Tutoriels sur les énergies alternatives
Conception d’une éolienne pour l’énergie éolienne
Au cœur de tout système de production d’énergie éolienne renouvelable se trouve l’éolienne. Les conceptions d’éoliennes comprennent généralement un rotor, un générateur de courant continu (CC) ou un alternateur de courant alternatif (CA) qui est monté sur une tour à une hauteur élevée au-dessus du sol.
Alors, comment les éoliennes sont-elles conçues pour produire de l’électricité ?…. Dans ses termes les plus simples, une éolienne est le contraire d’un ventilateur domestique ou de bureau. Le ventilateur utilise l’électricité du réseau électrique pour faire tourner et circuler l’air, produisant ainsi du vent. Les éoliennes, quant à elles, utilisent la force du vent pour produire de l’électricité. Le mouvement des vents fait tourner ou pivoter les pales des turbines, qui capturent l’énergie cinétique du vent et convertissent cette énergie en un mouvement rotatif via un arbre pour entraîner un générateur et produire de l’électricité comme indiqué.
Conception typique d’une éolienne
L’image ci-dessus montre les composants de base qui entrent dans la composition d’une conception typique d’éolienne. Une éolienne extrait l’énergie cinétique du vent en le ralentissant et en transférant cette énergie dans l’arbre en rotation, il est donc important d’avoir une bonne conception. L’énergie disponible dans le vent qui peut être récoltée dépend à la fois de la vitesse du vent et de la zone balayée par les pales de l’éolienne en rotation. Ainsi, plus la vitesse du vent est élevée ou plus les pales du rotor sont grandes, plus l’énergie peut être extraite du vent. Nous pouvons donc dire que la production d’énergie par les éoliennes dépend de l’interaction entre les pales du rotor et le vent et c’est cette interaction qui est importante pour la conception d’une éolienne.
Pour aider à améliorer cette interaction et donc augmenter l’efficacité, deux types de conception d’éoliennes sont disponibles. L’axe horizontal commun et la conception à axe vertical. La conception d’une éolienne à axe horizontal capte plus de vent, de sorte que la puissance produite est plus élevée que celle d’une éolienne à axe vertical. L’inconvénient de la conception à axe horizontal est que la tour nécessaire pour soutenir l’éolienne est beaucoup plus élevée et que la conception des pales du rotor doit être bien meilleure.
La turbine à axe vertical ou VAWT, est plus facile à concevoir et à entretenir mais offre des performances inférieures à celles des types à axe horizontal en raison de la traînée élevée de sa conception simple de pale de rotor. La plupart des éoliennes produisant de l’électricité aujourd’hui, que ce soit à des fins commerciales ou domestiques, sont des machines à axe horizontal ; ce sont donc ces types de conception d’éoliennes que nous allons examiner dans ce tutoriel sur les éoliennes.
– Le rotor – C’est la partie principale de la conception d’une éolienne moderne qui recueille l’énergie des vents et la transforme en puissance mécanique sous forme de rotation. Le rotor se compose de deux ou plusieurs « pales » en bois stratifié, en fibre de verre ou en métal et d’un moyeu protecteur qui tourne (d’où son nom) autour d’un axe central.
Comme une aile d’avion, les pales d’une éolienne fonctionnent en générant une portance grâce à leur forme incurvée. Les pales du rotor extraient une partie de l’énergie cinétique des masses d’air en mouvement selon le principe de la portance, à un rythme déterminé par la vitesse du vent et la forme des pales. Le résultat net est une force de portance perpendiculaire à la direction du flux d’air. Ensuite, l’astuce consiste à concevoir la pale du rotor pour créer la bonne quantité de portance et de poussée de la pale du rotor produisant une décélération optimale de l’air et pas plus.
Malheureusement, les pales du rotor des turbines ne capturent pas 100% de toute la puissance du vent car, pour ce faire, l’air derrière les pales des turbines serait complètement immobile et ne permettrait donc plus au vent de passer à travers les pales. L’efficacité théorique maximale que les pales des turbines peuvent extraire de l’énergie éolienne se situe entre 30 et 45% et dépend des variables suivantes des pales de rotor : La conception de la pale, le nombre de pales, la longueur de la pale, le pas/angle de la pale, la forme de la pale, ainsi que les matériaux et le poids de la pale, pour n’en citer que quelques-unes.
– Conception de la pale – Les conceptions des pales de rotor fonctionnent sur le principe de la méthode de portance ou de traînée pour extraire l’énergie des masses d’air en mouvement. La conception de la pale de portance utilise le même principe qui permet aux avions, aux cerfs-volants et aux oiseaux de voler en produisant une force de levage qui est perpendiculaire à la direction du mouvement. La pale du rotor est essentiellement un profil aérodynamique, ou une aile de forme similaire à celle d’un avion. Lorsque la pale coupe l’air, un différentiel de vitesse et de pression du vent est créé entre les surfaces supérieure et inférieure de la pale.
La pression à la surface inférieure est plus grande et agit donc pour « soulever » la pale vers le haut, nous voulons donc rendre cette force aussi grande que possible. Lorsque les pales sont fixées à un axe de rotation central, comme le rotor d’une éolienne, ce soulèvement se traduit par un mouvement de rotation.
À cette force de soulèvement s’oppose une force de traînée qui est parallèle à la direction du mouvement et qui provoque des turbulences autour du bord de fuite de la pale lorsqu’elle coupe l’air. Cette turbulence a un effet de freinage sur la pale, nous voulons donc que cette force de traînée soit aussi faible que possible. La combinaison de la portance et de la traînée fait tourner le rotor comme une hélice.
Les conceptions de traînée sont plus utilisées pour les éoliennes verticales qui ont de grandes pales en forme de coupe ou courbées. Le vent pousse littéralement les pales qui sont fixées à un arbre central. Les avantages des pales de rotor à traînée sont des vitesses de rotation plus lentes et un couple élevé, ce qui les rend utiles pour le pompage de l’eau et l’alimentation des machines agricoles. Les éoliennes à portance ayant une vitesse de rotation beaucoup plus élevée que les types de traînée et sont donc bien adaptées à la production d’électricité.
– Nombre de pales – Le nombre de pales de rotor qu’une conception d’éolienne a est généralement déterminé par l’efficacité aérodynamique et le coût. L’éolienne idéale aurait de nombreuses pales de rotor fines, mais la plupart des aérogénérateurs à axe horizontal n’ont qu’une, deux ou trois pales de rotor. L’augmentation du nombre de pales au-delà de trois ne donne qu’une faible augmentation de l’efficacité du rotor, mais en augmente le coût, de sorte qu’il n’est généralement pas nécessaire d’avoir plus de trois pales, mais il existe de petits aérogénérateurs multipales à rotation élevée pour un usage domestique. En général, moins il y a de pales, moins il faut de matériaux lors de la fabrication, ce qui réduit leur coût global et leur complexité.
Les rotors monopales ont un contrepoids sur le côté opposé du rotor mais souffrent d’une forte contrainte sur les matériaux et de vibrations en raison de leur mouvement de rotation non lisse de la pale unique qui doit se déplacer plus rapidement pour capturer la même quantité d’énergie éolienne. De plus, avec les rotors à une ou même deux pales, la plupart des mouvements d’air disponibles et donc de l’énergie éolienne passent par la section transversale non balayée de l’éolienne sans interagir avec le rotor, ce qui diminue leur efficacité.
Les rotors à pales multiples, en revanche, ont un fonctionnement rotatif plus lisse et des niveaux de bruit plus faibles. Des vitesses de rotation et un couple plus faibles sont possibles avec les conceptions multipales, ce qui réduit les contraintes dans le train d’entraînement, ce qui entraîne une diminution des coûts de la boîte de vitesses et du générateur. Cependant, les conceptions d’éoliennes avec de nombreuses pales ou des pales très larges seront soumises à des forces très importantes dans des vents très forts, ce qui explique pourquoi la plupart des conceptions d’éoliennes utilisent trois pales de rotor.
– Un nombre impair ou pair de pales de rotor ? – Une conception d’éolienne qui a un nombre « Pair » de pales de rotor, 2, 4 ou 6, etc, peut souffrir de problèmes de stabilité en rotation. Ceci est dû au fait que chaque pale de rotor a une pale identique et opposée qui est située à 180o dans la direction opposée. Lorsque le rotor tourne, au moment même où la pale la plus haute pointe verticalement vers le haut (position 12 heures), la pale la plus basse pointe directement vers le bas, devant la tour de support de l’éolienne. Le résultat est que la pale la plus haute se plie vers l’arrière, car elle reçoit la force maximale du vent, appelée « charge de poussée », tandis que la pale inférieure passe dans la zone sans vent directement devant la tour de support.
Cette flexion inégale des pales du rotor des turbines (la plus haute pliée dans le vent et la plus basse droite) à chaque alignement vertical produit des forces indésirables sur les pales du rotor et l’arbre du rotor, car les deux pales fléchissent d’avant en arrière en tournant. Pour une petite turbine rigide en aluminium ou en acier, cela peut ne pas être un problème, contrairement aux pales plus longues en plastique renforcé de fibre de verre.
Une conception d’éolienne qui a un nombre « ODD » de pales de rotor (au moins trois pales) tourne plus doucement parce que les forces gyroscopiques et de flexion sont plus uniformément équilibrées entre les pales, ce qui augmente la stabilité de l’éolienne. La conception la plus courante des éoliennes à pales impaires est celle de l’éolienne à trois pales. Le rendement énergétique d’un rotor à trois pales est légèrement supérieur à celui d’un rotor à deux pales de taille similaire et, en raison de la pale supplémentaire, ils peuvent tourner plus lentement, ce qui réduit l’usure et le bruit.
De plus, pour éviter les turbulences et l’interaction entre les pales adjacentes, l’espacement entre chaque pale d’une conception à plusieurs pales et sa vitesse de rotation doivent être suffisamment grands pour qu’une pale ne rencontre pas le flux d’air perturbé et plus faible causé par la pale précédente passant au même point juste avant elle. En raison de cette limitation, la plupart des éoliennes de type impair ont un maximum de trois pales sur leurs rotors et tournent généralement à des vitesses plus lentes.
Généralement, les rotors de turbine à trois pales s’intègrent mieux dans le paysage, sont plus attrayants sur le plan esthétique et sont plus efficaces sur le plan aérodynamique que les conceptions à deux pales, ce qui contribue au fait que les éoliennes à trois pales sont plus dominantes sur le marché de la production d’énergie éolienne. Bien que certains fabricants produisent des turbines à deux et six pales (pour les voiliers). Les autres avantages des rotors tripales sont un fonctionnement plus souple, moins de bruit et moins de collisions avec les oiseaux, ce qui compense l’inconvénient du coût plus élevé des matériaux. Le niveau de bruit n’est pas affecté de manière significative par le nombre de pales.
– Longueur des pales du rotor – Trois facteurs déterminent la quantité d’énergie cinétique qui peut être extraite du vent par une éolienne : « la densité de l’air », « la vitesse du vent » et « la surface du rotor ». La densité de l’air dépend de l’altitude à laquelle vous vous trouvez, tandis que la vitesse du vent dépend des conditions météorologiques. Cependant, nous pouvons contrôler l’aire de rotation balayée par les pales du rotor en augmentant leur longueur car la taille du rotor détermine la quantité d’énergie cinétique qu’une éolienne est capable de capter du vent.
Les pales du rotor tournent autour d’un palier central formant un cercle parfait de 360o en tournant et comme nous le savons à l’école, l’aire d’un cercle est donnée par : π.r2. Ainsi, lorsque la surface balayée par le rotor augmente, la surface qu’il couvre augmente également avec le carré du rayon. Ainsi, en doublant la longueur des pales d’une éolienne, on multiplie par quatre sa surface, ce qui lui permet de recevoir quatre fois plus d’énergie éolienne. Cependant, cela augmente considérablement la taille, le poids et finalement le coût de la conception de l’éolienne.
Un aspect important de la longueur des pales est la vitesse de rotation en bout de pale du rotor résultant de la vitesse angulaire. Plus la longueur de la pale de l’éolienne est grande, plus la rotation de l’extrémité est rapide pour une vitesse de vent donnée. De même, pour une longueur de pale de rotor donnée, plus la vitesse du vent est élevée, plus la rotation est rapide. Alors pourquoi ne pouvons-nous pas avoir une éolienne avec des pales de rotor très longues fonctionnant dans un environnement venteux et produisant beaucoup d’électricité gratuite à partir du vent ? La réponse est qu’il arrive un moment où la longueur des pales du rotor et la vitesse du vent réduisent le rendement de l’éolienne. C’est pourquoi de nombreux modèles d’éoliennes de plus grande taille tournent à des vitesses beaucoup plus lentes.
Le rendement est fonction de la vitesse de rotation de l’extrémité du rotor pour une vitesse de vent donnée produisant un rapport constant entre la vitesse du vent et l’extrémité appelé « rapport de vitesse d’extrémité » ( λ ) qui est une unité sans dimension utilisée pour maximiser le rendement du rotor. En d’autres termes, le « rapport de vitesse de pointe » (TSR) est le rapport entre la vitesse de l’extrémité de la pale en rotation en tr/min et la vitesse du vent en mph, et une bonne conception d’éolienne déterminera la puissance du rotor pour toute combinaison de vent et de vitesse du rotor. Plus ce rapport est élevé, plus la rotation du rotor de l’éolienne est rapide pour une vitesse de vent donnée. La vitesse de l’arbre à laquelle le rotor est fixé est donnée en tours par minute (rpm) et dépend de la vitesse de pointe et du diamètre des pales de l’éolienne.
La vitesse de rotation d’une éolienne est définie comme suit : rpm = vitesse du vent x rapport de vitesse de pointe x 60 / (diamètre x π).
Si le rotor d’une éolienne tourne trop lentement, il laisse passer trop de vent sans le perturber, et n’extrait donc pas autant d’énergie qu’il le pourrait. D’autre part, si la pale du rotor tourne trop rapidement, elle apparaît au vent comme un grand disque circulaire plat en rotation, ce qui crée de grandes quantités de traînée et de pertes en bout de pale ralentissant le rotor. Il est donc important de faire correspondre la vitesse de rotation du rotor de la turbine à une vitesse de vent particulière afin d’obtenir un rendement optimal.
Les rotors de turbine avec moins de pales atteignent leur rendement maximal à des rapports de vitesse de pointe plus élevés et généralement, les conceptions d’éoliennes à trois pales pour la production d’électricité ont un rapport de vitesse de pointe compris entre 6 et 8, mais fonctionneront de manière plus régulière parce qu’elles ont trois pales. D’autre part, les turbines utilisées pour les applications de pompage de l’eau ont un rapport de vitesse de pointe plus faible, entre 1,5 et 2, car elles sont spécialement conçues pour la génération d’un couple élevé à faible vitesse.
– Pitch/Angle de la pale du rotor – les pales du rotor de l’éolienne de conception fixe ne sont généralement pas droites ou plates comme les ailes d’un avion, mais ont plutôt une petite torsion et un cône sur leur longueur, de la pointe à la racine, pour permettre les différentes vitesses de rotation le long de la pale. Cette torsion permet à la pale d’absorber l’énergie du vent lorsque celui-ci l’atteint sous différents angles tangentiels et pas seulement en ligne droite. Une pale de rotor droite ou plate cessera de donner de la portance et peut même s’arrêter (décrochage), si la pale de rotor est frappée par le vent à différents angles, appelés « angle d’attaque » surtout si cet angle d’attaque est trop raide.
Par conséquent, pour garder la pale de rotor voyant un angle d’attaque optimal augmentant la portance et l’efficacité, les pales de conception d’éolienne sont généralement torsadées sur toute la longueur de la pale. En outre, cette torsion dans la conception de l’éolienne empêche les pales du rotor de tourner trop vite à des vitesses de vent élevées.
Cependant, pour les conceptions d’éoliennes à très grande échelle utilisées pour la production d’énergie électrique, cette torsion des pales peut rendre leur construction très compliquée et coûteuse, de sorte qu’une autre forme de contrôle aérodynamique est utilisée pour garder l’angle d’attaque des pales parfaitement aligné avec la direction du vent.
La puissance aérodynamique produite par l’éolienne peut être contrôlée en ajustant l’angle de pas de l’éolienne en relation avec l’angle d’attaque du vent lorsque chaque pale est tournée autour de son axe longitudinal. Ensuite, les pales de rotor avec contrôle du pas peuvent être plus plates et plus droites, mais généralement ces grandes pales ont une torsion similaire dans leur géométrie, mais beaucoup plus petite pour optimiser la charge tangentielle sur la pale de rotor.
Chaque pale de rotor a un mécanisme de torsion rotatif, passif ou dynamique intégré dans la racine de la pale, produisant un contrôle incrémental uniforme du pas sur sa longueur (torsion constante). La quantité de pas nécessaire n’est que de quelques degrés, car de petits changements dans l’angle de pas peuvent avoir un effet spectaculaire sur la puissance produite, car nous savons, grâce au tutoriel précédent, que l’énergie contenue dans le vent est proportionnelle au cube de la vitesse du vent.
L’un des principaux avantages du contrôle du pas des pales de rotor est l’augmentation de la fenêtre de vitesse du vent. Un angle de pas positif produit un couple de démarrage important lorsque le rotor commence à tourner en diminuant sa vitesse de vent de coupure. De même, à des vitesses de vent élevées, lorsque la limite de vitesse maximale des rotors est atteinte, le pas peut être contrôlé pour empêcher le régime des rotors de dépasser sa limite en réduisant leur efficacité et leur angle d’attaque.
La régulation de la puissance d’une éolienne peut être réalisée en utilisant le contrôle du pas sur les pales du rotor pour réduire ou augmenter la force de portance sur les pales en contrôlant l’angle d’attaque. Les pales de rotor plus petites y parviennent en incorporant une petite torsion dans leur conception. Les éoliennes commerciales plus grandes utilisent la commande de pas soit de manière passive, à l’aide de ressorts centrifuges et de leviers (comme pour les rotors d’hélicoptères), soit de manière active, à l’aide de petits moteurs électriques intégrés au moyeu des pales pour les faire tourner de quelques degrés. Les principaux inconvénients de la commande de pas sont la fiabilité et le coût.
– Construction des pales – l’énergie cinétique extraite du vent est influencée par la géométrie des pales du rotor et la détermination de la forme et de la conception aérodynamique optimale des pales est importante. Mais la conception structurelle est tout aussi importante que la conception aérodynamique de la pale de rotor. La conception structurelle consiste en la sélection du matériau de la pale et en sa résistance, car les pales fléchissent et se courbent sous l’effet de l’énergie des vents pendant qu’elles tournent.
Evidemment, le matériau de construction idéal pour une pale de rotor combinerait les propriétés structurelles nécessaires d’un rapport résistance/poids élevé, d’une durée de vie en fatigue élevée, d’une rigidité, de sa fréquence de vibration naturelle et de sa résistance à la fatigue, ainsi qu’un faible coût et la capacité d’être facilement formé dans la forme d’ailette souhaitée.
Les pales de rotor des petites turbines utilisées dans les applications résidentielles dont la taille varie de 100 watts et plus sont généralement faites de bois massif sculpté, de stratifiés de bois ou de composites de placage de bois ainsi que d’aluminium ou d’acier. Les pales de rotor en bois sont solides, légères, bon marché, flexibles et populaires auprès de la plupart des concepteurs d’éoliennes à monter soi-même, car elles sont faciles à fabriquer. Cependant, la faible résistance des laminés de bois par rapport à d’autres matériaux en bois les rend inadaptés aux pales avec des conceptions minces fonctionnant à des vitesses de pointe élevées.
Les pales en aluminium sont également légères, solides et faciles à travailler, mais elles sont plus chères, facilement pliées et souffrent de la fatigue du métal. De même, les pales en acier utilisent le matériau le moins cher et peuvent être formées et façonnées en panneaux courbes suivant le profil d’aile requis. Cependant, il est beaucoup plus difficile d’introduire une torsion dans les panneaux d’acier et, avec les mauvaises propriétés de fatigue, ce qui signifie qu’il rouille, cela signifie que l’acier est rarement utilisé.
Les pales de rotor utilisées pour la conception de très grandes éoliennes à axe horizontal sont faites de composites plastiques renforcés, les composites les plus courants étant les composites fibre de verre/résine de polyester, fibre de verre/époxy, fibre de verre/polyester et fibre de carbone. Les composites en fibre de verre et en fibre de carbone présentent un rapport résistance à la compression/poids nettement supérieur à celui des autres matériaux. De plus, la fibre de verre est légère, solide, peu coûteuse, possède de bonnes caractéristiques de fatigue et peut être utilisée dans une variété de procédés de fabrication.
La taille, le type et la construction de l’éolienne dont vous pourriez avoir besoin dépendent de votre application particulière et de vos besoins en puissance. Les conceptions de petites éoliennes varient en taille de 20 watts à 50 kilowatts (kW) avec des turbines plus petites ou « micro » (20 à 500 watts) être utilisé dans les lieux résidentiels pour une variété d’applications telles que la production d’énergie électrique pour charger les batteries et alimenter les lumières.
L’énergie éolienne est parmi les sources d’énergie renouvelable à croissance la plus rapide au monde, car il s’agit d’une ressource énergétique propre, largement distribuée qui est abondante, a zéro coût de carburant, la technologie de production d’électricité sans émissions. La plupart des aérogénérateurs modernes disponibles aujourd’hui sont conçus pour être installés et utilisés dans des installations de type résidentiel.
En conséquence, ils sont fabriqués plus petits et plus légers, ce qui leur permet d’être rapidement et facilement montés directement sur un toit ou sur un poteau ou une tour courte. L’installation d’un aérogénérateur plus récent dans le cadre de votre système d’énergie éolienne domestique vous permettra de réduire la plupart des coûts plus élevés d’entretien et d’installation d’une tour de turbine plus haute et plus coûteuse comme vous l’auriez fait auparavant.
Dans le prochain tutoriel sur l’énergie éolienne, nous examinerons le fonctionnement et la conception des aérogénérateurs utilisés pour produire de l’électricité dans le cadre d’un système de production d’énergie éolienne domestique.