Les différents types d'éoliennes

Il existe deux types d'éoliennes de base :

• les éoliennes à axe horizontal
• les éoliennes à axe vertical

La taille des éoliennes est très variable. La longueur des pales est le facteur le plus important pour déterminer la quantité d'électricité qu'une éolienne peut produire. 

Les petites éoliennes qui peuvent alimenter une seule maison peuvent avoir une capacité de production d'électricité de 10 kilowatts (kW). 

Les plus grandes éoliennes en fonctionnement ont une capacité de production d'électricité allant jusqu'à 10 000 kW, et des éoliennes plus grandes sont en cours de développement.

Les éoliennes verticales possèdent différents variantes:

• L'éolienne verticale savonius

• L'éolienne verticale darrieus

• L'éolienne verticale darrieus h

• L'éolienne verticale gorlov

 Les grandes turbines sont souvent regroupées pour créer des centrales éoliennes, ou qui fournissent de l'électricité aux réseaux électriques.

Les éoliennes à axe horizontal

 Les éoliennes à axe horizontal, également raccourcies en HAWT, sont le style commun auquel la plupart d'entre nous pensent quand nous pensons à une éolienne. Les turbines à axe horizontal ont des pales comme les hélices d'avion, et elles ont généralement trois pales.

 Les plus grandes turbines à axe horizontal sont aussi hautes que des immeubles de 20 étages et ont des pales de plus de 30 mètres de long.

 Les turbines plus grandes avec des pales plus longues produisent plus d'électricité. Presque toutes les éoliennes actuellement utilisées sont des turbines à axe horizontal.

Les éoliennes à axe horizontal ont l'arbre du rotor principal et le générateur électrique au sommet d'une tour, et elles doivent être orientées vers le vent. Les petites turbines sont orientées par une simple girouette placée à l'équerre avec le rotor (les pales), tandis que les grandes turbines utilisent généralement un capteur de vent couplé à un servomoteur pour faire tourner la turbine dans le vent.

 La plupart des grandes éoliennes sont équipées d'un réducteur, qui transforme la rotation lente du rotor en une rotation plus rapide, plus adaptée à l'entraînement d'un générateur électrique.

Des machines à vent arrière ont été construites, malgré le problème des turbulences, car elles n'ont pas besoin d'un mécanisme supplémentaire pour les maintenir en ligne avec le vent.

 De plus, par grand vent, les pales peuvent être pliées, ce qui réduit leur surface balayée et donc leur résistance au vent. Comme les turbulences entraînent des défaillances dues à la fatigue, et que la fiabilité est si importante, la plupart des éoliennes horizontales sont des machines à remonter le vent.

Avantages des éoliennes horizontales

• La base de la haute tour permet d'accéder à des vents plus forts dans les sites où le vent est cisaillé. Dans certains sites de cisaillement du vent, tous les dix mètres, la vitesse du vent peut augmenter de 20 % et la puissance électrique produite de 34 %.
• Rendement élevé, puisque les pales se déplacent toujours perpendiculairement au vent, recevant de l'énergie pendant toute la rotation. En revanche, toutes les éoliennes à axe vertical, et la plupart des modèles d'éoliennes aéroportées proposés, impliquent divers types d'actions de va-et-vient, ce qui oblige les surfaces des pales à reculer contre le vent pendant une partie du cycle. Le recul par rapport au vent entraîne une efficacité intrinsèquement inférieure.

Inconvénients des éoliennes horizontales

• Il faut construire une tour massive pour supporter les lourdes pales, la boîte de vitesses et le générateur.
• Composants d'une eolienne horizontale (boîte de vitesse, arbre de rotor et ensemble de freinage)
• Leur hauteur les rend visibles de façon gênante sur de grandes surfaces, perturbant l'aspect du paysage et créant parfois une opposition locale.
• Les variantes sous le vent souffrent de fatigue et de défaillance structurelle causée par les turbulences lorsqu'une pale passe à travers l'ombre du vent de la tour (c'est pourquoi la majorité des éoliennes à axe horizontal utilisent une conception sous le vent, avec le rotor face au vent en face de la tour).
• Les éoliennes horizontales nécessitent un mécanisme de contrôle de lacet supplémentaire pour faire tourner les pales vers le vent.
• Les éoliennes horizontales nécessitent généralement un dispositif de freinage ou d'embardée par grand vent pour empêcher l'éolienne de tourner et de se détruire ou de s'endommager.
• Contraintes cycliques et vibrations - Lorsque l'éolienne tourne pour faire face au vent, les pales en rotation agissent comme un gyroscope. Lorsqu'elle pivote, la précession gyroscopique tente de faire tourner l'éolienne en un saut périlleux vers l'avant ou vers l'arrière. Pour chaque pale de l'éolienne, la force est au minimum lorsque la pale est horizontale et au maximum lorsque la pale est verticale. Cette torsion cyclique peut rapidement entraîner une fatigue et une fissuration des racines des pales, du moyeu et de l'axe des turbines.

Les éoliennes à axe vertical 

Les turbines à axe vertical ont des pales qui sont fixées au sommet et au bas d'un rotor vertical.

 L'éolienne verticale Darrieus, du nom de l'ingénieur français Georges Darrieus qui en a fait breveter la conception en 1931, ressemble à un batteur à œufs géant à deux pales. Certaines versions de l'éolienne à axe vertical font 30 mètres de haut et 15 mètres de large. Très peu d'éoliennes à axe vertical sont utilisées aujourd'hui car elles ne sont pas aussi performantes que les éoliennes à axe horizontal.

Cependant elles peuvent s’avérer efficace dans des milieux urbains où les vents sont moins rapides.

Les éoliennes à axe vertical, raccourcies en VAWT, ont l'arbre du rotor principal disposé verticalement. Le principal avantage de cette disposition est que l'éolienne n'a pas besoin d'être orientée dans le sens du vent. C'est un avantage sur les sites où la direction du vent est très variable ou a des vents turbulents.

Avec un axe vertical, le générateur et les autres composants primaires peuvent être placés près du sol, de sorte que la tour n'a pas besoin de le supporter, ce qui facilite également la maintenance. Le principal inconvénient d'un éolien vertical est qu'il crée généralement une traînée lorsqu'il tourne dans le vent.

Il est difficile de monter des turbines à axe vertical sur des tours, ce qui signifie qu'elles sont souvent installées plus près de la base sur laquelle elles reposent, comme le sol ou le toit d'un bâtiment. 

La vitesse du vent est plus lente à basse altitude, de sorte que moins d'énergie éolienne est disponible pour une turbine de taille donnée. L'écoulement de l'air près du sol et d'autres objets peut créer un écoulement turbulent, ce qui peut introduire des problèmes de vibration, notamment le bruit et l'usure des roulements qui peuvent augmenter la maintenance ou réduire la durée de vie.

 Cependant, lorsqu'une turbine est montée sur un toit, le bâtiment redirige généralement le vent sur le toit, ce qui double la vitesse du vent au niveau de la turbine. Si la hauteur de la tour de l'éolienne montée sur le toit est d'environ 50 % de la hauteur du bâtiment, cela est proche de l'optimum pour une énergie éolienne maximale et une turbulence minimale du vent.

Avantages traditionnels des éoliennes verticales

• Ils peuvent produire de l 'électricité dans n'importe quelle direction du vent.
• Une tour de soutien solide n'est pas nécessaire car le générateur, la boîte de vitesses et les autres composants sont placés au sol.
• Comme il n'est pas nécessaire d'orienter l'éolienne dans la direction du vent pour être efficace, il n'est pas nécessaire d'utiliser un mécanisme d'entraînement en lacet et de tangage.
• Installation facile par rapport aux autres éoliennes.
• Facile à transporter d'un endroit à l'autre.
• Faibles coûts de maintenance.
• Ils peuvent être installés dans les zones urbaines.
• Faible risque pour l'homme et les oiseaux car les lames se déplacent à des vitesses relativement faibles.
• Ils sont particulièrement adaptés aux zones où les conditions climatiques sont extrêmes, comme dans les montagnes où ils peuvent alimenter en électricité les refuges de montagne.

Inconvénients traditionnels des éoliennes verticales

• Comme une seule pale de l'éolienne fonctionne à la fois, l'efficacité est très faible par rapport à HAWTS.
• Ils ont besoin d'une poussée initiale pour démarrer ; cette poussée initiale qui fait que les lames commencent à tourner d'elles-mêmes doit être déclenchée par un petit moteur.
• Par rapport aux éoliennes à axe horizontal, elles sont très peu efficaces en raison de la traînée supplémentaire créée par la rotation de leurs pales.
• Ils ont des vibrations relativement élevées car l'écoulement de l'air près du sol crée un flux turbulent.
• En raison des vibrations, l'usure des roulements augmente, ce qui entraîne une hausse des coûts de maintenance.
• Ils peuvent créer des nuisances sonores.
• Les éoliennes verticales peuvent avoir besoin de haubans pour les maintenir en place (les haubans sont peu pratiques et lourds dans les zones agricoles).

Les centrales éoliennes, ou parcs éoliens, produisent de l'électricité

Les centrales éoliennes, ou parcs éoliens, sont des grappes d'éoliennes qui produisent de grandes quantités d'électricité. Un parc éolien comporte généralement de nombreuses turbines réparties sur une grande surface. L'un des plus grands parcs éoliens du monde, le Horse Hollow Wind Energy Center au Texas, compte environ 430 éoliennes réparties sur environ 47 000 acres. Le projet a une capacité de production d'électricité combinée d'environ 735 mégawatts (ou 735 000 kW).

Comme une tour produit des turbulences derrière elle, la turbine est généralement pointée vers le vent de la tour. Les pales des éoliennes sont rendues rigides pour éviter que les vents violents ne les poussent dans la tour. De plus, les pales sont placées à une distance considérable devant la tour et sont parfois légèrement inclinées vers le haut.

Qu'est-ce que l'énergie éolienne ?

L'énergie éolienne (ou énergie du vent) désigne le processus de création d'électricité à partir du vent, ou des flux d'air qui se produisent naturellement dans l'atmosphère terrestre. Les éoliennes modernes sont utilisées pour capter l'énergie cinétique du vent et produire de l'électricité.

Il existe trois principaux types d'énergie éolienne :

• L'énergie éolienne à l'échelle du service public : Éoliennes dont la taille varie de 100 kilowatts à plusieurs mégawatts, où l'électricité est livrée au réseau électrique et distribuée à l'utilisateur final par les services publics d'électricité ou les exploitants de réseaux électriques.
• Vent distribué ou "petit" vent : les éoliennes domestiques de moins de 100 kilowatts qui sont utilisées pour alimenter directement une maison, une ferme ou une petite entreprise et qui ne sont pas connectées au réseau.
• Le vent du large : Éoliennes qui sont érigées dans de grandes masses d'eau, généralement sur le plateau continental. Les éoliennes en mer sont plus grandes que les éoliennes terrestres et peuvent produire plus d'électricité.

Comment fonctionnent les éoliennes

Lorsque le vent souffle devant une éolienne, elle capte le vent et donc l'énergie cinétique du vent et tournent, la transformant en énergie mécanique. Cette rotation fait tourner un arbre interne relié à une boîte de vitesses, ce qui augmente la vitesse de rotation d'un facteur 100. Cela fait tourner un générateur qui produit de l'électricité.

D'une hauteur d'au moins 80 mètres, les tours en acier tubulaire supportent un moyeu à trois pales et une "nacelle" qui abrite l'arbre, la boîte de vitesses, le générateur et les commandes. Les mesures du vent sont collectées, ce qui permet à la turbine de tourner et de faire face au vent le plus fort, et l'angle ou "pas" de ses pales est optimisé pour capter l'énergie.

Une turbine moderne typique commence à produire de l'électricité lorsque la vitesse du vent atteint six à neuf milles à l'heure (mph), ce que l'on appelle la vitesse de démarrage. Les turbines s'arrêtent si le vent souffle trop fort (environ 55 miles à l'heure) pour éviter d'endommager l'équipement.

En un an, les turbines modernes peuvent produire des quantités d'électricité utilisables plus de 90 % du temps. Par exemple, si le vent d'une turbine atteint la vitesse de démarrage de 6 à 9 mph, la turbine commencera à produire de l'électricité. Plus la vitesse du vent augmente, plus la production d'électricité augmente.

Une autre mesure courante de la production d'énergie éolienne est appelée facteur de capacité. Celui-ci mesure la quantité d'électricité produite par une éolienne sur une période donnée (généralement un an) par rapport à son potentiel maximal.

Par exemple, supposons que la puissance maximale théorique d'une éolienne de deux mégawatts par an soit de 17 520 mégawattheures (deux fois 8 760 heures, soit le nombre d'heures par an). 

Cependant, il se peut que l'éolienne ne produise que 7 884 mégawatts-heures au cours de l'année parce que le vent n'a pas toujours soufflé assez fort pour produire la quantité maximale d'électricité que l'éolienne était capable de produire. Dans ce cas, l'éolienne a un facteur de capacité de 45 % (7 884 divisé par 17 520). 

N'oubliez pas que cela ne signifie pas que l'éolienne n'a produit de l'électricité que 45 % du temps. Les parcs éoliens modernes ont souvent un facteur de capacité supérieur à 40 %, ce qui est proche de certains types de centrales au charbon ou au gaz naturel.

Les moulins à vent contre les éoliennes

Les termes "moulin à vent" et "turbine éolienne" sont parfois utilisés de manière interchangeable, mais il existe des différences importantes.

 Les gens utilisent les moulins à vent depuis des siècles pour moudre le grain, pomper l'eau et faire d'autres travaux. Les moulins à vent produisent de l'énergie mécanique, mais ils ne produisent pas d'électricité. 

En revanche, les éoliennes modernes sont des machines très évoluées, composées de plus de 8 000 pièces qui exploitent l'énergie cinétique du vent et la convertissent en électricité.

Qu'est-ce qu'un parc éolien ?

Souvent, un grand nombre d'éoliennes sont construites à proximité les unes des autres, ce que l'on appelle un projet éolien ou un parc éolien. Un parc éolien fonctionne comme une seule centrale électrique et envoie l'électricité au réseau.

Comment l'énergie éolienne vous parvient

Les turbines d'un parc éolien sont connectées de manière à ce que l'électricité qu'elles produisent puisse être acheminée du parc éolien au réseau électrique. Une fois que l'énergie éolienne est sur le réseau électrique principal, les compagnies d'électricité ou les opérateurs d'électricité enverront l'électricité là où les gens en ont besoin.

Des lignes de transmission plus petites, appelées lignes de distribution, collectent l'électricité produite par le projet éolien et la transportent vers des lignes de transmission "réseau" plus grandes, où l'électricité peut parcourir de longues distances jusqu'aux endroits où elle est nécessaire. 

Enfin, les lignes de distribution plus petites livrent l'électricité directement à votre ville, votre domicile ou votre entreprise. Vous pouvez en savoir plus sur le transport