Comprendre l'éolienne

Aux États-Unis aujourd'hui, une éolienne est l'un des moyens les plus courants et les plus propres de produire de l'électricité. Cette production d'électricité passe d'un parc éolien massif à de petites turbines alimentant une seule maison. Les éoliennes du monde entier produisent de l'électricité propre capable de répondre à une variété de besoins énergétiques.

Aujourd'hui, vous apprendrez à connaître la définition, les applications, la fonction, les composants, le schéma, les types et le fonctionnement d'une éolienne. Vous découvrirez également les avantages et les inconvénients de ces types d'éoliennes.

Qu'est-ce qu'une éolienne ?

Une éolienne est une machine qui convertit l'énergie cinétique du vent en électricité propre. Il peut également être considéré comme un appareil qui convertit l'énergie cinétique du vent en énergie électrique propre et renouvelable.

La turbine a des pales qui tournent entre 13 et 20 tours par minute, bien que cela dépende de leur technologie. Cela peut être dû à une vitesse constante ou variable, c'est-à-dire que la vitesse du rotor diffère en fonction de la vitesse du vent. Cela permet souvent d'atteindre une plus grande efficacité.

Les éoliennes sont conçues pour avoir une durée de vie moyenne de plus de 25 ans. L'évolution rapide de la technologie éolienne a entraîné une augmentation de la durabilité et de la convivialité des éoliennes.

Les éoliennes ont une large gamme de tailles et de types, à axes horizontaux ou verticaux. Ils peuvent être appelés parcs éoliens où des centaines de milliers de grandes turbines sont installées. Ils génèrent plus de 650 gigawatts d'électricité, auxquels s'ajoutent 60 GW chaque année, ce qui en fait une source d'énergie renouvelable intermittente de plus en plus importante. La plupart des pays utilisent des éoliennes pour réduire les coûts énergétiques et réduire l'utilisation de combustibles fossiles.

Applications de l'éolienne

Les applications d'une éolienne sont si vastes que l'énergie est nécessaire dans presque tous les phénomènes humains. Depuis les débuts de l'utilisation de l'énergie éolienne, elle a été utilisée pour générer de l'énergie mécanique. Dès 5000 avant J.-C., les Égyptiens utilisent l'énergie éolienne pour propulser les bateaux le long du Nil. Un colon américain utilise le système pour pomper l'eau, moudre le grain et couper le bois dans les scieries.

Aujourd'hui, les éoliennes plus petites sont utilisées pour des applications telles que les panneaux d'avertissement de trafic électrique, la charge de la batterie pour l'alimentation auxiliaire des bateaux ou des caravanes. Les turbines plus grandes sont conçues pour contribuer à l'alimentation électrique domestique, car l'électricité inutilisée est revendue au fournisseur de services publics via le réseau électrique.

De plus, sur les grosses turbines, leurs applications consistent à fournir de l'énergie au réseau, qui va de 100 kilowatts à plusieurs mégawatts. Ces turbines à grande échelle sont souvent regroupées dans des parcs éoliens afin de pouvoir produire une plus grande quantité d'électricité. Une quantité suffisante d'énergie produite pourra alimenter des dizaines de milliers de foyers.

Dans les petites éoliennes, elles sont généralement proches des applications qui alimenteront, par exemple, à proximité des stations de pompage d'eau, des maisons, des paraboles de télécommunications, etc., elles génèrent jusqu'à 100 kilowatts. Cette turbine est parfois connectée à des générateurs diesel, des batteries et des systèmes photovoltaïques. On l'appelle aussi système éolien hybride.

Enfin, les éoliennes offshore ont tendance à être massives et plus hautes. Ils sont capables de capter les puissants vents océaniques et de générer une grande quantité d'énergie d'environ 4 000 gigawatts d'électricité. Il est souvent utilisé dans de nombreux pays pour exploiter une énergie forte.

Remarque  :la fonction première d'une éolienne est de générer de l'énergie ou de l'utiliser directement pour l'énergie mécanique.

Composants d'une éolienne

Les éoliennes convertissent l'énergie éolienne en énergie électrique pour la distribution. Vous trouverez ci-dessous les composants des turbines conventionnelles à axe horizontal.

• Le rotor :il a coûté environ 20 % du coût de l'appareil, y compris les pales qui convertissent l'énergie éolienne en énergie de rotation à basse vitesse.
• Générateur :il a coûté environ 34 % du coût de l'éolienne, y compris le générateur électrique, l'électronique de commande et très probablement la boîte de vitesses (par exemple, la boîte de vitesses planétaire), l'entraînement à vitesse variable ou la transmission à variation continue. Ces composants d'éolienne sont responsables de la conversion de la rotation entrante à basse vitesse en une rotation à grande vitesse adaptée à la production d'électricité.
• Structure environnante :elle représente environ 15 % du coût de l'éolienne, y compris la tour et le mécanisme de lacet du rotor.

Schéma d'un système éolien :

Types d'éoliennes

Il existe essentiellement deux types d'éoliennes :l'axe horizontal et l'axe vertical.

Éoliennes à axe horizontal :

La plupart des éoliennes utilisées aujourd'hui sont l'axe horizontal, ce qui signifie que les pales de type hélice sont conçues pour tourner autour d'un axe horizontal. Ces types d'éoliennes sont soit au vent, c'est-à-dire que le vent frappe les pales avant la tour. Le vent arrière est l'autre type, où le vent frappe la tour avant les pales.

La remontée au vent utilise un entraînement et un moteur de lacet, des composants qui font tourner la nacelle pour maintenir le rotor face au vent lorsque la direction de son changement. Ceci est réalisé à l'aide d'un capteur de vent monté sur le système de lacet pour les éoliennes plus grandes. Les petites éoliennes sont pointées par une simple girouette.

Une éolienne à axe horizontal est abrégée en HAWT. Il est courant aujourd'hui que de grandes éoliennes à trois pales à axe horizontal avec les pales au vent de la tour produisent l'écrasante majorité de l'énergie éolienne dans le monde aujourd'hui.

Les types d'éoliennes sous le vent ont été construits pour éliminer certains mécanismes supplémentaires permettant de les maintenir en ligne avec le vent. Ses pales sont conçues pour plier par grand vent, ce qui réduit leur surface balayée et donc leur résistance au vent.

Malgré les avantages, les offres sous le vent, les conceptions sous le vent sont toujours préférées. En effet, le changement de charge du vent lorsque chaque pale passe derrière la tour de support peut endommager la turbine.

Éoliennes à axe vertical :

Les éoliennes à axe vertical ou VAWT ont leur arbre de rotor principal disposé verticalement. Le but de cet agencement est qu'il n'est pas nécessaire que la turbine pointe le vent pour être efficace. C'est un avantage pour les sites où la direction du vent est très variable. C'est également un avantage lorsque la turbine est intégrée dans un bâtiment car elle est intrinsèquement moins orientable.

Dans ces types d'éoliennes, le générateur et la boîte de vitesses peuvent être placés près du sol à l'aide d'un entraînement direct de l'ensemble rotor à la boîte de vitesses au sol. Cela améliore l'accessibilité pour la maintenance. Cependant, ces conceptions offrent beaucoup moins d'énergie en moyenne dans le temps, ce qui est un inconvénient majeur.

Les types de turbines verticales ont une efficacité beaucoup plus faible que les conceptions horizontales. Une vitesse de rotation relativement faible avec le couple plus élevé qui en résulte et le coût plus élevé de la transmission affecte également le système. Ces types d'éoliennes se répartissent en deux conceptions principales :

turbine basée sur la traînée ou savonius – ils ont généralement des rotors à aubes pleines qui tournent autour d'un axe vertical.

Basé sur l'ascenseur ou turbine Darrieus - ont un style de profil aérodynamique haut et vertical, bien que certains semblent avoir une forme de batteur à œufs. Une flèche éolienne est un type d'éolienne basée sur l'ascenseur, même si elle fait toujours l'objet de tests indépendants.

Fonctionnement d'une éolienne

Le fonctionnement d'une éolienne est moins complexe et peut être facilement compris. La plupart des éoliennes sont constituées de trois pales, bien que celles à deux pales soient courantes. Ces pales sont montées sur une tour en acier tubulaire. La turbine utilise des vitesses de vent plus rapides trouvées à des altitudes plus élevées puisque la tour est à 100 pieds ou plus au-dessus du sol.

L'énergie du vent est capturée par les pales en forme d'hélice, ressemblant à une aile d'avion. Ainsi, lorsque le vent souffle, une poche d'air à basse pression se forme sur un côté de la pale. Cette poche d'air à basse pression tire alors la pale vers elle, faisant tourner le rotor. C'est ce qu'on appelle l'ascenseur. La force de la gauche est beaucoup plus forte que la force du vent contre la face avant de la pale, qui s'appelle la traînée. La combinaison de la portance et de la traînée fait tourner le rotor comme une hélice.

Une série d'engrenages sont utilisés pour augmenter la rotation du rotor d'environ 18 tours par minute. Cela représente environ 1 800 tours par minute, ce qui permet au générateur de la turbine de produire de l'électricité en courant alternatif.

Comme indiqué précédemment, la nacelle est une partie qui abrite certains composants clés de la turbine. Ceux-ci comprennent des rotors, des engrenages et des générateurs, montés au sommet de la tour de la turbine. Ces nacelles sont assez grandes. Une autre partie importante est le contrôleur de turbine, qui empêche la vitesse du rotor de dépasser 55 mph. Cela permet de protéger le système des vents violents.

Un anémomètre est utilisé dans un système pour mesurer en continu la vitesse du vent et envoyer les données au contrôleur. La nacelle contient également un frein qui arrête le rotor mécaniquement, électriquement ou hydrauliquement en cas d'urgence.

Regardez la vidéo ci-dessous pour en savoir plus sur le fonctionnement de l'éolienne :

Avantages et inconvénients des éoliennes

Avantages :

Vous trouverez ci-dessous les avantages des éoliennes dans leurs diverses applications :

• HAWT avec une haute tour, la base donne accès à un vent plus fort dans les sites avec cisaillement du vent.
• Haut rendement, car les pales se déplacent perpendiculairement au vent, recevant de l'énergie tout au long de la rotation en HAWT.

Pour VAWT

• Ils produisent de l'électricité dans n'importe quelle direction du vent
• Faible coût de production par rapport aux éoliennes à axe horizontal.
• Une tour de support solide n'est pas nécessaire
• Facile à transporter d'un endroit à un autre
• Faible coût de maintenance.
• Peut être installé en zone urbaine.

Inconvénients

Malgré les bons avantages de ces types d'éoliennes, certaines limitations subsistent. Voici les inconvénients d'une éolienne.

Pour HAWT :

• La construction d'une tour massive est nécessaire.
• Des composants tels que la boîte de vitesses, l'arbre du rotor et l'ensemble de frein sont soulevés en position.
• Les variantes sous le vent souffrent de fatigue et de défaillance structurelle.

Pour VAWT :

• L'efficacité est très faible par rapport à HAWT.
• De fortes vibrations sont ressenties.
• Une pollution sonore est créée.
• En raison des vibrations, l'usure des roulements augmente, ce qui entraîne des coûts de maintenance élevés.
• La poussée initiale pour démarrer est requise.

Conclusion

Les éoliennes sont des machines qui convertissent l'énergie cinétique du vent en électricité propre. Il est de deux types, qui sont abrégés en HAWT et VAWT. L'ensemble travaille différemment et offre un avantage différent. C'est tout pour cet article, où nous avons expliqué la définition, les applications, la fonction, les composants, le schéma, les types et le fonctionnement d'une éolienne. Nous énumérons également les avantages et les inconvénients de ces éoliennes.

J'espère que vous avez beaucoup tiré de cet article, si c'est le cas, merci de le partager avec d'autres étudiants. Merci d'avoir lu. À la prochaine !