Conception de Turbine Éolienne à Axe Vertical – Design VAWT
Un Générateur Éolien (WTG) est un dispositif qui extrait l’énergie cinétique du vent à l’aide d’un rotor composé de deux pales ou plus, mécaniquement couplées à un générateur électrique. Cependant, les turbines éoliennes n’ont pas besoin d’avoir le design stéréotypé d’un grand mât avec une nacelle au sommet ; elles peuvent également prendre la forme d’une Turbine Éolienne à Axe Vertical ou d’un design VAWT.
La production d’énergie des turbines éoliennes dépend de l’interaction entre les pales du rotor et le vent. Mais il existe une limite supérieure, appelée limite de Betz, sur la quantité d’énergie qui peut être extraite du mouvement du vent à mesure qu’il passe à travers les pales du rotor des turbines. Aucune turbine éolienne ne peut produire plus de puissance électrique que la quantité d’énergie contenue dans le vent lui-même. Pour ce faire, la turbine éolienne devrait arrêter le vent de souffler en extrayant 100 % de son énergie cinétique.
La quantité de puissance convertie par une turbine éolienne horizontale est proportionnelle à la surface balayée par le rotor (zone balayée par le rotor). Par conséquent, afin de capturer autant que possible l’énergie cinétique du vent, les pales de la turbine éolienne doivent être aussi longues que possible.
Aussi, pour augmenter encore cette production, les turbines éoliennes sont montées sur des tours aussi hautes que pratiques, et sont le plus souvent érigées sur des tours dépassant 80 mètres (260 pieds) de hauteur. Cela est dû au fait que, dans un paysage ouvert et dégagé, la vitesse du vent par rapport au sol peut augmenter considérablement avec l’élévation au-dessus du sol.
Aujourd’hui, les turbines éoliennes modernes utilisées dans des parcs éoliens à grande échelle ou dans des lieux offshore sont généralement de type turbine éolienne à axe horizontal ou HAWT, car il s’agit du type de turbine éolienne le plus commun et le plus efficace. Les conceptions HAWT utilisent trois pales de rotor montées sur un arbre horizontal à l’intérieur de la nacelle, orientées vers le vent, ce qui signifie que les pales du rotor sont directement face au vent pour capturer ou extraire la quantité maximale d’énergie cinétique.
Cet arbre est relié à un réducteur ou à une transmission, placé entre l’arbre du vent (l’axe horizontal auquel les pales sont fixées) et un générateur électrique.
Le réducteur convertit les rotations lentes des pales du rotor, comprises entre 18 et 25 tr/min, en une rotation beaucoup plus rapide, typiquement dans la plage de 1 200 à 1 800 tr/min, qui peut être utilisée pour alimenter le générateur électrique.
Le générateur convertit l’énergie mécanique rotative en électricité. Cette configuration assure que le générateur électrique tourne à une vitesse optimale afin de produire la quantité correcte d’électricité, adaptée à l’alimentation du réseau électrique.
La hauteur de la tour en acier supportant varie, mais elle doit clairement être supérieure au diamètre du cercle que les pales créent lorsqu’elles tournent. La tour contient également tous les principaux câbles d’alimentation reliant le générateur électrique à l’intérieur de la nacelle au transformateur principal au sol.
Un inconvénient du générateur éolien horizontal est que, pour que les pales du rotor tournent, le corps de la turbine éolienne doit continuellement pivoter pour orienter le rotor dans la direction du vent qui arrive.
Ce contrôle de “yaw” peut être aussi simple que la dérive arrière d’un petit générateur éolien, ou être contrôlé par un moteur plus complexe sur des tours modernes. Cependant, il existe un autre type de conception de turbine éolienne appelée Turbine Éolienne à Axe Vertical, ou plus simplement VAWT, qui a l’avantage d’accepter le vent venant de n’importe quelle direction.
La Turbine Éolienne à Axe Vertical
La “turbine éolienne à axe vertical” possède des conceptions de pales de turbine soit verticales, soit en forme de fouet à œufs, et est similaire à de nombreuses façons aux ventilateurs centrifuges alimentés par le vent que l’on voit sur les cheminées et les conduits. Les pales de la turbine éolienne à axe vertical sont fixées à un arbre vertical central, offrant des avantages spécifiques par rapport aux conceptions de turbines éoliennes horizontales.
Les VAWT sont des conceptions omnidirectionnelles, ce qui signifie qu’elles peuvent capturer le vent quelle que soit sa direction sans avoir besoin de réorienter les pales de la turbine pour faire face directement au vent. Cela peut être un avantage dans les zones urbaines où la direction du vent est très variable et change constamment. De plus, plusieurs turbines à axe vertical peuvent être placées plus près les unes des autres dans la même zone sans affecter le flux d’air autour d’elles.
Lorsque les pales tournent, l’arbre tourne, étant fixé à un alternateur généralement situé à la base de l’arbre, souvent au niveau du sol, ce qui facilite l’entretien. À l’exception de la forme de ses pales de rotor, tous les autres composants utilisés dans la turbine éolienne VAWT sont similaires dans les deux conceptions, avec quelques différences mineures dans leur placement.
Les pales de turbine éolienne à axe vertical peuvent être d’un design de rotor entraîné par traînée ou par portance. Le design le plus courant de turbine éolienne à axe vertical entraînée par traînée est celui du rotor Savonius, utilisé depuis des centaines d’années pour le pompage de l’eau et d’autres applications mécaniques. La turbine éolienne VAWT Savonius a un rotor en forme de S lorsqu’elle est vue du dessus et fonctionne comme un dispositif de traînée, et par conséquent, la vitesse angulaire de la turbine ne peut pas dépasser la vitesse du vent ambiant.
La puissance fournie par le design de la turbine Savonius est basée sur la différence de pression de l’air à travers les pales, alors qu’un ensemble de pales recule par rapport au vent tandis que l’autre avance dans le vent. Cela est lié à la différence entre les coefficients de traînée associés au côté convexe de la pale et au côté concave des pales. En général, par rapport à d’autres formes de conceptions de turbines éoliennes, les rotors Savonius ont des rendements relativement faibles.
Les rotors de turbines éoliennes à axe vertical entraînés par portance, cependant, sont plus communément utilisés pour la production d’électricité. Ces pales de rotor VAWT sont appelées pales de turbine à portance parce que, lorsque le vent souffle à travers la turbine, les pales du rotor ressentent une force de levage. Typiquement, les rotors entraînés par portance ont de longues pales courbées et sont souvent appelés un design de rotor Darrieus, du nom de son inventeur.
Il existe plusieurs avantages associés à la Turbine Éolienne Darrieus. Tout d’abord, la turbine Darrieus est omnidirectionnelle et ne nécessite pas de mécanismes de contrôle de “yaw” spéciaux pour s’orienter continuellement vers la direction du vent.
Deuxièmement, son arbre de transmission vertical simplifie l’installation du réducteur et du générateur électrique au sol, rendant la structure et l’entretien beaucoup plus simples. En revanche, le fait que la machine à axe vertical n’ait pas été largement utilisée est dû à son incapacité à contrôler facilement la puissance de sortie en cas de grands vents simplement en modifiant l’angle des pales.
Bien qu’il existe des centaines de conceptions de turbines éoliennes à axe vertical disponibles commercialement, en pratique, la turbine éolienne à axe vertical n’a pas été utilisée aussi largement que ses homologues à axe horizontal.
Les raisons tiennent à la nature de l’aérodynamique du rotor vertical, les charges structurelles sur chaque pale variant considérablement lors de chaque rotation, ce qui entraîne une torsion et une déformation des pales pendant leur rotation dans le vent, contribuant ainsi à une fatigue élevée et à des dommages.
De plus, la turbine éolienne à axe vertical n’est pas conçue pour être installée au sommet d’une grande tour, car de nombreux VAWT nécessitent de grands roulements ou supports en haut de la conception pour permettre la rotation de l’arbre. Cela signifie que les générateurs de turbine éolienne à axe vertical tendent à être situés près du sol ou au sommet des bâtiments dans une région de vitesses de vent relativement basses.
Bien que les conceptions de VAWT puissent capturer des vents au niveau du sol, tout comme toute turbine installée sur une tour courte, cela les rend sensibles à la turbulence et à la traînée au sol. La traînée au sol et la turbulence dans les vents de bas niveau réduisent la puissance disponible pour toute turbine montée près du sol, entraînant une efficacité inférieure à celle d’une turbine à axe horizontal de puissance nominale équivalente, mais sur une tour plus haute.
Générateurs VAWT
Les Générateurs de Turbine Éolienne à Axe Vertical tendent à être moins fiables et moins efficaces que leurs équivalents, les “Turbines Éoliennes à Axe Horizontal”. Comme les VAWT sont montés plus près du sol, à la fois la traînée au sol et la turbulence dans les vents de bas niveau diminuent la puissance disponible, donc il y a très peu d’énergie extractible dans le vent à de tels emplacements et plus la vitesse du vent est basse, moins une turbine produira d’électricité.
La majorité des générateurs de turbines éoliennes à axe vertical actuellement installés génèrent une énergie électrique. Que ces turbines soient connectées au réseau ou non, elles doivent produire un approvisionnement électrique d’une fréquence constante, sinon de nombreux appareils courants ne fonctionneront pas correctement. Donc, le fait qu’une turbine éolienne à axe vertical puisse être montée au niveau du sol ou sur le toit d’un bâtiment ne signifie pas qu’elle produira suffisamment d’électricité pour en valoir la peine.
Cependant, de plus petits designs de VAWT associés à des générateurs à courant continu à aimants permanents peuvent être utilisés pour des applications de chargement de batterie sur des camping-cars, des fourgons ou des bateaux.
Pour en savoir plus sur l’”Énergie Éolienne”, ou pour obtenir plus de faits sur l’énergie éolienne concernant les divers systèmes de turbines éoliennes disponibles pour le constructeur amateur, ou pour explorer les avantages et inconvénients de l’énergie éolienne faite maison, cliquez ici pour obtenir votre exemplaire de l’un des meilleurs “Guides de Turbine Éolienne à Axe Vertical” aujourd’hui et en apprendre davantage sur la conception, le développement, la fabrication et les tests de petites turbines éoliennes à axe vertical.