Types d'éoliennes. Éolienne faite maison pour la maison et le jardin : principes de fonctionnement, schémas, de quel type et comment le faire

Actuellement, il existe de nombreux systèmes d’éoliennes dotés d’un axe de rotation horizontal et vertical. Ils diffèrent les uns des autres non seulement par leur apparence et leur conception, mais également par leurs capacités techniques, en fonction des objectifs pour lesquels ils sont utilisés. Selon la conception du récepteur d'énergie éolienne et son emplacement dans le flux d'air, on distingue plusieurs systèmes d'éoliennes.

Nous avons déjà parlé des éoliennes de type carrousel et tambour. On connaît également ce que l'on appelle l'éolienne rotative (Fig. 23). Ses pales tournent, comme une éolienne à carrousel, dans un plan horizontal et entraînent un arbre vertical.

Riz. 23. Éolienne rotative

Les éoliennes à palettes sont désormais très répandues, dont les types les plus anciens sont les éoliennes ordinaires. La partie principale de toute éolienne à palettes est la roue éolienne. Il se compose de plusieurs pales et tourne sous l'influence du vent. À l'aide d'une paire d'engrenages coniques montés sur la tête de l'éolienne (Fig. 24), la rotation de la roue est convertie en un mouvement plus rapide de l'arbre vertical ou en un mouvement alternatif de la tige d'entraînement.

Riz. 24. Schéma d'une éolienne à palettes

Pour faire tourner la tête et l'éolienne dans le vent, les éoliennes ont un support et les petites éoliennes modernes ont une queue avec une queue verticale à l'extrémité. Les éoliennes à grandes girouettes disposent d'autres mécanismes plus complexes permettant d'aligner automatiquement la roue éolienne avec le vent. Pour garantir que la vitesse de rotation de l'éolienne ne dépasse pas le maximum, il existe un dispositif spécial pour le contrôle automatique de la vitesse.

Habituellement, à la surface de la terre, le flux d'air dû à divers obstacles est inégal et affaibli, c'est pourquoi l'éolienne est installée sur un mât ou une tour élevée, au-dessus des obstacles.

Basées sur la conception des éoliennes, les éoliennes à palettes modernes sont divisées en haute vitesse et basse vitesse.

Dans une éolienne à faible vitesse, la roue éolienne est constituée d'un grand nombre de pales (Fig. 25). Il bouge facilement. Grâce à cela, une éolienne à basse vitesse est pratique pour travailler avec une pompe à piston et d'autres machines qui nécessitent une force initiale importante lors du démarrage.

Riz. 25. Éolienne multipale moderne TB-5 d'une puissance allant jusqu'à 2,5 chevaux

Les éoliennes à faible vitesse sont principalement utilisées dans les zones où la vitesse moyenne du vent ne dépasse pas 4,5 mètres par seconde. En règle générale, tous les mécanismes des éoliennes multiplaques sont un peu plus simples que ceux des éoliennes à grande vitesse. Cependant, les éoliennes des éoliennes à faible vitesse sont des structures plutôt volumineuses. Avec la grande taille de ces roues, il est difficile de créer la stabilité nécessaire, surtout en cas de vents forts. Par conséquent, à l’heure actuelle, les éoliennes multipales sont construites avec des diamètres de roue ne dépassant pas 8 mètres. La puissance d'une telle éolienne atteint 6 chevaux. Cette puissance est largement suffisante pour fournir de l'eau à la surface à partir de puits jusqu'à 200 mètres de profondeur.

Les éoliennes à grande vitesse n'ont pas plus de quatre ailes avec un profil profilé dans la roue éolienne (voir, par exemple, la figure 27).

Riz. 27. Éolienne 1-D-18 d'une puissance allant jusqu'à 30 kilowatts

Cela leur permet de bien résister à des vents très forts. Même en cas de vent fort et en rafales, des mécanismes de contrôle bien conçus créent une rotation uniforme des éoliennes des éoliennes à grande vitesse.

Ces caractéristiques positives des éoliennes à grande vitesse leur permettent de fonctionner dans des vents variables de toute force.

Par conséquent, des éoliennes à grande vitesse peuvent être construites avec des diamètres de roue éolienne très grands, atteignant cinquante mètres ou plus et développant une puissance de plusieurs centaines de chevaux.

En raison de l’uniformité élevée et stable des éoliennes, les moteurs éoliens à grande vitesse sont utilisés pour entraîner une grande variété de machines et de générateurs électriques. Les éoliennes modernes à grande vitesse sont des machines universelles.

Il est pratique de comparer les éoliennes de différents systèmes en introduisant la notion de vitesse normale. Cette vitesse est déterminée par le rapport entre la vitesse périphérique à l'extrémité extérieure de la pale en rotation à une vitesse de vent de 8 mètres par seconde et la vitesse du flux d'air.

Les pales des éoliennes à carrousel, rotatifs et à tambour, pendant le fonctionnement, se déplacent le long du flux d'air et la vitesse de n'importe quel point ne peut jamais être supérieure à la vitesse du vent. Par conséquent, la vitesse normale des éoliennes de ces types sera toujours inférieure à un (puisque le numérateur sera inférieur au dénominateur).

Les éoliennes des éoliennes à ailes tournent dans le sens du vent et la vitesse de déplacement des extrémités de leurs ailes atteint donc des valeurs élevées. Elle peut être plusieurs fois supérieure à la vitesse du flux d’air. Moins il y a de pales et meilleur est leur profil, moins la roue éolienne subit de résistance. Cela signifie que plus il tourne vite. Les meilleurs exemples d’éoliennes à palettes modernes ont une vitesse normale allant jusqu’à neuf unités. La plupart des éoliennes produites en usine ont une vitesse de 5 à 7 unités. À titre de comparaison, notons que même les meilleurs moulins paysans avaient une vitesse de seulement 2-3 unités (et en ce sens, ils sont plus avancés que les moteurs éoliens à carrousel, rotatifs et à tambour).

À mesure que le nombre de pales d’une éolienne augmente, sa capacité à s’éloigner à faible vitesse du vent augmente. Par conséquent, les éoliennes à ailes multipales, dans lesquelles la surface totale des pales représente 60 à 70 pour cent de la surface balayée (voir Fig. 20) de la roue éolienne, entrent en service à des vitesses de vent de 3 à 3,5 mètres. par seconde.

Riz. 20. Moulin à portique

Les éoliennes à grande vitesse dotées d'un petit nombre de pales démarrent à des vitesses de vent de 4,5 à 6 mètres par seconde. Par conséquent, ils doivent être mis en service soit sans charge, soit à l'aide de dispositifs spéciaux.

Le bon démarrage et la simplicité de conception des éoliennes à carrousel, rotatives et à tambour captivent de nombreux inventeurs et concepteurs qui les considèrent comme des éoliennes idéales. Mais en réalité, ces machines présentent un certain nombre d’inconvénients importants. Ces inconvénients les rendent difficiles à utiliser même avec des machines aussi courantes et simples que les pompes à piston et les broyeurs à bavures.

Les éoliennes équipées de récepteurs d'énergie éolienne de type rotor utilisent très mal l'énergie du flux d'air ; leur coefficient d'utilisation de l'énergie éolienne est 2 à 2,5 fois inférieur à celui des éoliennes à palettes. Par conséquent, à surfaces égales balayées par les pales, les éoliennes à palettes peuvent développer une puissance 2 à 2,5 fois supérieure à celle des centrales éoliennes à carrousel, rotatives et à tambour.

Les éoliennes à rotor ne sont actuellement utilisées que sous la forme de petites installations artisanales d'une puissance allant jusqu'à 0,5 cheval-vapeur. Ils sont par exemple utilisés pour piloter divers dispositifs de ventilation dans les bâtiments d'élevage, les forges et autres zones de production agricole.

Qu’est-ce qui détermine la puissance d’une éolienne ?

Nous savons que l’énergie du flux d’air n’est pas constante, toute éolienne a donc une puissance variable. La puissance de toute éolienne dépend de la vitesse du vent. Il a été établi que lorsque la vitesse du vent double, la puissance sur les ailes de l'éolienne augmente de 8 fois, et lorsque la vitesse du flux d'air augmente de 3 fois, la puissance de l'éolienne augmente de 27 fois.

La puissance d’une éolienne dépend également de la taille du récepteur d’énergie éolienne. Dans ce cas, elle est proportionnelle à la surface balayée par les pales de l'éolienne ou du rotor. Par exemple, pour les éoliennes à palettes, la surface balayée par les pales sera l'aire du cercle qui décrit la pointe de la pale en un tour complet. Pour les éoliennes à tambour, à carrousel et rotatives, la surface balayée par les pales représente l'aire d'un rectangle d'une hauteur égale à la longueur de la pale et d'une largeur égale à la distance entre les bords extérieurs des pales opposées.

Cependant, toute éolienne ou rotor ne convertit qu'une partie de l'énergie du flux d'air traversant la surface balayée par les pales en travail mécanique utile. Cette partie de l'énergie est déterminée par le facteur d'utilisation de l'énergie éolienne. La valeur du facteur d'utilisation de l'énergie éolienne est toujours inférieure à un. Pour les meilleures éoliennes modernes à grande vitesse, ce coefficient atteint 0,42. Pour les éoliennes à grande et à basse vitesse d'usine en série, le facteur d'utilisation de l'énergie éolienne est généralement de 0,30 à 0,35 ; cela signifie qu'environ un tiers seulement de l'énergie du flux d'air traversant les éoliennes des éoliennes est convertie en travail utile. Les deux tiers restants de l’énergie restent inutilisés.

Le scientifique soviétique G. X. Sabinin, sur la base de calculs, a établi que même une éolienne idéale a un coefficient d'utilisation de l'énergie éolienne de seulement 0,687.

Pourquoi ce coefficient ne peut-il pas être égal ou même proche de un ?

Cela s'explique par le fait qu'une partie de l'énergie éolienne est dépensée pour la formation de vortex au niveau des pales et que la vitesse du vent derrière la roue éolienne diminue.

Ainsi, la puissance réelle d’une éolienne dépend du facteur d’utilisation de l’énergie éolienne. La puissance d'une éolienne est proportionnelle à sa valeur. Cela signifie qu’à mesure que le taux d’utilisation de l’énergie éolienne augmente, la puissance de l’éolienne augmente, et vice versa.

Les éoliennes à tambour, rotatives et rotatives à pales simples ont des taux d'utilisation de l'énergie éolienne très faibles. Leurs valeurs varient considérablement de 0,06 à 0,18. Pour les moteurs à palettes, ce coefficient varie de 0,30 à 0,42.

De plus, la puissance utile de toute éolienne est également proportionnelle à l’efficacité du mécanisme de transmission, ainsi qu’à la densité de l’air. En règle générale, l'efficacité des mécanismes d'éoliennes modernes est comprise entre 0,8 et 0,9.

De ce qui a été dit sur la puissance d'une éolienne, il s'ensuit que pour un vent donné, cette éolienne aura une puissance plus élevée, dans laquelle la plus grande quantité de flux d'air circule à travers la surface balayée par les ailes et les pales. de la roue éolienne ont un profil bien profilé.

La plupart des types d’éoliennes sont connus depuis si longtemps que l’histoire reste muette sur les noms de leurs inventeurs.

Types d'éoliennes :

Les principaux types d'éoliennes sont présentés sur la figure. Ils sont divisés en deux groupes :

éoliennes à axe de rotation horizontal (girouette) (2...5) ;

éoliennes à axe de rotation vertical (rotatives : pales (1) et orthogonales (6)).

Les types d’éoliennes à palettes ne diffèrent que par le nombre de pales.

Ailé

Pour les éoliennes à palettes, dont la plus grande efficacité est obtenue lorsque le flux d'air est perpendiculaire au plan de rotation des pales de l'aile, un dispositif de rotation automatique de l'axe de rotation est nécessaire.

A cet effet, une aile stabilisatrice est utilisée.

Les éoliennes carrousel ont l’avantage de pouvoir fonctionner dans n’importe quelle direction du vent sans changer de position.

Le coefficient d'utilisation de l'énergie éolienne (voir figure) pour les éoliennes à palettes est beaucoup plus élevé que pour les éoliennes rotatives.

Dans le même temps, les carrousels ont un couple beaucoup plus élevé.

Elle est maximale pour les unités à pales rotatives, à vitesse relative du vent nulle.

La diffusion des éoliennes à turbine s’explique par l’ampleur de leur vitesse de rotation.

Ils peuvent être directement connectés à un générateur de courant électrique sans multiplicateur.

La vitesse de rotation des éoliennes à palettes est inversement proportionnelle au nombre d'ailes, par conséquent, les unités de plus de trois pales ne sont pratiquement pas utilisées.

Carrousel

La différence d'aérodynamisme donne aux éoliennes rotatives un avantage par rapport aux éoliennes traditionnelles.

À mesure que la vitesse du vent augmente, leur force de traction augmente rapidement, après quoi la vitesse de rotation se stabilise.

Les éoliennes à carrousel sont à faible vitesse, ce qui permet d'utiliser des circuits électriques simples, par exemple avec un générateur asynchrone, sans risque d'accident en cas de rafale de vent accidentelle.

La lenteur met en avant une exigence limitante : l'utilisation d'un générateur multipolaire fonctionnant à faible vitesse.

De tels générateurs ne sont pas répandus et l'utilisation de multiplicateurs (multiplicateur [lat. Multiplicator - multiplication] - engrenage croissant) n'est pas efficace en raison du faible rendement de ces derniers.

Un avantage encore plus important de la conception du carrousel était sa capacité, sans astuces supplémentaires, à surveiller « d'où vient le vent », ce qui est très important pour les écoulements de lacet en surface.

Des éoliennes de ce type sont construites aux États-Unis, au Japon, en Angleterre, en Allemagne et au Canada.

À mesure que la charge augmente, la vitesse de rotation diminue et le couple augmente jusqu'à l'arrêt complet.

Orthogonal

Les éoliennes orthogonales, selon les experts, sont prometteuses pour l'énergie à grande échelle.

Aujourd'hui, les adeptes du vent et des structures orthogonales sont confrontés à certaines difficultés. Parmi eux, il y a notamment le problème du lancement.

Les installations orthogonales utilisent le même profil d'aile qu'un avion subsonique (voir Fig. 6).

L'avion, avant de « s'appuyer » sur la force de portance de l'aile, doit décoller. Il en va de même pour l’installation orthogonale.

Tout d'abord, vous devez lui fournir de l'énergie - faites-le tourner et amenez-le à certains paramètres aérodynamiques, et alors seulement, il passera lui-même du mode moteur au mode générateur.

La prise de mouvement commence à une vitesse de vent d'environ 5 m/s et la puissance nominale est atteinte à une vitesse de 14...16 m/s.

Les calculs préliminaires des éoliennes prévoient leur utilisation dans la plage de 50 à 20 000 kW.

Dans une installation réaliste d'une puissance de 2000 kW, le diamètre de l'anneau le long duquel se déplacent les ailes serait d'environ 80 mètres.

La puissante éolienne est de grande taille. Cependant, vous pouvez vous en sortir avec des petits - prenez le nombre, pas la taille.

En équipant chaque générateur électrique d'un convertisseur séparé, il est possible de résumer la puissance de sortie générée par les générateurs.

Dans ce cas, la fiabilité et la capacité de survie de l'éolienne augmentent.

Le principe de fonctionnement de toutes les éoliennes est le même : sous la pression du vent, une éolienne à pales tourne, transmettant le couple via un système de transmission à l'arbre du générateur qui produit de l'électricité, à la pompe à eau. Plus le diamètre de l’éolienne est grand, plus le flux d’air qu’elle capte est important et plus l’unité produit d’énergie.

La disposition traditionnelle des éoliennes est à axe de rotation horizontal (Fig. 3) est une bonne solution pour les unités de petite taille et de petite puissance. Lorsque l'envergure des pales a augmenté, cette disposition s'est avérée inefficace, car à différentes hauteurs, le vent souffle dans des directions différentes. Dans ce cas, non seulement il est impossible d'orienter l'appareil de manière optimale face au vent, mais il existe également un risque de destruction des pales. De plus, les extrémités des pales d'une grande installation, se déplaçant à grande vitesse, créent du bruit. Cependant, le principal obstacle à l'utilisation de l'énergie éolienne reste économique : la puissance de l'unité reste faible et la part des coûts de son fonctionnement s'avère importante. Les unités de faible puissance peuvent produire une énergie environ trois fois plus chère.

Figure 3 - Éolienne à palettes

Systèmes d'éoliennes existants selon la conception de l'éolienne et sa position dans le flux de vent sont divisés pour trois classes.

Première année comprend les éoliennes dans lesquelles la roue éolienne est située dans un plan vertical ; dans ce cas, le plan de rotation est perpendiculaire à la direction du vent et, par conséquent, l'axe de la roue éolienne est parallèle au flux. De telles éoliennes sont appelées ailé.

La vitesse est le rapport de la vitesse périphérique (ωR) de la pointe de la pale à la vitesse du vent V :

Z= ω R..

Les éoliennes à palettes, selon GOST 2656-44, en fonction du type d'éolienne et de la vitesse, sont divisées en trois groupes (Figure 4) :

Ø éoliennes multipales, basse vitesse, à grande vitesse Zn 2 £ ;

Ø les moteurs éoliens à petite pale et à faible vitesse, y compris les éoliennes, à grande vitesse Zn> 2;

Ø les éoliennes sont à petites pales, à grande vitesse, Zn³3.

Figure.4 - Schémas des éoliennes des éoliennes à palettes : 1 – multipale ; 2–4 – à petite lame

Co. deuxième année inclure les systèmes d'éoliennes avec un axe de rotation vertical de la roue éolienne . Selon le schéma constructif, ils sont répartis en groupes :

- carrousel, dans lequel les pales non fonctionnelles sont soit recouvertes d'un écran, soit positionnées sur chant contre le vent (Figure 5, élément 1) ;

- rotatiféoliennes du système Savonius.

À troisième année comprennent les moteurs éoliens fonctionnant sur le principe d'une roue de moulin à eau et appelés tambours ( Figure 5, élément 7 ) . Ces éoliennes ont un axe de rotation horizontal et perpendiculaire à la direction du vent.

Figure 5 - Types d'éoliennes : 1 – rotatives ; 2–3 multilobés ; 4–5 – petits lobes ; 6 – orthogonal ; 7 - tambour

Les principaux inconvénients des éoliennes à carrousel et à tambour découlent du principe même de disposition des surfaces de travail de l'éolienne dans le flux du vent :

1. Étant donné que les pales de travail de la roue se déplacent dans le sens du flux d'air, la charge du vent n'agit pas simultanément sur toutes les pales, mais une par une. En conséquence, chaque pale subit une charge intermittente et le taux d'utilisation de l'énergie éolienne est très faible et ne dépasse pas 10 %.

2. Le mouvement des surfaces de l'éolienne dans la direction du vent ne permet pas le développement de vitesses élevées, car les surfaces ne peuvent pas se déplacer plus vite que le vent.

3. Les dimensions de la partie utilisée du flux d'air (la surface balayée) sont petites par rapport aux dimensions de la roue elle-même, ce qui augmente considérablement son poids par unité de puissance installée de l'éolienne.

Éoliennes à carrousel ont l'avantage de pouvoir travailler dans n'importe quelle direction du vent sans changer de position.

Les éoliennes à rotor du système Savonius ont le taux d'utilisation de l'énergie éolienne le plus élevé, soit 18 %.

Les éoliennes à palettes ne présentent pas les inconvénients ci-dessus des éoliennes rotatives et à tambour. Les bonnes qualités aérodynamiques des éoliennes à palettes, la capacité de conception à les fabriquer pour une puissance élevée, un poids relativement léger par unité de puissance sont les principaux avantages des éoliennes de cette classe.

L’utilisation commerciale des éoliennes à palettes a commencé en 1980. Au cours des 14 dernières années, la puissance des éoliennes a été multipliée par 100 : de 20...60 kW avec un diamètre de rotor d'environ 20 m au début des années 1980 à 5 000 kW avec un diamètre de rotor de plus de 100 m en 2003 (Fig. .7.6).

Les types d’éoliennes à palettes ne diffèrent que par le nombre de pales.

Pour éoliennes à palettes, dont la plus grande efficacité est obtenue lorsque le flux d'air est perpendiculaire au plan de rotation des pales de l'aile, un dispositif de rotation automatique de l'axe de rotation est nécessaire. A cet effet, une aile stabilisatrice est utilisée.

Le coefficient d'utilisation de l'énergie éolienne (Figure 4) pour les éoliennes à palettes est beaucoup plus élevé que pour les éoliennes rotatives. Dans le même temps, les carrousels ont un couple beaucoup plus élevé. Elle est maximale pour les unités à pales rotatives à vitesse de vent relative nulle.

La diffusion des éoliennes à turbine s’explique par l’ampleur de leur vitesse de rotation. Ils peuvent être directement connectés à un générateur de courant électrique sans multiplicateur. La vitesse de rotation des éoliennes à palettes est inversement proportionnelle au nombre d'ailes, de sorte que les unités à plus de trois pales ne sont pratiquement pas utilisées.

La différence d'aérodynamisme donne aux installations rotatives un avantage par rapport aux éoliennes traditionnelles (Figure 7). À mesure que la vitesse du vent augmente, leur force de traction augmente rapidement, après quoi la vitesse de rotation se stabilise. Les éoliennes à carrousel sont à faible vitesse, ce qui permet d'utiliser des circuits électriques simples, par exemple avec un générateur asynchrone, sans risque d'accident dû à une rafale de vent accidentelle. La lenteur met en avant une exigence limitante : l'utilisation d'un générateur multipolaire fonctionnant à faible vitesse. De tels générateurs ne sont pas largement utilisés et l'utilisation de multiplicateurs (Multiplier [lat. multiplicator] - engrenage croissant) n'est pas efficace en raison du faible rendement de ces derniers.

Un avantage encore plus important de la conception du carrousel est sa capacité à surveiller « où souffle le vent » sans astuces supplémentaires, ce qui est très important pour les écoulements de lacet en surface. Des éoliennes de ce type sont construites aux États-Unis, au Japon, en Angleterre, en Allemagne et au Canada.

L’éolienne à pales rotatives est la plus simple à exploiter. Sa conception assure un couple maximal lors du démarrage de l'éolienne et une autorégulation automatique de la vitesse de rotation maximale pendant le fonctionnement. À mesure que la charge augmente, la vitesse de rotation diminue et le couple augmente jusqu'à s'arrêter complètement.

Lorsque le flux interagit avec la pale, les événements suivants se produisent :

1) force de résistance parallèle au vecteur vitesse relative du flux venant en sens inverse ;

2) force de portance perpendiculaire à la force de traînée ;

3) vortex de l'écoulement autour de la pale ;

4) turbulisation de l'écoulement, c'est-à-dire perturbations chaotiques de sa vitesse en ampleur et en direction ;

5) un obstacle au flux venant en sens inverse.

L'obstacle au flux venant en sens inverse est caractérisé par un paramètre appelé remplissage géométrique et égal au rapport de la surface de projection des pales sur un plan perpendiculaire au flux à la surface balayée par celles-ci.

Les principales caractéristiques de classification des installations éoliennes peuvent être déterminées par les critères suivants :

1. Si l'axe de rotation de l'éolienne est parallèle au flux d'air, l'installation sera horizontale-axiale, si l'axe de rotation de l'éolienne est perpendiculaire au flux d'air - vertical-axial.

2. Les installations qui utilisent la force de résistance (machines de traînée) comme force de rotation tournent généralement avec une vitesse linéaire inférieure à la vitesse du vent, et les installations qui utilisent la force de levage (machines d'ascenseur) ont une vitesse linéaire des extrémités du pales qui est une vitesse du vent nettement plus élevée.

3. Pour la plupart des installations, le remplissage géométrique de l'éolienne est déterminé par le nombre de pales. Les éoliennes avec un grand remplissage géométrique de la roue éolienne développent une puissance importante dans des vents relativement faibles, et la puissance maximale est atteinte à de faibles vitesses de roue. Les éoliennes à faible remplissage atteignent une puissance maximale à des vitesses élevées et mettent plus de temps à atteindre ce mode. Ainsi, les premières installations sont utilisées, par exemple, comme pompes à eau et restent opérationnelles même en cas de vent faible, tandis que les secondes sont utilisées comme générateurs électriques, où des vitesses de rotation élevées sont requises.

4. Les installations destinées à l'exécution directe de travaux mécaniques sont souvent appelées éoliennes ou turbines, les installations de production d'électricité, c'est-à-dire une combinaison d'une turbine et d'un générateur électrique, sont appelées générateurs d'énergie éolienne, générateurs d'air, ainsi que conversion d'énergie. installations.

5. Pour les générateurs d'air connectés directement à un système énergétique puissant, la vitesse de rotation est constante en raison de l'effet d'asynchronisation, mais de telles installations utilisent l'énergie éolienne moins efficacement que les installations à vitesse de rotation variable.

6. La roue éolienne peut être connectée directement au générateur électrique (couplage dur) ou via un convertisseur d'énergie intermédiaire qui agit comme tampon. La présence d'un tampon réduit les conséquences des fluctuations de la vitesse de rotation de l'éolienne, permettant une utilisation plus efficace de l'énergie éolienne et de la puissance du générateur électrique. De plus, il existe des schémas partiellement découplés pour connecter la roue au générateur, appelés à couplage souple. Ainsi, la connexion non rigide, ainsi que l'inertie de la roue éolienne, réduisent l'influence des fluctuations de la vitesse du vent sur les paramètres de sortie du générateur électrique. Cette influence peut également être réduite par une liaison élastique des pales à l'axe de l'éolienne, par exemple à l'aide de charnières à ressort.

Roue éolienne à axe horizontal. Considérons les éoliennes de type hélice à axe horizontal. La principale force de rotation des roues de ce type est la portance. Par rapport au vent, l'éolienne en position de travail peut être située devant la tour de support ou derrière celle-ci.

Les éoliennes utilisent généralement des éoliennes à deux ou trois pales ; ces dernières se caractérisent par une conduite très douce. Le générateur électrique et la boîte de vitesses le reliant à l'éolienne sont généralement situés au sommet de la tour de support dans la tête rotative.

Les roues multipales, qui développent un couple élevé par vent faible, sont utilisées pour pomper de l'eau et à d'autres fins qui ne nécessitent pas de rotation à grande vitesse de la roue éolienne.

Éoliennes à axe vertical (Figure 7). Les éoliennes à axe de rotation vertical, en raison de leur géométrie, sont en position de fonctionnement dans n'importe quelle direction du vent. De plus, ce schéma permet, par simple allongement de l'arbre, d'installer une boîte de vitesses avec générateurs au bas de la tour.

Les inconvénients fondamentaux de telles installations sont les suivants : leur plus grande susceptibilité aux ruptures par fatigue en raison des processus d'auto-oscillation plus fréquents et des pulsations de couple, conduisant à des pulsations indésirables dans les paramètres de sortie du générateur. Pour cette raison, la grande majorité des générateurs éoliens sont conçus selon une conception à axe horizontal, mais la recherche sur divers types d'installations à axe vertical se poursuit.

Les types les plus courants d’installations à axe vertical sont :

1. Rotor à coupelle (anémomètre). Une éolienne de ce type tourne par force de résistance. La forme de la pale en forme de bol assure une dépendance presque linéaire de la vitesse de la roue sur la vitesse du vent.

2. Rotor Savonius. Cette roue tourne également par résistance. Ses lames sont constituées de fines feuilles incurvées de forme rectangulaire, c'est-à-dire qu'elles sont simples et peu coûteuses. Le couple est créé en raison de la résistance différente fournie au flux d'air par les pales du rotor concaves et incurvées par rapport à celui-ci. En raison de son grand remplissage géométrique, cette éolienne a un couple important et est utilisée pour pomper de l'eau.

3. RotorDarye. Le couple est créé par la force de levage qui se produit sur deux ou trois fines surfaces d'appui incurvées ayant un profil aérodynamique. La force de levage est maximale au moment où la pale traverse le flux d'air venant en sens inverse à grande vitesse. Le rotor Daria est utilisé dans les éoliennes. En règle générale, le rotor ne peut pas tourner tout seul, c'est pourquoi un générateur fonctionnant en mode moteur est généralement utilisé pour le démarrer.

4. Rotor à rainure musculaire. Les pales de cette éolienne en état de fonctionnement sont situées verticalement, mais ont la capacité de tourner ou de se replier autour d'un axe horizontal lorsqu'elles sont éteintes. Il existe différentes versions de rotors Musgrove, mais ils s'arrêtent tous par vent violent.

5.Rotor Evans. Les pales de ce rotor tournent autour d'un axe vertical en cas d'urgence et lors du contrôle.

Figure 7 - Éoliennes à axe vertical

Moyeux. La puissance d'une éolienne dépend de l'efficacité de l'utilisation de l'énergie du flux d'air. L'un des moyens de l'augmenter consiste à utiliser des concentrateurs de débit d'air spéciaux (amplificateurs). Différentes versions de tels concentrateurs ont été développées pour les éoliennes à axe horizontal. Il peut s'agir de diffuseurs ou de confondeurs (déflecteurs), dirigeant le flux d'air vers la roue éolienne à partir d'une zone plus grande que la zone balayée du rotor, et de certains autres dispositifs. Les concentrateurs ne sont pas encore largement utilisés dans les installations industrielles.

Les éoliennes utilisent la puissance et la force du vent pour produire de l'énergie électrique. La vie humaine moderne est impensable sans

l'électricité, même dans les zones éloignées de l'approvisionnement en électricité. Les producteurs éoliens d’énergie lumineuse respectueuse de l’environnement constituent une source alternative.

Et ils gagnent de plus en plus en popularité chaque année. Plus la gamme de produits est large, plus des questions se posent quant au type d’éolienne à privilégier. Tant en termes de performances que d'argent.

Principaux types d'éoliennes

Les modèles d’éoliennes se présentent sous différentes conceptions et diffèrent en puissance. Selon la géométrie de rotation de l'axe du rotor principal, ils sont divisés en :

Type vertical - la turbine est située verticalement par rapport au plan de masse. Commence à travailler par vent léger.
Type horizontal - l'axe du rotor tourne parallèlement à la surface de la terre. Il possède un grand pouvoir pour convertir l’énergie éolienne en courant alternatif et continu.

Examinons ces types plus en détail, puisque chacun d'eux présente des développements et des améliorations.

Types de générateurs verticaux (type carrousel)

Les convertisseurs d’énergie éolienne verticaux sont souvent utilisés à des fins domestiques. Ces types d’éoliennes sont faciles à entretenir. Les principaux composants nécessitant une attention particulière sont situés au bas des installations et sont libres d'accès.

1. Générateurs à rotor Savounis

Composé de deux cylindres. La rotation axiale constante et le flux du vent ne dépendent pas l'un de l'autre. Même en cas de rafales soudaines, il tourne à la vitesse initialement réglée.

L’absence d’influence du vent sur la vitesse de rotation est sans aucun doute un bon avantage. Le problème est qu'il utilise le pouvoir de l'élément non pas à sa pleine puissance, mais seulement à un tiers. La conception des pales en forme de demi-cylindres permet d'opérer seulement un quart de tour.

2. Générateurs avec rotor Daria

Ils ont deux ou trois lames. Facile à installer. Le design est simple et clair. Ils commencent à travailler à partir d'un démarrage manuel.

L’inconvénient est que les turbines ne sont pas très puissantes. De fortes vibrations provoquent un bruit fort. Ceci est facilité par un grand nombre de lames.

3. Rotor hélicoïdal

L'éolienne tourne uniformément grâce aux pales torsadées. Les roulements ne sont pas sujets à une usure rapide, ce qui prolonge considérablement leur durée de vie.

L'installation de l'unité prend du temps et se heurte à des difficultés de montage. Une technologie de fabrication complexe entraînait un prix élevé.

4. Rotor multipale

La conception à axe vertical avec un grand nombre de pales le rend sensible aux vents même très légers. L'efficacité de ces éoliennes est très élevée.

Il s'agit d'un convertisseur puissant. L'énergie éolienne est utilisée au maximum. C'est cher. Inconvénient : bruit de fond élevé. Peut produire une grande quantité de courant électrique.

5. Rotor orthogonal

Commence à générer de l'énergie à une vitesse de vent de 0,7 m/sec. Se compose d'un axe vertical et de lames. Ne fait pas beaucoup de bruit et a un design magnifique et inhabituel. La durée de vie est de plusieurs années.

Le poids important de la lame la rend encombrante, ce qui complique les travaux d'installation.

Les aspects positifs des éoliennes verticales :

L'utilisation de générateurs est possible même par vent faible.
Ils ne s'adaptent pas aux courants du vent, car ils ne dépendent pas de sa direction.
Ils sont installés sur un mât court, ce qui permet l'entretien des systèmes au sol.
Bruit dans les 30 dB.
Aspect varié et agréable.

Le principal défaut est que la force et l’énergie du vent ne sont pas pleinement utilisées en raison de la faible vitesse de rotation du rotor.

Éoliennes horizontales (girouette)

Diverses modifications d'installations horizontales comportent de une à trois pales ou plus. Par conséquent, l’efficacité est bien supérieure à celle des systèmes verticaux.

Les inconvénients des éoliennes sont la nécessité de les orienter dans la direction du vent. Un mouvement constant réduit la vitesse de rotation, ce qui réduit ses performances.

Monolame et double lame. Ils se distinguent par des régimes moteur élevés. Le poids et les dimensions de l'appareil sont petits, ce qui facilite l'installation.
Trois pales. Ils sont demandés sur le marché. Ils peuvent produire de l'énergie jusqu'à 7 mW.
Les unités multi-lames ont jusqu'à 50 lames. Ils ont une grande inertie. Les avantages du couple sont utilisés dans le fonctionnement des pompes à eau.

Des éoliennes de conception différente des éoliennes classiques apparaissent sur le marché moderne, par exemple il existe des éoliennes hybrides.

1. Une éolienne, construite comme un voilier

La structure en forme de disque, sous la pression de l'air, déplace les pistons qui activent le système hydraulique. En conséquence, l’énergie physique est transformée en énergie électrique.

L'appareil ne fait pas de bruit pendant le fonctionnement. Niveaux de puissance élevés. Facilement gérable.

2. Éolienne à ailes volantes

Utilisé sans mât, générateur, rotor et pales. En comparaison avec les structures classiques, qui fonctionnent à basse altitude avec une force de vent variable, et la construction de mâts hauts demande beaucoup de main d'œuvre et est coûteuse, «l'aile» ne pose pas de tels problèmes.

Il est lancé à une hauteur de 550 mètres. La production d'énergie électrique est de 1 MW par an. Le fabricant de « l’aile » est Makani Power.

Application des éoliennes

Les éoliennes sont utilisées dans l'industrie et dans la vie quotidienne.

Les éoliennes industrielles sont utilisées pour les besoins de production ou pour fournir de l'électricité aux petits villages en cas d'absence ou de pénurie d'électricité. Ils sont installés en grand nombre dans les zones désertiques ouvertes.

Les moulins à vent, pour la plupart simples, sont destinés à un usage domestique dans les chalets d'été. Pendant les périodes froides de l'hiver, pour économiser l'électricité, ils sont construits sur le territoire des immeubles résidentiels. Une simple éolienne produit de l’énergie en fonction du nombre de jours venteux.

Efficacité des éoliennes

Pour les éoliennes verticales et horizontales, l’efficacité est à peu près la même. Pour la verticale, il est de 20 à 30 %, pour l'horizontale de 25 à 35 %.

L'efficacité dépend du type d'éolienne et de la vitesse du vent

Certains fabricants augmentent l'efficacité des éoliennes verticales jusqu'à 15 % en remplaçant les roulements par des aimants permanents en néodyme. Mais une si légère augmentation de l'efficacité de seulement 3 à 5 % entraîne une augmentation significative du coût des structures.

Les deux types ne diffèrent pas en termes de durée de vie. En moyenne, la durée de production d'énergie est conçue pour 15 à 25 ans de service. L'ensemble de roulements et les pales s'usent le plus rapidement. Dont la durée de vie dépend de la qualité du service.

Coût des éoliennes

Les prix des éoliennes sont assez élevés. Ce sont des structures volumineuses fabriquées à partir de matériaux coûteux. Comprend des batteries, un contrôleur, un onduleur et un mât.

Le kit peut comprendre : 1 - l'éolienne elle-même, 2 - Mât, 3 - Fondation, 4 - Jeu de batteries, 5 - Onduleur, 6 - Contrôleur, ainsi que les fils, connecteurs, rack, générateur diesel et autres consommables nécessaires pour l'installation

Les caractéristiques techniques des éoliennes affectent également le coût.

Le plus simple est un générateur de faible puissance jusqu'à 300 watts. Produit de l'énergie avec une force de vent de 10 à 12 m/sec. Un ensemble d'éoliennes les plus simples avec seulement un contrôleur coûte 15 000 roubles. Lorsqu'il est équipé d'un onduleur, d'une batterie et d'un mât, le prix atteint 50 000 roubles.
Générateurs d'une puissance déclarée de 1 kW. Avec des vents faibles, ils produisent en moyenne de l'énergie de 30 à 100 kW par mois. Pour une grande maison à forte consommation électrique, il est recommandé d'utiliser en complément des unités diesel et essence. Ils rechargeront également les batteries les jours sans vent. Une telle éolienne coûte 150 000 roubles. Il atteint 300 à 400 000 roubles avec un ensemble plus complet.
La consommation électrique dans une grande maison avec jardin nécessitera une éolienne d'une capacité de 3 à 5 kW. Nombre suffisant de batteries, onduleur plus puissant, contrôleur, mât haut. Un ensemble coûte entre 300 000 et un million de roubles.

Si la maison était également chauffée par le vent, l'installation doit alors être sélectionnée avec une puissance de 10 kW. Et prenez soin des sources supplémentaires, telles que les panneaux solaires. Vous aurez peut-être également besoin d'un générateur de gaz. Tout dépend de la quantité d’énergie que vous devez garder en réserve en cas de journées sans vent et nuageuses.

Fabricants d'éoliennes

En raison de la demande croissante d'une méthode de production d'électricité respectueuse de l'environnement, des offres des principaux fabricants d'éoliennes apparaissent sur le marché. Vous pouvez toujours choisir la meilleure option.

Danemark « Vestas » avec une part de marché de 12,7 %
Chine « Snovel » – 9,0 %
Chine « Goldwind » – 8,7%
Espagne « Gamesa » – 8,0 %
Allemagne « Enercon » – 7,8 %
Inde « Suzlon » – 7,6 %
Chine Guodian United Power - 7,4%
Allemagne « Siemens » - 6,3%
Chine « Ming Yang » − 3,6 %

Les fabricants nationaux ont également établi la production d'éoliennes : dans la région de Moscou - Vetro Svet LLC, SKB Iskra LLC, Sapsan-Energia LLC, Agregat-Privod CJSC, à Saint-Pétersbourg - Wind Energy Company CJSC.

Règle de sélection

Choisir une éolienne n’est pas une question difficile si vous l’abordez de manière responsable. Mieux vaut à l'avance.

Calculez la quantité d'énergie nécessaire pour alimenter votre maison.
Découvrez la vitesse annuelle moyenne du vent, tenez compte de l'heure à laquelle l'éolienne sera inactive et à quelle heure elle peut fournir un volume suffisant. Le pouvoir doit être pris avec réserve. Calculez le nombre de batteries pour stocker l'énergie en cas de temps calme.
Tenir compte des caractéristiques climatiques du lieu de résidence. Dans le centre de la Russie, de fortes gelées surviennent pendant la majeure partie de l'hiver. L’installation d’éoliennes n’est pas justifiée.
La pluie et la neige réduisent la production d'énergie. Ce sont les inconvénients.
Faites attention au nombre de lames. Moins il y en a, plus l’efficacité est grande.
Déterminer l'intensité du bruit pendant le fonctionnement de l'installation.
Comparez les paramètres des éoliennes. Familiarisez-vous attentivement avec leurs caractéristiques techniques et comparatives.
Les commentaires des personnes qui utilisent déjà les systèmes vous aideront à choisir une éolienne.
Examinez les fabricants lors du choix d’un générateur.

Le vent et le soleil sont des sources d’énergie naturelles, respectueuses de l’environnement et sans déchets. À une époque où le potentiel des ressources naturelles s’épuise, la production d’éoliennes s’accélère.

Carte des vents russes pour sélectionner une éolienne

Les moulins à vent sont de plus en plus populaires parmi les gens ordinaires. Toutes les conditions sont réunies pour cela. Une variété d'éoliennes et la disponibilité d'informations thématiques pour vous aider à choisir.

La croissance de la production d'énergie grâce à l'utilisation de ressources naturelles non renouvelables est limitée par le seuil au-delà duquel il y a production complète de matières premières. Les énergies alternatives, notamment la production d’énergie éolienne, réduiront la charge sur l’environnement.

Le mouvement de toute masse, y compris l'air, génère de l'énergie. Une éolienne convertit l'énergie cinétique du flux d'air en énergie mécanique. Ce dispositif est à la base de l'énergie éolienne, une direction alternative dans l'utilisation des ressources naturelles.

Efficacité

Il est assez simple d'évaluer l'efficacité énergétique d'une unité d'un certain type et d'une certaine conception et de la comparer avec les performances de moteurs similaires. Il est nécessaire de déterminer le facteur d'utilisation de l'énergie éolienne (WEF). Il est calculé comme le rapport entre la puissance reçue au niveau de l’arbre de l’éolienne et la puissance du flux de vent agissant sur la surface de la roue éolienne.

Le taux d'utilisation de l'énergie éolienne pour diverses installations varie de 5 à 40 %. L'évaluation sera incomplète sans prendre en compte les coûts de conception et de construction de l'installation, la quantité et le coût de l'électricité produite. Dans le domaine des énergies alternatives, le délai de récupération des coûts des éoliennes est un facteur important, mais il faut également tenir compte de l'impact environnemental qui en résulte.

Classification

Les éoliennes sont divisées en deux classes basées sur les principes d'utilisation de l'énergie générée :
linéaire;
cyclique.

Type linéaire

Une éolienne linéaire ou mobile convertit l'énergie du flux d'air en énergie mécanique de mouvement. Cela pourrait être une voile ou une aile. D'un point de vue technique, il ne s'agit pas d'une éolienne, mais d'un dispositif de propulsion.

Type cyclique

Dans les moteurs cycliques, le boîtier lui-même est fixe. Le flux d'air tourne, effectuant des mouvements cycliques, ses parties actives. L’énergie mécanique de rotation est la plus adaptée à la production d’électricité, une forme d’énergie universelle. Les moteurs éoliens cycliques comprennent des roues éoliennes. Les éoliennes, des anciens moulins à vent aux centrales éoliennes modernes, se distinguent par leurs solutions de conception et par l'utilisation complète de la puissance du flux d'air. Les appareils sont divisés en haute vitesse et basse vitesse, ainsi que selon la direction horizontale ou verticale de l'axe de rotation du rotor.

Horizontal

Les éoliennes à axe de rotation horizontal sont appelées moteurs à palettes. Plusieurs pales (ailes) et un volant d'inertie sont fixés à l'arbre du rotor. L'arbre lui-même est situé horizontalement. Les principaux éléments de l'appareil : éolienne, tête, queue et tour. La roue éolienne est montée dans une tête tournant autour d'un axe vertical, dans laquelle est monté l'arbre du moteur et où se trouvent les mécanismes de transmission. La queue joue le rôle d'une girouette, tournant la tête avec la roue à vent dans le sens inverse du vent.

À des vitesses d'écoulement d'air élevées (15 m/s et plus), l'utilisation d'éoliennes horizontales à grande vitesse est rationnelle. Les unités à deux et trois lames des principaux fabricants fournissent un KIEV de 30 %. Une éolienne fabriquée maison a un taux d'utilisation du débit d'air allant jusqu'à 20 %. L'efficacité de l'appareil dépend d'un calcul minutieux et de la qualité de fabrication des pales.

Les éoliennes à palettes et les éoliennes offrent une vitesse de rotation de l'arbre élevée, ce qui permet de transférer la puissance directement à l'arbre du générateur. Un inconvénient majeur est que par vent faible, ces éoliennes ne fonctionneront pas du tout. Il y a des problèmes de démarrage lors du passage d'un vent calme à un vent fort.

Les moteurs horizontaux à basse vitesse ont un plus grand nombre de pales. La zone d'interaction importante avec le flux d'air les rend plus efficaces par vent faible. Mais les installations présentent un vent important, ce qui nécessite de prendre des mesures pour les protéger des rafales de vent. Le meilleur indicateur de KIEV est de 15 %. De telles installations ne sont pas utilisées à l'échelle industrielle.

Type de carrousel vertical

Dans de tels appareils, des pales sont installées sur l'axe vertical de la roue (rotor) pour recevoir le flux d'air. Le boîtier et le système d'amortisseur garantissent que le flux de vent frappe la moitié de la roue éolienne et que le moment d'application des forces qui en résulte assure la rotation du rotor.

Par rapport aux unités à palettes, une éolienne rotative génère plus de couple. À mesure que la vitesse du flux d'air augmente, il atteint plus rapidement le mode de fonctionnement (en termes de force de traction) et se stabilise en termes de vitesse de rotation. Mais ces unités évoluent lentement. Pour convertir la rotation de l'arbre en énergie électrique, un générateur spécial (multipolaire) capable de fonctionner à basse vitesse est nécessaire. Les générateurs de ce type ne sont pas très courants. L'utilisation de systèmes de boîtes de vitesses est limitée par leur faible rendement.

Une éolienne à carrousel est plus facile à exploiter. La conception elle-même permet un contrôle automatique de la vitesse du rotor et vous permet de surveiller la direction du vent.

Verticale : orthogonale

Pour la production d’énergie à grande échelle, les éoliennes orthogonales et les éoliennes sont les plus prometteuses. La plage d'utilisation de ces unités, en termes de vitesse du vent, est de 5 à 16 m/s. La puissance qu'ils génèrent a été augmentée à 50 000 kW. Le profil d’une pale orthogonale est similaire à celui des ailes d’un avion. Pour que l'aile commence à fonctionner, vous devez lui appliquer un flux d'air, comme lors du décollage d'un avion. L’éolienne doit également être mise en marche en premier, ce qui dépense de l’énergie. Une fois cette condition remplie, l’installation passe en mode générateur.

conclusions

L'énergie éolienne est l'une des sources d'énergie renouvelables les plus prometteuses. L'expérience de l'utilisation industrielle des éoliennes et des éoliennes montre que l'efficacité dépend de l'emplacement des éoliennes dans des endroits où les flux d'air sont favorables. L'utilisation de matériaux modernes dans la conception des unités, l'utilisation de nouveaux systèmes de production et de stockage d'électricité amélioreront encore la fiabilité et l'efficacité énergétique des éoliennes.