Une turbine est une machine qui convertit l'énergie cinétique d'un fluide en rotation en travail utile ou en énergie via un système de rotor. Un engrenage mécanique ou une induction électromagnétique permettent aux turbines de produire de l'électricité de cette manière. Il existe différents types de turbines, mais les plus courantes sont les éoliennes à axe horizontal et les éoliennes à axe vertical. Dans cet article, vous découvrirez les éoliennes à axe horizontal, leurs fonctions et les différents types d'éoliennes à axe horizontal.
Qu'est-ce qu'une éolienne à axe horizontal ?
L'éolienne à axe horizontal (HAWT) est le type d'éolienne le plus répandu aujourd'hui. Elle est équipée d'un rotor muni de pales aérodynamiques (profils aérodynamiques) pouvant être orientées face au vent ou à l'opposé. Les éoliennes de haute altitude possèdent généralement deux ou trois pales tournant à très grande vitesse. Les pales coniques des rotors sous le vent permettent à l'éolienne de s'orienter automatiquement face au vent, tandis que les rotors au vent nécessitent un système de déviation pour s'orienter correctement. Cependant, on observe que les rotors sous le vent ont tendance à dévier lorsqu'ils s'alignent avec le vent à faible vitesse, ce qui réduit leur production d'énergie dans ces conditions.
Les éoliennes horizontales à axe horizontal (HAWT) sont dotées d'arbres montés horizontalement et perpendiculaires au sol. Comme les éoliennes verticales à axe vertical (VAWT), elles peuvent avoir deux ou trois pales. À ce jour, la version tripale s'est avérée la plus efficace. Cependant, les modèles à rotor bipale et à rotor orienté face au vent ont tous deux rencontré un certain succès. La turbine de la nacelle peut être orientée face au vent (à l'avant) ou face au vent (à l'arrière). Les éoliennes orientées face au vent ne nécessitent aucun système d'orientation mécanique, car elles sont toujours orientées dans la direction du vent. Le balancement constant dû aux rafales de vent constitue le principal inconvénient, car il augmente la fatigue. Découvrons maintenant les différents types d'éoliennes à axe horizontal.
Quels sont les types d’éoliennes à axe horizontal ?
Les éoliennes à axe horizontal sont très performantes et jouissent d'une grande popularité sur le marché. Comme les autres éoliennes, il existe également des modèles à axe horizontal. Voici les types :
1. Turbine au vent
Le rotor d'une éolienne à axe horizontal est installé au sommet de la tour . Son rôle principal est d'empêcher le vent de projeter une ombre sur la face arrière de la tour. Du fait de sa rigidité et de son positionnement en retrait de la tour, cette configuration est actuellement utilisée dans la plupart des éoliennes à axe horizontal.
2. Turbine sous le vent
Le rotor d'une éolienne à axe horizontal est positionné à la base de la structure . Cette éolienne dirige le vent d'abord vers la tour, puis vers les pales du rotor. Le passage du rotor à travers la zone d'ombre de la tour engendre des variations de puissance éolienne. Ces fluctuations sont dues à la position du rotor derrière la nacelle de la tour. Ces informations devraient vous avoir permis de mieux comprendre les différents types d'éoliennes à axe horizontal.
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Quel est le principe de fonctionnement d'une éolienne à axe horizontal ?
Après avoir compris les différents types d'éoliennes à axe horizontal, voyons maintenant leur principe de fonctionnement. La puissance du vent est convertie en couple par le rotor , lequel est ensuite transmis à un arbre à faible vitesse. La nacelle protège le multiplicateur, l'arbre à grande vitesse et le générateur qui reçoit la puissance de l'arbre à faible vitesse. Les pales sont fixées au rotor et à l'arbre. Ce dernier est dit à faible vitesse car l'ensemble rotatif est entraîné par le vent à une vitesse réduite d'environ 10 à 20 tours par minute.
Pour obtenir la fréquence de sortie souhaitée de 60 Hz, l'arbre à basse vitesse est relié au réducteur, qui comporte un système d'engrenages augmentant sa vitesse de rotation à environ 1 800 tr/min (ou 1 500 tr/min pour une fréquence de 50 Hz). C'est pourquoi l'arbre sortant du réducteur est souvent appelé arbre à grande vitesse. Enfin, cet arbre est couplé à la génératrice , qui transforme le mouvement de rotation en courant alternatif. Si cette vitesse est utilisée pour entraîner directement la génératrice, la fréquence du courant alternatif est directement proportionnelle à la vitesse de rotation de la génératrice.
Les éoliennes à entraînement direct, par exemple, utilisent généralement un générateur CC plutôt qu'un générateur CA et sont dépourvues de réducteur. On ignore si un convertisseur CA-CC est intégré (ce dernier pouvant être situé à la base de la tour). Les éoliennes industrielles utilisent un automate programmable industriel (API) ou un ordinateur comme contrôleur. Les relevés de l'anémomètre sont utilisés par le contrôleur, qui décide ensuite de l'orientation de l'éolienne, de la quantité d'énergie à capter et de l'autorisation d'accélération en cas de vent fort. C'est le principe de fonctionnement d'une éolienne à axe horizontal. Découvrons ensuite les composants d'une éolienne à axe horizontal.
Que sont les composants d’une éolienne à axe horizontal ?
Les composants d'une éolienne à axe horizontal comprennent une base, une tour, une nacelle, un générateur, des pales de rotor, un moyeu, un arbre, des boîtes de vitesses et des anémomètres.
1. Base : La tour et les autres composants d'une éolienne pèsent un nombre important de tonnes ; ils doivent donc être solidement fixés à une base extrêmement solide.
2. Tour : Structure de grande hauteur maintenant en place le moyeu du rotor et la nacelle. Elle peut être fabriquée en treillis d'acier, en béton ou en tubes d'acier. La hauteur de la tour est un aspect essentiel de la conception des éoliennes à axe horizontal. Plus la tour est haute, plus les turbines captent d'énergie éolienne et produisent d'électricité, car la vitesse du vent augmente avec l'altitude. En général, l'augmentation de la hauteur d'une éolienne se traduit par une production d'énergie accrue et une réduction des turbulences du vent.
3. Pales du rotor : Les pales des éoliennes captent l’énergie cinétique du vent et la convertissent en énergie mécanique. Elles sont fabriquées en bois-époxy ou en polyester renforcé de fibres de verre. Selon leur conception, les éoliennes peuvent comporter une seule pale, deux pales, trois pales ou plus. Les éoliennes à axe horizontal (HAWT) à trois pales sont les plus courantes. Celles-ci sont fixées au moyeu du rotor. Autrefois, on utilisait le principe des pales multiples pour pomper l’eau, moudre les aliments et effectuer d’autres tâches.
4. Nacelle : La nacelle abrite les principaux composants de l’éolienne. Le multiplicateur, les arbres à grande et petite vitesse, le générateur, le contrôleur et les freins sont tous installés au sommet de la tour. La nacelle est équipée d’un anémomètre pour mesurer la vitesse du vent et d’une girouette pour en déterminer la direction.
5. Moyeu : La fixation d’une pale de rotor à l’arbre d’une éolienne nécessite un moyeu. Ce dernier est constitué du moyeu, des boulons, des roulements de pale, du système de pas et des pièces internes. L’acier, le fer et l’acier forgé sont utilisés pour la fabrication des moyeux de rotor, et le soudage est indispensable. Voici quelques exemples de moyeux de rotor :
6. Arbres : L'arbre de transmission transmet la puissance aux roues motrices. Les niveaux de couple et de contrainte dans la construction en acier, qu'il soit creux ou plein, sont extrêmement élevés. Grâce aux arbres de transmission, l'énergie mécanique provenant du moyeu des pales est transmise au générateur, qui convertit le mouvement de rotation en courant électrique. Une éolienne possède généralement deux arbres.
7. Réducteurs : L’arbre de sortie du réducteur est couplé au générateur pour convertir l’énergie mécanique de rotation. Son fonctionnement repose sur la loi de Faraday relative à l’induction électromagnétique . Il s’agit d’un dispositif qui produit de l’électricité à partir d’énergie mécanique. Dans le domaine des éoliennes, on distingue plusieurs types de réducteurs : la transmission planétaire, la transmission à engrenages hélicoïdaux et la transmission à vis sans fin.
8. Anémomètres : L’énergie cinétique du vent dépend largement de sa vitesse. Le cube de la vitesse du vent est directement proportionnel à sa puissance. Lors du choix d’un emplacement, il est essentiel de tenir compte de la vitesse moyenne du vent dans la région. Un anémomètre est un instrument utilisé pour mesurer la vitesse du vent. On le trouve généralement au-dessus de la nacelle.
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À quoi servent les turbines à axe horizontal ?
Afin de maximiser la production d'énergie et l'efficacité énergétique, les parcs éoliens de grande taille utilisent souvent des éoliennes à axe horizontal. Ces éoliennes sont généralement utilisées dans
- Installations de fabrication
- De vastes parcs éoliens
- Bâtiments financés par le gouvernement
Vous avez ainsi découvert à quoi servent les turbines à axe horizontal. Il serait maintenant intéressant d'en apprendre davantage sur leurs avantages et leurs inconvénients.
Quels sont les avantages et les inconvénients des éoliennes à axe horizontal ?
Comme pour d'autres appareils, les avantages et les inconvénients des éoliennes à axe horizontal sont évidents. Découvrons-les en détail ici.
Avantages de l'éolienne à axe horizontal-
1. Générations puissantes
Selon l'application, les éoliennes à axe horizontal peuvent avoir une puissance de 2 à 8 MW. Une éolienne terrestre d'une capacité de 2.5 à 3 MW peut produire environ 6 millions de kWh par an, soit l'équivalent de la consommation de 1 500 foyers européens. Cette production dépend de la taille de l'éolienne et de la force du vent.
2. Suffisamment fiable
Les éoliennes à axe horizontal dominent le marché depuis de nombreuses années, leur conception et leur développement étant donc très avancés. L'aspect pratique et l'utilité des éoliennes à axe horizontal déjà disponibles sur le marché, ainsi que leur potentiel de développement futur, sont étudiés.
3. Vents opérationnels exceptionnellement forts
Les éoliennes à axe horizontal captent le vent à des vitesses plus élevées grâce à la hauteur de leurs rotors. Elles sont donc susceptibles de fonctionner à des vitesses de vent plus importantes, ce qui est optimal pour leur rendement. Le flux d'air en haute altitude est généralement constant, faisant des éoliennes à axe horizontal une source d'énergie renouvelable plus fiable.
4. Efficacité à un niveau très élevé
Il est impossible de convertir de l'énergie sans qu'une partie ne soit gaspillée. Un axe majeur du développement de nouveaux produits dans le secteur de l'énergie éolienne est l'amélioration du rendement de la conversion énergétique. Actuellement, les éoliennes les plus performantes sont celles à axe horizontal. Elles sont suffisamment efficaces pour convertir 40 à 50 % de l'énergie éolienne incidente en électricité utilisable.
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Inconvénients de l'éolienne à axe horizontal-
1. Difficile à déplacer, à installer et à maintenir en état de fonctionnement.
Du fait de leur taille imposante , les éoliennes à axe horizontal présentent d'importants défis logistiques et techniques lors de leur transport et de leur installation. Leurs pales peuvent atteindre 70 mètres de long et peser jusqu'à 20 tonnes, ce qui rend leur installation improbable sur les routes étroites et sinueuses typiques des régions montagneuses ou dans les rues des villes, bordées d'habitations, de lignes électriques et de lampadaires.
2. Nuire à l'environnement
Le débat et la controverse persistent quant à l'impact des éoliennes à axe horizontal sur l'environnement . Le vrombissement de leurs pales fendant l'air, l'ombre immense qu'elles projettent et les perturbations qu'elles engendrent pour la faune et les écosystèmes environnants sont autant de sources d'inquiétude.
3. Changement dans l'écosystème marin
Les éoliennes offshore sont susceptibles de modifier l'écosystème marin d'une manière que nous ne comprenons pas encore, tandis que les pales d'éoliennes à axe horizontal représentent un risque de collision avec des créatures volantes. De nombreuses études ont montré que les éoliennes ne sont pas directement responsables de plus d’un pour cent des décès annuels d’oiseaux aux États-Unis causés par des accidents avec des objets et des pratiques fabriqués par l’homme.
4. Exigences strictes pour la configuration
La réglementation relative au développement et à l'installation d'éoliennes peut constituer un obstacle, malgré les incitations gouvernementales mises en place à travers le monde pour encourager la transition énergétique . Par exemple, pour une éolienne à axe horizontal, la distance minimale requise par rapport à une habitation voisine est généralement égale à quatre fois la hauteur totale de l'éolienne. La municipalité doit réaliser une étude d'impact sonore avant d'autoriser la construction d'un parc éolien sur son territoire. Il est essentiel de prendre en compte à la fois le bruit ambiant et le bruit généré par l'éolienne. Bien qu'il existe souvent une règle générale pertinente, la politique appliquée peut varier en fonction de facteurs tels que le contexte politique, social et environnemental.
Les éoliennes à axe horizontal jouent et joueront un rôle important dans votre avenir basé sur les énergies renouvelables. Il est essentiel de comprendre toutes les facettes de ces technologies, comme leurs avantages et inconvénients, leurs différents types, etc. Elles vous aideront à vous préparer pour l'avenir à venir.
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