Histoire de la turbine de Lenz

La turbine de Lenz porte le nom de son inventeur : Edwin Lenz. C’est un grand passionné d’énergies renouvelables et qui est le webmestre du site Windstuffnow. Pour créer ce modèle d’éolienne, son objectif était clair : concevoir une éolienne à axe vertical qui soit performante, et surtout très facile à concevoir pour les bricoleurs. L’idée n’était pas de créer un modèle industriel complexe, mais bien une machine que l’on puisse fabriquer soi‑même avec des matériaux simples, faciles à trouver et peu coûteux.

Les premiers prototypes voient rapidement le jour, dont un grand modèle installé sur le toit de sa propre maison. Les résultats sont encourageants : bonne stabilité, démarrage facile et performances honorables même par vents faibles. Ce succès artisanal attire l’attention d’une petite communauté de passionnés qui commence à reproduire et améliorer le concept.

Pourtant, la turbine de Lenz reste encore malheureusement peu diffusée aujourd’hui. Malgré des déclinaisons récentes plus performantes et quelques expérimentations en milieu urbain ou en sites isolés, elle n’a pas encore trouvé sa place dans le marché des éoliennes commerciales. Un paradoxe incompréhensible, quand on connaît son potentiel et la facilité avec laquelle elle peut être construite.

Présentation du concept et du principe de fonctionnement

La turbine de Lenz est une éolienne à axe vertical (VAWT pour Vertical Axis Wind Turbine) dont les pales, disposées autour d’un axe central, prennent la forme de godets sur toute leur hauteur. Le vent s’engouffre dans chaque pale l’une après l’autre, provoquant ainsi une rotation continue. C’est un peu comme si l’on faisait avancer un voilier en orientant successivement ses voiles pour qu’elles captent un maximum de vent.

Son originalité tient à sa combinaison unique de portance et de traînée. Elle reprend la logique d’une éolienne Savonius pour capter la force du vent (traînée), tout en intégrant certains principes aérodynamiques d’une éolienne Darrieus pour bénéficier d’un effet de portance. Ce mélange ingénieux offre un fort couple qui est idéal pour les applications nécessitant de la puissance de traction, tout en conservant une vitesse de rotation modérée, mais nettement supérieure à celle d’une Savonius classique.

Dans la plupart des réalisations, on opte pour trois pales car ce choix assure un bon équilibre dynamique, réduit les vibrations et donc le bruit. Et, bien sûr : Comme pour toutes les VAWT il permet à l’éolienne de capter le vent quel que soit son sens, sans avoir besoin d’un système d’orientation.

La conception est volontairement simple et tolérante dans les petits écarts de conception. Les modèles plus communs sont souvent dérivée du modèle dit Lenz2. Car c’est un concept éprouvé qui permet de transformer efficacement le moindre souffle de vent en énergie utile, tout en restant à la portée de tout bricoleur motivé.

Avantages et particularités de la turbine de Lenz

Encore une fois, la turbine de Lenz séduit avant tout par sa simplicité de conception. Elle se fabrique avec des matériaux courants tels que le bois, le métal, le PVC ou même pièces de récupération. Autre avantage, elle ne nécessite aucun outillage sophistiqué. Pour les adeptes du DIY et du low-tech, c’est vraiment un rêve : Très faible coût et possibilité de construire un modèle performant sans passer par des calculs complexes.

Son design lui permet de démarrer avec des vents faibles, ce qui en fait un excellent choix pour produire même dans des zones modérément ventées. Pas besoin d’un site idéal ni d’une exposition parfaite : La moindre brise est exploitée pour mettre ses pales en mouvement.

Elle offre un couple élevé, parfait pour entraîner des des pompes à eau mécaniques tout en bénéficiant d’un auto‑bridage naturel. Ce freinage aérodynamique limite naturellement la vitesse de rotation et prévient tout emballement dangereux, même par vents très forts.

Sa robustesse en fait un modèle capable d’encaisser des vents violents qui endommageraient bien d’autres éoliennes. Sa conception compacte et son freinage aérodynamique naturel prolongent nettement sa durée de vie par rapport à d’autres modèles.

Autre avantage : elle peut être installée près du sol, ce qui facilite l’entretien et l’inspection. Et surtout, c’est un modèle tolérant aux imperfections : même avec de petits défauts d’alignement ou de symétrie, elle fonctionne correctement. Là où beaucoup d’éoliennes comme les Darrieus ou les Savonius hélicoïdales réclament une précision chirurgicale, la Lenz pardonne largement. Ce qui ne veut pas dire pour autant qu’il faut faire n’importe quoi lorsque l’on en fabrique une 😉

Production électrique et pompage de l’eau avec une turbine de Lenz

En production d’électricité, la turbine de Lenz offre un excellent compromis couple/vitesse. Elle peut tourner bien plus vite qu’une Savonius, mais tout en restant plus lente qu’une éolienne horizontale. Cette vitesse modérée permet de travailler avec un alternateur basse vitesse, mais pour exploiter pleinement son potentiel, le mieux et de recourir à une démultiplication mécanique simple et efficace : Par exemple, une courroie crantée et deux poulies permettant de multiplier la rotation par 2,5 ou 3. Cette adaptation suffit souvent à atteindre le régime optimal du générateur et à améliorer nettement le rendement de conversion. C’est un paramètre à ajuster selon la courbe de production du générateur.

Pour le pompage de l’eau, la Lenz est tout aussi efficace. Son couple élevé et régulier en fait une championne pour entraîner directement un mécanisme de pompe. Il suffit de transformer le mouvement rotatif en mouvement alternatif (haut‑bas) via une bielle qui permet d’actionner un piston. Ce type d’éolienne de pompage artisanale peut puiser de l’eau jusqu’à 10 à 15 m de profondeur sans difficulté, même par vent modéré. Le couple important assure un fonctionnement fiable, constant et sans à‑coups.

En bonus : Pour découvrir comment fabriquer facilement ta propre pompe à eau adaptée à une éolienne de pompage, consulte notre fiche complète : Comment fabriquer une pompe à eau pour ton éolienne de pompage.

Conception et proportions optimales d’une turbine de Lenz

Forme et dimensions des godets

Les pales incurvées d’une turbine de Lenz fonctionnent comme des godets captant successivement le vent sur toute leur hauteur. Le rapport entre leur largeur et la distance à l’axe détermine l’équilibre entre couple de rotation et vitesse de rotation. Un godet large produit plus de couple mais freine la vitesse : C’est l’idéal pour le pompage de l’eau où la force est prioritaire.

À l’inverse, des godets plus étroits permettent d’exploiter davantage l’effet de portance et d’augmenter efficacement la vitesse de rotation, ce qui est préférable pour la production électrique.

Les mesures issues du design Lenz2 montrent qu’une largeur de godet égale à environ 0,1875 × D (D étant le diamètre total) et d’une longueur développée de pale de 0,4 × D donnent de très bons résultats.

Pour optimiser la captation d’énergie même par vents faibles, un angle d’attaque autour de 9 ° est recommandé.

Dimensionnement de la turbine et calcul de puissance

Dans le cadre d’une turbine de Lenz dédiée à la production électrique, la puissance disponible peut être estimée avec la formule suivante :

La puissance disponible peut être estimée avec :
P (W) = 0,00508 × A (ft²) × v³ (mph) × η

Où A = D × H est la surface balayée (en pieds carrés), v la vitesse du vent en mph, et η le rendement global

Soit environ 0,31 pour une Lenz2, en tenant en compte de 75 % de rendement moyen pour le générateur et de 41 % de rendement pour la partie des pales. Ce qui nous donne en formule :
0,75 × 0,41 = 0,3075 → arrondi à 0,31.

En inversant la formule, on peut calculer la surface nécessaire pour obtenir une puissance donnée :
A = P ÷ (0,00508 × v³ × η)

Ce qui permet ensuite de déterminer le diamètre :
D = A ÷ H

Exemple concret : avec P = 63 W, v = 15 mph, η = 0,31 et H = 4 ft, on obtient A ≈ 12 ft², soit un diamètre d’environ 3 ft (≈ 0,91 m).

Longueur et géométrie des bras

La longueur des bras reliant les pales à l’axe influence directement le rendement. Trop longs, ils éloignent les pales de l’axe et réduisent le couple. Trop courts, ils créent des interférences aérodynamiques entre pales et perturbent l’écoulement. L’expérience et les calculs montrent qu’un bon compromis est d’avoir le rayon d’ancrage égal à :

R ≈ (D ÷ 2) − (W ÷ 2)

Ce réglage garantit une bonne prise au vent sans effet de masquage.

Nombre de pales et impact sur les performances

Le nombre de pales détermine l’équilibre entre couple et vitesse. Deux pales donnent une rotation plus rapide mais irrégulière, avec un couple instable. Quatre pales ou plus augmentent le couple mais provoquent une traînée excessive qui limite la vitesse. Trois pales constituent donc le meilleur compromis : Rotation régulière, bon rendement portance/traînée et bruit réduit.

En résumé : Moins de pales = plus de vitesse mais moins de couple . Plus de pales = plus de couple mais moins de tours par minute.

Équilibrage des pales

Un déséquilibre de masse entre les pales, même faible, provoque des vibrations et accélère l’usure des roulements. Cela peut rendre la rotation instable et réduire la durée de vie de la turbine. La solution passe par un équilibrage soigné : vérifier la symétrie et le poids de chaque pale, corriger si nécessaire avec de petites masses d’équilibrage, et contrôler la régularité de rotation à vide. Un équilibrage précis garantit un fonctionnement fluide et limite les contraintes mécaniques.

L’effet balourd

L’effet balourd est un phénomène différent : il ne vient pas d’un problème de poids des pales, mais de la pression du vent exercée sur le sommet de l’éolienne. Si l’axe est uniquement fixé à sa base, cette poussée latérale provoque une flexion et un battement de l’axe. A noter que sur un petit modèle, fixer les pales au centre peut rendre ce problème marginal, mais ce n’est pas l’idéal même si acceptable. Sur des tailles plus importantes, ou des modèles soumis à des vent fort, la solution optimale est de maintenir l’axe à la fois en bas et en haut avec une butée à billes en bas et un roulement à billes en haut. Cela neutralise l’effet balourd, stabilise la rotation et prolonge grandement la durée de vie de l’ensemble. Si l’axe est très long l’ajout d’un pallier à billes auto-aligneur au milieu est une bonne option. Trop de projets d’autoconstruction échouent faute d’avoir pris en compte ce paramètre. Car sur une éolienne de grande taille, une seule grosse rafale de vent peut la casser en quelques secondes.

Plans et fabrication d’une turbine de Lenz

On ne va pas se mentir : construire sa propre turbine de Lenz, c’est un projet vraiment sympa et franchement enthousiasmant quand on sait exactement quoi faire et comment le faire. Voici donc tout ce qu’il faut faire pour aboutir à un excellent modèle :

Utilisations d’une turbine de Lenz et exemples pratiques

Production autonome hors‑réseau
Pour celles et ceux qui visent l’autonomie énergétique, la turbine de Lenz offre une source d’électricité renouvelable à très faible coût. Un petit modèle couplé à des batteries et à un régulateur peut alimenter un éclairage LED, de petits appareils ou encore recharger divers équipements. Quant à des grands modèles, ils peuvent te fournir plusieurs kilowatts par jour si ton site est bien adapté pour l’éolien. C’est une solution simple et robuste pour produire localement son énergie sans dépendre du réseau.

Pompage d’eau en zones rurales
Là où l’électricité fait défaut, la turbine de Lenz peut devenir une éolienne de pompage redoutablement efficace. Elle permet d’alimenter un système d’irrigation ou de fournir de l’eau potable à partir d’un puits ou d’une nappe d’eau pas très profonde. Son faible encombrement et sa robustesse en font une alliée précieuse pour l’agriculture et l’aide humanitaire dans les régions ventées.

Installations compactes
Grâce à sa conception compacte et à son faible encombrement au sol, la turbine de Lenz s’adapte à de nombreux contextes. Elle peut être installée sur le toit d’un camping‑car ou sur un bateau pour fournir de l’énergie en mode nomade. Ou bien encore trouver sa place en milieu urbain ou résidentiel, là où l’espace est limité. Et comme son fonctionnement est presque silencieux, elle se prête parfaitement à un usage en zone habitée.

Retour d’expérience sur les turbines de Lenz

Lorsque je faisais de l’aide au développement en Afrique, ce modèle d’éolienne m’a servi de très nombreuses fois. Car ses grandes forces sont : Une fabrication simple qui est possible avec des matériaux très courants et un très faible coût. Avec ces précieux atouts, ce concept m’a permis d’organiser des formations accélérées dans l’objectif de démocratiser largement cette solution sur le terrain. Ce qui n’aurait pas été aussi facile avec d’autres types d’éoliennes beaucoup plus exigeantes techniquement sur de nombreux points.

Si j’ai privilégié la turbine de Lenz, c’est aussi parce qu’elle se prête parfaitement à une réalisation 100 % métal. Et en Afrique, on trouve partout des artisans talentueux capables de travailler le métal avec ingéniosité. Tout ce que j’avais à importer se limitait aux butées à billes auto‑graissés pour le support de l’axe vertical et à quelques aimants néodyme pour fabriquer le générateur. Tout le reste pouvait se trouver sur place, y compris de quoi fabriquer d’excellentes pompes à eau.

Au départ, le seul vrai défi concernait la production électrique. Car fabriquer un générateur basse vitesse adapté n’est pas chose facile. J’ai souvent utilisé un générateur de ma propre conception à effet Maglev. C’est à dire que lorsqu’il tourne il produit un champ magnétique qui soulève très légèrement l’éolienne. Ce qui réduit considérablement les pertes par friction. Malgré cela, et même si la production électrique restait correcte, j’ai pu mesuré que le générateur n’était exploité qu’à environ 40 % de sa capacité. Autrement dit, c’était pas le top.

Pour corriger cela, j’ai préféré travailler plus sur le couple et installer une petite démultiplication mécanique : une courroie crantée et deux poulies récupérées sur des deux‑roues ou de vieilles machines. Cela a permis de multiplier la vitesse de rotation par 2,5 à 3 selon le matériel sous la main.

Par la suite, en Occident comme en Asie, j’ai pu m’appuyer sur des procédés de fabrication semi‑industriels qui m’ont permis de réaliser d’excellents prototypes. Malgré cela aucun industriel n’a accepté de se lancer dans l’aventure. Sans doute aussi par manque de communication de ma part pour démontrer l’intérêt du public pour cette solution. Mais il n’est jamais trop trad pour bien faire, j’ai désormais un planning bien plus relax. Alors wait & see 😉

Dans les deux cas, que ce soit en Afrique ou ailleurs, je peux donc affirmer que les turbines de Lenz m’ont rendu de fiers services et m’ont apporté un immense plaisir à fabriquer et à voir tourner.

Conclusion

En résumé, La turbine de Lenz est une éolienne verticale polyvalente. Elle peut produire de l’électricité comme pomper de l’eau avec une efficacité remarquable au regard de sa simplicité. Pour qui veut se lancer dans l’éolien DIY, c’est probablement l’un des meilleurs choix.

Que ce soit pour réduire sa dépendance énergétique, pour se perfectionner en physique ou juste pour le plaisir d’expérimenter, cette éolienne permet de joindre l’utile à l’agréable. Sa construction est formatrice. Et ses utilisations concrètes dans le cadre d’un projet pédagogique, comme allumer une ampoule ou pomper de l’eau, procure une vraie satisfaction. Peu de modèles d’éolienne donnent un résultat fonctionnel aussi facilement.

Étonnamment, il n’existe pas à ma connaissance de modèles industriels basés sur le concept Lenz. Pourtant, la marge de progression est énorme. On pourrait par exemple imaginer des versions de moyenne puissance (10 à 20 kW) exploitant ce principe. Les pistes d’optimisation sont nombreuses : profil des pales, matériaux, générateurs spécifiques… tout reste à explorer.

Si cette éolienne t’inspire, n’hésite pas à te lancer ! Monte ton projet de start‑up et tu verras qu’il y a du potentiel. Et si tu as besoin de conseils, l’espace commentaires plus bas est là pour t’aider. Et n’hésite pas non plus à partager tes réalisations sur le forum 🙂

J’ai passé beaucoup de temps à réaliser cette fiche technique. Si elle t’a été utile, merci d’avance de prendre 20 secondes pour m’offrir un ou plusieurs cafés sur Buy Me a Coffee. C’est ce qui me permet de rester éveillé pour créer de nouvelles fiches et améliorer celles déjà en ligne. On compte sur toi 😉