Éolienne cinétique : dispositif, principe de fonctionnement, application

Une éolienne cinétique moderne vous permet de profiter de la puissance des courants d'air et de la convertir en électricité.À cette fin, il existe des modèles d'appareils fabriqués en usine et de manière artisanale, utilisés à la fois dans l'industrie et dans les ménages privés.

Nous vous expliquerons comment sont conçues les éoliennes de ce type et vous présenterons les caractéristiques de l'appareil et les options de conception. L’article que nous vous proposons montre les forces et les faiblesses d’une centrale éolienne. Les bricoleurs trouveront ici des schémas utiles et des recommandations de montage.

Principe de fonctionnement de l'éolienne

Le fonctionnement d’une 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 à l'axe de l'appareil entraîne des mouvements circulaires du rotor-générateur, générant ainsi de l'électricité.

L’énergie éolienne est l’un des secteurs les plus prometteurs des énergies renouvelables. Les conceptions modernes permettent d’exploiter de manière rentable la puissance des courants d’air et de l’utiliser pour produire de l’électricité.

Le courant alternatif instable qui en résulte « s’écoule » vers le contrôleur, où il est converti en tension continue qui peut charger les batteries. De là, l'énergie est fournie à l'onduleur, où elle est transformée en une tension alternative avec un indicateur de 220/380 V, qui est fournie aux consommateurs.

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

Dispositif générateur de vent

Les différentes versions d’éoliennes diffèrent considérablement les unes des autres.

Le schéma ci-dessous montre la structure interne d’une éolienne horizontale classique. De tels modèles sont le plus souvent utilisés aussi bien dans l'industrie que dans la vie quotidienne.

Les appareils industriels sont une structure multimètre complexe dont l'installation nécessite une fondation, tandis qu'un modèle domestique peut être constitué d'un minimum de composants (moteur électrique DC 3-12V, condensateur électrique 1000 uF 6V, diode de redressement au silicium).

Une installation typique comprend les composants suivants :

• générateur de courant alternatif (la puissance dépend de la vitesse du vent);
• des pales qui transmettent la rotation à l'arbre du générateur (elles sont souvent équipées en outre de boîtes de vitesses et de stabilisateurs de vitesse de rotor) ;
• le mât de l'éolienne sur lequel sont fixées les pales (plus ces éléments sont hauts, plus ils peuvent recevoir d'énergie éolienne) ;
• des batteries qui stockent l’énergie, permettant de l’utiliser lorsqu’il y a peu ou pas de vent. La batterie remplit également la fonction de stabiliser l'énergie électrique fournie par le générateur ;
• contrôleur - convertisseur de tension alternative reçue du générateur en tension continue, qui est utilisée pour charger la batterie. Le contrôleur est contrôlé en tournant les pales, ce qui permet de prendre en compte où se déplacent les flux d'air ;
• AVR est un dispositif de commutation automatique qui connecte l'éolienne à d'autres sources d'énergie (panneaux solaires, réseau électrique) ;
• capteur de direction du vent - un dispositif qui permet aux pales de trouver plus facilement le flux du vent ;
• 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 :

• appareils avec une onde sinusoïdale modifiée par inverseur qui produit une onde sinusoïdale carrée. Les appareils de ce type conviennent aux éléments chauffants, aux lampes à incandescence et à d'autres appareils peu exigeants en matière de qualité du réseau ;
• onduleurs de tension triphasés conçus pour les réseaux électriques triphasés ;
• des unités à onde sinusoïdale pure qui produisent de l'énergie pour des équipements plus sensibles ;
• onduleurs de réseau pouvant fonctionner sans batteries. De tels dispositifs sont conçus pour les circuits impliquant de l'énergie électrique entrant directement dans le réseau général.

Lors du choix des modèles, veillez à faire attention au type d'onduleur.

Types d'éoliennes

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

• rendez-vous;
• caractéristiques de conception;
• nombre de lames ;
• les matériaux à partir desquels ils sont fabriqués ;
• axe de rotation;
• pas d'hélice.

Examinons de plus près les deux classifications les plus couramment utilisées.

Classification des éoliennes par objectif

Il existe des types d’éoliennes dont les objectifs diffèrent. Les principales caractéristiques des appareils, par exemple la puissance, en dépendent.

Éoliennes industrielles

De tels appareils sont installés par de grandes sociétés énergétiques ou par l'État pour fournir de l'électricité aux installations industrielles.Les éoliennes, d'une capacité de plusieurs dizaines de mégawatts, sont généralement situées dans des zones éoliennes (collines ouvertes, côtes).

Les parcs éoliens, où sont installées des dizaines d’éoliennes, sont situés non seulement sur terre, mais également en eaux peu profondes. L'électricité produite est généralement utilisée à des fins industrielles

En règle générale, l'électricité produite va directement dans le réseau, tandis que pour la stabilité et la régulation de la vitesse de rotation des pales, les éoliennes sont équipées de mécanismes supplémentaires.

Éoliennes commerciales

De telles installations sont utilisées pour produire de l'électricité destinée à la vente ou pour fournir de l'électricité à la production dans des régions disposant d'un réseau électrique de faible puissance (voire d'aucun réseau électrique du tout). Ces centrales éoliennes sont constituées d’un groupe de générateurs électriques pouvant avoir différentes capacités.

L’énergie des installations commerciales peut être injectée directement dans les services publics d’électricité ou utilisée pour charger un large éventail de batteries, où elle est stockée et convertie pour alimenter le réseau.

Appareils éoliens domestiques

Les unités de faible puissance sont utilisées pour un usage privé. Selon la réglementation, les éoliennes dont le mât mesure moins de 25 mètres de haut peuvent être installées par les propriétaires fonciers sans l'approbation des autorités ; pour les mâts plus hauts, une autorisation spéciale doit être obtenue.

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

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

Avec des lignes directrices pour choisir une éolienne pour fournir de l'énergie à une maison privée lire l'articleconsacré à cette question intéressante.

Types de conceptions d'éoliennes

En fonction de leurs caractéristiques de conception, les appareils peuvent également être divisés en un certain nombre de catégories, bien que toutes les variétés se résument à deux types principaux : verticale et horizontale.

Éoliennes horizontales classiques

De telles installations (elles sont également appelées hélice ou aile) comportent généralement 3 à 5 pales montées sur un axe horizontal. Tournant à grande vitesse, de tels éléments permettent d'obtenir le maximum d'énergie (KIEV jusqu'à 0,4).

De plus, la quantité d'électricité générée dépend en grande partie de la hauteur de l'appareil (plus elle est haute, plus le résultat est important).

Une éolienne horizontale utilise la portance, qui se produit lorsque la pression augmente au point où le flux d'air direct traverse les pales et est réfléchi par 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 un modèle à une pale ; la sélection de photos suivante vous familiarisera avec ses caractéristiques :

Éoliennes verticales

L'élément de fonctionnement de telles installations est une éolienne rotative. En raison de leurs caractéristiques de conception, ces structures diffèrent selon le type (« Barrel », « Savonius »).

La sélection de photos suivante vous fera découvrir le principe de la turbine génératrice verticale Savonius :

Malgré le faible indice KIEV (0,1-0,2), ils sont largement utilisés : les installations verticales fonctionnent sur des flux d'air turbulents, elles peuvent donc être placées même dans des zones où soufflent rarement des vents forts.

Le fonctionnement des éoliennes verticales ne dépend pas de la direction des vents. Ils sont faciles à installer et à utiliser, et ces appareils peuvent être installés à proximité du sol

Pour améliorer l'efficacité des éoliennes verticales, les constructeurs augmentent souvent leurs paramètres dimensionnels, ce qui entraîne une augmentation significative des coûts. Ces installations étant assez fragiles, elles nécessitent une protection accrue contre les ouragans et autres phénomènes naturels.

Éoliennes "Rotor Daria"

De tels dispositifs appartiennent à la catégorie des éoliennes verticales, mais présentent des différences de conception prononcées. Grâce à ces caractéristiques, la réduction du bruit est obtenue et le KIEV augmente également, ce qui se rapproche des performances des modèles horizontaux.

Une turbine basse pression avec un axe de rotation perpendiculaire à l'air, proposée en 1931 par le concepteur d'avions français Georges Darrieus, a trouvé de nombreuses applications dans l'énergie éolienne.

L'inconvénient de telles conceptions est le faible couple de démarrage (en raison de la présence de seulement deux pales, il est difficile pour l'appareil de démarrer tout seul). Pour résoudre le problème, l'hybride « Savonius + Darier » est souvent utilisé.

Installations éoliennes à voile

Pour de telles installations, le principe de construction d’éoliennes verticales et horizontales peut être utilisé. La principale caractéristique de conception est une éolienne recouverte de nombreuses pales ou voiles, alors que ces modèles n'ont pas de profil aérodynamique.

Il existe de nombreux modèles d’éoliennes 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 d'un appareil

Malgré le fait que les installations à voile se caractérisent par une faible vitesse et une faible efficacité, elles sont souvent utilisées dans l'économie nationale.De telles conceptions sont faciles à installer et à utiliser, et la combinaison d'un couple élevé et d'une faible vitesse vous permet d'entraîner directement divers mécanismes utiles, par exemple une pompe pour pomper l'eau.

La galerie suivante vous présentera un des modèles d'éoliennes à voile mis en œuvre en pratique :

Générateur pour éolienne

Les éoliennes nécessitent des générateurs triphasés conventionnels pour fonctionner. La conception de ces appareils est similaire à celle des modèles utilisés sur les voitures, mais présente des paramètres plus grands.

Les instruments d'éoliennes ont un enroulement statorique triphasé (connexion en étoile), d'où sortent trois fils et vont au contrôleur, où la tension alternative est convertie en tension continue.

Le rotor du générateur d'une éolienne est constitué d'aimants en néodyme : dans de telles conceptions, il est inapproprié d'utiliser une excitation électrique, car la bobine consomme beaucoup d'énergie.

Un multiplicateur est souvent utilisé pour augmenter le chiffre d’affaires.Cet appareil permet d'augmenter la puissance du générateur existant ou d'utiliser un appareil plus petit, ce qui réduit le coût d'installation.

Les multiplicateurs sont plus souvent utilisés dans les éoliennes verticales, dans lesquelles le processus de rotation de la roue éolienne est plus lent. Pour les appareils horizontaux avec des vitesses de rotation de lame élevées, les multiplicateurs ne sont pas nécessaires, ce qui simplifie et réduit le coût de conception.

Spécificités de l'assemblage et de l'installation de l'éolienne de la machine à laver et éoliennes d'un générateur de voiture est décrit en détail dans les articles que nous recommandons.

Avantages et inconvénients d'une éolienne

Examinons en détail les avantages et les inconvénients des éoliennes, puisque la décision d'acheter une éolienne ou de l'abandonner dépend d'eux.

Avantages des appareils éoliens

Les avantages des appareils utilisant l'énergie éolienne comprennent :

• Respect de l'environnement. Les installations utilisent une source d'énergie renouvelable qui peut être utilisée en continu sans causer de dommages 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, dans les montagnes, dans les champs, sur les îles et même dans les eaux peu profondes. L'énergie éolienne est particulièrement précieuse dans les endroits éloignés où il est difficile d'étendre les communications électriques conventionnelles. Les éoliennes permettent dans ce cas d'établir un approvisionnement énergétique pour les objets, assurant son indépendance vis-à-vis de facteurs aléatoires (par exemple, carburant non livré à temps).
• Efficacité d'utilisation. Les modèles modernes traitent l'énergie des vents même faibles - la limite minimale est de 3,5 m/s.De cette manière, il est possible de fournir de l'électricité supplémentaire au réseau centralisé, ainsi que d'organiser l'alimentation électrique des objets individuels (insulaires ou locaux) quelle que soit leur puissance.
• Une alternative intéressante aux sources traditionnelles. Les centrales éoliennes stationnaires peuvent fournir entièrement de l'électricité à un immeuble résidentiel ou même à une petite installation industrielle. Dans ce cas, la turbine accumulera l'approvisionnement en électricité nécessaire dans des batteries, destinées à être utilisées pendant les périodes calmes.
• Économique. Par rapport aux sources d'énergie électrique traditionnelles (gaz, tourbe, charbon, pétrole), les turbines de vélo peuvent réduire considérablement les coûts énergétiques. Dans de nombreux cas, la construction d’un parc éolien coûte moins cher que le raccordement aux systèmes électriques existants.

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

La puissance moyenne d'une éolienne diffère plusieurs fois de la charge de pointe. Une éolienne n'est responsable que de la quantité d'énergie produite sur une certaine période de temps à la vitesse mensuelle moyenne du vent caractéristique d'une zone donnée.

Pour une évaluation plus précise des ressources éoliennes, vous pouvez utiliser des données spécialement dérivées (paramètres Weibull). Ces indicateurs reflètent la répartition des vents de différentes forces caractéristiques d'une zone particulière. Il est important de prendre en compte ces informations lors du développement de projets de parcs éoliens d’une capacité de plusieurs dizaines de MW.

La puissance générée par une éolienne est proportionnelle au triple de la vitesse du vent.Par conséquent, cet indicateur est très faible lorsque les flux de vent sont faibles, mais lorsqu'ils s'intensifient, il augmente fortement. En raison de la variabilité de la direction et de la vitesse du vent, des éléments de stabilisation doivent être inclus dans la conception d’une éolienne.

Règles et formules pour calculer la puissance des éoliennes sont donnés ici, nous vous recommandons de vous familiariser avec les informations très utiles.

Dans les petits systèmes autonomes, leur fonction est assurée par des batteries dont la charge commence à augmenter dès que la puissance de l'éolienne dépasse la charge.

À mesure que la charge augmente, la batterie peut se décharger. Il est important de prendre en compte cette caractéristique lors du choix d'un appareil domestique ; sa puissance doit correspondre au taux de consommation électrique mensuel ou annuel.

Il convient de noter que l'utilisation efficace des flux éoliens est facilitée par une variété de conceptions d'éoliennes.

Les éoliennes horizontales fonctionnent bien dans les zones plates où il y a beaucoup de vent, tandis que les éoliennes verticales fonctionnent mieux dans les régions à écoulements turbulents au ras du sol (hautes collines, chaînes de montagnes).

Les principaux inconvénients des éoliennes

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

• L’ampleur de la force du vent est difficile à prévoir à l’avance, car elle change fréquemment. De ce fait, il convient d'envisager un filet de sécurité en prévoyant une source d'énergie de secours (panneaux solaires, raccordement au réseau électrique).
• Les appareils verticaux risquent de détruire les pales de l'hélice en raison des effets des forces centrifuges lorsque les pales tournent autour de l'axe principal. En raison de cet effet, des éléments structurels importants se déforment et se détruisent au fil du temps, et le mécanisme tombe en panne.
• Il est préférable d'installer les éoliennes dans l'espace libre, car les bâtiments voisins peuvent « amortir » le vent, formant une zone d'air « mort ».
• Pour économiser l'énergie excédentaire des éoliennes, il est nécessaire d'inclure dans la conception l'utilisation de batteries et d'autres dispositifs supplémentaires qui servent à convertir l'électricité produite en courant présentant des caractéristiques de consommation appropriées.
• Lorsqu’elles fonctionnent, les éoliennes produisent du bruit qui peut gêner les personnes et effrayer les animaux. Les pales des installations peuvent également provoquer la mort des oiseaux volant vers elles.
• Selon certains experts, les éoliennes peuvent dégrader la réception des émissions de radio et de télévision.

Les aspects négatifs peuvent également inclure le coût plutôt élevé de ces unités, cependant, le faible coût de la source d'énergie compense largement ce facteur.

Schémas et méthodes de connexion

Bien qu'une éolienne puisse fonctionner de manière autonome, de bien meilleurs résultats peuvent être obtenus en utilisant des systèmes combinés combinant une éolienne avec des panneaux solaires, un réseau électrique centralisé, des sources d'énergie diesel ou gazières.

Fonctionnement autonome. Dans ce cas, une seule installation est installée, à l'aide de laquelle l'énergie éolienne est captée et accumulée, qui est ensuite convertie en courant électrique nécessaire aux consommateurs.

Le diagramme montre la manière la plus simple d'utiliser une éolienne, qu'il est conseillé d'utiliser dans les régions où soufflent constamment des vents forts.

Combiner une éolienne avec des panneaux solaires. L'option combinée est considérée comme une méthode d'alimentation électrique fiable et efficace. S'il n'y a pas de vent, la batterie fonctionne panneaux solaires, et par temps nuageux et pendant la nuit, la recharge s'effectue à partir d'une éolienne.

Une option idéale pour une maison privée ou une ferme située loin d’un réseau électrique centralisé. Ce schéma combiné permet d'utiliser deux types d'énergies renouvelables

Fonctionnement combiné d'une éolienne et d'un réseau électrique. Une éolienne peut être combinée avec des communications électriques.

Cette disposition est typique des appareils industriels et commerciaux. La connexion aux communications électriques est également fournie pour certains modèles d'éoliennes domestiques

S'il y a un excédent d'électricité produite, elle est acheminée vers le réseau centralisé, et en cas de pénurie, il est possible d'utiliser le courant électrique du système énergétique général.

Nuances d'utilisation des éoliennes

Actuellement, les éoliennes sont utilisées dans divers secteurs de l'économie nationale. Des modèles industriels de différentes capacités sont utilisés par les sociétés pétrolières et gazières, les sociétés de télécommunications, les stations de forage et d'exploration géologique, les installations de production et les agences gouvernementales.

L'éolienne peut être utilisée comme source d'énergie supplémentaire dans les hôpitaux et autres institutions pour assurer une alimentation électrique continue dans les situations d'urgence.

Il convient de noter en particulier l'importance de l'utilisation d'éoliennes pour restaurer rapidement l'électricité endommagée lors de cataclysmes et de catastrophes naturelles. À cette fin, les éoliennes sont souvent utilisées par les unités du ministère des Situations d'urgence.

Les éoliennes domestiques sont parfaites pour organiser l'éclairage et le chauffage dans les communautés de chalets et les maisons privées, ainsi qu'à des fins économiques dans les fermes.

Il y a quelques points à considérer :

• Les appareils jusqu'à 1 kW ne peuvent fournir une quantité d'électricité suffisante que dans les endroits venteux.En règle générale, l’énergie qu’ils génèrent est suffisante pour alimenter l’éclairage LED et les petits appareils électroniques.
• Pour alimenter entièrement en électricité une datcha (maison de campagne), vous aurez besoin d'une éolienne d'une puissance supérieure à 1 kW. Cet indicateur est suffisant pour alimenter les luminaires, ainsi qu'un ordinateur et un téléviseur, mais sa puissance n'est pas suffisante pour alimenter en électricité un réfrigérateur moderne fonctionnant 24 heures sur 24.
• Pour fournir de l'énergie à un chalet, vous aurez besoin d'une éolienne d'une capacité de 3 à 5 kW, mais même ce chiffre ne suffira pas pour chauffer les maisons. Pour utiliser cette fonction, vous avez besoin d'une option puissante, à partir de 10 kW.

Lors du choix d'un modèle, vous devez tenir compte du fait que l'indicateur de puissance indiqué sur l'appareil n'est atteint qu'à la vitesse maximale du vent. Ainsi, une installation de 300 V produira la quantité d'énergie spécifiée uniquement à une vitesse de flux d'air de 10 à 12 m/s.

Pour ceux qui souhaitent construire une éolienne de leurs propres mains, nous proposons prochain article, qui fournit des informations utiles en détail.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

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

Une éolienne est une excellente source de production d’énergie électrique, qui sera particulièrement appréciée par les résidents des régions éloignées. Diverses entreprises russes et étrangères proposent une large gamme de structures éoliennes et des modèles domestiques peuvent également être fabriqués de vos propres mains.

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