Éoliennes

Tout comme nous utilisons la puissance du soleil pour chauffer de l’eau, des espaces de vie ou produire de l’électricité grâce à des cellules photovoltaïques, nous pouvons également exploiter la ressource solaire sous forme d’énergie éolienne pour générer de l’électricité. En effet, c’est l’énergie solaire du soleil qui régule notre climat.

Le soleil réchauffe notre planète de manière inégale, rendant l’air plus chaud près de l’équateur, qui absorbe plus d’énergie, et plus froid près des pôles. L’air se dilate lorsqu’il est chauffé et se contracte lorsqu’il est refroidi. Ces différences de température créent des courants de convection qui circulent autour de la planète, l’air dense des régions plus froides se déplaçant vers les régions plus chaudes où l’air est plus léger. Ce mouvement de l’air dans l’atmosphère terrestre, d’un endroit chaud à un endroit froid, est ce que nous appelons le “vent”, qui peut être faible ou fort selon l’énergie solaire impactant la terre à ce moment-là.

De plus, étant donné que les masses terrestres et les océans de la Terre absorbent et libèrent l’énergie solaire dans l’atmosphère à des rythmes différents, il y a un déplacement constant de l’air entre la surface de la Terre et l’atmosphère, générant à nouveau de l’“énergie éolienne”. La rotation de la Terre joue également un rôle majeur dans la production d’énergie éolienne.

Nous pouvons définir le vent comme “l’air en mouvement”, variant de zéro à des rafales élevées. En théorie, le monde dispose d’une ressource inépuisable d’énergie éolienne gratuite, chaque coin de la terre étant soumis aux effets du vent à un moment donné de la journée.

De plus, en raison des variations annuelles, telles que l’hiver ou l’été, ou des emplacements géographiques, comme les déserts plats ou les chaînes de montagnes, certaines parties du monde reçoivent plus d’énergie éolienne que d’autres. Avec l’épuisement des ressources fossiles, l’énergie éolienne et la puissance éolienne deviennent désormais une source d’énergie renouvelable importante.

Comme nous le savons maintenant, l’“énergie éolienne” est une forme d’énergie solaire secondaire gratuite et renouvelable, due à la répartition inégale des températures dans différentes zones du monde, et les gens exploitent cette ressource d’énergie éolienne gratuite depuis que les moulins à vent et les voiliers ont été utilisés dans les temps anciens.

Les moulins à vent exploitent l’énergie contenue dans l’air en mouvement pour produire de l’énergie mécanique sous forme de couple, qui est ensuite utilisée directement pour pomper de l’eau ou moudre du maïs, mais les moulins à vent peuvent aussi être modifiés pour générer de l’électricité pour le chauffage et l’éclairage en attachant un générateur électrique à l’arbre rotatif connecté aux voiles du moulin.

L’énergie cinétique (énergie cinétique étant le mouvement ou la motion des substances et des objets) contenue dans le vent peut être convertie en énergie mécanique et électrique par un moulin à vent. Un type moderne de moulin à vent qui utilise l’énergie cinétique du vent pour produire de l’électricité est appelé une turbine éolienne.

Les turbines éoliennes utilisées aujourd’hui sont très probablement un type de générateur éolien qui fonctionne différemment et plus efficacement qu’un moulin à vent conventionnel. Plusieurs turbines éoliennes disposées ensemble en grappes pour capter de grandes quantités d’énergie éolienne simultanément et la convertir en électricité alimentant le réseau électrique sont appelées parcs éoliens. Ces parcs éoliens peuvent être situés sur des terres planes, au sommet de montagnes ou offshore dans la mer.

La technologie des turbines éoliennes peut sembler simple, mais elle comporte de nombreuses pièces mécaniques. Les pales de turbine éolienne tournent autour d’un moyeu central, qui entraîne un arbre de réducteur à basse vitesse, faisant tourner un générateur à une vitesse plus élevée qui produit de l’électricité.

Le générateur électrique convertit l’énergie cinétique des pales tournantes en énergie électrique, les câbles électriques transportant cette énergie vers un sous-station électrique pour distribution au réseau. Les turbines modernes possèdent un certain nombre de pales en forme d’aile, ressemblant à celles des hélices d’avion, contrairement aux moulins à vent qui avaient généralement plusieurs pales plates ou voiles. Une combinaison de portance et de traînée fait tourner les pales de la turbine dans le vent.

Bien qu’il existe de nombreuses configurations différentes de turbines éoliennes aujourd’hui, la plupart d’entre elles peuvent être classées comme des “turbines éoliennes à axe vertical” (VAWT), qui ont des pales tournant autour d’un axe vertical, ou “turbines éoliennes à axe horizontal” (HAWT), qui ont des pales tournant autour d’un axe horizontal parallèle au vent. Chacun a ses avantages et ses inconvénients dans la façon dont ils extraient l’énergie éolienne, mais les deux conceptions peuvent générer de l’électricité de quelques centaines de watts à plusieurs milliers de watts, mais les deux types contiennent les mêmes composants principaux tels que :

• Une tour ou un mécanisme de support qui soutient les rotors, le réducteur, le générateur et le matériel auxiliaire.
• La turbine éolienne avec deux pales rotatives ou plus qui capture l’énergie éolienne.
• Un réducteur mécanique pour augmenter la vitesse de rotation du générateur.
• Un générateur électrique ou un alternateur pour produire de l’énergie électrique.
• Des capteurs de vitesse et des électroniques de contrôle pour surveiller et réguler la vitesse et la sortie.
• Des câbles électriques reliant la turbine éolienne au réseau local.

Conceptions de turbines éoliennes horizontales et verticales

Vitesse et direction du vent

Il est bien joli d’avoir une nouvelle turbine éolienne au fond du jardin ou fixée sur un toit, mais si le vent ne souffle pas, la turbine ne tournera pas et ne produira pas d’électricité. De même, si l’énergie du vent est trop forte, la turbine peut tourner si vite qu’elle s’endommage ou surchauffe en produisant une tension et/ou un courant électrique trop élevés. Il est donc crucial, lors de l’implantation d’une turbine éolienne dans un système énergétique éolien, de connaître à l’avance la quantité de vent disponible et la vitesse à laquelle il souffle réellement.

À tout moment, la vitesse du vent peut varier de zéro à de fortes rafales, il est donc essentiel de connaître cette vitesse, car la quantité d’électricité que les turbines éoliennes peuvent générer dépend de la vitesse réelle du vent.

La vitesse du vent peut être mesurée à l’aide d’une girouette ou d’un type d’anémomètre. Un anémomètre est un dispositif utilisé pour mesurer la vitesse et la direction du vent, nous donnant une idée de la quantité d’énergie éolienne disponible à un emplacement particulier. L’anémomètre consiste en une flèche en métal ou en bois montée sur un axe élevé dans l’air et conçue pour indiquer la direction du vent.

La direction du vent est celle d’où le vent souffle. Il a généralement trois bras avec des bols en forme de tasse à l’extrémité qui tournent au sommet d’un axe. Les tasses attrapent le vent et font tourner l’axe en proportion de la vitesse du vent. Plus le vent souffle fort, plus l’axe tourne rapidement. Ces anémomètres à coupelles et à hélice sont le type le plus courant de dispositif de mesure du vent, car ils sont moins chers que la plupart des autres types.

Un circuit électronique à l’intérieur de l’anémomètre compte le nombre de rotations par minute et convertit ce chiffre en un signal en miles par heure (mph), en kilomètres par heure (kph) ou en mètres par seconde (m/s). Certains types d’affichages sur l’anémomètre lui-même ou un lien avec un ordinateur montrent la vitesse réelle du vent. Il est également possible de mesurer la vitesse et la démonstration de l’énergie éolienne disponible à un prix très bas sans acheter un anémomètre coûteux en utilisant un ventilateur standard de bureau ou de maison et en comptant le nombre de révolutions par minute.

En général, presque toutes les turbines éoliennes disponibles commercialement sont conçues pour fonctionner à partir d’une vitesse de rotation minimale. Cette vitesse minimale est appelée la “vitesse de démarrage” à laquelle elles commencent à produire de l’énergie électrique une fois que la vitesse du vent dépasse une certaine valeur en miles par heure (mph) ou en kilomètres par heure (kph).

De toute évidence, si la vitesse du vent est très basse ou inexistante, la capacité de la turbine à produire de l’énergie utile serait nulle. De même, si les vents forts semblent puissants et contiennent de grandes quantités d’énergie éolienne disponible, la quantité d’énergie qui peut être captée est très faible, car ces vents forts ne se produisent pas très souvent (comme lors de tempêtes).

Il est donc vital qu’une turbine éolienne ait un moyen de réguler ou de limiter la puissance de sortie maximale produite par une vitesse de rotation maximale appelée “vitesse d’arrêt”. C’est à ce moment que la turbine sera arrêtée pour éviter des dommages si la vitesse du vent entrante devient trop excessive. Ainsi, une fenêtre de vitesse du vent ou de vitesse de vent existe pour une turbine éolienne entre la vitesse de démarrage et la vitesse d’arrêt, ce qui permet non seulement de générer de grandes quantités d’électricité solaire gratuite, mais aussi de fonctionner à une vitesse de rotation sûre.

Avant de pouvoir acheter ou installer notre turbine éolienne, nous devons mesurer et comprendre la vitesse et la force du vent à notre emplacement et utiliser ces données collectées par un anémomètre ou un autre dispositif pour produire un graphique de distribution de la vitesse du vent comme montré :

Distribution de la vitesse du vent

Le premier graphique à gauche montre la vitesse réelle du vent pour notre emplacement variant au fil du temps. Chaque période de temps utilisée peut aller de quelques jours à plusieurs années et fournira les données brutes pour tracer notre distribution de site et nos courbes de caractéristiques de site. Les données de vitesse du vent peuvent être collectées toutes les minutes, toutes les heures ou tous les jours selon notre localisation.

Cependant, ces données doivent être collectées de manière régulière et non juste un jour de données chaque heure et ensuite rien pendant deux semaines, etc. De plus, plus de données sont collectées, plus les graphiques résultants seront précis, ce qui permettra d’acheter la turbine éolienne correcte. En collectant les données de vitesse du vent de cette manière, nous pourrions découvrir que notre emplacement initial et éventuellement pratique à côté d’un bâtiment a moins de potentiel énergétique éolien ou de puissance éolienne disponible qu’un autre emplacement éloigné du bâtiment, il est donc judicieux de considérer la collecte de données autour de différents points.

Une fois que nous avons nos données brutes du site, nous pouvons les utiliser pour générer un graphique de “distribution de la vitesse du vent”, (deuxième graphique). Cela montre la probabilité des différentes vitesses du vent pour notre site proposé. À l’aide de ce graphique, nous pouvons définir la vitesse maximale et la vitesse moyenne du vent (le centre du graphique) et la largeur de la fenêtre de vitesse du vent de la vitesse de démarrage minimale à la vitesse d’arrêt maximale.

Le graphique final à droite montre le nombre d’heures pendant lesquelles une vitesse de vent ou une vitesse de vent particulière est disponible pour nous tout au long de la période de données, fournissant les caractéristiques du site ou de l’emplacement pour notre système d’énergie renouvelable éolienne. Sur ce graphique, nous pouvons également dessiner ou superposer la fenêtre de fonctionnement de la turbine éolienne proposée (de la vitesse de démarrage à la vitesse d’arrêt) donnée par la fiche technique du constructeur pour voir le temps moyen et combien d’énergie sera générée par la turbine.

La plupart des turbines éoliennes domestiques montées sur toit sont conçues pour fonctionner avec une vitesse du vent d’environ 10 mph (15 kph) jusqu’à un maximum d’environ 60 mph (100 kph), donnant une fenêtre de vitesse du vent d’environ 50 mph ou 85 kph. La vitesse de rotation de la turbine éolienne joue également un rôle important dans la production d’énergie éolienne.

En général, lors d’une journée calme, la turbine reste immobile et les pales ne tournent pas. À mesure que le vent se lève, il atteint finalement la vitesse de démarrage de la turbine (généralement autour de 10 mph). À cette vitesse de vent, les pales de la turbine tourneront jusqu’à atteindre leur vitesse d’exploitation minimale et commenceront à produire de l’électricité, et à mesure que la vitesse du vent augmente, la vitesse de rotation des pales augmente, augmentant ainsi la sortie du générateur.

Les turbines éoliennes délivrent une puissance maximale à une vitesse de vent d’environ 30 – 35 mph (cela varie selon le modèle de turbine), donc un générateur ayant une capacité nominale de 100 kW produira 100 kW à la vitesse du vent nominale, mais ne produira pas plus d’un quart (1/4) de sa puissance nominale aux vitesses de démarrage plus faibles de seulement 15 mph.

Pour des vitesses du vent supérieures à 30 mph, le générateur maintient sa capacité nominale (c’est-à-dire 100 kW) jusqu’à ce que les vitesses du vent atteignent 55 à 60 mph, moment auquel la turbine atteint sa vitesse d’arrêt et son circuit de sécurité intégré arrête la production d’électricité.

Nous voyons donc que la vitesse ou la vélocité du vent est un facteur très important à prendre en compte pour le fonctionnement correct et sûr d’un générateur de turbine éolienne. Les données de vitesse du vent sont utilisées pour calculer la puissance du vent lorsque l’on décide où ériger une turbine éolienne appropriée, que ce soit sur le sol ou sur un toit.

L’énergie du vent

Nous voyons donc que l’énergie éolienne, mesurée en Watts, est la puissance que nous pouvons espérer extraire du vent pour faire fonctionner notre turbine. L’énergie éolienne est déterminée par la taille des pales de rotor, la vitesse du vent et la densité de l’air. Ainsi, la puissance théorique contenue dans l’air en mouvement est le taux d’énergie cinétique par seconde d’une turbine éolienne et est donné par l’équation :

Équation de l’énergie éolienne

Où : P est la puissance éolienne, ρ (rho) est la densité de l’air en Kg/m³, A est la zone circulaire en m² balayée par les rotors, V est la vitesse de l’air en m/s ou mph et Cp est le coefficient de puissance (efficacité) qui est le pourcentage d’énergie dans le vent converti en énergie mécanique, typiquement de 0,35 à 0,45 (35 – 45%).

Vous remarquerez dans l’équation que si la surface du rotor en m² est fixe et que la densité de l’air est fixe pour un emplacement donné, l’énergie contenue dans le vent dépend uniquement de la vitesse du vent. Nous pouvons simplifier l’équation ci-dessus pour donner K.V³ où K est une constante fixe représentant la surface de rotor fixe combinée, la masse d’air et l’efficacité de la turbine. Cela signifie alors que “l’énergie éolienne disponible est proportionnelle au cube de la vitesse du vent” ou à la vélocité du vent, et cette affirmation est très importante car un petit changement de vitesse du vent entraîne un grand changement de la puissance contenue dans celui-ci.

Exemple d’énergie éolienne n°1

Supposons que nous vivons dans une zone légèrement au-dessus du niveau de la mer, avec une densité de l’air de 1,225 Kg/m³ et que nous avons installé une turbine éolienne avec une efficacité de 40 % qui a un rayon de pale de six (6) mètres. Calculez la puissance de sortie de la turbine à une vitesse du vent de 8 mètres/seconde (8 m/s) et à nouveau à la double vélocité de 16 mètres/seconde (16 m/s).

1.  à 8 mètres/seconde :

2.  à 16 mètres/seconde :

Nous voyons donc qu’à une vélocité du vent de 8 m/s, la puissance théorique de sortie est calculée à 14,2 kW et à 16 m/s à 113,5 kW. Puisque la puissance éolienne, P, et donc l’énergie éolienne varient avec le cube de la vélocité du vent, ( V³ ), un doublement de la vélocité du vent de 8 m/s à 16 m/s résulte en huit fois (x8) la quantité de puissance disponible produite. En traçant différentes valeurs de vitesse du vent par rapport à la puissance théorique calculée à partir de l’équation ci-dessus, nous pouvons produire une courbe de puissance simple pour n’importe quelle turbine éolienne en fonction des caractéristiques opérationnelles fournies par le fabricant.

Courbe de l’énergie éolienne

Trouver un bon site venteux pour installer une turbine éolienne et maximiser la vitesse du vent devient un aspect essentiel de la rentabilité de l’énergie éolienne renouvelable. Des histogrammes de vitesse du vent peuvent être achetés, utilisés ou dessinés pour tout site particulier afin de montrer le nombre d’heures, de jours ou de semaines, ou toute autre période de temps utilisée, pendant lesquelles le vent a soufflé à chaque période d’échantillonnage.

Étant donné que le mouvement de la masse d’air varie de quelques secondes à plusieurs années, la puissance éolienne et l’énergie éolienne varieront également sur la même échelle de temps. Ainsi, en prenant d’abord des données de “combien il vente” sur le site proposé pour une turbine éolienne, cela aide à décider quelle taille et quel type de turbine conviennent le mieux à l’emplacement. Augmenter la longueur des pales de rotor ou la hauteur de la turbine éolienne au-dessus du sol augmentera également la puissance de sortie.

Extraire l’énergie cinétique du vent et l’utiliser pour produire de l’électricité est une option très attrayante. La technologie éolienne a considérablement évolué et, dans la plupart des endroits, le vent devient une source d’énergie faisable mais vulnérable aux conditions climatiques. Cependant, dans certaines régions, notamment côtières ou offshore et en haute altitude, il existe un flux constant de vent pour faire tourner une turbine.

Les principaux avantages de l’énergie éolienne sont qu’elle est propre, sûre et sans fin, mais le plus grand avantage de produire de l’électricité en utilisant l’énergie du vent est que le vent qui alimente les turbines éoliennes est totalement gratuit. L’utilisation de l’énergie éolienne présente de nombreux autres avantages ainsi que des inconvénients par rapport à d’autres sources d’énergie renouvelable, comme indiqué ci-dessous.

Avantages de l’énergie éolienne

• L’énergie éolienne est une technologie propre et renouvelable qui ne libère ni polluants, ni émissions, ni sous-produits dans l’atmosphère durant son fonctionnement puisque aucun processus chimique n’est impliqué dans sa génération électrique.
• Les turbines modernes produisent très peu de bruit mécanique lors de leur fonctionnement, si ce n’est un faible bruit de “sifflement”.
• L’énergie éolienne, qui est en fait une composante secondaire de l’énergie solaire, est une “énergie renouvelable” dans le sens où il y aura toujours du vent tant que le soleil continue à chauffer la terre de manière inégale, et que la terre continue de tourner.
• Bien que la force du vent varie d’un jour à l’autre, la production totale d’énergie sur une période fixe varie, seulement d’un petit pourcentage, les turbines éoliennes étant conçues pour fonctionner à l’intérieur d’une fenêtre de vitesse du vent qui se situe généralement entre 10 mph et 60 mph, soit 4 m/s à 25 m/s.
• Bien que les turbines éoliennes, et en particulier les parcs éoliens, occupent beaucoup d’espace terrestre, la terre d’un parc éolien peut être utilisée simultanément pour la production éolienne, la culture, le pâturage d’animaux ou toute autre utilisation sous les pales des turbines.
• La production éolienne peut se faire dans des zones éloignées et à n’importe quelle échelle, de l’utilisation personnelle et domestique aux grands parcs éoliens complets, ce qui signifie que même des lieux montagneux éloignés, qui pourraient autrement être considérés comme “hors réseau”, peuvent produire de l’électricité.

Inconvénients de l’énergie éolienne

• L’impact environnemental de l’énergie éolienne, car de nombreuses personnes considèrent que les parcs éoliens sont inesthétiques et, en tant que structures humaines, les turbines peuvent avoir un impact visuel négatif ou être perçues comme une forme de pollution visuelle.
• Les parcs éoliens nécessitent de grandes surfaces de terre ou doivent être placés dans des zones écologiquement sensibles, telles que les déserts, sur des collines et des crêtes de montagne, ou en mer, où la force du vent est plus forte et constante.
• La turbine éolienne fonctionne comme une grande hélice et nécessite la puissance cinétique du vent pour tourner, ce qui signifie qu’à des vitesses de vent faibles ou durant des périodes prolongées sans vent (temps calme), la turbine ne produit aucune électricité utile.
• Les parcs éoliens blessent, tuent et perturbent les migrations des oiseaux migrateurs et des oiseaux de proie. Certains oiseaux et même des chauves-souris ont été tués en heurtant les pales de la turbine lorsqu’elles tournent, mais ces chiffres restent très faibles.
• Les turbines éoliennes engendrent une pollution sonore car elles produisent un bruit de “sifflement” à basse fréquence lors du fonctionnement, bruit qui est en grande partie masqué par le bruit du vent environnant.
• L’investissement initial dans les turbines, le transport et les travaux de fondation rendent les coûts de l’énergie éolienne plus élevés que pour les générateurs conventionnels alimentés par des combustibles fossiles.
• Les meilleurs emplacements pour convertir le vent en électricité sont éloignés des zones urbaines peuplées, ce qui signifie souvent que l’électricité doit être stockée et/ou transportée sur de longues distances.
• Bien que les vents annuels et la production d’énergie d’une turbine éolienne soient relativement prévisibles, les niveaux de production d’énergie éolienne horaires et journaliers ne le sont pas, car la vitesse du vent ne reste pas constante, entraînant peu de production d’énergie en cas de vents faibles.