Éoliennes : Comment Elles Génèrent une Énergie Propre

Aux États-Unis aujourd'hui, une éolienne est l'un des moyens les plus courants et les plus propres de générer de l'énergie. Cette génération d'énergie se fait d'une ferme éolienne massive à de petites éoliennes alimentant une seule maison. Les éoliennes à travers le monde produisent de l'électricité propre capable de servir une variété de besoins en énergie.

Aujourd'hui, vous découvrirez la définition, les applications, la fonction, les composants, le schéma, les types et le fonctionnement d'une éolienne. Vous découvrirez également les avantages et 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. Elle peut aussi être vue comme un dispositif qui convertit l'énergie cinétique du vent en énergie électrique renouvelable propre.

La turbine a des pales qui tournent entre 13 et 20 tours par minute, bien que cela dépende de leur technologie. Cela pourrait être dû à une vitesse constante ou variable, c'est-à-dire que la vitesse du rotor diffère en relation avec la vitesse du vent. Cela aide souvent à 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 apporté une augmentation de la durabilité et de l'utilisabilité des éoliennes.

Les éoliennes ont une large gamme de tailles et de types, soit à axe horizontal, soit à axe vertical. Elles peuvent être appelées parcs éoliens où des centaines de milliers de grandes turbines sont installées. Elles génèrent plus de 650 gigawatts de puissance, avec 60 GW ajoutés chaque année, ce qui en fait une source d'énergie renouvelable intermittente de plus en plus importante. La plupart des pays emploient des éoliennes pour réduire les coûts énergétiques et réduire l'utilisation de combustibles fossiles.

Applications des éoliennes

Les applications d'une éolienne sont si vastes puisque l'énergie est requise dans presque tous les phénomènes humains. Depuis l'utilisation précoce de l'énergie éolienne, elle a été utilisée pour générer de l'énergie mécanique. Dès 5000 av. J.-C., les Égyptiens utilisaient l'énergie éolienne pour propulser des bateaux le long du Nil. Les colons américains utilisaient le système pour pomper de l'eau, moudre du grain et couper du bois dans des scieries.

Aujourd'hui, les petites éoliennes sont utilisées pour des applications comme l'alimentation de panneaux de signalisation routière, la charge de batteries pour l'alimentation auxiliaire de bateaux ou de caravanes. Les turbines plus grandes sont conçues pour contribuer à une alimentation électrique domestique car l'énergie inutilisée est revendue au fournisseur d'électricité via le réseau électrique.

De plus, sur les grandes turbines, leurs applications sont de fournir de l'énergie au réseau, allant de 100 kilowatts à plusieurs mégawatts. Ces turbines à échelle utilitaire sont souvent regroupées dans des parcs éoliens pour qu'une plus grande quantité d'électricité puisse être produite. Assez d'énergie produite pourra alimenter des dizaines de milliers de maisons.

Dans les petites éoliennes, elles sont généralement proches de l'application qu'elles alimentent, par exemple, près des stations de pompage d'eau, maisons, antennes de télécommunications, etc. Elles génèrent jusqu'à 100 kilowatts. Cette turbine est parfois connectée à des générateurs diesel, des batteries et des systèmes photovoltaïques. Elle est aussi appelée système hybride éolien.

Finalement, les éoliennes offshore ont tendance à être massives et plus hautes. Elles sont capables de capturer les puissants vents océaniques et de générer une vaste quantité d'énergie d'environ 4 000 gigawatts d'électricité. Elles sont souvent utilisées dans de nombreux pays pour exploiter une forte énergie.

Note : la fonction principale 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. Voici les composants des turbines conventionnelles à axe horizontal :

• Le rotor – il représente environ 20 % du coût du dispositif, incluant les pales qui convertissent l'énergie éolienne en énergie de rotation à basse vitesse.
• Générateur – il représente environ 34 % du coût de l'éolienne, incluant le générateur électrique, l'électronique de contrôle, et très probablement un multiplicateur (par exemple, multiplicateur planétaire), un entraînement à vitesse variable, ou une transmission à variation continue. Ces composants d'éolienne sont responsables de la conversion de la rotation entrante à basse vitesse en rotation à haute vitesse appropriée pour générer de l'électricité.
• Structure environnante – elle est d'environ 15 % du coût de l'éolienne, incluant la tour et le mécanisme d'orientation du rotor.

Schéma d'un système d'éolienne :

Types d'éoliennes

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

Éoliennes à axe horizontal :

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

L'upwind utilise un entraînement d'orientation et un moteur, composants qui tournent la nacelle pour garder le rotor face au vent quand sa direction change. Cela est réalisé en utilisant un capteur de vent monté sur le système d'orientation pour les turbines plus grandes. Les petites turbines sont orientées par une simple girouette.

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

Les types de turbines downwind ont été construits pour éliminer certains mécanismes supplémentaires pour les maintenir alignées avec le vent. Ses pales sont conçues pour se plier dans les vents forts, ce qui réduit leur surface balayée et ainsi leur résistance au vent.

Malgré les avantages, les conceptions upwind sont encore préférées. C'est parce que le changement de charge du vent quand 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 cette disposition est qu'il n'y a pas besoin que la turbine pointe vers le vent pour l'efficacité. C'est un avantage pour les sites où la direction du vent est hautement variable. C'est aussi un avantage quand la turbine est intégrée dans un bâtiment car elle est intrinsèquement moins orientable.

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

Les types de turbines verticales ont un rendement bien inférieur aux conceptions horizontales. Une vitesse de rotation relativement faible avec le couple conséquent plus élevé et le coût plus élevé de l'entraînement affectent aussi le système. Ces types d'éoliennes se divisent en deux conceptions principales :

Basée sur la traînée, ou turbine Savonius – elles ont généralement des rotors avec des aubes solides qui tournent autour d'un axe vertical.

Basée sur la portance, ou turbine Darrieus – ont un style aile vertical haut, bien que certaines semblent avoir une forme de batteur à œufs. Une éolienne à spirale est un type de turbine à portance même si elle subit encore des tests indépendants.

Fonctionnement d'une éolienne

Le fonctionnement d'une éolienne est moins complexe et peut être facilement compris. La plupart des éoliennes consistent en trois pales, bien que celles à deux pales soient courantes. Ces pales sont montées sur une tour faite d'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 captée avec les pales ressemblant à une hélice, ressemblant à une aile d'avion. Donc, quand 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 la portance. La force de la portance est beaucoup plus forte que la force du vent contre le côté avant de la pale, ce qu'on appelle la traînée. La combinaison de la portance et de la traînée cause la rotation du rotor comme une hélice.

Une série d'engrenages est utilisée pour augmenter la rotation du rotor d'environ 18 tours par minute. C'est environ 1 800 tours par minute, ce qui permet au générateur de la turbine de produire de l'électricité alternative.

Comme indiqué précédemment, la nacelle est la partie qui loge certains composants clés de la turbine. Ceux-ci incluent les rotors, engrenages et 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 les vitesses du rotor de dépasser 55 mph (environ 88 km/h). Cela aide à garder le système en sécurité des vents forts.

Un anémomètre est utilisé dans un système pour mesurer continuellement la vitesse du vent et envoyer les données au contrôleur. La nacelle contient aussi 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 :

Voici les avantages des éoliennes dans leurs diverses applications :

• HAWT avec une tour haute, base donne accès à un vent plus fort dans les sites avec cisaillement de vent.
• Rendement élevé, car les pales se déplacent perpendiculairement au vent, recevant de la puissance pendant toute la rotation dans HAWT.

Pour VAWT :

• Elles produisent de l'électricité dans n'importe quelle direction du vent.
• Coût de production faible comparé aux éoliennes à axe horizontal.
• Une tour de support solide n'est pas requise.
• Facile à transporter d'un endroit à un autre.
• Faible coût de maintenance.
• Peut être installée en zone urbaine.

Inconvénients

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

Pour HAWT :

• Une construction massive de tour est requise.
• Composants comme multiplicateur, arbre de rotor et assemblage de frein sont levés en position.
• Les variantes downwind souffrent de fatigue et de défaillance structurelle.

Pour VAWT :

• Le rendement est très faible comparé à HAWT.
• Des vibrations élevées sont ressenties.
• Une pollution sonore est créée.
• À cause des vibrations, l'usure des roulements augmente, résultant en 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. Elles sont de deux types, abrégées en HAWT et VAWT. Elles fonctionnent différemment et offrent des avantages différents. 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 avons également listé les avantages et inconvénients de ces éoliennes.

J'espère que vous avez beaucoup appris de cet article. Si c'est le cas, partagez-le avec d'autres étudiants. Merci de votre lecture. À la prochaine !