Dispositifs qui exploitent l’énergie des vagues
La quantité de puissance disponible dans le mouvement des vagues océaniques a inspiré de nombreux ingénieurs à développer des machines et des dispositifs pour capturer et utiliser cette énergie océanique gratuite. Dans certaines parties des océans du monde, la quantité d’énergie des vagues est immense, ce qui a conduit au développement de dispositifs d’énergie des vagues pour exploiter la nature oscillatoire inhérente des vagues océaniques pour la génération d’énergie électrique.
Nous avons vu précédemment que l’énergie des vagues est une source d’énergie renouvelable et non polluante, créée par le transfert naturel de l’énergie éolienne au-dessus des océans, qui elle-même est générée par les effets de l’énergie solaire du soleil. Alors que le vent souffle à la surface des océans, les particules d’air en mouvement transfèrent leur énergie aux molécules d’eau qu’elles touchent.
À mesure que le vent continue de souffler, de plus en plus de son énergie cinétique est transférée à la surface des océans et les vagues deviennent plus grandes. Ces vagues plus grandes sont appelées vagues de gravité car leur énergie potentielle est due à la force gravitationnelle de la Terre. Il existe beaucoup d’énergie potentielle dans les vagues générées par le vent, au point où de grandes vagues de tempête peuvent soulever des navires hors de l’eau.
Lorsqu’une vague océanique passe par une position fixe, la surface de la mer change de hauteur, l’eau près de la surface se déplace alors qu’elle perd son énergie cinétique et potentielle, ce qui affecte la pression sous la surface. La nature périodique ou oscillatoire des vagues océaniques signifie que nous pouvons utiliser une variété de dispositifs d’énergie des vagues pour capter l’énergie produite par les vagues océaniques.
Le problème réside dans le fait que la fréquence oscillatoire d’une vague océanique est relativement lente et est bien inférieure aux centaines de révolutions par minute nécessaires à la génération d’électricité. Une grande variété de dispositifs et de conceptions d’énergie des vagues sont donc disponibles pour convertir ces forces de vagues agissantes, lentes et inversées en rotation unidirectionnelle et à grande vitesse d’un arbre de générateur.
Types de dispositifs d’énergie des vagues
Il existe trois dispositifs d’énergie des vagues fondamentaux mais très différents utilisés pour convertir la puissance des vagues océaniques en électricité, qui sont :
- Dispositifs de profil de vague Ce sont des dispositifs d’énergie des vagues qui transforment la hauteur oscillante de la surface des océans en énergie mécanique.
- Colonnes d’eau oscillantes Ce sont des dispositifs d’énergie des vagues qui convertissent l’énergie des vagues en pression d’air.
- Dispositifs de capture des vagues Ce sont des dispositifs d’énergie des vagues qui convertissent l’énergie des vagues en énergie potentielle.
Dispositifs de profil de vague
Les dispositifs de profil de vague sont une classe de dispositifs d’énergie des vagues qui flottent à la surface de la mer ou à proximité et se déplacent en réponse à la forme de la vague incidente ou, pour les dispositifs submersibles, ils montent et descendent sous l’influence des variations de pression sous-marine lorsque les vagues passent.
La plupart des types de dispositifs de profil de vague flottent à la surface en absorbant l’énergie des vagues dans toutes les directions en suivant les mouvements des vagues à ou près de la surface de la mer, tout comme un flotteur. Les seuls dispositifs d’énergie des vagues utilisant le profilage des vagues ont été pratiquement utilisés pendant un certain temps, bien qu’à une échelle relativement petite, pour alimenter des bouées de navigation.
Si la taille physique du dispositif de profil de vague est très petite par rapport à la longueur périodique de la vague, ce type de dispositif d’énergie des vagues est appelé “absorbeur de point”. Si la taille du dispositif est plus grande ou plus longue que la longueur d’onde périodique typique, il est appelé “absorbeur linéaire”, mais plus communément, ils sont collectivement connus sous le nom “d’atténuateurs de vagues”.
La principale différence entre les deux dispositifs d’énergie des vagues est la manière dont le système oscillant convertit l’énergie des vagues entre l’absorbeur et un point de réaction. Cette absorption d’énergie peut être réalisée soit par un corps flottant, un membre solide oscillant ou de l’eau oscillante à l’intérieur de la structure de la bouée elle-même.
L’énergie des vagues est absorbée en utilisant des mouvements verticaux (élévation), un mouvement horizontal dans la direction du déplacement des vagues (avance), un mouvement angulaire autour d’un axe central parallèle aux crêtes des vagues (inclinaison) ou un mouvement angulaire autour d’un axe vertical (décalage) ou une combinaison des quatre, l’énergie étant générée en réagissant ces différents mouvements contre une sorte de résistance fixe appelée un point de réaction.
Pour tirer efficacement parti de la force générée par la vague, nous avons besoin d’une sorte de réaction de force. En d’autres termes, nous voulons que la force des vagues sur le flotteur réagisse contre un autre corps rigide ou semi-rigide. Les points de réaction peuvent être des masses inertielles telles que des plaques de lest suspendues lourdes, des ancres au fond de la mer ou un poids fixe comme le montre.
Appareils de énergies des vagues
Le mouvement de montée et de descente des vagues provoque un mouvement relatif entre un absorbeur et un point de réaction. Le dispositif d’énergie des vagues à gauche utilise une lourde plaque de lest suspendue sous la bouée flottante. La bouée est empêchée de flotter en s’éloignant par une ligne d’amarrage attachée à une ancre au fond de la mer. Cette ligne d’amarrage permet à l’absorbeur de point d’opérer au large dans des eaux plus profondes.
Alors que la bouée danse vers le haut et vers le bas dans les vagues, une réaction de force mutuelle oscillatoire est générée entre l’absorbeur libre et la plate-forme lourde, provoquant la rotation d’une pompe hydraulique entre elle et un générateur produisant de l’électricité. Le dispositif d’énergie des vagues du milieu fonctionne de manière similaire au dispositif de bouée flottante précédent.
La différence cette fois-ci est que la bouée flottante qui se soulève réagit contre un point de réaction fixe comme un poids fixe au fond de l’océan. Ce type d’absorbeur de point étant monté au sol, il fonctionne dans des zones peu profondes près de la côte.
Le troisième dispositif est un exemple d’absorbeur linéaire (atténuateur de vagues) qui flotte à la surface de l’eau. Il est lui aussi ancré au fond de l’océan de manière à pouvoir osciller perpendiculairement aux vagues entrantes. À mesure que les vagues passent le long de ce dispositif d’énergie des vagues en forme de serpent, elles font plier le long corps cylindrique vers le bas dans les creux des vagues et voiler vers le haut lorsque le sommet des vagues passe.
Le convertisseur d’énergie des vagues Pelamis
Les joints de connexion le long du corps du dispositif se plient dans les vagues exerçant une grande force utilisée pour alimenter un vérin hydraulique à chaque joint. Le vérin hydraulique entraîne l’huile à travers un moteur hydraulique qui entraîne un générateur, produisant de l’électricité.
Cette méthode de conversion de l’énergie des vagues est actuellement utilisée par un dispositif appelé convertisseur d’énergie des vagues Pelamis, développé par la société “Pelamis Wave Power” (veuillez visionner la vidéo pour plus d’informations). Un avantage du design Pelamis est que plusieurs dispositifs au large peuvent être connectés et reliés à la côte à travers un seul câble sous-marin submersible et comme il réagit et se plie au mouvement doux des vagues, il a le potentiel de produire un approvisionnement stable et constant en énergie électrique.
Dispositifs d’énergie des vagues à colonne oscillante
La colonne d’eau oscillante (OWC) est un dispositif populaire d’énergie des vagues de rivage généralement situé sur ou près des rochers ou des falaises adjacentes à un fond marin profond. Il se compose d’une chambre creuse partiellement submergée fixée directement au bord de mer qui convertit l’énergie des vagues en pression d’air.
La structure utilisée pour capturer l’énergie des vagues pourrait être une grotte naturelle avec un trou de soufflage ou une chambre ou un conduit fabriqué par l’homme avec un générateur d’éolienne situé au sommet bien au-dessus de la surface de l’eau. Dans tous les cas, la structure est construite perpendiculairement aux vagues, une partie de la surface océanique étant piégée à l’intérieur de la chambre, laquelle est ouverte à la mer en dessous de la ligne d’eau. Le mouvement constant d’entrée et de sortie des vagues force l’eau piégée à l’intérieur de la chambre à osciller verticalement.
Colonne d’oscillation des vagues
Alors que les vagues incidentes à l’extérieur entrent et sortent de la chambre, les variations du mouvement des vagues à l’ouverture font osciller le niveau d’eau dans l’enclosure de haut en bas, agissant comme un énorme piston sur l’air au-dessus de la surface de l’eau, le poussant de va-et-vient. Cet air est comprimé et décomprimé par ce mouvement à chaque cycle. L’air est canalisé à travers un générateur d’éolienne pour produire de l’électricité comme illustré.
Le type de générateur d’éolienne utilisé dans un design de colonne d’eau oscillante est l’élément clé de son efficacité de conversion. L’air à l’intérieur de la chambre inverse constamment de direction avec chaque mouvement de haut en bas de l’eau de mer produisant un effet de succion et de soufflage à travers la turbine. Si une turbine conventionnelle était utilisée pour entraîner le générateur attaché, celle-ci aussi changerait constamment de direction en synchronisation avec le flux d’air. Pour surmonter ce problème, le type de turbine utilisé dans les systèmes de colonne d’eau oscillante est appelé turbine Wells.
La turbine Wells a la propriété remarquable de tourner dans la même direction, quelle que soit la direction du flux d’air dans la colonne. L’énergie cinétique est extraite du flux d’air inversé par la turbine Wells et est utilisée pour entraîner un générateur d’induction électrique. La vitesse du flux d’air à travers la turbine Wells peut être améliorée en réduisant l’aire de section de la conduite de la turbine d’onde à bien moins que celle de la colonne de mer.
Comme avec d’autres convertisseurs d’énergie des vagues, la technologie des colonnes d’oscillation des vagues ne produit aucune émission de gaz à effet de serre, en faisant une source d’énergie renouvelable et non polluante, créée par le transfert naturel de l’énergie éolienne à travers une turbine Wells. L’avantage de ce dispositif côtier est que la pièce principale en mouvement, la turbine, peut être facilement retirée pour réparation ou maintenance car elle est à terre. Le désavantage, cependant, est qu’ comme pour les dispositifs d’énergie des vagues précédents, le rendement de la colonne d’oscillation des vagues dépend du niveau d’énergie des vagues, qui varie jour après jour selon la saison.
Dispositifs de capture de l’énergie des vagues
Un dispositif de capture des vagues, également connu sous le nom de dispositif de puissance de vagues par débordement, est un dispositif d’énergie des vagues de rivage à près de la côte qui capte les mouvements des marées et des vagues et les convertit en énergie potentielle. L’énergie des vagues est convertie en énergie potentielle en élevant l’eau à un niveau supérieur. Le dispositif de capture des vagues, ou plus couramment un dispositif de débordement, élève les vagues océaniques à un réservoir de retenue au-dessus du niveau de la mer.
Le convertisseur d’énergie des vagues par débordement fonctionne de la même manière qu’un barrage hydroélectrique de type retenue. L’eau de mer est capturée et retenue à une hauteur au-dessus du niveau de la mer, créant une situation à faible hauteur, qui est ensuite évacuée à travers une turbine de réaction, généralement une turbine Kaplan, générant de l’électricité comme illustré.
Dispositifs de capture de l’énergie des vagues
La structure de retenue de base peut être fixe ou une structure flottante ancrée au fond de la mer. Le dispositif de débordement des vagues utilise un design de rampe sur le dispositif pour élever une partie des vagues entrantes au-dessus de leur hauteur naturelle.
Alors que les vagues frappent la structure, elles s’écoulent sur une rampe et par-dessus le dessus (d’où le nom de “débordement”), dans un réservoir de retenue d’eau sur le dispositif pour le remplir. Une fois capturée, l’énergie potentielle de l’eau piégée dans le réservoir est extraite grâce à la gravité alors que l’eau retourne à la mer via une turbine Kaplan à faible hauteur située au fond du dispositif de capture des vagues.
D’autres dispositifs de capture des vagues sont situés au bord de mer où les vagues sont canalisées le long d’un canal horizontal fabriqué par l’homme. Ce canal a une forme d’entonnoir, large vers la mer où les vagues entrent, et se rétrécit progressivement vers un réservoir de retenue à l’autre extrémité.
À mesure que les vagues se propagent le long du canal rétrécissant, la hauteur des vagues est soulevée en raison de l’effet d’entonnoir à un niveau dépassant le bord supérieur horizontal du mur du canal, permettant à l’excès d’eau des vagues de déborder dans un bassin confiné au-dessus du niveau normal de la mer. Puisque l’eau est maintenant à une hauteur au-dessus du niveau de la mer, l’énergie potentielle de l’eau piégée dans le bassin est ensuite extraite en drainant l’eau à nouveau vers la mer à travers une turbine Kaplan à faible hauteur comme auparavant.