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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Types de centrales éoliennes. Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Sources d'énergie alternatives Il existe de nombreuses centrales éoliennes (WPP) différentes, mais toutes peuvent être divisées en deux types : avec un axe de rotation horizontal et vertical. Les premiers ont une conception complexe, mais ont une plus grande efficacité d'utilisation de l'énergie éolienne, ils sont donc plus souvent utilisés dans l'industrie. Les seconds sont de conception plus simple, mais moins productifs. On les trouve rarement sur le marché et sont généralement utilisés dans les habitations privées. Roues éoliennes horizontales (à girouettes) Les éoliennes dotées d'éoliennes ailées et d'un axe de rotation horizontal se sont généralisées (Fig. 1). Parmi elles, les éoliennes à deux et trois pales ont reçu le plus grand développement. Horizontal (à palettes ; WES - mécanismes à pales avec un axe de rotation horizontal. La vitesse de rotation et la facilité de fabrication ont conduit à l'utilisation généralisée des éoliennes à palettes dans l'industrie. Pour assurer une vitesse de rotation maximale, les pales d'une éolienne à palettes doivent être positionné verticalement - perpendiculairement au flux d'air. Pour y parvenir, un dispositif spécial est utilisé - un stabilisateur. Les parcs éoliens horizontaux peuvent être directement connectés au générateur sans multiplicateurs. Les éoliennes à palettes ont un coefficient d'utilisation de l'énergie éolienne beaucoup plus élevé. Dans le même temps, leur vitesse de rotation est inversement proportionnelle au nombre d'ailes. En d'autres termes, moins il y a de pales, plus la vitesse de rotation est élevée. Par conséquent, les installations à plus de trois pales ne sont pratiquement pas utilisées. Le moment de rotation de la roue éolienne est créé par la force de levage générée lorsque le flux d'air circule autour du profil des pales. En conséquence, l’énergie cinétique du flux d’air dans la zone balayée par les pales est convertie en énergie mécanique de rotation de la roue éolienne. La puissance développée au niveau de l'axe de l'éolienne est proportionnelle au carré de son diamètre et au cube de la vitesse du vent. Selon la théorie classique de N. E. Zhukovsky, pour une éolienne idéale, le coefficient d'utilisation de l'énergie éolienne est ξ=0,593. Autrement dit, une éolienne idéale (avec un nombre infini de pales) peut extraire 59,3 % de l’énergie passant par sa section transversale. En réalité, dans la pratique, pour les meilleures roues à grande vitesse, la valeur maximale du coefficient d'utilisation de l'énergie éolienne atteint 0,45-0,48, et pour les roues à basse vitesse, jusqu'à 0,36-0,38. Une caractéristique importante d’une éolienne est sa vitesse, qui est le rapport entre la vitesse de la pointe de la pale et la vitesse du vent. La pointe de la pale se déplace généralement dans le plan de la roue éolienne à une vitesse plusieurs fois supérieure à la vitesse du vent. Les valeurs de vitesse optimales pour une roue à deux pales sont de 5 à 7, pour une roue à trois pales - 4-5, pour une roue à six pales - de 2,5 à 3,5. Parmi les caractéristiques de conception, la puissance d’une éolienne est principalement influencée par son diamètre, ainsi que par la forme et le profil des pales. La puissance dépend peu du nombre de pales. La fréquence de rotation de la roue éolienne est proportionnelle à la vitesse et à la vitesse de la roue éolienne et inversement proportionnelle au diamètre. La quantité de puissance est également affectée par la hauteur du centre de la roue, puisque la vitesse du vent dépend de la hauteur. La puissance d’une éolienne, comme indiqué, est proportionnelle à la vitesse du vent à la troisième puissance. Aux vitesses de vent nominales et plus, l’éolienne fonctionne à sa puissance nominale. À des vitesses de vent inférieures à la puissance nominale d'une éolienne, celle-ci peut atteindre 20 à 30 % de la puissance nominale ou moins. Dans de tels modes de fonctionnement, d'importantes pertes d'énergie se produisent dans les générateurs en raison de leur faible rendement à faibles charges, et dans les générateurs asynchrones, de plus, des courants réactifs importants apparaissent qui doivent être compensés. Pour éliminer cet inconvénient, certaines éoliennes utilisent des générateurs d'une puissance nominale de 100 et 20 à 30 % de la puissance nominale de l'éolienne. Par vent faible, le générateur est d'abord éteint. Dans certaines éoliennes, un petit générateur permet également de faire fonctionner l'installation à faible vitesse de vent à basse vitesse avec un coefficient d'utilisation de l'énergie éolienne élevé. Installation de la roue éolienne « vers le vent", c'est-à-dire perpendiculairement à la direction du vent, est réalisé dans les unités de très faible puissance à l'aide d'une queue (queue), dans les unités de petite et moyenne puissance - grâce au mécanisme de la rose des vents et dans les grandes installations modernes - avec un système d'orientation spécial qui reçoit l'impulsion de commande de l'émetteur de direction du vent (girouette), installé au sommet de la nacelle de l'éolienne. Le mécanisme de la rose des vents se compose d'une ou deux petites roues éoliennes, dont le plan de rotation est perpendiculaire au plan de rotation de la roue principale, travaillant pour entraîner une vis sans fin qui fait tourner la plate-forme de la tête de l'éolienne jusqu'à ce que jusqu'à ce que les roses des vents se trouvent dans un plan parallèle à la direction du vent. Une éolienne ailée avec un axe de rotation horizontal peut être située devant et derrière la tour. Dans ce dernier cas, la pale est soumise à une exposition constante et répétée à des forces alternées lors de son passage dans l'ombre de la tour, ce qui augmente en même temps considérablement le niveau sonore. Pour réguler la puissance et limiter la vitesse de rotation d'une éolienne, un certain nombre de méthodes sont utilisées, notamment la rotation des pales ou de parties de celles-ci autour de leur axe longitudinal, ainsi que des volets, des valves sur les pales et d'autres méthodes. Les principaux avantages des éoliennes avec un axe de rotation horizontal de la roue éolienne sont que les conditions de circulation de l'air autour des pales sont constantes et ne changent pas lorsque la roue éolienne tourne, mais sont déterminées uniquement par la vitesse du vent. Grâce à cela, ainsi qu'à un facteur d'utilisation de l'énergie éolienne assez élevé. Les éoliennes à palettes sont actuellement les plus répandues. Éoliennes verticales (rotor) Un autre type d'éolienne est le rotor Savonius (Fig. 2). Le couple se produit lorsque l'air circule autour du rotor en raison de la résistance différente des parties convexes et concaves du rotor. La roue est simple, mais a un facteur d'utilisation de l'énergie éolienne très faible - seulement 0,10-0,15. Ces dernières années, plusieurs pays étrangers, notamment le Canada, ont commencé à développer une éolienne à rotor Darrieus, proposée en France en 1920. Ce rotor a un axe de rotation vertical et est constitué de deux à quatre pales courbes. Les lames forment une structure spatiale qui fait tourner le sol sous l'action des forces de levage. résultant du vent sur les pales. Dans le rotor Darrieus, le coefficient d'utilisation de l'énergie éolienne atteint des valeurs de 0,30 à 0,35. Récemment, des développements ont été réalisés sur un moteur rotatif Darrieus à pales droites. Le principal avantage des éoliennes Darrieus est qu’elles ne nécessitent pas de mécanisme d’orientation du vent. Leur générateur et autres mécanismes sont situés à faible hauteur près de la base. Tout cela simplifie considérablement la conception. Cependant, un inconvénient organique sérieux de ces éoliennes est un changement important des conditions d'écoulement autour de l'aile lors d'une rotation du rotor, qui se répète cycliquement pendant le fonctionnement. Ceci peut provoquer des phénomènes de fatigue et conduire à la destruction d'éléments du rotor et à des accidents graves, dont il faut tenir compte lors de la conception du rotor (notamment avec des puissances éoliennes élevées). De plus, ils doivent être détordus pour commencer à fonctionner. Les parcs éoliens verticaux (carrousel, rotatif) sont des mécanismes à pales avec un axe de rotation vertical. Ils fonctionnent à des vitesses de vent faibles, mais ont un faible rendement. Par conséquent, ils sont assez rares et sont généralement utilisés dans les systèmes domestiques. En même temps, contrairement aux horizontaux, ils peuvent travailler dans n'importe quelle direction du vent sans changer de position. L'installation elle-même surveille « où souffle le vent », elle ne nécessite donc aucun dispositif supplémentaire. Les éoliennes rotatives sont à faible vitesse, ce qui leur permet d'utiliser des circuits électriques simples pour l'extraction d'énergie, notamment des générateurs asynchrones. Dans le même temps, la faible vitesse limite l'utilisation de centrales éoliennes verticales, car elle oblige à utiliser des réducteurs élévateurs - des multiplicateurs, qui ont un très faible rendement. Sans multiplicateur, il est problématique de faire fonctionner une telle usine.
Dépendances du facteur d'utilisation de l'énergie éolienne ξet la vitesse Z pour différents types d'éoliennes sont illustrées à la figure 3. On voit que les roues à deux et trois pales avec un axe de rotation horizontal ont la valeur de E la plus élevée. Élevé pour eux ξ est maintenue sur une large plage de vitesse Z. Cette dernière est importante, car les éoliennes doivent fonctionner à des vitesses de vent qui varient sur une large plage. C'est pourquoi les installations de ce type se sont répandues ces dernières années.
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