Systèmes d'éoliennes modernes. Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique

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Actuellement, il existe de nombreux systèmes d’éoliennes, à axe de rotation horizontal et vertical. Ils diffèrent les uns des autres non seulement par leur apparence et leur appareil, mais également par leurs capacités techniques, en fonction de l'usage pour lequel 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. L'éolienne dite rotative est également connue (Fig. 23). Ses pales tournent, comme une éolienne à carrousel, dans un plan horizontal et mettent en mouvement un arbre vertical.

Fig.23. Éolienne rotative

Les éoliennes à palettes sont désormais largement utilisées, 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.

Fig.24. Schéma d'une éolienne à palettes

Pour faire tourner la tête et l'éolienne face au vent, les éoliennes ont un support et les petites éoliennes modernes ont une queue avec un plumage vertical à l'extrémité. Dans les grandes éoliennes à palettes, il existe d'autres mécanismes plus complexes permettant de régler automatiquement la roue éolienne dans le sens du vent. Pour garantir que la vitesse de rotation de l'éolienne ne dépasse pas la limite, il existe un dispositif spécial de régulation automatique du nombre de tours.

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

Selon la disposition des éoliennes, les éoliennes à palettes modernes sont divisées en éoliennes à grande vitesse et à faible vitesse.

Dans une éolienne à faible vitesse, la roue éolienne est constituée d'un grand nombre de pales (Fig. 25). Il bouge facilement. Pour cette raison, 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.

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

Les éoliennes à vitesse lente 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 multicouches 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 de grandes tailles de telles roues, il est difficile de créer la stabilité nécessaire, en particulier à des vitesses de vent élevées. 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).

Fig.27. Éolienne 1-D-18 d'une capacité 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 avec un vent variable de n'importe quelle 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 éoliennes à grande vitesse sont utilisées 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, rotatives et à tambour, pendant le fonctionnement, se déplacent le long du flux d'air et la vitesse de l'une de leurs pointes 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 girouettes tournent dans le sens du vent et, par conséquent, la vitesse de déplacement des extrémités de leurs ailes atteint des valeurs élevées. Cela peut être plusieurs fois la vitesse du flux d’air. Plus les pales sont petites et meilleur est leur profil, moins la roue éolienne subit de résistance. Donc plus ça tourne vite. Les meilleurs échantillons d'éoliennes à palettes modernes ont une vitesse normale, atteignant neuf unités. La plupart des éoliennes fabriquées en usine ont une vitesse égale à 5 à 7 unités. A titre de comparaison, notons que même les meilleurs moulins paysans avaient une vitesse égale à seulement 2-3 unités (et en ce sens ils sont plus avancés que les éoliennes rotatives, rotatives et à tambour).

Avec une augmentation du nombre de pales sur la roue éolienne, sa capacité à démarrer à faible vitesse de vent augmente. Par conséquent, les éoliennes à turbines 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 %. XNUMX mètres par seconde.

Fig.20. Moulin à portique

Les éoliennes à grande vitesse dotées d'un petit nombre de pales commencent à se déplacer à des vitesses de vent comprises entre 4,5 et 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 soudoyent 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 défauts les rendent difficiles à utiliser même avec des machines courantes et simples telles que les pompes à piston et les meuleuses.

Les éoliennes équipées de récepteurs d'énergie éolienne de type rotatif 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 rotatives ne sont actuellement utilisées que sous la forme de petites installations artisanales d'une capacité allant jusqu'à 0,5 cheval-vapeur. Par exemple, ils sont utilisés pour piloter divers dispositifs de ventilation dans les bâtiments d'élevage, les forges et autres locaux industriels agricoles.

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 de l’éolienne dépend également de la taille du récepteur d’énergie éolienne. Dans ce cas, elle est proportionnelle à la surface couverte par les pales de l’éolienne ou du rotor. Par exemple, dans les éoliennes à palettes, la surface balayée par les pales sera l'aire d'un cercle qui décrit l'extrémité de la pale en un tour complet. Dans les éoliennes à tambour, à carrousel et rotatives, la surface balayée par les pales est 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. Kh. Sabinin, sur la base de calculs, a découvert que même une éolienne idéale a un facteur d'utilisation de l'énergie éolienne de seulement 0,687.

Pourquoi ce coefficient ne peut-il pas être égal ou même proche de l'unité ?

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

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

Les éoliennes à tambour, à carrousel et rotatives dotées des pales les plus 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 est compris entre 0,30 et 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 des éoliennes modernes est comprise entre 0,8 et 0,9.

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

Auteur : Karmishin A.V.

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