Le développement des énergies renouvelables est crucial pour lutter contre le réchauffement climatique et préserver les ressources naturelles de notre planète. Les technologies de captage d'énergie éolienne et solaire sont en plein essor, ce qui entraîne une demande croissante d'éoliennes à axe vertical. Découvrons-les plus en détail.
Types d'éoliennes à axe vertical
Deux types d'éoliennes à axe vertical (VAWT) sont disponibles sur le marché : l' éolienne Darrieus et l'éolienne Savonius.
L'éolienne à axe vertical est un type d'éolienne principalement utilisé à des fins résidentielles . Elle possède 2 ou 3 pales et un rotor dont l'arbre se déplace verticalement. Dans une éolienne à axe vertical, le générateur est placé à la base et les pales entourent l'arbre de la tour.
Ces éoliennes sont souvent installées sur les terre-pleins centraux des autoroutes ; le passage des véhicules fait tourner leurs pales incurvées et produit ainsi de l’électricité. L’éolienne exploite différentes vitesses de vent de diverses manières selon les besoins.
1. Éolienne Darrieus (Type ascenseur)
Cette éolienne doit son nom à Georges Darrieus , son inventeur. Les éoliennes Darrieus sont dotées de pales longues et incurvées, fixées en haut et en bas de l'arbre du rotor . Également appelée « batteur à œufs », cette éolienne possède des pales reliées à l'arbre du rotor à chaque extrémité.
Les éoliennes Darrieus tournent grâce à la portance générée par la force aérodynamique. Une aspiration est produite à l'avant de l'éolienne par le flux du vent, ce qui entraîne la rotation des pales en sens inverse.
2. Éolienne Savonius (Type glisser)
Cette turbine possède une surface de captation du vent massive et ses pales, disposées en hélice, s'enroulent autour de l'arbre vertical . Les turbines Savonius fonctionnent principalement grâce à la résistance de l'écoulement de l'air.
Ceci est nécessaire, outre la force dynamique du vent qui agit comme force active pour faire tourner les rotors. L'envers des pales subit simultanément une force de résistance aérodynamique. De ce fait, ces turbines tournent proportionnellement à la vitesse du vent.
Les deux éoliennes possèdent des pales de formes spécifiques qui réduisent la résistance à l'air. Une fois la rotation amorcée, la vitesse de la turbine augmente également pour dépasser celle du vent, optimisant ainsi ses performances.
Principe de fonctionnement d'une éolienne à axe vertical
Jetons un œil aux composants des éoliennes à axe vertical.
- Boîte de vitesses – Il augmente la vitesse de rotation d'un arbre à basse vitesse pour le connecter à un arbre à grande vitesse, qui est connecté au générateur.
- Génératrice – Il convertit l’énergie mécanique en énergie électrique dans l’éolienne.
- Batterie rechargeable – Il stocke la production d’électricité créée par le générateur.
- Circuit LDR – Il permet d'allumer et d'éteindre la lumière du système. Il est composé d'une résistance photo-dépendante (LDR), d'une batterie, d'une LED, d'un transistor et d'une résistance.
Pour en savoir plus sur le principe de base de la conversion de l'énergie éolienne , consultez notre article.
Working : un espace de travail commun
Une éolienne à axe vertical est reliée à un réducteur à engrenages, directement relié à l'arbre du générateur électrique. Le vent fait tourner l'éolienne, générant ainsi de l'énergie mécanique.
Le réducteur optimise le régime de rotation de la turbine et transmet ces rotations au générateur sous forme d'énergie mécanique. Le générateur utilise cette énergie et la convertit en énergie électrique, qui est ensuite stockée dans les batteries. Cette énergie stockée est ensuite utilisée par un système d'éclairage automatisé.
Fonctionnement du circuit
L'émetteur du transistor est relié à la masse (GND) et le collecteur à la borne négative de la LED. Les bornes de la résistance sont directement connectées à la source de tension et la LDR à la borne négative. Une fois le circuit LDR relié directement à la batterie, il détecte la présence de lumière. La LED s'allume alors automatiquement dès que la quantité de lumière reçue (rayonnement solaire) diminue.
Applications des éoliennes à axe vertical
Voici une liste d’applications idéales de certains types d’éoliennes à axe vertical.
- Dans les petits projets éoliens et les installations éoliennes moins étendues
- En construction ou en utilisation dans des bâtiments résidentiels.
- Dans les zones où les conditions météorologiques ou éoliennes sont instables pour produire de l'électricité.
Avantages de l'éolienne à axe vertical
Les avantages de l’éolienne à axe vertical sont les suivants :
1. Rotor omnidirectionnel
Les pales du rotor des éoliennes à axe vertical (VAWT) sont capables de capter le vent quelle que soit sa direction . Ainsi, ces turbines peuvent produire de l'électricité même par temps instable, notamment en cas de vents violents et turbulents. De plus, elles sont parfaitement adaptées aux zones côtières et montagneuses.
2. Espacement plus rapproché
Chaque turbine est espacée de 5 diamètres perpendiculairement au vent et d'environ 10 diamètres perpendiculairement à sa base. Cet espacement permet d'éviter les perturbations du flux d'air et réduit les risques de ralentissement du vent dus à la proximité des turbines. Grâce à cet espacement plus réduit, les éoliennes à axe vertical captent davantage d'énergie par mètre carré.
Selon une étude de 2017 menée par Anna Craig, doctorante en génie mécanique à l'université de Stanford, les éoliennes à axe vertical (VAWT) peuvent générer 10 fois plus d'énergie par unité de surface qu'un groupe d' éoliennes à axe horizontal (largement espacées).
3. Vitesse du vent de départ inférieure
Les éoliennes à axe vertical démarrent avec une vitesse de vent de 2 à 3 m/s, ce qui leur permet de produire de l'électricité même par faible vent. Bien que leur rendement global soit inférieur par faible vent, ces éoliennes restent performantes dans ces conditions, contrairement à d'autres modèles.
4. Moins d'impact sur l'environnement
Les éoliennes à axe vertical sont plus petites que les éoliennes traditionnelles . Construites autour de l'arbre, leurs pales ne projettent pas d'ombre portée. Les oiseaux peuvent également les repérer facilement, ce qui réduit les risques de collision . De plus, les éoliennes à axe vertical sont très silencieuses et ne contribuent donc pas à la pollution sonore.
5. Facile à installer et à entretenir
Grâce à leurs dimensions réduites, ces turbines sont faciles à transporter, à installer et à entretenir . Un seul gros camion peut aisément transporter une turbine entière en une seule tournée. Il n'est pas nécessaire d'intervenir en hauteur pour les réparer. L'entretien des turbines à axe vertical est donc aisé.
6. Moins de restrictions d'installation
De par leur taille, les éoliennes à axe vertical sont plus facilement autorisées que les autres types d'éoliennes . Les réglementations relatives à la hauteur maximale de construction varient selon les régions. Comme les éoliennes à axe vertical ne sont pas très hautes, leur construction est autorisée dans la plupart des États.
7. L'attrait esthétique
Les éoliennes verticales présentent des conceptions géométriques modernes qui leur confèrent de meilleures performances et une esthétique soignée. Leur apparence s'intègre harmonieusement aux infrastructures environnantes telles que les campus scolaires et universitaires, les parcs et autres bâtiments.
Lisez cet article intéressant sur la combinaison d'une éolienne et de panneaux solaires et ses résultats.
Inconvénients de l'éolienne à axe vertical
Bien que bénéfiques dans de nombreux domaines, les éoliennes à axe vertical présentent des inconvénients qui limitent leurs performances. Découvrons-les.
1. Moins d'efficacité de rotation
Du fait de la conception de leur rotor, toutes les pales ne reçoivent pas le vent simultanément . Les pales exposées au vent tournent tandis que les autres les suivent, ce qui réduit l'efficacité de la rotation. De plus, les éoliennes Savonius subissent une plus grande résistance à l'air en raison de la large surface de leurs pales.
2. Accès à une vitesse de vent plus faible
Les éoliennes à axe vertical (VAWT) étant installées au niveau du sol, elles ne peuvent pas exploiter les vents forts soufflant en altitude . Leur fonctionnement est donc limité aux faibles vitesses de vent.
3. Usure rapide des composants
Les éoliennes verticales, installées au niveau du sol dans des zones habitées, sont davantage sujettes aux vibrations et aux turbulences . Leurs pales doivent supporter des contraintes plus importantes, et les paliers entre le mât et le rotor sont soumis à une pression plus élevée. Ceci peut parfois entraîner des fissures ou des déformations des pales.
4. Moins d'efficacité globale
Les éoliennes à axe vertical ont un rendement inférieur à celui des éoliennes à axe horizontal (HAWT) en raison de leurs caractéristiques de conception et de fonctionnement.
5. Mécanisme de démarrage manuel
Les éoliennes Darrieus sont dotées d'un mécanisme de démarrage manuel en raison de la conception de leurs ailes, qui ne génère pas un couple suffisant pour l'autorotation. Elles ne démarrent pas automatiquement comme les éoliennes Savonius et horizontales.
Les deux types d'éoliennes à axe vertical constituent donc une solution durable et simple pour produire de l'électricité sur les routes et les autoroutes. Cependant, leur conception et leur construction jouent à la fois en leur faveur et en leur défaveur. Elles restent néanmoins une meilleure option que les solutions à base de combustibles fossiles.
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