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Une pompe à vent à lames multiples dans une ferme de l'Iowa.
Andrew Joseph Russell - Union Pacific Railroad Company - Windmill, Laramie (Wyoming) en 1868. Bibliothèque de l'Université de Princeton. Department of Rare Books and Special Collections[1].

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.

HistoriqueModifier

 
L'Olifant à Burdaard (Frise).

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[2]. 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 foncières.

Les travaux de Simon Stevin dans le waterstaet ont consisté à améliorer les sluis et les déversoirs afin de contrôler les inondations. Les moulins à vent (moulin de polder) étaient déjà utilisés pour pomper l'eau, mais dans son ouvrage 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 des engrenages. Ces améliorations ont multiplié par trois l'efficacité des éoliennes utilisées pour pomper l'eau des polders[3]. En 1586, Stevin a obtenu un brevet pour son invention.

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[4]. Le mouvement du rotor de l'éolienne a été conduit dans la tour et à travers le mur pour faire tourner une grande roue appelée noria. La noria supportait une chaîne à godets qui s’enfonçait dans l'eau du 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[5].

Les premiers immigrants du Nouveau Monde ont apporté d’Europe la technologie des moulins à vent[6]. 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 constitué d'une tour en bois de séquoias (redwood), soutenant un réservoir de séquoias et enclos d’un revêtement extérieur (Tankhouse (en)). La pompe à vent de ferme auto-régulée a été inventée par Daniel Halladay (en) en 1854[7],[8]. 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[9]. De très grandes éoliennes en Australie, plus légères, couplent directement le rotor de l’éolienne avec la pompe. Un engrenage arrière supplémentaire entre les petits rotors, pour les zones de grand vent, et la manivelle de la pompe, entravent la course descendante des tiges; les tiges tombent plus lentement qu'elles ne tomberaient par gravité: un pompage trop rapide entraîne le flambage des tiges de pompe, ce qui provoque des fuites au niveau du presse-étoupe et une usure de la paroi de la colonne montante (UK: rising main, US: drop-pipe), de sorte que toute puissance est perdue.

La pompe à vent à aubes multiples ou turbine à vent située au sommet d’une tour en treillis en bois ou en acier est donc devenue, pendant de nombreuses années, un élément essentiel du paysage de 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 universelleModifier

 
Un drainage windmills, moulin de polder en bois dans les Fens du Cambridgeshire au Royaume-Uni.
 
Une pompe à vent à Goingarijp aux Pays-Bas, Mars 2019.

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 les pompes à vent sont mieux connues sous le nom drainage windmills (éoliennes de drainage). Nombre d'entre elles ont été construites dans les 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 dans un état délabré, même 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 un usage humain, ainsi qu'à abreuver de grands cheptels de moutons.

Le Kenya a également bénéficié en Afrique des développements technologiques 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.

ConstructionModifier

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 lame solides 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 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[10].

Pompes à vent à lames multiplesModifier

 
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 à 32 km/h)[11]. 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[12]. 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[13],[14] 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 multiplesModifier

Rotor inefficientModifier

 
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%[15]. 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 chargeModifier

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[16].

Variation du couple cycliqueModifier

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 amélioréesModifier

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 TexasModifier

Entre 1988 et 1990, une pompe éolienne à course variable a été testée par l'USDA-Agriculture Research Center-Texas, à partir de deux modèles brevetés (brevet Don E. Avery n ° 4.392.785, 1983 - Pump control system for windmills - et brevet Elmo G. Harris n ° 617.877, 1899 - Automatic regulator for wind-wheels). Les systèmes de commande des pompes à vent à course variable étaient mécaniques et hydrauliques; toutefois, ces expériences n’ont pas 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 flottantModifier

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[17],[18].

Expériences turquesModifier

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[19].

CombinaisonsModifier

TjaskerModifier

 
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[20].

Pompes à vent thaïlandaisesModifier

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[21].

Notes et référencesModifier

  1. (en) Andrew Joseph Russell. Windmill. Princeton University Library. Department of Rare Books and Special Collections
  2. Donald Routledge Hill, "Mechanical Engineering in the Medieval Near East", Scientific American, May 1991, p. 64-69. (cf. Donald Routledge Hill, Mechanical Engineering)
  3. The Story of Science: Power, Proof & Passion - EP4: Can We Have Unlimited Power?
  4. http://www.yachtmollymawk.com/2008/11/spanish-water-works/ Water-lifting mills in the Région de Murcie, Espagne
  5. 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
  6. "Brief History of Windmills in the New World"
  7. americanheritage.com
  8. fnal.gov
  9. (en) Paul Gipe, Wind Energy Comes of Age, John Wiley and Sons,
  10. Water lifting devices; matching bladed rotors to pumps
  11. (en) « Iron Man Windmill Website pumping capacity calculator »
  12. (en) « Aermotor Windmills maintenanceschedule » (consulté le 1er mai 2019)
  13. Argaw, N., "Renewable Energy for Water Pumping Applications in Rural Villages", 2003, NREL Report 30361, page 27
  14. 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
  15. Hau, Erich "Wind Turbines", 2005, page 101, Fig.5-10
  16. Clark, Nolan "Variable Stroke Pumping for Mechanical Windmills", 1990, AWEA Proceedings
  17. http://www.econologica.org
  18. https://www.youtube.com/watch?v=6zIj7LCtX0U
  19. ENA Yelkapan Technologies Ltd.
  20. « The types of windmills », Odur (consulté le 24 mai 2008)
  21. P.T. Smulders, « Wind water pumping: the forgotten option », Energy for Sustainable Development, vol. 11, no 5,‎ (lire en ligne)

AnnexesModifier

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BibliographieModifier

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

Articles connexesModifier