Conception des Éoliennes pour l’Énergie Éolienne
Au cœur de tout système de génération d’énergie renouvelable par éolienne se trouve l’éolienne. La conception d’une éolienne comprend généralement un rotor, un générateur à courant continu (CC) ou un alternateur à courant alternatif (CA) monté sur une tour élevée au-dessus du sol.
Mais comment les éoliennes sont-elles conçues pour produire de l’électricité ? En termes simples, une éolienne fonctionne à l’opposé d’un ventilateur de maison ou de bureau. Le ventilateur utilise l’électricité du réseau électrique pour faire tourner et circuler l’air, créant ainsi du vent.
Les conceptions d’éoliennes, en revanche, exploitent la force du vent pour générer de l’électricité. Le mouvement du vent fait tourner les pales de l’éolienne, qui capturent l’énergie cinétique du vent et convertissent cette énergie en mouvement rotatif via un arbre, entraînant un générateur électrique.
Conception Typique d’un Générateur Éolien
L’image ci-dessus montre les composants de base qui composent une conception d’éolienne typique. Une éolienne extrait l’énergie cinétique du vent en ralentissant celui-ci et en transférant cette énergie à l’arbre rotatif. Il est donc essentiel d’avoir une bonne conception. La puissance disponible dans le vent dépend de la vitesse du vent et de la surface balayée par les pales rotatives de l’éolienne.
Ainsi, plus la vitesse du vent est rapide ou plus les pales du rotor sont grandes, plus l’énergie peut être extraite du vent. On peut dire que la production d’énergie d’une éolienne dépend de l’interaction entre les pales du rotor et le vent, et cette interaction est cruciale pour une conception d’éolienne.
Pour améliorer cette interaction et donc augmenter l’efficacité, deux types de conception d’éoliennes sont disponibles : l’éolienne à axe horizontal et la conception d’éolienne à axe vertical. La conception à axe horizontal capte plus de vent, donc la production d’énergie est plus élevée que celle d’une conception à axe vertical. L’inconvénient de la conception à axe horizontal est que la tour nécessaire pour soutenir l’éolienne est beaucoup plus haute et que la conception des pales du rotor doit être beaucoup plus sophistiquée.
L’éolienne à axe vertical (VAWT) est plus facile à concevoir et à entretenir, mais offre des performances inférieures à celles des éoliennes à axe horizontal en raison de la traînée élevée de sa conception simple de pales rotatives. La plupart des éoliennes générant de l’électricité aujourd’hui, que ce soit commercialement ou domestiquement, sont des machines à axe horizontal, c’est pourquoi nous examinerons ces types de conception d’éoliennes dans ce tutoriel sur les éoliennes.
Le Rotor – C’est la partie principale d’une conception moderne d’éolienne, qui récolte l’énergie du vent et la transforme en puissance mécanique sous forme de rotation. Le rotor consiste en deux ou plusieurs « pales de rotor » en bois stratifié, en fibre de verre ou en métal, et d’un hub protecteur qui tourne (d’où son nom) autour d’un axe central.
Tout comme une aile d’avion, les pales d’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 taux déterminé par la vitesse du vent et la forme des pales. Le résultat net est une force de portance perpendiculaire à la direction d’écoulement de l’air. Le défi consiste alors à concevoir la pale du rotor pour créer la bonne quantité de portance et de poussée, produisant une décélération optimale de l’air et rien de plus.
Malheureusement, les pales du rotor des turbines ne capturent pas 100 % de toute la puissance du vent, car pour y parvenir, l’air derrière les pales serait complètement immobile et ne permettrait donc plus à d’autres courants d’air de passer. L’efficacité théorique maximale que les pales du rotor peuvent extraire de l’énergie éolienne se situe entre 30 et 45 %, et dépend des variables suivantes des pales : Conception des Pales, Nombre de Pales, Longueur des Pales, Inclinaison/Angle des Pales, Forme des Pales, et Matériaux et Poids des Pales pour n’en nommer que quelques-uns.
Conception des Pales – Les conceptions de pales de rotor fonctionnent selon le principe de la portance ou de la traînée pour extraire l’énergie des masses d’air en écoulement. La conception de la pale à portance utilise le même principe qui permet aux avions, cerfs-volants et oiseaux de voler, produisant une force de levage perpendiculaire à la direction du mouvement. La pale du rotor est essentiellement un profil aérodynamique, ou aile, similaire à celle d’un avion. Lorsque la pale traverse l’air, un différentiel de vitesse et de pression est créé entre les surfaces supérieure et inférieure de la pale.
La pression à la surface inférieure est plus élevée et agit ainsi pour « soulever » la pale vers le haut, nous voulons donc maximiser cette force. Lorsque les pales sont fixées à un axe de rotation central, comme un rotor d’éolienne, cette portance est traduite en un mouvement de rotation.
À l’opposé de cette force de levage se trouve une force de traînée qui est parallèle à la direction de mouvement et provoque des turbulences autour du bord de fuite de la pale alors qu’elle traverse l’air. Cette turbulence a un effet de freinage sur la pale, il est donc souhaitable de rendre cette force de traînée aussi petite que possible. La combinaison de la portance et de la traînée fait tourner le rotor comme une hélice.
Les conceptions à traînée sont plus souvent utilisées pour les conceptions d’éoliennes verticales qui possèdent de grandes pales en forme de coupelles ou courbées. Le vent pousse littéralement les pales hors du chemin, qui sont fixées à un arbre central. Les avantages des pales conçues pour la traînée sont des vitesses de rotation plus lentes et de grosses capacités de couple, les rendant utiles pour le pompage d’eau et l’alimentation de machines agricoles. Les éoliennes à portance ont des vitesses de rotation bien plus élevées que les types à traînée, les rendant donc propices à la génération d’électricité.
Nombre de Pales – Le nombre de pales d’un design d’éolienne est généralement déterminé par son efficacité aérodynamique et son coût. La conception d’éolienne idéale aurait de nombreuses pales fines, mais la plupart des générateurs d’éoliennes à axe horizontal n’ont qu’une, deux ou trois pales.
Augmenter le nombre de pales au-delà de trois n’apporte qu’une petite augmentation de l’efficacité du rotor, mais augmente son coût, donc plus de trois pales ne sont généralement pas nécessaires. Cependant, de petits générateurs éoliens à plusieurs pales à haute vitesse sont disponibles pour un usage domestique. En général, moins il y a de pales, moins il faut de matière lors de la fabrication, réduisant ainsi leur coût global et leur complexité.
Les rotors à une pale ont un poids d’équilibrage du côté opposé du rotor mais souffrent d’une forte contrainte matérielle et de vibrations en raison de leur mouvement de rotation irrégulier, la seule pale devant se déplacer plus rapidement pour capturer la même quantité d’énergie éolienne.
De plus, avec les rotors à une ou deux pales, une grande partie du mouvement d’air disponible et donc de l’énergie éolienne passe à travers la surface non balayée de l’éolienne, sans interagir avec le rotor, ce qui diminue leur efficacité.
Les rotors à plusieurs pales, en revanche, fonctionnent de manière plus fluide et présentent des niveaux de bruit inférieurs. Des vitesses de rotation plus lentes et un couple plus élevé sont possibles avec des conceptions à plusieurs pales, ce qui réduit les contraintes dans le train d’entraînement, entraînant une diminution des coûts de boîte de vitesses et de générateur. Cependant, les conceptions d’éoliennes avec de nombreuses pales ou des pales très larges seront soumises à des forces très importantes lors de vents très forts, c’est pourquoi la plupart des conceptions d’éoliennes utilisent trois pales.
Un Nombre Impair ou Pair de Pales – Un design d’éolienne ayant un nombre de pales « PAIR », 2, 4 ou 6, etc., peut rencontrer des problèmes de stabilité lors de sa rotation. Cela s’explique par le fait que chaque pale a une pale exacte et opposée située à 180o dans la direction opposée.
À mesure que le rotor tourne, au moment où la pale la plus haute pointe verticalement vers le haut (position de 12 heures), la pale la plus basse est orientée droit 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 d’air libre directement devant la tour de support.
Cette flexion inégale des pales du rotor des éoliennes (la plus haute orientée 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 lors de leur rotation. Pour une petite éolienne avec des pales rigides en aluminium ou en acier, cela peut ne pas poser de problème, contrairement à des pales en plastique renforcé de fibre de verre plus longues.
Un design d’éolienne ayant un nombre « IMPAIR » de pales (au moins trois pales) tourne plus doucement, car les forces gyroscopiques et de flexion sont mieux équilibrées sur les pales, augmentant ainsi la stabilité de l’éolienne.
Le design d’éolienne à pales impaires le plus courant est celui de l’éolienne à trois pales. L’efficacité énergétique d’un rotor à trois pales est légèrement supérieure à celle d’un rotor à deux pales de taille similaire, et grâce à la pale supplémentaire, elles peuvent tourner plus lentement, réduisant ainsi l’usure et le bruit.
De plus, pour éviter la turbulente et l’interaction entre les pales adjacentes, l’espacement entre chaque pale dans une conception multipale et sa vitesse de rotation doivent être suffisamment importants pour qu’une pale ne rencontre pas le flux d’air perturbé et affaibli causé par la précédente avant qu’elle ne la dépasse. 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.
En général, les rotors d’éoliennes à trois pales s’intègrent mieux dans le paysage, sont plus esthétiques et sont plus aérodynamiquement efficaces que les conceptions à deux pales, ce qui contribue à la domination des éoliennes à trois pales sur le marché de la génération d’énergie éolienne. Bien que certains fabricants produisent des éoliennes à deux et six pales (pour les voiliers).
D’autres avantages des rotors à pales impaires (trois) incluent un fonctionnement plus fluide, moins de bruit et moins de collisions d’oiseaux, ce qui compense l’inconvénient des coûts matériels plus élevés. Le niveau de bruit n’est pas significativement affecté par le nombre de pales.
Longueur des Pales du Rotor – Trois facteurs déterminent la quantité d’énergie cinétique pouvant 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, tandis que la vitesse du vent est régulée par la météo. Cependant, nous pouvons contrôler la surface rotative balayée par les pales du rotor en augmentant leur longueur, car la taille du rotor détermine la quantité d’énergie cinétique qu’une éolienne peut capter du vent.
Les pales du rotor tournent autour d’un roulement central, formant un cercle parfait de 360o lors de leur rotation, et comme nous le savons depuis l’école, la surface d’un cercle est donnée par : π.r2. Ainsi, à mesure que la surface balayée par le rotor augmente, la surface couverte augmente également avec le carré du rayon. Ainsi, doubler la longueur des pales d’une éolienne entraîne une augmentation de quatre fois 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 pointe de rotation du rotor résultant de la vitesse angulaire. Plus la longueur de la pale de l’éolienne est importante, plus la rotation de la pointe sera 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 sera rapide.
Alors pourquoi ne pouvons-nous pas avoir un design d’éolienne avec des pales de rotor beaucoup plus longues opérant dans un environnement venteux produisant beaucoup d’électricité gratuite ? La réponse est qu’il existe un point où la longueur des pales du rotor et la vitesse du vent réduisent effectivement l’efficacité de sortie de l’éolienne. C’est pourquoi de nombreux designs d’éoliennes plus grandes tournent à des vitesses beaucoup plus lentes.
L’efficacité dépend de la rapidité à laquelle la pointe du rotor tourne pour une vitesse de vent donnée, produisant un rapport de vitesse de vent constant appelé « rapport de vitesse de pointe » (λ), qui est une unité sans dimension utilisée pour maximiser l’efficacité du rotor. En d’autres termes, le « rapport de vitesse de pointe » (TSR) est le rapport de la vitesse de la pointe de la pale tournante en tours par minute (rpm) à la vitesse du vent en kilomètres par heure (Kph), ou miles par heure (mph).
Une bonne conception d’éolienne déterminera la puissance du rotor pour toute combinaison de vent et de vitesse du rotor. Plus ce rapport TSR est élevé, plus la rotation du rotor de l’éolienne sera rapide pour une vitesse de vent donnée. La vitesse de l’arbre à laquelle le rotor est fixé est exprimée en révolutions 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 : 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 permet à trop d’air de passer à travers sans être perturbé, donc il n’extrait pas autant d’énergie qu’il pourrait. En revanche, si la pale du rotor tourne trop rapidement, elle apparaît au vent comme un grand disque circulaire plat tournant, ce qui génère de grandes quantités de traînée et de pertes à la pointe qui ralentissent le rotor. Il est donc important d’ajuster la vitesse de rotation du rotor de l’éolienne à une vitesse de vent particulière afin d’obtenir un rendement optimal.
Les rotors d’éoliennes avec moins de pales atteignent leur efficacité maximale à des rapports de vitesse de pointe plus élevés ; généralement, les conceptions d’éoliennes à trois pales pour la génération électrique ont un rapport de vitesse de pointe compris entre 6 et 8, mais tournent plus doucement grâce à leurs trois pales. En revanche, les éoliennes utilisées pour les applications de pompage d’eau ont un rapport de vitesse de pointe inférieur, entre 1,5 et 2, car elles sont spécialement conçues pour générer un couple élevé à basse vitesse.
Inclinaison/Angle des Pales du Rotor – Les pales de rotor d’éoliennes à conception fixe ne sont généralement pas droites ou planes comme les ailes d’avion, mais présentent une légère torsion et un taper le long de leur longueur, de la pointe à la racine, pour s’adapter aux différentes vitesses de rotation le long de la pale. Cette torsion permet à la pale d’absorber l’énergie du vent lorsque celui-ci frappe sous des angles tangents différents, et non uniquement de face. Une pale de rotor droite ou plate cessera de donner de la portance et peut même se bloquer si elle est frappée par le vent sous des angles différents, appelés « angle d’attaque », surtout si cet angle d’attaque est trop important.
Il s’ensuit que pour maintenir la pale de rotor à un angle d’attaque optimal, augmentant la portance et l’efficacité, les pales de conception des éoliennes sont généralement tordues sur toute leur longueur. Par ailleurs, cette torsion dans le design d’éolienne empêche les pales du rotor de tourner trop rapidement par temps venteux.
Cependant, pour les éoliennes à très grande échelle utilisées pour la génération électrique, cette torsion des pales peut rendre leur construction très complexe et coûteuse, donc une autre forme de contrôle aérodynamique est souvent employée pour maintenir l’angle d’attaque des pales parfaitement aligné avec la direction du vent.
La puissance aérodynamique produite par l’éolienne peut être régulée en ajustant l’angle d’inclinaison de l’éolienne par rapport à l’angle d’attaque du vent, chaque pale étant tournée autour de son axe longitudinal. Ainsi, les pales du rotor avec contrôle d’inclinaison peuvent être plus plates et plus droites, mais en général, ces grandes pales ont une torsion similaire dans leur géométrie, mais beaucoup plus petite pour optimiser le chargement tangentiel sur la pale du rotor.
Chaque pale du rotor possède un mécanisme de torsion, soit passif soit dynamique, intégré à la racine de la pale, produisant un contrôle d’inclinaison uniforme le long de sa longueur (torsion constante). L’angle d’inclinaison requis n’est que de quelques degrés, car de petites variations peuvent avoir un effet dramatique sur la production d’énergie, comme nous l’avons appris dans le tutoriel précédent, l’énergie contenue dans le vent étant proportionnelle au cube de la vitesse du vent.
Un des principaux avantages du contrôle d’inclinaison des pales du rotor est l’augmentation de la fenêtre de vitesse du vent. Un angle d’inclinaison positif produit un couple de démarrage élevé lorsque le rotor commence à tourner, diminuant ainsi sa vitesse de coupure. De même, par forte vitesse de vent, lorsque la vitesse limite du rotor est atteinte, l’inclinaison peut être contrôlée pour maintenir les rotations par minute (rpm) du rotor en deçà de cette 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 d’inclinaison sur les pales du rotor afin de réduire ou d’augmenter la force de levage sur les pales en contrôlant l’angle d’attaque. Les pales plus petites y parviennent en incorporant une légère torsion dans leur conception.
Les grandes éoliennes commerciales utilisent un contrôle d’inclinaison soit passif, avec l’aide de ressorts centrifuges et de leviers (similaire aux rotors d’hélicoptère), soit actif, utilisant de petits moteurs électriques intégrés dans le moyeu des pales pour les faire pivoter de quelques degrés. Les principaux inconvénients du contrôle d’inclinaison 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 déterminer la forme et le design de pale aérodynamiquement optimum est essentiel.
Mais en plus de la conception aérodynamique, la conception structurelle est tout aussi importante. La conception structurelle consiste en la sélection et la résistance des matériaux des pales, car celles-ci se plient et se déforment en raison de l’énergie du vent pendant leur rotation.
Il est évident que le matériau de construction idéal pour une pale de rotor devrait combiner les propriétés structurelles nécessaires à un rapport résistance/poids élevé, une longue durée de vie à la fatigue, une rigidité, sa fréquence naturelle de vibration et une résistance à la fatigue, avec un faible coût et une capacité à être facilement formé dans la forme aérodynamique souhaitée.
Les pales de rotor des petites éoliennes utilisées dans des applications résidentielles, allant de 100 watts et plus, sont généralement fabriquées en bois massif sculpté, en stratifiés de bois ou en composites de placage en bois, ainsi qu’en aluminium ou en acier. Les pales en bois sont solides, légères, peu coûteuses, flexibles et populaires dans la plupart des conceptions d’éoliennes à faire soi-même, car elles peuvent être facilement fabriquées. Cependant, la faible résistance des stratifiés de bois par rapport à d’autres matériaux en bois les rend inadaptés pour des pales de modèles élancés fonctionnant à des vitesses de pointe élevées.
Les pales en aluminium sont également légères, solides et faciles à travailler, mais elles sont plus coûteuses, se déforment facilement et souffrent de fatigue métallique. De même, les pales en acier utilisent le matériau le moins cher et peuvent être formées et façonnées en panneaux courbés suivant le profil aérodynamique requis. Cependant, il est beaucoup plus difficile d’introduire une torsion dans les panneaux en acier et, ensemble avec de mauvaises propriétés de fatigue, cela signifie qu’il rouille, ce qui explique pourquoi l’acier est rarement utilisé.
Les pales de rotor utilisées pour les gigantesques conceptions d’éoliennes à axe horizontal sont fabriquées à partir de composites plastiques renforcés, les composites les plus courants étant constitués de résines polyester de fibre de verre, d’époxy de fibre de verre, de polyester de fibre de verre et de composites de fibre de carbone. Les composites en fibre de verre et en fibre de carbone ont un rapport résistance à la compression/poids nettement plus élevé que les autres matériaux. De plus, la fibre de verre est légère, forte, bon marché, présente de bonnes caractéristiques de fatigue et peut être utilisée dans divers procédés de fabrication.
La taille, le type et la construction de l’éolienne dont vous pourriez avoir besoin dépendent de vos besoins en énergie spécifiques. Les conceptions d’éoliennes petites varient en taille de 20 watts à 50 kilowatts (kW), les éoliennes plus petites ou « micro » (20 à 500 watts) étant utilisées dans des lieux résidentiels pour diverses applications, comme la génération d’électricité pour charger des batteries et alimenter des lampes.
L’énergie éolienne est l’une des sources d’énergie renouvelable à la croissance la plus rapide au monde, car il s’agit d’une ressource énergétique propre et largement distribuée, qui est abondante, sans coût de combustible, et une technologie de génération d’énergie sans émissions. La plupart des générateurs d’éoliennes modernes disponibles aujourd’hui sont conçus pour être installés et utilisés dans des installations de type résidentiel.
Il en résulte qu’ils sont fabriqués plus petits et plus légers, leur permettant d’être rapidement et facilement montés directement sur un toit ou sur un petit poteau ou une tour. L’installation d’un nouveau générateur éolien dans le cadre de votre système d’énergie éolienne domestique vous permettra de réduire la plupart des coûts plus élevés liés à l’entretien et à l’installation d’une tour éolienne plus grande et plus coûteuse, comme cela aurait été le cas précédemment.
Dans le prochain tutoriel sur l’énergie éolienne, nous examinerons le fonctionnement et la conception des générateurs d’éoliennes utilisés pour produire de l’électricité dans le cadre d’un système de génération d’énergie éolienne à domicile.