Centrales éoliennes : types, conceptions, avantages

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-17 10:27

L'énergie éolienne est loin d'être une nouvelle branche de l'approvisionnement énergétique, cependant, dans les conditions actuelles, elle devient de plus en plus des caractéristiques prononcées d'une direction prometteuse pour un développement ultérieur. Il est encore difficile de parler de concepts universels pour la mise en œuvre technique des éoliennes, mais les progrès dans l'utilisation de solutions d'ingénierie individuelles suggèrent qu'un seul modèle structurel unifié apparaîtra dans un avenir proche. Dans le même temps, plusieurs types d'éoliennes sont utilisées dans le monde, chacune ayant ses propres atouts.

Principe général de fonctionnement des éoliennes

Comme la plupart des sources d'énergie alternatives modernes, l'éolienne fonctionne grâce à la force agissant à la suite d'un processus naturel. On parle de flux de vent résultant d'un chauffage irrégulierla surface de la terre par le soleil. Presque toutes les éoliennes fonctionnent selon le principe suivant: les flux d'air font tourner la roue sur un arbre spécial avec des pales, transmettant ainsi le couple au générateur ou à la batterie. Dans des conditions de stabilité et de force de mouvement de l'air suffisantes, les éoliennes pour la production d'électricité sont capables de fournir une efficacité de 45 à 50 %. C'est précisément la variabilité du vent et sa force qui déterminent la grande variété de conceptions d'éoliennes, qui sont également calculées en fonction des conditions climatiques spécifiques d'utilisation.

Quels sont les principaux avantages des éoliennes ?

Évaluer l'efficacité des éoliennes peut être à la fois par rapport aux sources d'énergie traditionnelles et dans le contexte des générateurs fonctionnant avec des ressources renouvelables gratuites. Les avantages les plus prononcés de ces systèmes, qui laissent espérer leur développement réussi à l'avenir, sont les facteurs suivants:

• L'énergie éolienne elle-même est non seulement renouvelable, mais également disponible pour l'accumulation et le traitement.
• Avantage économique. Des évaluations sans ambiguïté concernant des indicateurs économiques spécifiques ne peuvent pas encore être dues à la variété de systèmes fonctionnant avec des performances différentes. Mais nous pouvons parler des résultats exceptionnels démontrés par des projets individuels. Par exemple, combien coûte un kilowatt d'électricité provenant d'une grande éolienne offshore ? Nous pouvons parler de la gamme de 2 à 12 roubles. pour 1 kWh.
• Éco-responsable. Le fonctionnement des éoliennes ne prévoit pas de nuisancesémissions de polluants atmosphériques.
• Compacte. L'installation d'une éolienne, même au format industriel, n'est pas comparable aux centrales électriques traditionnelles. Cela est dû en grande partie à l'autonomie et à l'indépendance de ces systèmes vis-à-vis des communications et des ressources auxiliaires.

Générateurs d'axes horizontaux

Le schéma de conception de ces éoliennes prévoit la présence d'un générateur électrique, d'une boîte de vitesses, de pales et d'une tour avec un cadre. La configuration des pales est mise en œuvre de manière à ce que l'air s'écoule dans l'entonnoir, ce qui crée un moment de torsion. Une condition importante pour le fonctionnement de telles éoliennes pour la production d'électricité est la capacité à s'adapter aux caractéristiques du mouvement des flux (direction et force). Pour cela, les structures sont munies de mécanismes de rotation et d'inclinaison des pales par rapport à la surface terrestre. Dans les modèles les plus avancés, des contrôleurs à contrôle automatique sont également utilisés. En ce qui concerne la mise en œuvre de la roue éolienne, la configuration à trois pales est plus souvent utilisée dans les schémas horizontaux. Par ailleurs, afin d'augmenter les performances des générateurs, les ingénieurs ont tendance à augmenter la taille de la partie fonctionnelle réceptrice, ce qui explique par exemple la tendance actuelle au passage des plastiques et métaux légers aux éléments composites coûteux dans la fabrication des structures.

Générateurs à axe vertical

De tels générateurs ont un avantage significatif sur les structures horizontales,qui consiste en l'absence de besoin de moyens supplémentaires de surveillance et de contrôle de l'installation. C'est-à-dire qu'en cours de fonctionnement, une éolienne à axe vertical ne s'adapte en aucune façon au mouvement des flux. Cette caractéristique d'interaction avec les masses d'air réduit simultanément la tension dans les pales de l'éolienne et réduit les charges gyroscopiques. Le générateur à engrenages, qui constitue le moteur de l'installation, peut être situé à la base de la tour de la structure sans risque de dommage ou de panne. Mais pourquoi, avec les avantages décrits, les installations verticales n'ont pas remplacé les éoliennes complètement horizontales ? Malheureusement, ces modèles présentent également des inconvénients importants. L'éolienne n'étant pas guidée par les flux de vent et fonctionnant toujours dans une plage étroite de plages de captage d'énergie, les performances du générateur sont logiquement réduites. Par conséquent, pour maintenir une puissance suffisante des éoliennes verticales, leur utilisation massive couvrant de grandes surfaces est nécessaire, ce qui n'est pas toujours possible.

Conceptions basées sur le rotor Darrieus

Les éoliennes à turbine verticale sont basées sur la conception du rotor Savonius ou Darrieus. Mais ce groupe a aussi ses propres variations et modifications modernes. Le développement récent le plus prometteur est la turbine hélicoïdale Gorlov, créée en 2001. C'est une sorte de continuation du concept de rotor Darrieus, mais sous une forme plus optimisée. Les pales verticales en spirale permettent de générer de l'énergie à partir des flux d'eau et d'air avec une activité minimale. Aujourd'hui, ces générateurssont utilisés à la fois dans des parcs éoliens spécialisés et dans le cadre de centrales hydroélectriques.

Éoliennes avec amplificateurs de flux

Également, en quelque sorte, une continuation des conceptions classiques des éoliennes, mais ajustées aux conditions de fonctionnement actuelles de la haute technologie. Les modifications avec amplificateurs de débit se distinguent par la présence d'une ou plusieurs gouttières, conçues pour concentrer les flux d'air. Des éléments aérodynamiques en forme de cône sous la forme de ces mêmes gouttières collectent les flux sur une grande surface, les orientant vers un point de direction et augmentant ainsi la vitesse du système de pales. La difficulté d'utiliser des éoliennes avec des amplificateurs de flux est qu'elles nécessitent l'utilisation d'un groupe élémentaire supplémentaire. De plus, il est possible d'obtenir une augmentation significative de la productivité dans de tels systèmes uniquement en connectant des sources d'énergie auxiliaires, ce qui n'est pas toujours justifié économiquement.

Éoliennes sans engrenage

Conformément à l'idée d'optimisation structurelle, une variante d'une centrale éolienne sans boîte de vitesses est également apparue. Au lieu de cela, un canal annulaire est utilisé, muni d'une tige métallique interne. Cet anneau est installé autour de la jante du rotor. Un groupe d'aimants est également situé ici, qui interagit avec une tige métallique, contribuant ainsi à la génération de courant. Les performances des éoliennes sans réducteur avec un diamètre de rotor d'environ 200 cm peuvent atteindre 1500 kWhdans l'année. Le principal avantage de cette conception est la réduction des pertes d'énergie se produisant naturellement dans le fonctionnement des générateurs équipés de boîtes de vitesses. Mais vous devez payer cet avantage avec des limites de vitesse. Pour que l'unité entre dans un flux de travail optimal, une vitesse d'écoulement d'au moins 2 m/s est requise.

Caractéristiques des éoliennes industrielles

Les éoliennes industrielles présentent deux différences fondamentales: une grande taille et une puissance de sortie élevée. Les avantages et les inconvénients des stations de ce type proviennent de ces caractéristiques. En ce qui concerne la structure, il suffit de dire que la hauteur des éoliennes industrielles modernes peut atteindre 150 à 200 m et que l'envergure des pales peut dépasser 100 m. La puissance élevée nécessite également la complexité de l'infrastructure fonctionnelle. Ainsi, pour contrôler le processus de conversion d'énergie, des contrôleurs d'éoliennes sont utilisés, qui garantissent que la charge actuelle de la batterie est prise en compte. De plus, le rembourrage électrique de ces installations comprend des onduleurs et des systèmes de protection contre les courts-circuits.

Caractéristiques des éoliennes domestiques

Les moulins à vent les plus simples peuvent non seulement être utilisés à la maison, mais aussi assemblés à la main. En règle générale, il s'agit d'installations de petite taille d'une hauteur maximale de 10 m, capables de fonctionner à une puissance de 0,5 à 5 kW. En tant que source d'énergie passive pour les appareils électroménagersou des groupes individuels d'appareils électriques, cette option se justifie. Cependant, les éoliennes compactes sont aujourd'hui utilisées en grand nombre par les grandes entreprises pour alimenter les installations de production. Sur la base de mini-parcs d'éoliennes, des systèmes suffisamment productifs et fiables sont formés pour rivaliser avec des générateurs uniques de grande puissance.

Caractéristiques des éoliennes offshore

La popularité de ce type d'éoliennes est due à plusieurs avantages par rapport aux stations situées sur terre. Il s'agit principalement de conditions de travail plus stables, puisque les flux de vent ne sont pas obstrués loin du littoral. Dans le même temps, les structures des éoliennes offshore sont divisées en deux groupes - support et flottant. Les premiers sont installés en eau peu profonde avec un soutènement classique dans le sol sous l'eau. Les stations flottantes, respectivement, ont leur propre plate-forme flottante avec fixation au moyen d'ancres et d'autres dispositifs marins.

Combinaison de structures d'éoliennes avec des cadres de bâtiments

Il existe également un ensemble très prometteur d'éoliennes qui sont littéralement intégrées dans les coques des immeubles de grande hauteur. Cette solution présente deux avantages - des conditions favorables à la "réception" des flux et une réduction du trajet d'acheminement de l'électricité, puisque la source finale d'approvisionnement est généralement les consommateurs à l'intérieur du bâtiment. Actuellement, l'intégration d'éoliennes de ce type se fait plus souvent à l'aide decylindres aérodynamiques spéciaux qui sont montés sur les toits des gratte-ciel. Le concept de mini-hélices est également en cours de développement, qui peuvent être placés dans n'importe quelle partie d'un chantier de construction en hauteur. Les appareils sont littéralement intégrés dans les murs, après quoi ils sont connectés au système d'alimentation électrique général, dégageant une quantité d'énergie faible mais stable.

Conclusion

Ces dernières années, l'intérêt pour les éoliennes a considérablement augmenté en Russie. De grandes centrales d'une capacité allant jusqu'à 30 à 50 MW sont mises en service périodiquement dans différentes régions. Pour notre pays, les éoliennes sont particulièrement utiles car elles nous permettent de fournir de l'énergie à des régions éloignées où, pour le moment, il n'y a pas de possibilité d'organiser d'autres moyens d'approvisionnement énergétique. Le segment des petites centrales éoliennes se développe également activement. En Russie, les systèmes d'alimentation individuels d'une capacité de 1 à 5 kW sont devenus très populaires. Dans le même temps, les développeurs ne refusent pas de combiner les principes de fonctionnement des éoliennes avec des moteurs à combustion interne. Les succès dans cette direction sont démontrés, en particulier, par les conceptions éolien-diesel. Il est encore difficile de dire quelle sera la demande d'énergie éolienne en Russie dans les décennies à venir, car les positions des sources d'énergie traditionnelles sont encore fortes. Mais les tendances de la transition vers les énergies alternatives dans le monde sont susceptibles d'inciter l'industrie russe à explorer activement ces domaines.