Informations générales sur l’énergie éolienne

L’énergie éolienne est une forme indirecte de l’énergie solaire. Les différences dans l’intensité du rayonnement solaire et les propriétés de la surface de la terre entraînent des températures de surface et de l’air différentes. Il en résulte des différences de pression atmosphérique et des courants compensatoires (vent). L’énergie de ces masses d’air en mouvement peut être utilisée par les éoliennes.
Les éoliennes utilisent une partie de l’énergie cinétique du vent, c’est-à-dire l’énergie cinétique de la masse d’air. L’énergie cinétique est essentiellement calculée par la masse et la vitesse du corps considéré :

E_kin = mv² / 2 ………. énergie cinétique

Le fait qu’une partie de l’énergie cinétique contenue dans le vent soit utilisée par l’éolienne réduit la vitesse du flux d’air.

En plus de la vitesse, la masse de l’air est également importante, en particulier le débit massique qui traverse une certaine zone (rotor) par temps, le débit massique : le débit massique est la masse d’air passant par une certaine zone par unité de temps. Selon les lois (masse = masse volumique * volume, c’est-à-dire masse = masse * surface * hauteur (longueur), m = Rho * V ou m = Rho * A * h), le débit massique donne :

Débit massique = Masse volumique * Aire * Vitesse ( = Rho * A * v)

Il s’agit de la même taille à l’avant et à l’arrière d’une éolienne, la vitesse plus faible après l’éolienne étant compensée par une plus grande surface à travers laquelle le vent circule.

Si, dans la formule de l’énergie cinétique mentionnée précédemment, le flux massique est maintenant utilisé à la place de la masse, la puissance contenue dans le vent est obtenue :

P = 1/2 * Rho * A * v³ ….. La puissance contenue dans le vent

La vitesse du vent dominant est donc d’une importance décisive, car sa valeur est incluse dans la puissance éolienne avec la puissance 3.
À titre d’exemple : une tempête semblable à un ouragan avec une vitesse de vent de 30 m/s entraîne une puissance éolienne (densité de puissance) de 16605 W/m² ( !), tandis qu’à des vitesses de 5 m/s, il y a 77 W/m², à 1 m/s 0,6 W/m² (avec une densité d’air de 1,23 kg/m³).

Cependant, il n’est pas possible d’utiliser pleinement cette puissance contenue dans le vent. Le rapport entre la puissance prélevée sur le vent et la puissance contenue dans le vent s’appelle le coefficient de puissance cp :

Coefficient de puissance cp = puissance tirée du vent / puissance contenue dans le vent = P / PW

Les meilleures conditions se produisent lorsque l’éolienne réduit la vitesse du vent à un tiers de sa valeur initiale. Dans ce cas, il serait théoriquement possible d’utiliser un peu moins de 60 % (16/27 = 0,593) de l’énergie éolienne. Ce coefficient de puissance théoriquement maximal est également appelé coefficient de puissance de Betz (selon Albert Betz).

Emplacements pour les éoliennes

En fonction du type, du rendement énergétique prévu et de l’utilisation prévue de l’éolienne, une alimentation en vent suffisante sur le site d’installation est une condition préalable. Les emplacements possibles pour la construction d’éoliennes par des particuliers sont bien sûr très liés aux conditions (locales) respectives. Afin de vérifier dans quelle mesure les emplacements possibles sont appropriés, les points suivants sont utiles :

Vitesse moyenne du vent

On peut le trouver dans les registres météorologiques. Il représente les valeurs moyennes annuelles de la vitesse du vent. Ces mesures sont généralement effectuées à une hauteur de 10 mètres. Cependant, ces valeurs n’ont qu’une signification limitée, car les conditions de vent qui se produisent dans chaque cas peuvent varier considérablement avec les mêmes valeurs moyennes.

Distribution de fréquence relative

Les vitesses du vent sont attribuées à des classes de vitesse individuelles (par exemple 0-1, 1-2, 2-3,… m/s). La fréquence relative de chaque classe est donnée. Cela permet de voir quelles vitesses peuvent être calculées en priorité, de sorte que ces valeurs sont plus significatives que la simple surveillance de la vitesse moyenne du vent.

Direction du vent dominant (principal)

Ceci est important pour faciliter l’orientation de l’éolienne face à divers obstacles tels que les bâtiments. Dans la direction du vent principal, l’éolienne doit être lancée aussi facilement que possible.

Rugosité du sol

Cela a une influence décisive sur le type d’écoulement (laminaire ou turbulent) et sur le profil de vitesse (course de la vitesse du vent en fonction de l’altitude au-dessus de la surface de la terre). Les obstacles réduisent la vitesse du vent, de sorte que le convertisseur de vent doit être installé à une altitude plus élevée. De plus, ils génèrent des conditions d’écoulement turbulentes qui ne sont pas adaptées à l’éolienne (il faut veiller à ce qu’une orientation ou une distance par rapport aux obstacles soit appropriée).

Utilisation prévue de l’énergie éolienne

En fonction du degré de dépendance à l’énergie de l’éolienne, divers obstacles à l’écoulement dans la zone environnante, par exemple, doivent être compensés par des hauteurs de mât appropriées. La mesure dans laquelle ces hauteurs de mât sont autorisées ou soumises à une approbation à l’endroit concerné doit être clarifiée.

Répartition de l’approvisionnement éolien au cours de l’année

En fonction du temps nécessaire à l’énergie, la répartition annuelle de l’approvisionnement en vent doit être prise en compte ou contrôlée. Habituellement, l’apport éolien est plus important en période de moindre rayonnement, ce qui permet, par exemple, de le combiner avec l’utilisation directe de l’énergie solaire (photovoltaïque, énergie solaire thermique).

Structure et composants

Rotor

La force de flottabilité générée par les pales du rotor (dans le cas des rotors à résistance, la force de traînée) fait tourner le rotor. Les pales du rotor sont montées sur le moyeu du rotor, qui se trouve sur l’arbre du rotor. Le mouvement de rotation est transmis à la boîte de vitesses via cet arbre de rotor.

Transmission

La boîte de vitesses est utilisée pour adapter la vitesse inférieure du rotor à la vitesse plus élevée requise pour le générateur.
Les systèmes plus petits (chargeurs de batterie) fonctionnent parfois sans boîte de vitesses. Cela est possible grâce à la vitesse relativement élevée du rotor et à l’utilisation de générateurs avec un grand nombre de pôles (par exemple, des générateurs à aimants permanents à 12 pôles).

Générateur

Le générateur convertit l’énergie mécanique en énergie électrique. Dans la plupart des cas, des générateurs triphasés sont utilisés (générateurs asynchrones ou synchrones).

Gondole

La nacelle (nacelle) est la construction enveloppante qui est montée sur le mât et contient des composants tels que le générateur et la boîte de vitesses.

Contrôle

D’une part, le système de contrôle est le dispositif de suivi du vent, et d’autre part, le dispositif de sécurité en cas de vitesses de vent excessives (protection contre les tempêtes). Le suivi du vent est utilisé pour aligner le rotor exactement en fonction de la direction du vent dominant. Dans le cas des petites éoliennes, cela peut se faire sous la forme d’un drapeau de contrôle (girouette), dans le cas des éoliennes plus grandes, via un système de mesure du vent séparé et des moteurs électriques.
La protection contre les tempêtes sert à protéger l’éolienne. Si la vitesse du vent est trop élevée, le rotor est « tourné à l’abri du vent ». Dans le cas des turbines simples, par exemple au moyen d’un drapeau latéral, dans les turbines modernes et grandes, dans certains cas également en ajustant les pales du rotor (frein aérodynamique). Cela modifie les conditions d’écoulement et les forces qui en résultent.

Frein

Frein aérodynamique (réglage de la lame) ou frein mécanique, par exemple sous la forme d’un frein à disque.

Attitude

Le palier azimutal (palier de support) permet la rotation du convertisseur de vent pour le suivi du vent, tandis que les paliers du rotor (paliers de l’arbre principal) accueillent l’arbre du rotor.

Embrayage

Utilisé pour coupler/découpler le générateur de la boîte de vitesses.

Mât

Transporte tous les composants et soulève le rotor à une hauteur adaptée à l’environnement et aux conditions de vent.

Concepts d’installation et applications possibles

Éoliennes en fonctionnement insulaire

Sans raccordement au réseau, l’énergie fournie par l’éolienne doit être stockée. Afin de stocker l’énergie électrique fournie par le générateur, cette tension alternative est convertie en une tension continue et un accumulateur (batterie) est chargé avec le courant approprié. Cette tâche est effectuée par un contrôleur de charge. Il garantit qu’un courant de charge approprié circule en fonction du type et de la taille de la batterie et de la prise en compte de son état de charge actuel. En plus de cette fonction de la charge, y compris la protection contre les surcharges, certains contrôleurs de charge prennent également en charge la tâche de protection contre les décharges profondes. Cette caractéristique augmente la durée de vie de l’accumulateur, car la plupart des types d’accumulateurs ne peuvent pas résister à des décharges excessives répétées. Si la charge tombe en dessous d’une certaine valeur, les consommateurs sont déconnectés de l’alimentation électrique. Dans certains cas, il est également possible de diviser les consommateurs en fonction de leur importance. Ce circuit prioritaire n’éteint les consommateurs « plus importants » que plus tard.

Lors du dimensionnement de l’éolienne, du régulateur de charge et de la batterie, il est important de s’assurer qu’ils sont coordonnés les uns avec les autres. De plus, l’ensemble de la conception de ces composants doit bien sûr être choisi en fonction de la demande en énergie (également décomposée en fonction de la saison) et de l’approvisionnement éolien attendu. En particulier, la puissance du générateur à la force de vent principalement attendue doit être prise en compte (à voir d’après les caractéristiques de performance, celle-ci sera inférieure à la puissance nominale du générateur, en particulier dans les petites turbines !) et en outre, les périodes de calme doivent être comblées. Ce pont (plus court) d’un manque d’alimentation éolienne peut être réalisé par des réserves de stockage suffisantes (y compris la prise en compte de l’efficacité du processus de charge et de l’autodécharge qui a lieu). La combinaison avec une installation photovoltaïque (générateur solaire) est également judicieuse. Étant donné que l’apport éolien varie au cours de l’année (il est généralement plus faible au semestre d’été) et que l’énergie éolienne et l’énergie rayonnante se complètent bien, cette combinaison est une bonne idée. Des régulateurs de charge avec entrées pour éolienne et générateur solaire sont également disponibles.

Outre le stockage de l’énergie électrique, d’autres variantes sont également envisageables, en fonction de l’utilisation ultérieure de l’énergie éolienne reçue. Étant donné que l’énergie électrique fournie par l’éolienne varie considérablement en termes de tension, de puissance et de fréquence, elle ne peut pas être utilisée directement pour la plupart des appareils électriques sans réglementation préalable. Les résistances chauffantes sont plutôt peu exigeantes à cet égard, un système de contrôle très simple (réglage de la charge en fonction de la puissance actuelle du générateur) suffit. Si l’éolienne, qui a peut-être été construite par l’utilisateur, est dimensionnée de manière appropriée, ce serait l’une des rares exceptions où l’utilisation de l’électricité à des fins de chauffage semble avoir un sens. Le stockage de l’énergie résiderait, par exemple, dans le cas de l’utilisation de cartouches chauffantes pour un réservoir d’eau, dans le contenu calorifique de l’eau de stockage. L’offre et la demande d’énergie correspondraient bien.
Une autre variante serait celle dans laquelle l’énergie éolienne est utilisée pour pomper l’eau. Si un réservoir de taille suffisante est rempli d’eau et que l’eau en est prélevée, avec une réserve pour les jours avec moins de vent, ce réservoir d’eau représente le réservoir. L’eau pourrait éventuellement être pompée par une pompe à entraînement mécanique (via une tige), ou par une pompe électrique dont la plage de tension (large) couvre les tensions que l’on peut attendre du générateur.

Éoliennes connectées au réseau (avec consommateurs allumés)

Ceux-ci fournissent de l’énergie à leurs consommateurs et fournissent d’éventuels excédents au réseau. Pour alimenter le réseau, un équipement approprié est nécessaire pour ajuster la tension, la fréquence et la position de la phase (onduleur de réseau Windy Boy). Lorsque l’éolienne n’a pas assez de puissance, l’énergie nécessaire est prélevée sur le réseau, il n’est donc pas nécessaire de stocker l’énergie électrique vous-même. Les compteurs d’énergie équilibrent l’énergie injectée et retirée du réseau.