Tuesday, 7 March 2017

La futura Casa de las Energías Renovables en la Patagonia (english and french versions below)



Anoche, tuve un sueño maravilloso!

Yo estaba visitando el Sur de la Patagonia, manejando sobre una carretera muy hermosa a unos kilómetros de una ciudad, no me acuerdo cual. En lo largo vimos un edificio muy raro que parecía integrar un molino de vientos, de los que se ven en los ranchos de los Westerns norteamericanos. Un cartel mencionaba que la "Casa de las Energías Renovables" se podía visitar, y como estoy aficionado de esto, yo convencí mi esposa dar una vuelta.

Yo parque el auto al pie de la colina y sobre el camino al sitio, encontremos a una pareja tirando una maleta. Habían reservado una habitación por el fin de semana en el hotel de la Casa, para visitar la exposición a lo largo y disfrutar del lugar. Nos dijeron que la Casa de las Energías Renovables fue financiada por un Fondo del Quatar, o algo parecido, para avanzar su imagen ecológica, y como parte de su presupuesto de comunicación. La competición se la había ganado un estudio internacional de arquitectura muy famoso.

Hacia bastante frio afuera, con mucho viento. Acercandonos del edificio, vimos que estaba de cuatro o cinquo pisos y de forma octogonal. El techo estaba cubierto de paneles solar, y el molino estaba colocado sobre una torre de acero plantado en pleno medio del edificio.


Entramos en el vestíbulo de entrada y compramos billetes para la exposición, mientras que la pareja se registraba al hotel. Ya tenía mucha gente esperando para la visita guiada.
El guía nos dijó primero que el edificio estaba calentado únicamente con energías renovables. El molino activaba un "agitador" de agua ubicado por debajo, y el calor generado se utilizaba para calentar el edificio. Alguien fue sorprendido de que se podría calentar agua solo por agitarla. El guía le contesto mencionando el experimento de James Prescott Joule en 1847 que demostró que hay equivalencia perfecta entre el trabajo mecánico y el calor, los dos se expresan con la misma unidad (el Joule). La porcion (40%) de la energía cinética del viento extraída por el molino, se transforma totalmente en calor por la fricción de las paletas del agitador con la agua.
 
 


Un modelo de plena escala del agitador de agua estaba expuesto: 2m de altura y 1,5m de diámetro. Ocho paletas móviles imbricadas con ocho paletas fijas, el todo contenido en un marco metálico soldado. Alguien susurro que parecía como escapado de una novela de Jules Verne.





El doble del molino real estaba aún más impresionante con sus 5m de diámetro. Las 30 palas estaban hechas a partir de hojas de acero sencillas, ligeramente curvadas y torzonadas del cubo al exterior. Estaba presentado de pie, en su posición de trabajo, conectado al dispositivo de conversión horizontal a vertical y fijado sobre la plataforma rotativa de orientación. Alguien noto que parecía al eje trasero de un vehículo 4x4 estándar. El guía confirmó que efectivamente era uno de estos, completamente compatible con los esfuerzos mecánicos y con las condiciones de uso del molino.



El agitador de agua estaba colocado en la parte superior de la columna de acero, que constituye la estructura del edificio. Lo demás de la columna servía de tanque principal de agua, para  el almacenamiento del calor producido, de tal manera que el edificio construido alrededor de la columna, sea calentado por radiación natural. La torre metálica se apoyaba encima de la columna.




El guía explicó que el molino arranca fácilmente con cualquiera ligera brisa porque al inicio no hay agua en el agitador, y el molino esta libre. Tan pronto como el viento se reforza, agua se bombea automáticamente en el agitador, y el correspondiente par resistente se aplica al eje del molino.

Luego, el guía nos informó que las aclaraciones siguientes eran muy técnicas y reservadas a especialistas. Los otros podrían aprovechar la oportunidad para mirar a las fotos alrededor. 

Se debe saber que cualquier molino de viento cumpla su eficiencia si y solamente si, esta forzado a girar con una velocidad de rotación muy específica y en relación con la velocidad instantánea del viento. El cociente entre los dos velocidades debe estar constante y característica de la velocidad del viento actual (perfil aerodinámico de las palas, ángulo de incidencia...). Por eso, un tacómetro esta implementado sobre el eje del molino, y un anemómetro encima de la torre, para entregar sus medidas a un servomecanismo que controla automáticamente el nivel de agua en el agitador. El par resistente resultante forza al molino girar a la velocidad correcta, cualquier sea el viento.




Cuando reunimos con los otros visitantes, estaban mirando a un video de las obras civiles y de la erección de la columna central del edificio. En realidad, el proveedor de los mástiles de acero de los parques eólicos que se instalaban en la región, sponsorizó el proyecto suministrando e instalando la sección de base de sus mástiles estándar como la columna central del edificio. Solo algunas modificaciones fueran necesarias para cumplir las funciones del proyecto. Estas adaptaciones y específicas interfaces se las habían soldado en su taller antes del transporte.


 
 
 

Luego subimos todos juntos a la terraza del techo del edificio. Estaba impresionante ! Una porción completa del techo, orientada al sur, estaba cubierta con un mosaico de 160m² de paneles solares. La pendiente se había calculado para optimizar la eficiencia en verano. La torre metálica de alrededor de 20m de altura estaba plantada en el centro del edificio, y la interfaz con el techo y la terraza estaban en forma de una estructura piramidal. La estructura sostenía 3 paneles fotovoltaico triangulares de 21m² cada uno, hechos a medida, sobre las caras sureste, sur y suroeste. La pendiente estaba más pronunciada para más eficiencia en el invierno. El molino estaba girando con alta velocidad con el viento fuerte (y frio). Se ha apreciado altamente volver a entrar en el edificio caliente.




El guía nos enseñó algunas fotos de los cuatro depósitos subterráneos de agua, durante su construcción, con un volumen total de 680 metros cúbicos. Estaban térmicamente muy bien aislados (1 metro de espesor relleno con embalajes poliestireno reciclados, triturados y comprimidos in situ). Se utilizan como depósitos de almacenamiento estacional de calor.  El calor que se colecta en verano de los paneles solar y del molino, se almacena en los depósitos hasta el próximo invierno.




Una pantalla de TV grande, visualizaba en tiempo real, la producción del molino y de los paneles solares, así como la temperatura de los depósitos de agua y otra información técnica pertinente, en vivo.

El guía mencionó que por supuesto los datos estaban recordados continuamente, luego procesados y analizados para manejar el sistema, y también para refinar el concepto por los próximos proyectos en Patagonia o en otras partes del mundo.

En un rincón de la sala de exposición, dos bicicletas estacionarias estaban instaladas una al lado de la otra. Cada una estaba conectada a su propio pequeño agitador de agua, bien aislado. Una pantalla digital encima visualizaba la temperatura dentro de cada agitador. Dos joven adolescentes competían con fuego y determinación para que suba la temperatura al máximo. Otros adolescentes los alentaban, esperando su turno.




Alguien pidió por los baños. "Seguro que les utilizan para producir biogás!" Si señor!

Cuando se terminó la visita, hacia una noche negra afuera aunque solamente cuatro por la tarde! Decidimos pasar la noche aquí. Por suerte ya tenían una última habitación libre, y como todas, con vista al paisaje!

Más tarde, en el lindo restaurante, nos encontremos de nuevo con la pareja del estacionamiento. Lo habían pasado muy bien visitando el sitio. La señora había luego descansado un rato en la piscina cubierta y en el Jacuzzi abajo. Su esposo había admirado la puesta del sol cómodamente sentado en un sillón de la biblioteca, al lado de la chimenea.

La señora nos dijo que uno de los cuatro depósitos subterráneos de agua lo habían convertido en una piscina para los huéspedes del hotel. Todavía servía para almacenar el calor del sistema, y por supuesto estaba cerrado al fin del verano, cuando demasiado caliente. Las inmediaciones de la piscina estaban decorados con buen gusto: piso de madera, chaise longues, montones de plantas verdes... Dos jacuzzis terminaban la instalacion.

Cuando me desperté, salté de mi cama precipitadamente para notar el URL que todavía me recordaba de mi maravilloso sueño!

 www.windmill-for-heating-buildings.blogspot.com

NB: Hay mucho mas detalles y ilustraciones en mi blog.


Sunday, 5 March 2017

La future Maison des Energies Renouvelables de Dunkerque



J'ai fait un rêve merveilleux !

Je visitais le Nord de la France, et je roulais sur une nationale à quelques kilomètres de Dunkerque.

Au loin, je vois un bâtiment très étrange. Bizarrement il semble intégrer une éolienne, du genre de celles qu'on voit dans les ranchs des Westerns américains. Un panneau indiquait que la "Maison des énergies renouvelables" peut se visiter, et, comme je suis un passionné de ça, je décide ma femme à faire le détour.

Je gare ma voiture dans le parking en bas de la pente, et nous marchons vers le site. Sur le chemin nous rencontrons un couple tirant une valise. Ils avaient loué une chambre pour le week-end dans le guesthouse, pour visiter en profondeur l'exposition et profiter du lieu. Selon leurs dires, la "Maison des énergies renouvelables" avait été financée par un fonds Quatari, ou quelque chose de similaire, pour mettre en avant leur implication écologiste pour sauver la planète, dans le cadre de leur budget de communication. L'appel d'offres avait été gagné par un bureau d'architecture international renommé.

Il faisait plutôt froid dehors et il y avait un fort vent. Le bâtiment de forme octogonale avait quatre ou cinq étages. Le toit étrange était couvert de panneaux solaires et l'éolienne était fixée sur un pylône métallique planté au milieu du bâtiment.


Nous entrons dans le hall acheter un billet pour la visite de l'exposition, pendant que le couple s'enregistre au guesthouse. Il y avait déjà beaucoup de gens qui attendaient pour la visite guidée.

Le guide nous annonce tout d'abord que tout le bâtiment est chauffé uniquement par les énergies renouvelables. L'éolienne multipales entraîne un brasseur d'eau situé juste en dessous, et la chaleur générée par les turbulences est utilisée pour le chauffage. Un visiteur montre son étonnement qu'on puisse chauffer de l'eau rien qu'en la brassant. Le guide lui rappelle alors la fameuse expérience de James Prescott Joule en 1847, démontrant la parfaite équivalence entre le travail mécanique et la chaleur, qui s'expriment d'ailleurs tous deux dans la même unité (le Joule).

La portion (40%) de l'énergie cinétique du vent captée par l'éolienne est entièrement transformée en chaleur par les frottements et les turbulences crées dans l'eau par les palettes du brasseur.


Un exemplaire du brasseur grandeur nature est exposé: environ 2m de haut pour 1,5m de diamètre. Huit palettes mobiles sont intriquées au milieu de huit palettes fixes, le tout est inséré dans un cadre métallique soudé. Quelqu'un murmure qu'on dirait une machine sortie tout droit d'un roman de Jules Verne.

 
 
 
Un double du rotor de l'éolienne est exposé. Il est encore plus impressionnant avec ses 5m de diamètre. Les 30 pales sont de simples tôles d'acier incurvées et  légèrement vrillées de l'axe vers l'extrémité. Il est présenté verticalement dans sa position de fonctionnement, et monté au bout d'un dispositif de renvoi d'angle à 90° fixé sur une plateforme pivotante au moyen d'un chevalet. Quelqu'un remarque que ça ressemble au pont arrière d'un véhicule 4x4, et le guide confirme que c'en est un, et qu'il est parfaitement adapté pour cet usage  du point de vue des efforts mécaniques en jeu et des conditions d'utilisation quasi-permanentes de l'éolienne.


Le brasseur est logé dans la partie supérieure de la colonne métallique constituant l'ossature du bâtiment. Le reste de la colonne sert de réservoir d'eau principal pour le stockage de la chaleur produite, de telle façon que le bâtiment, qui est construit autour de cette colonne est chauffé par radiation naturelle en hiver. La tour métallique supportant l'éolienne s'appuie sur cette colonne d'acier.


Le guide explique alors que l'éolienne démarre facilement avec le moindre vent, puisqu'au départ, il n'y a pas d'eau dans le brasseur et que le rotor est donc libre. Dès que le vent se renforce, on pompe de l'eau dans le brasseur et le couple résistant correspondant est appliqué sur l'arbre de l'éolienne. L'eau commence à chauffer!

Le guide nous prévient alors que les explications suivantes seront un peu hermétiques aux non-spécialistes, et que les autres peuvent donc en profiter pour aller regarder les photos exposées à côté.

Il faut savoir que toute éolienne n'atteint le maximum de son efficacité (en termes de transfert de chaleur ici) si, et seulement si, il est contraint à tourner à une vitesse bien spécifique et qui dépend de la vitesse du vent instantané. Le quotient entre ces deux vitesses doit être constant et cette constante est caractéristique de la conception de l'éolienne considérée (profil aérodynamique des pales, angle d'attaque ...). Pour cette raison, un compte-tours est monté sur l'axe de l'éolienne, et un anémomètre en haut de la tour. Leur mesure est transmise sous forme d'un signal électrique à un servomécanisme qui contrôle automatiquement le niveau d'eau dans le brasseur. Le couple résistant ainsi créé contraint le rotor à tourner à la vitesse correcte, quelle que soit la vitesse du vent instantané.


Nous retrouvons les autres visiteurs en train de regarder une vidéo montrant la mise en œuvre du génie-civil et l'installation de la colonne centrale du bâtiment. En fait on y apprend que l'entreprise qui fournissait les mâts métalliques des fermes éoliennes en cours d'installation dans la région, avait signé un accord de partenariat avec le projet pour fournir et installer la première section de leur mât standard, pour constituer la colonne centrale du bâtiment. Seules quelques légères modifications avaient été nécessaires pour être compatibles avec ce projet. Les adaptations et les interfaces spécifiques avaient été soudées dans leur atelier, avant le transport.



Puis on monte tous en groupe, sur la terrasse et le toit du bâtiment. C'est impressionnant ! Toute une partie du toit orientée plein Sud, est couverte d'un patchwork de 160m² de panneaux solaires thermiques. La pente est calculée pour optimiser l'efficacité en été. La tour métallique d'environ 20m de haut est érigée sur la colonne, au centre du bâtiment, et la jonction avec le toit et avec la terrasse prend la forme d'une structure pyramidale. Cette structure supporte 3 panneaux solaires photovoltaïques triangulaires de 21m² chacun, faits sur mesure, sur ses faces, sud-ouest, sud et sud-est. La pente est plus prononcée pour optimiser le rendement en hiver. L'éolienne tourne à vive allure sous le fort (et frais) vent. On est quand même content de rentrer dans la chaleur du bâtiment!


Le guide nous montre quelques photos et vidéos des quatre réservoirs d'eau souterrains, pendant leur construction, avec une capacité totale de 680m3 . On y voit l'installation de l'isolation très importante (1m d'épaisseur remplis avec des emballages recyclés, en polystyrène, déchiquetés sur place et tassés en position). Les réservoirs servent de stockage thermique saisonnier, la chaleur récoltée en été par les panneaux solaires et l'éolienne étant stockée sous forme d'eau chaude, jusqu'à l'hiver suivant.


Un écran géant affiche en temps réel la production de l'éolienne et des panneaux solaires, ainsi que la température des réservoirs d'eau et différentes autres données techniques pertinentes. Le guide nous dit que ces données sont bien sûr enregistrées puis analysées pour être reproduites sous formes de courbes et de tableaux servant à gérer le système et à tirer les conséquences pour les prochains projets de par le monde.

Dans un coin de la salle d'exposition, deux vélos d'appartement sont installés côte-à-côte. Ils entraînent chacun un petit brasseur d'eau isolé thermiquement. Un écran digital au dessus des vélos affiche la température instantanée de l'eau dans chacun des brasseurs. Deux adolescents font la compétition avec entrain pour faire monter la température de leur brasseur. Quelques autres ados les encouragent bruyamment et attendent impatiemment leur tour.


Quelqu'un demande où sont les toilettes. "Je suis sûr qu'ils s'en servent à faire du biogaz !" murmure ironiquement un visiteur. Oui, c'est le cas !

A la fin de la visite-guidée, il fait déjà nuit dehors, alors qu'il est seulement 16h00. On décide alors de rester sur le site pour la nuit. Heureusement, il reste une chambre libre dans le guesthouse, et comme toutes les chambres disposent d'une belle vue sur le paysage alentour .... tout baigne!

Plus tard, au restaurant, on rencontre de nouveau le couple du parking. Ils ont passé leur journée à visiter le site, et la dame s'est même accordé un instant de relaxation dans la piscine couverte et le jacuzzi d'en bas. Le mari a lui, admiré le coucher de soleil, confortablement installé dans un fauteuil de la Bibliothèque, au coin de la cheminée.

En fait, un des quatre réservoirs d'eau souterrains est aménagé en piscine, pour les clients du guesthouse. Il continue à servir au stockage de chaleur pour le bâtiment, mais la piscine ferme  donc quand l'eau devient trop chaude, à la fin de l'été. Les abords de la piscine ont été aménagés avec goût avec des planchers en bois, des chaises-longues et des tas de plantes vertes. Deux jacuzzis ont été rajoutés ultérieurement.

Dès que je me suis réveillé, j'ai bondi hors de mon lit pour noter, avant de l'oublier, l'URL de mon rêve merveilleux:

www.windmill-for-heating-buildings.blogspot.com

 

Tuesday, 14 February 2017

The future House of Renewable Energies in North-Scotland



Last night I had a dream !

I was visiting the North of Scotland, driving on a picturesque road a few miles away from a city, the name of which I do not remember. In the distance I saw a strange building overlooking one of those  breathtaking sceneries which are so many in Scotland. Surprisingly, the building integrated a windmill, like the ones we see in the cattle farms of the  American Westerns.  A sign mentioned that the "House of the Renewable Energies" could be visited and as I am a fan, I convinced my wife to make the detour.

We parked the car down the hill and walked up to the place, together with a young couple, drawing a suitcase. They had booked a room for the week-end in the built-in guesthouse, to visit the exposition in-depth and enjoy the place. They told us that the House of the Renewable Energies had been financed by a Qatari Fund or something like that, to bring forward their "green" involvement to save the planet, as part of their communication budget. The competition had been awarded to a  renowned international architecture bureau.

It was rather cold outside with a steady wind. As we approached the building we saw it was four or five-storey high and had an octagonal shape. The strange roof was covered with solar panels and the windmill was standing on a metallic tower penetrating the building right in the middle.
 
 
 

 

 

We entered into the hall, went to the reception desk and bought a ticket to visit the permanent exhibition, while the couple checked-in to the guest-house. There were already a lot of visitors waiting for the guided-tour.

The guide told us that the building was entirely warmed by renewable energies. The windmill was actuating a water-stirrer located down-below, and the heat thus generated was used for heating the building. Someone was surprised that stirring the water could increase its temperature. The guide reminded the famous experiment realized by James Prescott Joule in 1847, demonstrating that there was a perfect equivalence between mechanical work and heat, and could then be expressed with the same Unit (the Joule). Therefore the portion (40%) of the kinetic energy of the wind recovered by the windmill was entirely transformed into heat by friction of the stirrer-paddles in the water.

 
 
A full scale model of the stirrer was displayed, about 2m high and 1.5m in diameter. Eight rotating paddles interlaced with eight fixed paddles and inserted into a welded metallic frame. Somebody whispered that it looked like directly escaped from a Jules Verne's novel.

The  windmill was a little bit more impressive with about 5m in diameter. The 30 blades were made by mere steel-sheets slightly curved and twisted. It was presented vertically in its operating position, and mounted on something like a horizontal-to-vertical differential gear box sitting on a rotary platform. Somebody remarked that it looked like the rear axle of a 4-wheel drive car. The guide confirmed that effectively it was one, and was perfectly suited for the stress and the wear generated by the windmill.


The water stirrer was contained in the upper part of the steel column constituting the backbone of the building. The rest of the column was used as the main water tank for the storage of the produced heat, so that the building erected around the column, was naturally heated by this core. The metallic tower was sitting on top of the column.


The guide explained that the windmill starts easily with the lightest breeze since at the beginning, there is no water in the stirrer, and the rotor is free. As soon as the wind gets stronger, some water is pumped up into the stirrer and the corresponding resistive torque is applied to the shaft of the windmill. The guide warned us that the next explanations were technical and addressed mostly  to specialists, and the other visitors may use this time to look at the near-by videos.
One must know that any windmill reaches its maximum efficiency when (and only when) it is forced to rotate at a very specific speed, which is related to the actual wind speed. The ratio of the two speeds must be constant and characteristics of the conception of the windmill (profile of the blades, angle of attack ...). Therefore, a tachometer is implemented on the windmill's shaft and an anemometer on top of the tower, to deliver their measurement signal to a servomechanism that automatically controls the level of water in the stirrer, so that the resulting resistive torque forces the windmill to rotate at the right speed, whatever is the wind speed.

 

When we joined the other visitors, they were watching a video showing the civil works and the erection of the central column of the building. In fact, the manufacturer of the steel masts of the wind-farm being deployed in the region, had signed a partnership with the project to provide and install the first section of their standard steel-mast, to constitute the main column of the building. Only a few modifications had been necessary to comply with the requirements of the project. The adaptations and specific interfaces had been welded in their workshop before being transported.


 

Then we went up to the terrace on the roof of the building. It was impressive! A complete portion of the roof oriented full south, was covered with a patchwork of 160m² thermal solar panels. Their slope was calculated to optimize the heating efficiency in summer. The 20m-high metallic tower was erected in the center of the building and the junction with the roof and with the terrace was in form of a pyramidal structure supporting 3 triangular photovoltaic panels of 21m² each, tailor-made, on its south-west, south and south-east faces. The slope was steeper to boost the winter yield. The windmill was presently rotating at full speed under the steady (and fresh) wind. We were pleased to enter back into the warm building.






The guide showed us some photos of the four underground water tanks during their construction, with a total volume of 680 cubic-meters. They were thoroughly isolated (1m thick of recycled polystyrene packaging-stuff crushed locally and then compressed in place). They are used as seasonal heat storage tanks. The heat collected in summer from the solar panels and windmill being stored in the seasonal tanks up to the next winter.






A large screen displayed the present instantaneous production of the windmill and of the solar panels, as well as the temperature of the various water-tanks and other real-time pertinent technical data. The guide told us that the day-to-day data was of course carefully recorded. Then it was compiled to build various charts and tables to manage the system, and also to draw the consequences for the next projects in Scotland and around the world.
 
In a corner of the exhibition room, two indoor bicycles were fixed side by side. Each one was attached to a small insulated water stirrer. A screen above was displaying the water temperature in each reservoir. Two teen-agers were competing with  eagerness to rise it as much as possible. A few more were watching and waiting their turn.

Somebody asked for the restrooms. "I am sure they are used to produce biogas" whispered someone. Yes they were !

When we finished the guided tour it was already night outside, although it was only 4 p.m. We decided to stay overnight. We could get the last available room, but no worries since all of them are with a nice view to enjoy the gorgeous scenery outside, in the morning.

Later, at the nice restaurant, we met again the couple from the parking. They had spent their whole day visiting around, and the lady had been for a while at the covered pool and Jacuzzi downstairs. Her husband had watched the sunset comfortably installed in an armchair in the Library, next to the fire place.

In fact, one of the four underground storage water tanks had been turned into a swimming-pool for the guest-house visitors. It still participated to the heat storage system, and was closed when too hot, at the end of summer. The surroundings of the pool were nicely decorated with wood floors, loungers and lots of green plants. Two additional jacuzzis completed the installation.

When I woke up, I rushed out of my bed to note the URL I remembered from my wonderful dream:

www.windmill-for-heating-buildings.blogspot.com