Éolienne cinétique : structure, principe de fonctionnement, applications

L'éolienne cinétique moderne permet d'utiliser la force des courants d'air en la transformant en électricité. À cette fin, il existe des modèles d'usine et des modèles faits maison, qui sont utilisés tant dans l'industrie que dans les exploitations privées.

Nous vous expliquerons comment sont conçues les éoliennes de ce type, nous vous présenterons les particularités de leur structure et les variantes de construction. L'article que nous vous proposons présente les points faibles et les points forts de l'installation éolienne. Les bricoleurs y trouveront des schémas utiles et des recommandations pour le montage.

Principe de fonctionnement de l'éolienne

Le fonctionnement de l'éolienne repose sur la transformation de l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique du rotor, qui est ensuite convertie en électricité.

Le principe de fonctionnement est assez simple : la rotation des pales, fixées sur l'axe de l'appareil, provoque des mouvements circulaires du générateur à rotor, ce qui produit de l'électricité.

L'énergie éolienne est l'une des branches les plus prometteuses des énergies renouvelables. Les conceptions modernes permettent d'utiliser de manière économiquement efficace la force des courants d'air pour produire de l'électricité.

Le courant alternatif instable obtenu « s'écoule » dans le contrôleur, où il est converti en tension continue capable de charger les batteries. De là, l'alimentation passe à l'onduleur, où elle est transformée en une tension alternative de 220/380 V, qui est ensuite fournie aux consommateurs.

La puissance de l'éolienne dépend directement de la puissance du flux d'air (N), calculée selon la formule N=pSV³/2, où V est la vitesse du vent, S la surface active, p la densité de l'air.

Conception d'une éolienne

Les différentes variantes d'éoliennes diffèrent considérablement les unes des autres.

Le schéma ci-dessus représente la structure interne d'une éolienne à axe horizontal classique. Ces modèles sont le plus souvent utilisés aussi bien dans l'industrie que dans le secteur domestique.

Les appareils industriels représentent une structure complexe de plusieurs mètres, dont l'installation nécessite une fondation, tandis qu'un modèle domestique peut se composer d'un minimum de composants (un moteur électrique à courant continu 3-12V, un condensateur électrolytique 1000 µF 6V, une diode redresseuse au silicium).

Une installation typique comprend les éléments suivants :

• un générateur de courant alternatif (la puissance dépend de la vitesse des flux de vent) ;
• des pales qui transmettent la rotation à l'arbre du générateur (elles sont souvent équipées en outre de réducteurs, de stabilisateurs de vitesse de rotation du rotor) ;
• un mât d'éolienne auquel sont fixées les pales (plus ces éléments sont hauts, plus ils peuvent capter d'énergie éolienne) ;
• des batteries accumulant l'énergie, ce qui permet de l'utiliser en cas de faible flux de vent ou d'absence totale de vent. La batterie assure également la fonction de stabilisation de l'énergie électrique provenant du générateur ;
• un contrôleur – convertisseur de la tension alternative provenant du générateur en tension continue, utilisée pour charger la batterie. Le contrôleur est géré par la rotation des pales, ce qui permet de tenir compte de la direction des flux d'air ;
• ATS – un dispositif de commutation automatique reliant l'éolienne à d'autres sources d'énergie (panneaux solaires, réseau électrique) ;
• un capteur de direction du vent – un appareil facilitant la recherche du flux de vent par les pales ;
• un onduleur pour convertir le courant continu des batteries en tension alternative, utilisée dans les communications électriques.

Pour mieux répondre aux besoins des utilisateurs, l'appareil peut être équipé de différents types d'onduleurs :

• des dispositifs à onde sinusoïdale modifiée (carrée). Les appareils de ce type conviennent pour les résistances chauffantes, les lampes à incandescence et autres appareils peu exigeants sur la qualité du réseau ;
• des onduleurs triphasés, conçus pour les réseaux électriques triphasés ;
• des installations à onde sinusoïdale pure, qui produisent de l'énergie pour des équipements plus sensibles ;
• des onduleurs réseau, capables de fonctionner sans batteries. Ces dispositifs sont conçus pour des schémas où l'énergie électrique est injectée directement dans le réseau général.

Lors du choix des modèles, il est impératif de prêter attention au type d'onduleur.

Types d'éoliennes

Lors de la classification des éoliennes, les caractéristiques suivantes peuvent être prises en compte :

• la fonction ;
• les caractéristiques de conception ;
• le nombre de pales ;
• les matériaux dont elles sont fabriquées ;
• l'axe de rotation ;
• le pas d'hélice.

Examinons en détail les deux classifications les plus couramment utilisées.

Classification des éoliennes par usage

On distingue les types d'éoliennes selon leur fonction. Les caractéristiques principales, comme la puissance, en dépendent.

Turbines éoliennes industrielles

Ces dispositifs sont installés par les grandes compagnies énergétiques ou par l'État pour alimenter en électricité les installations industrielles. Les turbines d'une puissance de plusieurs dizaines de mégawatts sont généralement placées dans des parcs éoliens (sur des hauteurs dégagées, des littoraux).

Les parcs éoliens, où sont installées des dizaines d'éoliennes, sont implantés non seulement sur terre, mais aussi dans les eaux peu profondes. L'électricité produite est généralement utilisée à des fins industrielles.

L'électricité produite est généralement injectée directement dans le réseau, et pour assurer la stabilité et la régulation de la vitesse de rotation des pales, les éoliennes sont équipées de mécanismes supplémentaires.

Générateurs éoliens commerciaux

Ces installations sont utilisées pour produire de l'électricité destinée à la vente ou pour alimenter des sites de production dans des régions dotées d'un réseau électrique de faible puissance (ou totalement absent). Ces parcs éoliens sont constitués d'un ensemble de générateurs électriques qui peuvent avoir des puissances différentes.

L'énergie des installations commerciales peut être injectée directement dans les communications électriques ou utilisée pour charger un grand nombre de batteries, où elle est stockée et convertie avant d'être fournie au réseau électrique.

Dispositifs éoliens domestiques

Les appareils de faible puissance sont utilisés pour un usage privé. Selon les règles, les éoliennes dont le mât mesure moins de 25 mètres de hauteur peuvent être installées par les propriétaires de terrains sans accord des autorités ; pour les mâts plus hauts, une autorisation spéciale est nécessaire.

Les éoliennes de faible et moyenne puissance peuvent constituer une source d'énergie électrique pour les cottages, les datchas, les maisons de campagne, les fermes.

Les éoliennes domestiques conviennent pour charger des batteries avec une tension de 12/24/48 V, dont l'énergie est transformée en 220 Volts. Ces dispositifs permettent de résoudre totalement ou partiellement le problème d'alimentation électrique de petites installations situées loin du réseau électrique centralisé.

L'article consacré à cette question intéressante vous familiarisera avec les repères de choix d'une éolienne pour l'alimentation énergétique d'une maison particulière.

Variétés de conceptions d'éoliennes

Selon les caractéristiques de construction, les appareils peuvent également être divisés en plusieurs catégories, bien que toutes les variétés se réduisent à deux types principaux : verticales et horizontales.

Éoliennes horizontales classiques

Ces installations (également appelées à hélice ou à pales) comportent généralement 3 à 5 pales montées sur un axe horizontal. En tournant à grande vitesse, ces éléments permettent d'obtenir une quantité maximale d'énergie (coefficient de puissance jusqu'à 0,4).

De plus, la quantité d'électricité produite dépend en grande partie de la hauteur de l'appareil (plus il est haut, plus le résultat est important).

Une éolienne horizontale utilise la portance générée par l'augmentation de pression au point où le flux d'air direct traverse les pales en se réfléchissant sur ces éléments.

Ces dispositifs sont généralement installés dans des parcs éoliens où l'énergie est produite pour un usage industriel et commercial, mais ils conviennent également à un usage domestique.

Une solution intéressante pour une éolienne horizontale est le modèle à une seule pale, dont les caractéristiques sont présentées dans la sélection de photos suivante :

Turbines éoliennes vertticales

L'élément actif de ces installtions est une roue éolienne rotative. En raison de leurs caractéristiques de construction, ces structures diffèrent par type (« Tonneau », « Savonius »).

Le principe de construction de la turbine du générateur verttical de Savonius est présenté dans la sélection de photos suivante :

Malgré leur faible coefficient CIEV (0,1-0,2), elles trouvent une application assez large : les installations verticales fonctionnent sur des flux d'air turbulents, ce qui permet de les placer même dans les régions où les vents forts sont rares.

Le fonctionnement des éoliennes verticales ne dépend pas de la direction des vents. Elles sont simples à installer et à utiliser, et de plus, ces dispositifs peuvent être placés près du sol.

Pour améliorer l'efficacité des éoliennes verticales, les fabricants augmentent souvent leurs paramètres dimensionnels, ce qui entraîne une augmentation significative du coût. Comme ces installations sont assez fragiles, elles nécessitent une protection accrue contre les ouragans et autres phénomènes naturels.

Éoliennes « Rotor Darrieus »

Ces dispositifs appartiennent à la catégorie des éoliennes verticales, mais présentent des différences marquées dans leur conception. Grâce à ces particularités, on obtient une réduction du bruit et le CIEV augmente, se rapprochant des performances des modèles horizontaux.

Proposée en 1931 par l'ingénieur aéronautique français Georges Darrieus, la turbine basse pression avec un axe de rotation perpendiculaire au flux d'air a trouvé une large application dans l'énergie éolienne.

L'inconvénient de ces conceptions est le faible couple de démarrage (en raison de la présence de seulement deux pales, il est difficile pour le dispositif de démarrer seul). Pour résoudre ce problème, on utilise souvent un hybride « Savonius + Darrieus ».

Éoliennes à voiles

Pour de telles installations, on peut appliquer le principe de conception des éoliennes aussi bien verticales qu'horizontales. La principale caractéristique structurelle est une roue éolienne recouverte de nombreuses pales ou voiles, tandis que le profil aérodynamique est absent sur ces modèles.

Il existe de nombreux modèles de générateurs éoliens à voile, qui diffèrent par le nombre de pales, le poids et la puissance. Tous ces paramètres doivent être pris en compte lors du choix de l'appareil.

Bien que les installations à voile se caractérisent par une faible vitesse et une efficacité réduite, elles sont souvent utilisées dans l'économie nationale. Ces constructions sont faciles à monter et à utiliser, et la combinaison d'un couple élevé avec un faible régime permet d'entraîner directement divers mécanismes utiles, comme une pompe pour l'extraction de l'eau.

La galerie suivante présente l'un des modèles d'éoliennes à voile réalisés en pratique :

Générateur pour éolienne

Pour le fonctionnement des éoliennes, des générateurs triphasés ordinaires sont nécessaires. La conception de ces dispositifs est similaire à celle des modèles utilisés dans les automobiles, mais avec des paramètres plus importants.

Dans les appareils pour éoliennes, un enroulement statorique triphasé (connexion en étoile) est prévu, d'où sortent trois fils qui vont au contrôleur, où la tension alternative est transformée en tension continue.

Le rotor du générateur pour turbine éolienne est fabriqué avec des aimants en néodyme : dans de telles constructions, il n'est pas judicieux d'utiliser l'excitation électrique, car la bobine consomme beaucoup d'énergie.

Pour augmenter la vitesse de rotation, on utilise souvent un multiplicateur. Cet accessoire permet d'augmenter la puissance du générateur existant ou d'utiliser un dispositif plus petit, ce qui réduit le coût de l'installation.

Les multiplicateurs sont plus souvent utilisés dans les éoliennes verticales, dont le processus de rotation de la roue est plus lent. Pour les dispositifs horizontaux à grande vitesse de rotation des pales, les multiplicateurs ne sont pas nécessaires, ce qui simplifie et réduit le coût de la conception.

Les spécificités de l'assemblage et de l'installation d'une éolienne à partir d'une machine à laver et d'une installation éolienne à partir d'un alternateur de voiture sont détaillées dans les articles que nous recommandons.

Avantages et inconvénients de l'éolienne

Examinons en détail les avantages et les inconvénients des éoliennes, car c'est d'eux que dépend la décision d'acheter une éolienne ou de renoncer à son achat.

Avantages des dispositifs éoliens

Parmi les avantages des dispositifs utilisant l'énergie éolienne, on compte :

• Écologique. Les installations utilisent une source d'énergie renouvelable qui peut être exploitée en permanence sans nuire à l'environnement. L'électricité produite par les éoliennes remplace l'énergie des centrales thermiques, réduisant ainsi les émissions de gaz à effet de serre.
• Polyvalence. Les centrales éoliennes peuvent être construites presque partout : dans les plaines, les montagnes, les champs, sur les îles et même en eaux peu profondes. L'énergie éolienne est particulièrement appréciée dans les zones reculées où il est difficile de déployer les réseaux électriques traditionnels. Dans ce cas, les éoliennes permettent d'assurer l'alimentation énergétique des installations, en leur garantissant une indépendance vis-à-vis des aléas (par exemple, d'un carburant non livré à temps).
• Efficacité d'utilisation. Les modèles modernes transforment l'énergie même des vents faibles – la limite minimale est de 3,5 m/s. De cette manière, on peut fournir un complément d'électricité au réseau centralisé, ainsi qu'organiser l'alimentation électrique de sites individuels (insulaires ou locaux) indépendamment de leur puissance.
• Une alternative valable aux sources traditionnelles. Les centrales éoliennes fixes peuvent entièrement alimenter en électricité une maison ou même une petite installation industrielle. Dans ce cas, la turbine accumulera dans des batteries la réserve d'énergie nécessaire, destinée à être utilisée pendant les périodes sans vent.
• Économie. Par rapport aux sources traditionnelles d'énergie électrique (gaz, tourbe, charbon, pétrole), les éoliennes permettent de réduire considérablement les coûts énergétiques. Dans de nombreux cas, la construction d'une centrale éolienne revient moins cher que le raccordement aux réseaux électriques existants.

L'utilisation d'éoliennes peut constituer une alternative à l'emploi de générateurs diesel coûteux, réduisant en outre les coûts de transport et de stockage du carburant jusqu'à 80 %.

La puissance moyenne d'une turbine éolienne diffère plusieurs fois de la valeur de la charge de pointe. L'éolienne ne détermine que la quantité d'énergie produite sur une période donnée avec la vitesse moyenne mensuelle du vent caractéristique de la région.

Pour une évaluation plus précise des ressources éoliennes, on peut utiliser des données spécialement établies (paramètres de Weibull). Ces indicateurs reflètent la distribution des vents de différentes forces caractéristique d'une région donnée. Il est important de prendre en compte ces informations lors de l'élaboration de projets de parcs éoliens, dont la puissance atteint des dizaines de MW.

La puissance produite par une turbine éolienne est proportionnelle au cube de la vitesse du vent. Par conséquent, cette valeur est très faible pour les courants de vent faibles, mais elle augmente fortement lorsqu'ils se renforcent. En raison de la variabilité de la direction et de la vitesse des vents, la conception d'une éolienne doit inclure des composants stabilisateurs.

Les règles et formules pour le calcul de la puissance d'une éolienne sont présentées ici, nous vous recommandons de prendre connaissance de ces informations très utiles.

Dans les petits systèmes autonomes, ce sont les batteries qui remplissent cette fonction ; leur charge commence à augmenter dès que la puissance de l'éolienne dépasse la charge.

Lorsque la charge augmente, la batterie peut se décharger. Il est important de prendre en compte cette particularité de fonctionnement lors du choix d'un appareil domestique ; sa puissance doit correspondre à la consommation électrique mensuelle ou annuelle.

Il convient de noter que la diversité des conceptions d'éoliennes favorise une utilisation efficace des flux de vent.

Les turbines horizontales offrent des performances élevées dans les plaines où les vents sont nombreux, tandis que les turbines verticales fonctionnent mieux dans les régions aux flux turbulents observés à faible hauteur du sol (au sommet des collines, des chaînes de montagnes).

Principaux inconvénients des éoliennes

En même temps, les éoliennes ont aussi leurs aspects négatifs :

• Il est difficile de prévoir à l'avance la force du vent, car elle change souvent. Pour cette raison, il est souhaitable de prévoir une sécurité en envisageant une source d'énergie de secours (panneaux solaires, raccordement au réseau électrique).
• Les dispositifs verticaux risquent la destruction des pales de l'hélice en raison des forces centrifuges lors de la rotation des pales autour de l'axe principal. En raison de cet effet, les éléments importants de la structure se déforment et se détériorent avec le temps, et le mécanisme tombe en panne.
• Il est préférable d'installer les éoliennes dans un espace dégagé, car les bâtiments voisins peuvent « amortir » le vent, créant une zone d'air « morte ».
• Pour stocker l'énergie excédentaire des éoliennes, il est nécessaire de prévoir dans la conception l'utilisation de batteries et d'autres dispositifs supplémentaires servant à convertir l'électricité produite en courant présentant les caractéristiques de consommation appropriées.
• Lors de leur fonctionnement, les éoliennes génèrent du bruit qui peut causer une gêne aux personnes et effrayer les animaux. Les pales des installations peuvent également entraîner la mort des oiseaux qui s'en approchent.
• Selon certains spécialistes, les éoliennes peuvent dégrader la réception des émissions de radio et de télévision.

On peut également considérer comme un aspect négatif le coût assez élevé de ces appareils, cependant le faible coût de la source d'énergie compense largement ce facteur.

Schémas et méthodes de raccordement

Bien qu'une éolienne puisse fonctionner de manière autonome, un résultat bien meilleur peut être obtenu grâce à des schémas combinés associant l'éolienne à des panneaux solaires, au réseau électrique centralisé, ou à des sources d'énergie diesel ou gaz.

Fonctionnement autonome. Dans ce cas, une installation unique est mise en place, qui capte et stocke l'énergie éolienne, laquelle est ensuite convertie en courant électrique nécessaire aux consommateurs.

Le schéma illustre la méthode la plus simple d'utilisation d'un générateur éolien, qu'il est conseillé d'employer dans les régions où des vents forts soufflent constamment.

Combinaison d'une éolienne avec des panneaux solaires. L'option combinée est considérée comme un moyen fiable et efficace d'alimentation électrique. En l'absence de vent, la batterie fonctionne à partir des panneaux solaires, et par temps nuageux et pendant la nuit, la charge se fait à partir de l'installation éolienne.

Une solution idéale pour une maison individuelle ou une exploitation agricole située loin du réseau électrique centralisé. Ce schéma combiné permet d'utiliser deux types d'énergie renouvelable.

Fonctionnement combiné d'un générateur éolien et du réseau électrique. Une turbine éolienne peut être associée aux réseaux électriques.

Un tel schéma est typique pour les dispositifs industriels et commerciaux. Certains modèles de générateurs éoliens domestiques prévoient également un raccordement aux réseaux électriques.

En cas d'excès d'électricité produite, celle-ci est injectée dans le réseau centralisé, et en cas de déficit, il est possible d'utiliser l'électricité provenant du système énergétique général.

Nuances d'utilisation des éoliennes

Actuellement, les turbines éoliennes sont utilisées dans divers secteurs de l'économie nationale. Des modèles industriels de différentes puissances sont employés par les compagnies pétrolières et gazières, les entreprises de télécommunications, les stations de forage et d'exploration géologique, les installations de production et les institutions publiques.

Une éolienne peut être utilisée comme source d'énergie supplémentaire dans les hôpitaux et autres établissements, afin d'assurer un approvisionnement continu en électricité en cas d'urgence.

Il convient de souligner particulièrement l'importance de l'utilisation d'installations éoliennes pour le rétablissement rapide de l'électricité perturbée lors de catastrophes et de calamités naturelles. À cette fin, les générateurs éoliens sont souvent utilisés par les unités du MChS.

Les turbines éoliennes domestiques sont parfaitement adaptées pour l'éclairage et le chauffage de villages de chalets et de maisons individuelles, ainsi que pour des usages agricoles dans les fermes.

Il convient toutefois de prendre en compte certains points :

• Les dispositifs jusqu'à 1 kW ne peuvent fournir une quantité suffisante d'électricité que dans les endroits venteux. Généralement, l'énergie qu'ils produisent suffit seulement pour l'éclairage à LED et l'alimentation de petits appareils électroniques.
• Pour alimenter entièrement en électricité une maison de campagne (pavillon de banlieue), une éolienne d'une puissance supérieure à 1 kW sera nécessaire. Cette puissance suffit pour l'éclairage, ainsi que pour un ordinateur et un téléviseur, mais elle ne suffit pas pour alimenter un réfrigérateur moderne fonctionnant 24 heures sur 24.
• Pour fournir de l'énergie à une villa, une éolienne de 3 à 5 kW est nécessaire, mais même une telle puissance ne suffit pas pour le chauffage des maisons. Pour utiliser une telle fonction, il faut un modèle puissant, à partir de 10 kW.

Lors du choix d'un modèle, il faut tenir compte du fait que la puissance indiquée sur l'appareil n'est atteinte qu'à la vitesse maximale du vent. Ainsi, une installation de 300 W ne produira la quantité d'énergie indiquée que lorsque la vitesse des courants d'air atteint 10 à 12 m/s.

À ceux qui souhaitent construire une éolienne de leurs propres mains, nous proposons l'article suivant, dans lequel des informations utiles sont détaillées.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

La vidéo ci-dessous fournit des informations détaillées sur le principe de fonctionnement et la structure d'un modèle domestique d'éolienne :

L'éolienne est une excellente source de production d'énergie électrique, particulièrement appréciée des habitants des régions éloignées. De nombreuses entreprises russes et étrangères proposent une large gamme de structures éoliennes ; en outre, les modèles domestiques peuvent être fabriqués de vos propres mains.

Veuillez écrire vos commentaires dans le bloc ci-dessous. Parlez-nous de la construction d'une éolienne sur votre terrain, ou du fonctionnement de l'éolienne de vos voisins. Posez des questions, partagez des informations utiles et des photos sur le sujet.