Énergie éolienne

Énergie éolienne

Le vent est une forme d'énergie solaire. Les vents sont causés par le réchauffement inégal de l'atmosphère par le soleil, les irrégularités de la surface terrestre et la rotation de la terre. Les modèles d'écoulement du vent sont modifiés par le terrain terrestre, les plans d'eau et la couverture végétale. L'énergie éolienne est l'énergie cinétique de l'air en mouvement. Cette énergie éolienne peut être récoltée. L'énergie éolienne est la conversion de cette énergie éolienne en une forme d'énergie utile, telle que l'énergie électrique en utilisant des éoliennes, l'énergie mécanique en utilisant des éoliennes, le pompage ou le drainage de l'eau par des pompes éoliennes et comme voiles pour propulser les navires. L'énergie éolienne est une source d'énergie renouvelable ou non conventionnelle. C'est une source d'énergie propre et non polluante. Il est disponible en grande quantité dans de nombreuses régions du monde. Il ne génère aucun gaz à effet de serre lors de la production d'électricité.

La quantité totale d'énergie économiquement extractible disponible à partir du vent est très élevée. Axel Kleidon de l'Institut Max Planck en Allemagne a effectué un calcul "descendant" sur la quantité d'énergie éolienne, en commençant par le rayonnement solaire entrant qui entraîne les vents en créant des différences de température dans l'atmosphère. Il a conclu qu'entre 18 TW et 68 TW (Terawatt, soit un billion de watts) pourraient être extraits. Cristina Archer et Mark Z. Jacobson ont présenté une estimation "ascendante" basée sur des mesures réelles de la vitesse du vent. Selon cette estimation, il y a 1700 TW d'énergie éolienne disponible à une altitude de 100 mètres sur terre et sur mer. Sur cette puissance disponible, entre 72 et 170 TW pourraient être extraits de manière pratique et économique. Ils l'ont ensuite estimé à 80 TW. Cependant, des recherches menées à l'université de Harvard estiment des capacités moyennes de 1 Watt/m² et de 2 à 10 MW/km² pour les parcs éoliens à grande échelle, ce qui suggère que ces estimations des ressources éoliennes mondiales totales sont trop élevées d'un facteur d'environ 4.

La production d'électricité à partir de l'énergie éolienne s'effectue à l'aide d'éoliennes. Chaque éolienne est couplée à un générateur (alternateur). En termes simples, une éolienne est l'opposé d'un ventilateur. Au lieu d'utiliser l'électricité pour produire du vent, comme un ventilateur, les éoliennes utilisent le vent pour produire de l'électricité. Le vent fait tourner les pales, qui font tourner un arbre qui se connecte à un générateur pour produire de l'électricité. Un certain nombre de turbines sont connectées ensemble pour obtenir le rendement souhaité. Cet assemblage d'un grand nombre d'éoliennes s'appelle un parc éolien. Un parc éolien est normalement construit là où la vitesse du vent est suffisante pour déplacer la pale de l'éolienne.

Énergie provenant de l'énergie éolienne

L'utilisation de l'énergie éolienne pour produire de l'électricité se développe à un rythme très rapide. L'énergie éolienne utilise des éoliennes pour récolter l'énergie de l'air en mouvement et convertir cette énergie en électricité. Le principe de la production d'énergie éolienne à partir de l'énergie éolienne est le suivant.

L'énergie éolienne totale traversant une zone imaginaire A pendant le temps t est donnée par l'équation suivante

Où ? est la densité de l'air, v est la vitesse du vent, Avt est le volume d'air passant par A (qui est considéré comme perpendiculaire à la direction du vent), Avt ? est donc la masse m passant par unité de temps. Notez que ½ ?v ² est l'énergie cinétique de l'air en mouvement par unité de volume.

La puissance est l'énergie par unité de temps, donc l'incidence de l'énergie éolienne sur A (par exemple, égale à la surface du rotor d'une éolienne) est :

De l'équation ci-dessus, les éléments suivants sont déduits.

• La puissance est directement proportionnelle à la densité de l'air ?. À mesure que la densité de l'air augmente, la puissance de la turbine augmente.
• La puissance est directement proportionnelle à la surface balayée des aubes de turbine. Si la longueur de la pale est augmentée, le rayon de la zone balayée augmente en conséquence, de sorte que la puissance de la turbine augmente.
• La puissance du vent varie également avec la vitesse et dans un courant d'air libre, elle est proportionnelle à la troisième puissance de la vitesse du vent (v). La puissance disponible est multipliée par huit lorsque la vitesse du vent est doublée. Les éoliennes pour l'électricité du réseau doivent donc être particulièrement efficaces à des vitesses de vent plus élevées.

Éoliennes

Dans une centrale éolienne, l'éolienne utilise l'énergie cinétique, présente dans le vent, pour faire tourner le moteur principal de l'alternateur (générateur) afin de produire de l'électricité. Lorsqu'un vent suffisant frappe les pales de la turbine, elles tournent. Les pales sont couplées à un rotor. Ainsi, lorsque les pales bougent, le rotor bouge également. Dans une éolienne, le système de pas contrôle la vitesse du rotor. Le rotor est relié à l'arbre à basse vitesse. Cet arbre lent est relié à l'arbre rapide du générateur au moyen d'un système d'engrenage. Le système d'engrenage augmente la vitesse de rotation de l'arbre du générateur à la vitesse normale d'un générateur commun. Ce générateur à grande vitesse produit de l'électricité.

Les éoliennes se composent également d'un contrôleur pour démarrer ou arrêter la machine. Normalement, les éoliennes fonctionnent dans une plage de vitesses de vent. Lorsque la vitesse du vent franchit la limite inférieure, la turbine est démarrée et la turbine est automatiquement arrêtée lorsque la vitesse du vent atteint la limite supérieure également appelée vitesse du vent de survie. Toutes les éoliennes sont conçues pour cette vitesse maximale du vent (vitesse du vent de survie)

Les éoliennes ont un anémomètre qui détermine la vitesse du vent et envoie des informations régulières au contrôleur si la vitesse du vent est élevée ou non. Le frein fonctionne en cas d'urgence pour arrêter le rotor mécaniquement, électriquement ou hydrauliquement. L'éolienne contient également une girouette, un entraînement de lacet et un moteur de lacet. Leurs fonctions sont de mesurer la direction du vent et d'ajuster les éoliennes pour qu'elles restent face au vent lorsque la direction du vent change.

Il existe généralement deux types d'éoliennes. Éolienne à axe horizontal (HAWT) et éolienne à axe vertical (VAWT). L'axe horizontal est divisé en vent arrière et vent arrière tandis que l'axe vertical est divisé en fonction de la traînée et de la portance.

Dans la turbine au vent HAWT, l'arbre de la turbine et de l'alternateur sont tous deux alignés horizontalement et les pales de la turbine sont placées à l'avant de la turbine, ce qui signifie que l'air frappe les pales de la turbine avant la tour. Dans le cas de l'éolienne sous le vent HAWT, les arbres du rotor et du générateur sont également placés horizontalement, mais les pales de la turbine sont placées après la turbine, ce qui signifie que le vent frappe la tour avant les pales.

Si nous observons une turbine basée sur la traînée VAWT, l'arbre du générateur est situé verticalement avec les pales positionnées vers le haut et les turbines sont normalement montées au sol ou sur une petite tour. Dans le cas de la turbine basée sur l'ascenseur VAWT, l'arbre du générateur est placé verticalement avec la position de la pale vers le haut. La plupart des grandes éoliennes modernes sont des turbines à axe horizontal en raison de leur rendement élevé. Étant donné que les pales se déplacent toujours perpendiculairement au vent et reçoivent de l'énergie tout au long de la rotation. La turbine a les composants principaux suivants.

• Lame ou rotor qui convertit l'énergie du vent en énergie de rotation de l'arbre
• Groupe motopropulseur comprenant une boîte de vitesses et un générateur
• Tour qui supporte le rotor et la transmission
• Les équipements d'équilibrage comprennent les commandes, les câbles électriques, les équipements de soutènement au sol et les équipements d'interconnexion.

Les composants d'une éolienne sont représentés sur la figure 1

 Fig 1 Composants d'une éolienne

Un parc éolien est un groupe d'éoliennes au même endroit utilisé pour la production d'électricité. Un grand parc éolien peut être composé de plusieurs centaines d'éoliennes individuelles réparties sur une zone étendue, mais le terrain entre les éoliennes peut être utilisé à des fins agricoles ou autres. Un parc éolien peut également être situé en mer.

Presque toutes les grandes éoliennes ont généralement la même conception qui consiste en une éolienne à axe horizontal ayant un rotor au vent à trois pales, attaché à une nacelle au sommet d'une haute tour tubulaire. Dans un parc éolien, les turbines individuelles sont interconnectées avec une moyenne tension (environ 33 kV), un système de collecte d'énergie et un réseau de communication. Dans une sous-station, ce courant électrique moyenne tension est augmenté en tension avec un transformateur pour la connexion au système de transmission d'énergie électrique haute tension.

La spécification de conception d'une éolienne est généralement basée sur une courbe de puissance et une disponibilité garantie. La plage de température de fonctionnement typique est de 20 à 40 deg C. Dans les zones à climat extrême et à climat chaud, des versions sont nécessaires. Les éoliennes peuvent être conçues et validées conformément aux normes CEI 61400.

L'aérodynamique d'un HAWT est un peu compliqué. Le débit d'air au niveau des pales n'est pas le même que le débit d'air éloigné de la turbine. L'aérodynamique à la surface du rotor présente des phénomènes rarement observés dans d'autres domaines aérodynamiques. En 1919, le physicien Albert Betz a montré que pour une machine idéale d'extraction de l'énergie éolienne, les lois fondamentales de conservation de la masse et de l'énergie ne permettaient pas de capter plus de 59,3 % de l'énergie cinétique du vent. Les éoliennes modernes se rapprochent de cette limite de la loi de Betz et peuvent atteindre 60 % à 70 % de cette limite théorique

Les éoliennes sont normalement conçues pour produire un maximum de puissance à une large gamme de vitesses de vent. Toutes les éoliennes sont généralement conçues pour une vitesse de vent maximale. Les éoliennes ont les trois modes de fonctionnement suivants.

• fonctionnement en dessous de la vitesse nominale du vent
• autour de la vitesse nominale du vent (généralement à la capacité indiquée sur la plaque signalétique)
• fonctionnement au-dessus de la vitesse nominale du vent

Si la vitesse nominale du vent est dépassée, la puissance doit être limitée. Cela se fait de différentes manières. Un système de contrôle implique trois éléments de base consistant en des capteurs pour mesurer les variables de processus, des actionneurs pour manipuler la capture d'énergie et le chargement des composants, et des algorithmes de contrôle pour coordonner les actionneurs en fonction des informations recueillies par les capteurs.

Autres problèmes de l'énergie éolienne

• Étant donné que la vitesse du vent n'est pas constante, la production d'énergie annuelle d'un parc éolien n'est jamais égale à la somme des valeurs nominales du générateur multipliée par le nombre total d'heures dans une année. Le rapport de la productivité réelle sur une année à ce maximum théorique est appelé facteur de charge de l'usine (PLF). Les PLF typiques obtenus sont de 15 % à 40 %. Des valeurs PLF plus élevées à l'extrémité supérieure de la plage sont obtenues dans des sites favorables et sont dues aux améliorations de la conception des éoliennes.
• L'énergie éolienne ne subit pratiquement jamais de défaillances techniques majeures, car les pannes d'éoliennes individuelles n'ont pratiquement aucun effet sur la puissance globale, de sorte que l'énergie éolienne distribuée est hautement fiable et prévisible.
• Bien que les centrales éoliennes aient relativement peu d'impact sur l'environnement par rapport aux centrales à combustible fossile, le bruit produit par les pales du rotor, les impacts esthétiques (visuels) et les oiseaux tués en volant dans les rotors suscitent des inquiétudes. .
• Le principal défi de l'utilisation du vent comme source d'énergie est qu'il est intermittent, car le vent ne souffle pas toujours lorsque l'électricité est nécessaire. Le vent ne peut pas être stocké (bien que l'électricité produite par le vent puisse être stockée, si des batteries sont utilisées), et tous les vents ne peuvent pas être exploités pour répondre au calendrier des demandes d'électricité. De plus, les bons sites éoliens sont souvent situés dans des endroits éloignés, loin des zones de demande d'électricité.
• Le développement des ressources éoliennes doit concurrencer d'autres utilisations des terres, et ces utilisations alternatives sont peut-être plus valorisées que la production d'électricité. Cependant, les éoliennes peuvent être situées sur des terres qui sont également utilisées pour le pâturage ou même l'agriculture.






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