Appareils d’énergie éolienne aérienne
L’énergie éolienne haute altitude, ou plus communément, l’énergie éolienne aérienne, est une technologie renouvelable en plein développement qui utilise des dispositifs aériens pour générer de l’énergie. Contrairement à l’énergie éolienne conventionnelle qui repose sur de grandes éoliennes fixées au sol ou en mer, l’énergie éolienne aérienne utilise des dispositifs flottants tels que des ballons, des cerfs-volants et des ailes tendues à de grandes hauteurs dans l’air.
L’énergie éolienne aérienne (AWE) utilise de nombreuses technologies bien établies actuellement utilisées dans les éoliennes terrestres conventionnelles, comme les générateurs, les réducteurs et les convertisseurs de puissance reliés au réseau.
Ce qui distingue ces éoliennes aériennes de leurs homologues terrestres ou offshore, c’est la manière dont elles extraient l’énergie du vent. Au lieu d’une grande tour en acier, un câble de liaison ancre le système au sol et, au lieu de longues pales de turbine rotatives, des cerfs-volants aérodynamiques et des ailes spécialement conçues tracent un chemin à travers le ciel pour capter l’énergie éolienne.
Nous avons tous constaté enfant, en faisant voler un cerf-volant, la force de traction exercée par le vent, et cela est également mis à profit par ceux qui utilisent des planches à cerf-volant et des buggies à cerf-volant comme moyen de propulsion.
Nous pouvons également utiliser la même puissance de traction et les forces de levage du vent pour générer une source d’énergie électrique bon marché et abondante grâce aux éoliennes aériennes.
Les dispositifs d’énergie éolienne aérienne, tels qu’une aile tendue ou un cerf-volant aérodynamique, sont des systèmes électromécaniques qui extraient l’énergie de l’énergie cinétique des vents circulant dans le ciel.
La plupart des appareils d’énergie éolienne aérienne sont conçus pour voler en travers de la direction du vent, leur permettant de concentrer la formidable ressource éolienne à des altitudes moyennes à élevées de plus de 200 mètres.
En effet, à des altitudes supérieures à 200 mètres, la vitesse du vent est généralement plus élevée et plus constante que près de la surface terrestre, ce qui nous permet d’utiliser ces vents puissants comme source d’énergie pour produire de l’électricité.
De plus, les forces de levage et les forces produites par le vent à ces altitudes suffisent à soutenir le dispositif aérien tout en générant de l’énergie. Étant donné que ces dispositifs fonctionnent à des altitudes plus élevées avec des vitesses de vent plus fortes, il est possible de générer davantage d’électricité avec une plus grande régularité.
En raison de ces grandes altitudes, les tours des éoliennes conventionnelles, même celles de 100 mètres de hauteur, ne peuvent pas être utilisées. Cependant, installer des éoliennes en altitude sur les sommets des chaînes de montagnes offre une augmentation significative de la conversion d’énergie par rapport à celles situées plus bas, au niveau de la mer. Les dispositifs d’énergie éolienne aérienne sont mécaniquement connectés ou tendus au sol afin d’exploiter la vitesse relative entre le mouvement du vent et le sol stationnaire.
Pour capter l’énergie du vent à grande altitude, différents dispositifs basés sur des technologies aéronautiques ont été développés, tels que : des cerfs-volants aérodynamiques, des voiles célestes, des planeurs et des avions à voile, tous équipés de turbines éoliennes pour transporter l’énergie et les forces au sol. Ces dispositifs peuvent être raccordés soit à une station au sol fixe pour produire de l’électricité, soit à un autre objet en mouvement, mais non volant, pour produire une puissance de traction, comme la rotation d’un volant d’inertie.
Énergie éolienne à treuil
Nous sommes tous familiers avec les pales tournantes d’un design d’éolienne terrestre conventionnel. Alors, comment les éoliennes aériennes génèrent-elles de l’énergie ? La méthode la plus courante actuellement utilisée est un générateur au sol rattaché à un treuil de câble de liaison qui produit de l’énergie à mesure que le cerf-volant ou l’aile aérodynamique tire le câble. Le couple et la vitesse du câble de liaison produisent de l’électricité en faisant tourner le tambour du treuil, qui entraîne à son tour un générateur électrique.
Dans les systèmes de générateurs terrestres, l’énergie électrique est produite lorsque le câble de liaison est tiré ou enroulé jusqu’à ce que la longueur maximale ou l’altitude de liaison soit atteinte. L’étape suivante implique la récupération ou la rétraction du câble, qui est enroulé à nouveau sur le tambour. Le ré-enroulement du câble de liaison nécessite une petite quantité d’énergie électrique, car le générateur devient un moteur pour rétracter le câble.
Une fois que le câble est complètement enroulé sur le tambour, le processus de génération recommence. En raison du mouvement périodique de rétraction et d’extension du dispositif aérien, les générateurs d’énergie éolienne terrestres sont parfois appelés générateurs Yo-Yo.
Comme le générateur électrique et les mécanismes de treuil de ces systèmes d’énergie éolienne terrestre sont situés au sol, des ailes flexibles légères, des cerfs-volants de surf et des ailes aérodynamiques peuvent être utilisés pour balayer un chemin à travers le ciel et extraire l’énergie. Mais nous pouvons également utiliser des générateurs aériens qui utilisent des ailes rigides ressemblant à un avion téléguidé rapide ou aux pointes des pales d’éolienne pour produire de l’énergie électrique.
Les systèmes de générateurs aériens ressemblent typiquement plus à un aéronef qu’à un cerf-volant, intégrant des systèmes de pilotage automatique informatisés et des commandes de vol. Au lieu d’avoir des moteurs et des hélices, ces dispositifs similaires à des avions sont équipés de turbines et de générateurs embarqués qui génèrent l’énergie électrique pendant qu’ils glissent dans le vent.
L’inconvénient de ces dispositifs d’énergie éolienne est que le câble de liaison doit à la fois conduire l’électricité et résister à de fortes tensions de traction du vent. De plus, l’augmentation du diamètre du câble accroît sa traînée, et les générateurs et convertisseurs de puissance embarqués ajoutent du poids supplémentaire au système aérien.
D’autres types de systèmes d’énergie éolienne aérienne incluent des ballons remplis d’hélium et des dirigeables de type Zeppelin qui sont plus légers que l’air et génèrent de l’énergie grâce à de grands rotors horizontaux de type Savonius. Certains systèmes d’énergie éolienne aérienne ne produisent aucune énergie électrique, mais utilisent la forte force de traction du vent pour entraîner un véhicule au sol sur une piste.
L’énergie éolienne est aujourd’hui l’une des technologies les plus avancées en matière de sources d’énergie renouvelable. Dans les zones où la capacité de production d’énergie est la plus nécessaire, l’espace foncier disponible est limité et cela a conduit à un fort accent sur les technologies offshore pour les investissements futurs.
L’énergie éolienne aérienne est l’une des options qui pourrait être utilisée, en particulier sur le marché éolien offshore, lorsque la technologie devient plus mature et viable pour les applications commerciales. L’énergie éolienne offshore offre également un plus grand potentiel énergétique, car les vitesses du vent sont plus élevées dans les océans.
Remplacer la structure massive et encombrante d’une tour d’éolienne par une aile tendue plus légère et plus efficace nous permet de générer de l’énergie non seulement au niveau du sol mais aussi dans les cieux. La ressource éolienne à haute altitude est très prometteuse comparée à celle de l’énergie éolienne conventionnelle en termes de hauteur et de vitesse du vent, car à des altitudes plus élevées, les vitesses du vent sont significativement plus élevées et les ressources éoliennes plus constantes. Cependant, les systèmes d’énergie éolienne aérienne ne sont pas sans inconvénients, tels que :
Certains inconvénients de l’énergie éolienne aérienne
- Des intempéries en forme d’orages et de foudres posent des risques très graves de destruction pour tout dispositif aérien.
- Aucune énergie n’est produite si le dispositif est retiré pendant des intempéries.
- Un danger pour la sécurité, les appareils aériens et les câbles d’alimentation peuvent se détacher ou être endommagés en tombant au sol.
- Acceptation du public pour ces grands dispositifs flottants aériens au-dessus des terres et des zones résidentielles.
- Défis de conception et de contrôle de ces systèmes autonomes dans toutes les conditions de vent et de météo.
- Les cerfs-volants et les ailes doivent être légers et durables pour voler dans les vents de haute altitude.
- Pertes d’énergie électrique dans le long câble conducteur reliant le système de génération aérien au sol.
- Traînée du câble de liaison due à des câbles de grand diamètre qui doivent résister à de nombreux cycles de charge variés, pour les systèmes terrestres.
Le succès et le développement continu des ressources d’énergie renouvelable, y compris l’énergie éolienne, bénéficieront grandement des avancées dans les nouvelles technologies, idées et systèmes de contrôle qui évoluent et deviennent plus matures.
L’énergie éolienne aérienne est une technologie et une industrie relativement jeunes, mais les idées et concepts déjà développés semblent prometteurs, jouant un rôle vital dans le secteur de l’énergie renouvelable. Peut-être un jour, de nombreux cerfs-volants aériens, ballons et ailes voleront dans les cieux, générant de l’électricité à partir d’une énergie éolienne gratuite et durable à haute altitude.
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