Moulin à vent

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Contexte

Une éolienne est une structure ou une machine qui convertit le vent en énergie utilisable grâce à la rotation d'une roue composée de pales réglables. Traditionnellement, l'énergie générée par un moulin à vent a été utilisée pour moudre le grain en farine. Les moulins à vent sont conçus par des artisans qualifiés et peuvent être construits sur place à l'aide d'outils manuels. Les moulins à vent se sont développés régulièrement au cours des siècles et ont atteint leur apogée en Europe au XVIIIe siècle. Ils ont été largement remplacés en tant que structure de production d'électricité lorsque l'énergie à vapeur a été exploitée au cours du XIXe siècle. Aujourd'hui, la technologie des éoliennes connaît une renaissance et l'éolienne promet d'être une alternative importante aux combustibles fossiles à l'avenir.

Historique

L'homme a utilisé le vent pour alimenter des machines pendant des siècles. La première utilisation était très probablement comme source d'énergie pour les voiliers, les propulsant sur l'eau. La date exacte à laquelle les gens ont construit des moulins à vent spécifiquement pour effectuer des travaux est inconnue, mais la première conception de moulin à vent enregistrée est originaire de Perse vers AD 500-900. Cette machine était à l'origine utilisée pour pomper de l'eau puis elle a été adaptée pour moudre le grain. Il avait des voiles verticales faites de fagots de bois léger attachés à un arbre vertical par des entretoises horizontales. La conception, connue sous le nom de panemone, est l'une des structures d'éoliennes les moins efficaces inventées. Il convient de noter que les moulins à vent ont peut-être été utilisés en Chine il y a plus de 2 000 ans, ce qui en fait le véritable berceau des moulins à vent à axe vertical. Cependant, la première utilisation enregistrée trouvée par les archéologues en Chine est A.D. 1219.

Le concept du moulin à vent s'est répandu en Europe après les croisades. Les premiers dessins européens, documentés en A.D. 1270, avait des axes horizontaux au lieu de verticaux. La raison de cet écart est inconnue, mais elle est probablement le résultat de deux facteurs. Premièrement, les moulins à vent européens ont peut-être été modelés sur des roues hydrauliques à axe horizontal. La roue hydraulique était connue en Europe bien avant cela. Deuxièmement, la conception à axe horizontal était plus efficace et fonctionnait mieux. En général, ces moulins avaient quatre pales montées sur un poteau central. Ils avaient un engrenage et une couronne qui traduisaient le mouvement horizontal de l'arbre central en un mouvement vertical pour la meule ou la roue qui serait ensuite utilisée pour pomper de l'eau ou moudre le grain.

Les mécaniciens de chantier européens ont énormément amélioré la technologie des moulins à vent au cours des siècles. La plupart des innovations sont venues des Hollandais et des Anglais. L'une des améliorations les plus importantes a été l'introduction du moulin à tour. Cette conception a permis aux pales du moulin d'être déplacées dans le vent selon les besoins et le corps principal d'être fixé en permanence en place. Les Hollandais ont créé des tours à plusieurs étages où les opérateurs de moulins pouvaient travailler et aussi vivre. Les Anglais ont introduit un certain nombre de commandes automatiques qui ont rendu les moulins à vent plus efficaces.

Pendant le monde préindustriel, les moulins à vent étaient les moteurs électriques de l'Europe. En plus du pompage de l'eau et du broyage des grains, ils servaient à alimenter les scieries et à transformer les épices, les teintures et le tabac. Cependant, le développement de l'énergie à vapeur au cours du XIXe siècle et la nature incertaine de l'énergie éolienne ont entraîné un déclin constant de l'utilisation de grandes structures d'éoliennes. Aujourd'hui, seule une petite fraction des moulins à vent qui alimentaient le monde sont encore debout.

Même si les grands moulins à vent étaient abandonnés, les petits moulins à vent de type éventail prospéraient. Ces moulins à vent étaient principalement utilisés pour pomper l'eau dans les fermes. En Amérique, ces conceptions ont été perfectionnées au cours du XIXe siècle. Le moulin à vent Halladay a été introduit en 1854, suivi des conceptions Aermotor et Dempster. Les deux derniers modèles sont encore utilisés aujourd'hui. En fait, entre 1850 et 1970 aux États-Unis, plus de six millions ont été construits.

Conception

Il existe deux classes d'éoliennes, à axe horizontal et à axe vertical. La conception à axe vertical était populaire au début du développement de l'éolienne. Cependant, son inefficacité de fonctionnement a conduit au développement de nombreuses conceptions à axe horizontal.

Parmi les versions à axes horizontaux, il en existe une variété, notamment le broyeur à colonnes, le broyeur à smock, le broyeur à tour et le broyeur à ventilateur. La conception la plus ancienne est le moulin à poteaux. Il tire son nom du grand poteau vertical auquel le corps du moulin est en équilibre. Cette conception donne de la flexibilité à l'opérateur du moulin car le moulin à vent peut être tourné pour capter le plus de vent en fonction de la direction dans laquelle il souffle. Pour garder le poteau stable, une structure de support est construite autour de lui. En règle générale, cette structure est surélevée avec de la brique ou de la pierre pour éviter la pourriture.

Le moulin à poteaux a quatre lames montées sur un poteau central. L'arbre horizontal des lames est relié à une grande roue de freinage. La roue de freinage interagit avec un système d'engrenage, appelé le wallower, qui fait tourner un arbre central vertical. Ce mouvement peut ensuite être utilisé pour alimenter les activités de pompage d'eau ou de broyage des grains.

Le moulin à smock est similaire au moulin à poteaux mais a inclus quelques améliorations significatives. Le nom est dérivé du fait que le corps ressemble vaguement à une robe ou à une blouse comme on les appelait. Un avantage est le fait que seul le haut du moulin est mobile. Cela permet à la structure principale du corps d'être plus permanente tandis que le reste peut être ajusté pour capter le vent, quelle que soit la direction dans laquelle il souffle. Comme il ne bouge pas, le corps principal peut être agrandi et agrandi. Cela signifie que davantage d'équipements peuvent être logés dans le moulin et que des voiles plus hautes peuvent être utilisées pour collecter encore plus de vent. La plupart des moulins à smock sont à huit côtés bien que cela puisse varier de six à 12.

Les moulins à tour sont d'autres améliorations par rapport aux moulins à smock. Ils ont un capuchon rotatif et un corps permanent, mais ce corps est en brique ou en pierre. Ce fait permet aux tours d'être arrondies. Une structure ronde permet des tours encore plus grandes et plus hautes. De plus, la brique et la pierre font des moulins à vent la conception la plus résistante aux intempéries.

Alors que les conceptions d'éoliennes précédentes sont destinées à des structures plus grandes pouvant desservir des villes entières, l'éolienne de type ventilateur est spécialement conçue pour les particuliers. Il est beaucoup plus petit et utilisé principalement pour le pompage de l'eau. Il se compose d'une tour fixe (mât), d'un ensemble roue et queue (ventilateur), d'un ensemble de tête et d'une pompe. Les mâts peuvent avoir une hauteur de 10 à 15 pieds (3 à 15 m). Le nombre de pales peut aller de quatre à 20 et avoir un diamètre compris entre 1,8 et 4,9 m (6 et 16 pi).

Matières premières

Les moulins à vent peuvent être fabriqués avec une variété de matériaux. Les moulins à courrier sont presque entièrement en bois. Un bois léger, comme le balsa, est utilisé pour les pales du ventilateur et un bois plus résistant et plus lourd est utilisé pour le reste de la structure. Le bois est enduit d'une peinture ou d'une résine pour le protéger de l'environnement extérieur. Les moulins à tablier et à tour, construits par les Hollandais et les Britanniques avant le XXe siècle, utilisent bon nombre des mêmes matériaux que ceux utilisés pour la construction de maisons, notamment le bois, les briques et les pierres.

Le corps principal des broyeurs à ventilateur est en acier galvanisé. Ce processus de traitement de l'acier le rend résistant aux intempéries et solide. Les pales du ventilateur sont fabriquées en acier léger et galvanisé ou en aluminium. La pompe est faite de bronze et de laiton qui empêche le gel. Le cuir ou les polymères synthétiques sont utilisés pour les rondelles et les joints toriques.

Le processus de fabrication

Les éoliennes sont toujours montées sur place à l'aide de pièces préfabriquées. La description suivante concerne l'éolienne à ventilateur. Les bases Un exemple de moulin à vent construit en 1797. Les étapes comprennent la fabrication des pièces puis l'assemblage de la structure.

Fabrication des pièces de la tour

• 1 Les pièces de la tour sont en acier galvanisé. Ce processus commence par un rouleau de tôle enroulée. Les bobines sont placées sur un dispositif de débobinage et acheminées vers la ligne de production. Ils sont passés sous un lisseur pour éliminer les plis ou les torsions. Les pièces sont coupées à la taille et à la forme appropriées. Dans certains cas, les pièces peuvent être placées sur une machine qui les roule et soude le joint. Les extrémités sont passées sous une sertisseuse et les pièces sont déplacées vers le poste de finition.
• 2 Au poste de finition, des trous sont percés dans les pièces métalliques à des endroits spécifiques selon les exigences de la conception de l'éolienne. Les pièces peuvent également être peintes ou enduites avant d'être disposées dans le kit final de l'éolienne.

Réalisation de la boîte de vitesses

• 3 La boîte de vitesses est un ensemble complexe composé de divers engrenages, essieux, rotors et roues. Les pièces sont moulées sous pression et assemblées à la main. Ils sont placés dans un boîtier résistant aux intempéries conçu pour accueillir les pièces de la boîte de vitesses et l'ensemble roue et queue attaché.

Fabrication de l'éventail

• 4 Le ventilateur est constitué d'une jante métallique avec des pales légèrement incurvées attachées. La jante est produite sur une machine qui roule des bandes d'acier en cercles circulaires. Un trou est percé aux deux extrémités et ils sont reliés par une petite pince et une vis une fois les pales du ventilateur fixées. Un axe central est ensuite connecté à la jante et fixé avec de petits rayons en acier. Une conception typique aura cinq paires de rayons attachés à des intervalles régulièrement espacés le long de la jante.
• 5 Les pales et la queue du ventilateur sont découpées dans des morceaux de tôle. Les lames sont ensuite passées dans une machine qui leur donne une légère courbe. Ils sont fixés à la jante en métal avec de petits boulons et des pinces en métal. Ils sont fixés de manière à pouvoir être relevés ou abaissés en fonction des conditions de vent.

  Une éolienne en acier moderne.

Préparation du site

• 6 Trouver et préparer le chantier est une étape cruciale dans la création d'une éolienne fonctionnelle. Premièrement, une zone avec un vent dominant d'au moins 15 mph (24 km/h) est nécessaire. Ensuite, la zone doit être débarrassée des arbres et autres structures susceptibles de bloquer le vent. Dans certains cas, un monticule de terre ou une base en béton est érigé pour soulever le moulin à vent de la surface pour capter plus de vent.

Assemblage final

• 7 Les parties du corps principal sont connectées en premier. Ils sont boulonnés ensemble au sol puis relevés verticalement. Les pôles extérieurs sont reliés aux bielles. Des pinces sont boulonnées à chaque joint pour plus de stabilité. Une fois la tour relevée, elle est boulonnée sans serrer à la base solide. Les haubans suivants sont enfilés du cadre jusqu'au sol et attachés aux tendeurs et aux ancrages au sol. Lorsque la structure est de niveau, les boulons sont serrés et l'intégrité de la structure est testée. Dans certains cas, une échelle est intégrée dans la conception du châssis pour permettre l'accès au ventilateur sur le dessus, ce qui facilite le nettoyage et la maintenance.
• 8 La roue du ventilateur, la boîte de vitesses et l'arbre principal sont ensuite fixés. La boîte de vitesses est d'abord fixée et boulonnée au sommet de la tour. L'arbre principal est ensuite inséré dans le fond de la boîte de vitesses. Ensuite, le ventilateur et son axe attaché sont connectés à la boîte de vitesses. Enfin, la partie arrière est fixée à la boîte de vitesses. La pompe est alors raccordée à l'arbre principal et l'éolienne est opérationnelle.

Contrôle qualité

Divers tests peuvent être effectués pour s'assurer que chaque partie de l'éolienne répond aux spécifications énoncées dans la phase de conception. Les plus élémentaires d'entre elles sont de simples inspections visuelles. Ceux-ci permettront de détecter la plupart des défauts de production évidents. Les éoliennes étant montées à la main, la qualité de chaque pièce passe par un contrôle visuel supplémentaire. La qualité de fabrication qui entre dans la construction de l'éolienne sera principalement responsable de la qualité du produit fini. Pour s'assurer qu'il reste efficace pendant le fonctionnement, des contrôles de maintenance réguliers sont nécessaires.

Le futur

Les moulins à vent ont peu changé au cours des cent dernières années. En fait, un modèle de base conçu dans les années 1870 est toujours vendu aujourd'hui. Les principales améliorations sont venues des types de matériaux utilisés dans la construction. Cette tendance se poursuivra probablement dans les futurs produits d'éoliennes. Cependant, l'avenir de l'exploitation de l'énergie éolienne n'est pas du tout dans les éoliennes traditionnelles. Le gouvernement des États-Unis a dépensé des millions de dollars pour la recherche et le développement d'éoliennes pour la production d'électricité. En Californie, de nombreux parcs éoliens sont déjà en activité. Divers autres États et villes ont des plans pour créer des parcs éoliens similaires. À l'avenir, l'énergie éolienne promet d'être un substitut écologique aux combustibles fossiles.

Où en savoir plus

Livres

Boulanger, T. Lindsay. Littérature commerciale des fabricants d'éoliennes d'Amérique du Nord. University of Oklahoma Press, 1998.

Clegg, Alan John. Moulins à vent. Publications Horseshoe, 1995.

Hills, Richard L. L'énergie éolienne :une histoire de la technologie des éoliennes. Cambridge University Press, 1994.

Talonneur, Jérémie. Éloge des moulins à vent. Circle Press Pubns, 1990.

Watts, Martin. L'eau et l'énergie éolienne. Publications Shire, 2000.

Perry Romanowski