Éolienne : Fonctionnement,Types,Composants

L'énergie éolienne est une source d'énergie durable et renouvelable qui convertit efficacement l'énergie du vent en électricité. 

Les éoliennes, qui ressemblent à des ailes d'avion ou à des pales de rotor d'hélicoptère, utilisent la force aérodynamique des pales pour produire de l'électricité. Regroupées en parcs éoliens sur de vastes zones, ces éoliennes captent l'énergie cinétique de l'air en mouvement et la convertissent en énergie de rotation grâce au mouvement des pales. Cette énergie de rotation est ensuite transférée à un générateur par l'intermédiaire d'un arbre, produisant ainsi de l'énergie électrique. Les centrales éoliennes peuvent être situées sur terre ou en mer, et peuvent également être des centrales hybrides incorporant d'autres sources comme l'énergie solaire. Avec un impact minimal sur l'environnement par rapport à la combustion de combustibles fossiles, l'énergie éolienne constitue un investissement propre et précieux pour un avenir durable.

Qu'est-ce qu'une centrale éolienne ? (Éolienne)

Les centrales éoliennes sont un ensemble de turbines éoliennes horizontales ou verticales. Ces turbines collectent l'énergie individuellement et sont connectées à une centrale commune. L'éolienne est également similaire à une turbine normale, car elle convertit l'énergie cinétique en énergie mécanique. Elles sont conçues de manière à ce que la hauteur et la longueur des pales soient maintenues dans un certain rapport. Parmi toutes les centrales électriques, la centrale éolienne est l'une des plus importantes avec une durée de vie de plus de 20 ans. Elle nécessite généralement une maintenance tous les six mois. Le rendement global d'une centrale éolienne est de 20 à 40 %.

Fonctionnement d'une centrale éolienne

Comment fonctionne une éolienne ? L'éolienne fonctionne sur le principe de la conversion de l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique utilisée pour faire tourner les pales d'un ventilateur relié à un générateur électrique. Lorsque le vent ou l'air touche les pales (ou les palettes) de l'éolienne, la pression de l'air peut être inégale, plus élevée d'un côté de la pale et plus basse de l'autre. La pression inégale fait donc tourner les pales autour du centre de l'éolienne. L'éolienne ne fonctionne pas à des vitesses de vent supérieures à 55 mph avec l'utilisation du contrôleur. 

Types de centrales éoliennes 

Il existe deux types d'éoliennes

Les éoliennes à axe horizontal (HAWT)

Éoliennes à axe vertical (VAWT)

Éoliennes à axe horizontal (HAWT)

Ces éoliennes ressemblent à des moulins à vent, l'extrémité de l'arbre étant orientée dans la direction du vent. Les petites éoliennes sont dirigées par des girouettes montées sur le bâtiment puisqu'elles doivent faire face au vent. Des capteurs de vent et des servomoteurs sont utilisés pour faire tourner les plus grandes turbines.

L'arbre du rotor de l'éolienne (c'est-à-dire la vitesse lente et la vitesse rapide) est relié au multiplicateur qui convertit la vitesse de 30 à 60 tr/min en 1000 à 1800 tr/min. Le réducteur est constitué d'engrenages qui transmettent l'énergie mécanique. Ces vitesses sont celles qui conviennent le mieux au générateur pour la production d'électricité. Lorsque le rotor de l'éolienne tourne, il entraîne une génératrice par l'intermédiaire d'un multiplicateur de vitesse, ce qui permet à la génératrice de produire de l'énergie électrique. Les éoliennes sont disponibles dans des tailles allant de 100 KW à 36 MW et sont principalement utilisées en mer. Les ingénieurs conçoivent actuellement une éolienne de 10 MW.

Éolienne à axe vertical (VAWT)

La racine principale est montée sur l'arbre vertical.Cela permet de résoudre les problèmes liés aux éoliennes horizontales. En effet, elles nécessitent plus d'espace et sont difficiles à installer. Les sous-types sont les suivants

Turbine de type Darius

Turbine de type Savonious

La figure ci-dessus montre les différents types d'éoliennes.

À propos de l'énergie du vent

Le vent presse de l'énergie dans son mouvement. Une partie de l'énergie peut être extraite de la masse d'air qui s'écoule et transformée en travail utilisable par tout mécanisme capable de la ralentir, tel qu'une voile ou une hélice. Les trois variables suivantes influencent la production d'un convertisseur d'énergie éolienne :

La vitesse du vent 

La section transversale du vent balayée par le rotor

L'efficacité globale de conversion du rotor, du système de transmission et du générateur.

Les pales d'une éolienne bien conçue permettent d'obtenir 70 % de la puissance disponible à partir de l'énergie éolienne.

Aucun dispositif, aussi bien conçu soit-il, ne peut extraire toute l'énergie du vent, car il faudrait arrêter le vent, ce qui empêcherait le passage d'une plus grande quantité d'air à travers le rotor. Le résultat le plus probable est que le rotor décélère l'ensemble de la colonne horizontale d'air intercepté jusqu'à environ un tiers de sa vitesse libre. Par conséquent, la quantité d'énergie éolienne qui pourrait être convertie en énergie mécanique par un aérogénérateur efficace à 100 % serait limitée à environ 60 %. Le rendement global d'une éolienne peut tomber à 35 % ou moins en raison des pertes dans le multiplicateur, le système de transmission, le générateur ou la pompe, même si des pales bien conçues atteignent généralement 70 % du maximum théorique

.Nous savons que la machine à vent fonctionnera selon le principe de la conversion de l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique.

(∴Énergie cinétique du vent=12mV2)....(1)        

Masse de l'air, m=(ρAV)...(2)           

Où,

(ρ) = densité de l'air

A = Surface de déplacement 

V = Vitesse de l'air

En substituant la valeur de m dans l'équation 1, nous obtenons, 

Énergie cinétique=(12(ρAV)×V2)

=(12(ρAV3)Watts)..........3

Nous savons que la puissance est égale à l'énergie par unité de temps.

Soit D le diamètre des pales de la turbine 

(∴A=Π4D2 en m2)

Nous pouvons dire qu'une petite variation de la vitesse du vent augmentera l'effet sur la puissance du vent. Mais elle peut varier de 10 à 15 % au cours de l'année en raison des changements de pression et de température, et elle est négligée.  ∴ Puissance disponible du vent (Pa=12ρ(Π4D2)V3 Watts)

Composants d'une éolienne

Pales : elles sont généralement fabriquées en fibre de verre ou en balsa. La plupart des turbines ont deux ou trois pales.

Rotor : Il comprend les pales et le moyeu. Les pales font tourner le rotor, qui est fixé à un arbre qui transfère le couple qu'il crée dans le multiplicateur. Le rotor permet de réguler le pas de l'hélice afin d'optimiser et de contrôler la puissance produite. Sa vitesse est variable pour maximiser l'efficacité aérodynamique.

Régulation du pas : fait tourner les pales hors du vent pour contrôler la vitesse du rotor et l'empêcher de tourner lorsque le vent est trop fort ou trop faible pour produire de l'électricité.

Frein : disque qui peut être appliqué par voie aérodynamique, électrique ou hydraulique pour arrêter le rotor en cas d'urgence. Un frein arrête l'éolienne si les vents deviennent suffisamment forts pour avoir un impact sur les composants internes de l'éolienne.

Arbre à faible vitesse : le rotor fait tourner l'arbre à faible vitesse à une vitesse d'environ 15 à 30 rotations par minute.

Boîte d'engrenages : elle relie l'arbre à basse vitesse à l'arbre à haute vitesse et augmente les vitesses de rotation d'environ 15 à 30 rotations par minute (tr/min) à environ 1000 à 1800 tr/min, la vitesse de rotation requise par la plupart des générateurs (alternateurs) pour produire de l'électricité. Il s'agit d'une pièce lourde et coûteuse des éoliennes.

Générateur : il s'agit généralement d'un générateur à induction qui produit de l'électricité en courant alternatif à 50 cycles.  

Contrôleur : il démarre la machine à des vitesses de vent de 8 à 16 miles par heure (mph) et l'arrête à environ 55 mph. Les turbines ne fonctionnent pas à des vitesses de vent supérieures à environ 55 mph, car cela pourrait les endommager.

Anémomètre : Il mesure la vitesse du vent et transmet les données au contrôleur. Ce dernier corrige alors la direction, l'inclinaison et le lacet de l'éolienne afin d'exploiter au mieux l'énergie éolienne disponible.

Girouette : mesure la direction du vent et communique avec le moteur de lacet pour orienter correctement l'éolienne par rapport au vent.

Nacelle : elle se trouve au sommet de la tour et contient le multiplicateur, les arbres à basse et haute vitesse, le générateur, le contrôleur et le frein. Il s'agit essentiellement du couvercle de la machinerie qui transforme l'énergie éolienne en énergie électrique.

Arbre à grande vitesse : Entraîne la génératrice. L'entraînement en lacet des éoliennes orientées vers le haut fait face au vent. L'entraînement en lacet maintient le rotor face au vent lorsque la direction du vent change. Les éoliennes orientées vers le bas ne nécessitent pas d'entraînement de lacet, le vent pousse le rotor vers le bas Le moteur de lacet alimente l'entraînement de lacet

Tour : elle est généralement fabriquée en acier tubulaire, en béton ou en treillis d'acier. La vitesse du vent augmentant avec la hauteur, les tours plus hautes permettent aux turbines de capter plus d'énergie et de produire plus d'électricité.

Avantages et inconvénients des centrales éoliennes

Jusqu'à présent, nous avons abordé les concepts. Voyons maintenant les avantages et les inconvénients des centrales éoliennes.

Avantages de l'énergie éolienne

L'énergie éolienne ne pollue pas et constitue une source d'énergie gratuite,elle Conviennne aux petites applications domestiques éloignées andi que le coût de production de l'électricité est peu élevé

Une stratégie efficace pour fournir de l'énergie aux zones rurales

Inconvénients de la centrale éolienne

La technologie de l'énergie éolienne nécessite un investissement plus important que les générateurs à combustible fossile.

Le vent est intermittent et ne souffle pas toujours lorsque l'on a besoin d'électricité.

Les zones propices à l'implantation de parcs éoliens sont souvent situées près de la côte, où les terrains sont chers.

Les bons sites éoliens sont souvent situés dans des endroits isolés, loin des villes où l'on a besoin d'électricité.

La réception de la télévision peut en être affectée si l'on habite à proximité.

L'exploitation des ressources éoliennes peut entrer en concurrence avec d'autres utilisations des terres et ces autres utilisations peuvent être plus appréciées que la production d'électricité.

Il existe certains problèmes tels que le bruit produit par les pales des rotors, les impacts esthétiques (visuels), et parfois des oiseaux ont été tués en volant dans les rotors.

Elle est susceptible d'être affectée par des conditions naturelles telles que les conditions météorologiques, et elle a une grande capacité de production.