Systèmes de Pompage d’Eau Éoliens
Historiquement, le pompage d’eau éolien à l’aide de moulins à vent et de turbines est peut-être l’une des premières inventions de l’homme. L’énergie du vent a été utilisée pour une large gamme d’applications alimentées par le vent, allant du broyage des grains à la sciage du bois, ainsi que pour de nombreuses autres applications.
Il y a des millions de personnes à travers le monde qui n’ont pas accès à un approvisionnement adéquat en eau propre pour tous leurs besoins quotidiens. Dans beaucoup de ces situations, l’eau n’est disponible que par des puits ou des aquifères. Toutefois, pour rendre cette source d’eau utilisable, elle doit d’abord être pompée à la surface depuis ces sources.
Les systèmes énergétiques basés sur le vent autonomes représentent une solution attrayante pour fournir de l’électricité propre aux consommateurs hors réseau dans des zones reculées, leur permettant ainsi d’être complètement indépendants de toute fluctuation des prix du pétrole. Un système typique d’énergie éolienne autonome comprend généralement :
- Un ou plusieurs générateurs de turbines éoliennes pour capter l’énergie du vent. Ceux-ci peuvent varier de quelques watts (pour des systèmes micro, mini et petits) à plusieurs kilowatts selon la demande d’électricité et le potentiel éolien disponible.
- Un dispositif de stockage d’énergie approprié. Cela est généralement une batterie plomb-acide ou un ensemble de batteries pour permettre un certain nombre d’heures d’autonomie lorsque le vent ne souffle pas.
En plus de fournir de grandes quantités d’électricité pour charger des banques de batteries, les turbines éoliennes peuvent également être utilisées pour pomper de l’eau. La grande majorité des turbines éoliennes construites par le passé ont été utilisées pour des applications non électriques.
Historiquement, les pompes à eau éoliennes étaient de pures dispositifs mécaniques situés en haut d’une tour en bois, pompant de l’eau pour le bétail, le drainage des terres et l’irrigation. Étant donné que les turbines éoliennes ne consomment pas d’eau, cela les rend idéales pour une utilisation dans des zones sèches ou touchées par la sécheresse.
Aujourd’hui, ces pompes à eau entraînées mécaniquement sont toujours une bonne option, mais avec les avancées technologiques, il existe également un certain nombre d’autres applications possibles de l’énergie éolienne qui nécessitent de la puissance de rotor. Celles-ci incluent : les pompes à eau éoliennes électriques et une pompe à eau éolienne conventionnelle installée dans un système hybride.
Le type le plus courant de système de pompage d’eau éolien est complètement mécanique. Un système typique de pompage d’eau éolien comprend : le rotor éolien, une tour, une pompe mécanique, un mécanisme de liaison mécanique, un puits plein d’eau (ou une autre source d’eau) et des tuyaux pour transporter l’eau pompée.
Il peut également y avoir une certaine forme de stockage d’eau en plus de la pompe à eau éolienne. Par exemple, un grand réservoir d’eau, un étang ou des réservoirs peuvent être utilisés pour le stockage de l’eau, selon l’application.
Les points clés à considérer dans la conception d’une pompe à eau éolienne mécanique incluent : la conception ou la sélection de la combinaison turbine-rotor et pompe de manière à ce que la taille de la pompe et la conception des pales de la turbine éolienne ainsi que leur taille soient correctement adaptés à la hauteur totale. Des turbines à plusieurs pales sont disponibles dans divers diamètres allant de 1,5 m à 5 mètres (6 à 16 pieds), et les diamètres d’arbre de pompe allant de 20 mm à 125 mm (3/4″ à 5″) pour le pompage d’eau à petite échelle.
Il est important d’associer correctement les pales rotatives à la pompe, car si on devait mettre une pompe à eau de grand diamètre sur une turbine de petit diamètre au-dessus d’un puits profond, à basse vitesse de vent, les pales de la turbine pourraient ne pas être capables de produire un couple suffisant pour faire remonter l’eau au niveau requis. Cela est principalement dû au fait que la pompe agit comme un frein jusqu’à certaines vitesses de vent très élevées où le couple devient suffisamment important pour que le pompage ait lieu.
D’un autre côté, si on devait installer une pompe de petit diamètre sur une turbine aux pales beaucoup plus larges, la pompe ne pourrait fournir qu’une petite fraction de la capacité d’eau requise lorsque la ressource éolienne est disponible. Il y a également un risque d’endommager la pompe à des vitesses de vent élevées. Alors, le pompage d’eau éolien, par nature, nécessite généralement des couples relativement élevés et des pompes à faible vitesse de fonctionnement.
Les rotors modernes à ratio de vitesse de pointe élevé pour générer de l’énergie électrique n’ont que deux ou trois pales. La conversion de l’énergie éolienne en énergie hydraulique par un système de pompe à eau éolienne typique nécessite que la vitesse du vent soit supérieure à environ 5-6 mph (9-10 km/h) pour que le pompage ait lieu. Évidemment, la force du vent traversant les pales du rotor de la turbine pour soulever l’eau dépendra du poids de l’eau pompée et de la vitesse à laquelle l’eau s’écoule.
Ensuite, le poids de l’eau soulevée et la vitesse à laquelle l’eau s’écoule détermineront la puissance qui doit être fournie par la turbine au système de pompage. Un puits plus profond signifie une hauteur de tête plus élevée et une charge d’eau plus lourde, c’est pourquoi de nombreux systèmes de pompage d’eau éoliens utilisent des conceptions à plusieurs pales.
La grande majorité des pompes d’eau actionnées mécaniquement par énergies éoliennes en opération aujourd’hui sont de deux types : pompes à piston à déplacement positive et pompes à vis rotatives.
Pour une pompe à piston à déplacement positive, la turbine est connectée à une boîte de vitesses et à un vilebrequin qui convertit son mouvement rotatif en mouvement alternatif vertical sur une tige de pompe qui est reliée à un piston dans la pompe au fond du tuyau du puits.
Lorsque le piston est relevé par la tige de piston, le piston soulève l’ensemble du volume d’eau au-dessus de lui, et l’eau s’écoule par un tuyau de décharge en haut. En même temps, une légère aspiration ou vide se forme sous le piston, ce qui entraîne l’eau à affluer sous le piston, remplissant le vide.
Au cours de la deuxième moitié du cycle, le piston descend, ce qui ouvre une valve à piston, et l’eau s’écoule à l’intérieur du piston, prête à être soulevée à nouveau lors du prochain demi-cycle.
Le volume d’eau déplacé durant chaque coup dépend du diamètre du piston, identique au diamètre intérieur du cylindre et de la longueur de la course. Ce mouvement vertical alternatif de la pompe à piston signifie que le flux d’eau n’est pas constant mais sera intrinsèquement pulsant en raison de cette action réciproque.
Une pompe à eau beaucoup plus simple est la pompe à vis spiralée basée sur un design de type vis d’Archimède. Un des principaux avantages des pompes à vis est leur conception simple, leur fiabilité et leur faible vitesse de rotation, ce qui les rend idéales pour un pompage lourd à fort volume. De plus, entraînée par le mouvement des pales de la turbine, la pompe à vis tourne en continu, produisant un flux d’eau constant à sa sortie.
Une pompe à vis consiste en un tuyau entièrement fermé s’étendant dans le puits, et une vis hélicoïdale continue qui s’étend sur toute ou une partie de la longueur du cylindre, formant ainsi une chambre de levage. Alors que la vis tourne, une petite quantité d’eau est soulevée par les lames inférieures. La conception de la vis est telle que lors de la prochaine révolution, cette eau est élevée jusqu’à la prochaine lame, tandis que la lame inférieure originelle en soulève une autre quantité. Ensuite, la hauteur de tête de l’eau soulevée est celle entre les lames.
En plaçant l’extrémité inférieure dans l’eau et en faisant tourner la vis, l’eau est élevée jusqu’à la lame du haut, lame par lame. La quantité d’eau pompée dépendra du diamètre du cylindre et de la vis, de la distance entre les lames et de la vitesse de rotation. Par conséquent, l’efficacité des pompes à vis est une fonction des pertes par fuite et de la géométrie des lames.
Système de Pompage d’Eau Électrique Éolien
Mais en plus de la pompe à eau éolienne mécanique, il est également possible d’utiliser un générateur de turbine éolienne pour pomper de l’eau (l’énergie solaire peut également être utilisée pour pomper de l’eau). Un des principaux inconvénients d’une pompe à eau éolienne mécanique est que pour pomper l’eau, elle doit être située au-dessus ou très près du réservoir d’eau. Cependant, dans le cas des turbines éoliennes qui fournissent de l’électricité pour pomper de l’eau, la turbine éolienne peut être placée loin du réservoir d’eau, afin de maximiser la puissance éolienne disponible à cet endroit.
Pour une pompe à eau élec- trique éolienne typique, le générateur de turbine éolienne utilisé pour alimenter le système pourrait être n’importe quel générateur de turbine éolienne conventionnel utilisé pour des applications autonomes hors réseau. Au lieu que sa puissance générée soit utilisée pour recharger des batteries ou alimenter la maison, la puissance électrique peut être utilisée directement pour alimenter une pompe à eau entraînée électriquement.
Les pompes à eau électriques qui se branchent à une prise ont tendance à utiliser du courant alternatif (AC) et sont de type centrifuge, entraînées par des machines à induction conventionnelles. De plus, les générateurs de turbines éoliennes utilisés dans les applications domestiques d’électricité éolienne sont généralement des générateurs à courant alternatif à hautes vitesses à aimants permanents fournissant une puissance de 120 ou 240 volts à la maison ou au réseau électrique.
Les systèmes de pompage d’eau électrique éolienne sont conçus pour utiliser un courant continu (DC) à basse tension de 12 ou 24 volts fourni par une turbine éolienne. Au lieu d’utiliser un moteur AC pour entraîner la pompe à eau, un moteur à courant continu avec une tension et une puissance compatibles avec le générateur de turbine à courant continu pourrait également être utilisé, permettant ainsi une connexion directe au moteur de la pompe. L’avantage ici est qu’en ne fournissant de l’électricité qu’à la charge, il n’est pas nécessaire d’utiliser des rotors à couple de démarrage élevé à faible ratio de vitesse de rotation dans ce type d’installation.
De plus, en utilisant un système de pompage d’eau électrique éolienne, des interrupteurs de pression et/ou de flotteur et éventuellement une forme de microcontrôleur peuvent être utilisés pour allumer ou éteindre la pompe à eau lorsque nécessaire, ainsi qu’à des fins de contrôle. Avec des contrôles appropriés, la turbine et la pompe fonctionneraient uniquement lorsque l’eau est nécessaire ou sur une plage de différentes vitesses de pompage.
Contrairement à un système de pompage d’eau mécanique qui nécessite la disponibilité du vent pour pomper de l’eau, un système de pompe à eau éolienne électrique pourrait utiliser des batteries pour stocker l’énergie du vent afin que l’eau puisse encore être fournie même pendant des périodes de faible vent. Un système de pompage électrique éolien contrôlé par ordinateur pourrait même être configuré pour faire fonctionner un système de filtration de l’eau pour nettoyer l’eau pour un usage domestique ou contrôler une ou plusieurs pompes à partir d’un seul générateur de turbine éolienne.
Les turbines éoliennes sont bien adaptées pour exploiter la puissance d’une source d’énergie renouvelable. Le pompage d’eau éolien présente l’avantage d’être une solution efficace et à faible coût pour assurer que votre eau soit pompée de manière écologique. Un inconvénient des pompes mécaniquement entraînées est qu’elles doivent être situées au-dessus de la ressource en eau alors que les pompes entraînées électriquement peuvent être situées à une certaine distance du générateur de turbine avec l’énergie fournie par un câble électrique.
L’avantage d’un système de pompage d’eau électrique éolien est qu’il peut être configuré pour pomper et stocker automatiquement de l’eau même pendant les périodes sans vent. De plus, étant un système électrique, à mesure que la demande en eau augmente, un système de pompage d’eau éolien ou hybride éolien/solaire peut également être utilisé.
Mais en plus des grandes turbines éoliennes verticales qui doivent faire face directement au vent de face, des conceptions de turbines éoliennes à axe vertical de profil bas peuvent également être utilisées pour capter le vent de n’importe quelle direction. Les VAWT (Vertical Axis Wind Turbines) sont des conceptions omnidirectionnelles, ce qui signifie qu’elles peuvent extraire l’énergie du vent quelle que soit sa direction sans nécessiter de mécanismes spéciaux de lacet et de queue pour s’orienter en permanence vers la direction du vent.
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