier le code]

Une éolienne à plusieurs lames est un dispositif mécanique avec une pompe à piston. Comme une pompe à piston a une course fixe, la demande en énergie de ce type de pompe est proportionnelle à la vitesse de la pompe uniquement. D'autre part, l'alimentation en énergie d'un rotor éolien est proportionnelle au cube de la vitesse du vent. Pour cette raison, un rotor éolien tourne à une vitesse excessive (plus de vitesse que nécessaire), ce qui entraîne une perte d'efficacité aérodynamique.

Une course variable correspondrait à la vitesse du rotor en fonction de la vitesse du vent, fonctionnant comme un "générateur à vitesse variable". Le débit de la pompe à vent à course variable peut être augmenté deux fois, par rapport à une pompe à vent à course fixe à la même vitesse du vent[15].

Variation du couple cyclique.[modifier | modifier le code]

Une pompe à piston a une phase d’aspiration très légère, mais la course ascendante est lourde et impose un couple important en retour au rotor de départ lorsque la manivelle est horizontale et ascendante. Un contrepoids sur la manivelle dans la tour et un mouvement de lacet avec la direction du vent peuvent au moins étendre le couple à la descente de la manivelle.

Développement de pompes éoliennes améliorées[modifier | modifier le code]

Bien que les pompes à vent à lames multiples reposent sur une technologie éprouvée et soient largement utilisées, elles présentent les problèmes fondamentaux mentionnés ci-dessus et nécessitent un mécanisme de course variable.

Expériences de l'USDA au Texas[modifier | modifier le code]

Entre 1988 et 1990, une pompe éolienne à course variable a été testée au USDA-Agriculture Research Center-Texas, à partir de deux modèles brevetés (brevet Don E. Avery n ° 4.392.785, 1983 et brevet Elmo G. Harris n ° 617.877, 1899).. Les systèmes de commande des pompes à vent à course variable étaient mécaniques et hydrauliques; toutefois, ces expériences n’ont attiré l’attention d’aucun fabricant de pompes à vent. Après des expériences avec cette pompe éolienne à course variable, les recherches ont porté sur les systèmes de pompage d’eau éoliens-électriques; Il n'existe pas encore de pompe à vent à course variable commerciale.

Pompes à vent flottant/[modifier | modifier le code]

Des pompes à vent flottantes (fluttering windpumps) ont été développées au Canada avec une course de pompe variant fortement avec l’amplitude, absorbant toute la puissance variable dans le vent et empêchant la lame unique (uniblade) de balancer trop loin au-delà de l’horizontal par rapport à sa position verticale. Elles sont beaucoup plus légères et utilisent moins de matériau que les pompes à vent à lames multiples et peuvent pomper efficacement par vent léger[16],[17].

Expériences turques[modifier | modifier le code]

Un ingénieur turc a repensé la technologie de pompe à vent à course variable en utilisant un équipement de commande électronique moderne. La recherche a débuté en 2004 avec le soutien de la R & D du gouvernement. Les premières pompes à vent à course variable de nouvelle génération ont été conçues après dix ans de recherche et développement. La conception de la pompe à vent à course variable de 30 kW comprend un rotor de type Darrieus moderne, une technologie de freinage à contrepoids et à récupération[18].

Combinaisons[modifier | modifier le code]

Tjasker[modifier | modifier le code]

The tjasker

Aux Pays-Bas, le Tjasker est un moulin à drainage à voiles communes relié à une vis d'Archimède. Ceci est utilisé pour pomper de l'eau dans les zones où seulement un petit ascenseur est nécessaire. L'arbre à vent repose sur un trépied qui lui permet de pivoter. La vis d'Archimède soulève de l'eau dans un anneau collecteur, où elle est aspirée dans un fossé à un niveau supérieur, drainant ainsi la terre[19].

Pompes à vent thaïlandaises/[modifier | modifier le code]

En Thaïlande, les pompes à vent sont traditionnellement construites sur des modèles de pompes à vent chinois. Ces pompes sont construites à partir de poteaux en bambou à armatures métalliques ou de voiles en natte de bambou; une pompe à aubes ou une pompe à eau est fixée à un rotor thaïlandais. Ils sont principalement utilisés dans les marais salant où la remontée d’eau requise est généralement inférieure à 1 mètre[20].

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Références[modifier | modifier le code]

  1. Donald Routledge Hill, "Mechanical Engineering in the Medieval Near East", Scientific American, May 1991, p. 64-69. (cf. Donald Routledge Hill, Mechanical Engineering)
  2. The Story of Science: Power, Proof & Passion - EP4: Can We Have Unlimited Power?
  3. http://www.yachtmollymawk.com/2008/11/spanish-water-works/ Water-lifting mills in the Region of Murcia, Spain
  4. Bernard Forest de Bélidorn Architecture hydraulique ou l'art de conduire, d’élever, et de ménager les eaux, volumes 1 à 2. Charles-Antoine Jombert, 1739. Lire en ligne
  5. "Brief History of Windmills in the New World"
  6. americanheritage.com
  7. fnal.gov
  8. Paul Gipe, Wind Energy Comes of Age, John Wiley and Sons, 1995
  9. Water lifting devices; matching bladed rotors to pumps
  10. Iron Man Windmill Website pumping capacity calculator, retrieved January 15, 2011
  11. Aermotor Web site frequently asked questions, retrieved Sept. 17, 2008
  12. Argaw, N.,"Renewable Energy for Water Pumping Applications in Rural Villages",2003, NREL Report 30361, page 27
  13. Brian Vick, Nolan Clark "Performance and Economic Comparison of a Mechanical Windmill to Wind-Electric Water Pumping System", 1997, USDA-Agricultural Research Service, see Figure-2
  14. Hau, Erich "Wind Turbines", 2005, page 101, Fig.5-10
  15. Clark, Nolan "Variable Stroke Pumping for Mechanical Windmills", 1990, AWEA Proceedings
  16. http://www.econologica.org
  17. https://www.youtube.com/watch?v=6zIj7LCtX0U
  18. ENA Yelkapan Technologies Ltd.
  19. « The types of windmills », Odur (consulté le 24 mai 2008)
  20. P.T. Smulders, « Wind water pumping: the forgotten option », Energy for Sustainable Development, vol. 11, no 5,‎ (lire en ligne)
  21. Coil pump frequently used for windpump construction

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Sarton, George, « Simon Stevin of Bruges (1548-1620) », Isis, vol. 21, no 2,‎ , p. 241–303 (DOI 10.1086/346851)