Comment utiliser l’énergie du vent
Sommaire
L’énergie du vent
Introduction
Les moulins à vent ont été utilisés pendant de nombreux siècles pour le pompage de l'eau et la mouture de céréales. La découverte du moteur à combustion interne et le développement des réseaux électriques ont causé la disparition de nombreux moulins dans la première partie de ce siècle. Cependant, ces dernières années il y a eu un regain d'intérêt pour l'énergie éolienne et des tentatives sont en cours partout dans le monde pour introduire des systèmes rentables de conversion de l'énergie éolienne pour cette source d'énergie renouvelable et respectueuse de l'environnement.
Dans les pays en développement, l'énergie éolienne peut jouer un rôle utile pour l'approvisionnement en eau, l'irrigation (pompes éoliennes) et la production d'électricité (éoliennes). Ces deux variantes de la technologie éolienne sont détaillées dans les fiches techniques séparées. Cette fiche donne un aperçu général de la ressource et de la technologie d'extraction de l'énergie du vent.
L'énergie disponible dans le vent
La puissance du vent est proportionnelle au cube de la vitesse du vent. La formule générale de l'énergie éolienne est la suivante :
La ressource éolienne
Malheureusement, la disponibilité générale et la fiabilité des données du vent sont extrêmement pauvres dans de nombreuses régions du monde. La plupart des régions semblent avoir une moyenne annuelle inférieure à 3m / s, et ne sont pas adaptées pour les systèmes d'énergie éolienne, et les zones presque aussi grande ont une vitesse du vent dans la gamme intermédiaire (3-4.5m / s) où l'énergie éolienne peut être une option intéressante. En outre, les superficies importantes ont une moyenne annuelle dépassant une vitesse du vent de 4.5m / s où l'énergie éolienne serait très certainement économiquement compétitive.
Principes de conversion de l'énergie éolienne
Il existe deux principaux principes physiques par lesquels l'énergie peut être extraite du vent ; soit par la création de la force de tirage ou de levage (ou par une combinaison des deux). La différence entre le tirage et le levage est illustré (voir figure 1) par la différence entre l'utilisation d'un voile spi, qui se remplit comme un parachute et tire un bateau à voile avec le vent, et une voile triangulaire familière qui dévie avec le vent et permet à un voilier de voyager à travers le vent ou un peu dans le vent. Les forces de tirage fournissent les moyens les plus évidents de la propulsion, ces forces étant ressenties par une personne (ou un objet) exposé au vent. Les forces de levage sont les moyens les plus efficaces de propulsion, mais étant plus subtile que les forces de traînée sont pas aussi bien compris.
Les caractéristiques de base qui caractérisent le levage et le tirage sont :
• le tirage est dans la direction du flux d'air
• le levage est perpendiculaire à la direction du flux d'air, la génération de levage provoque toujours une certaine quantité de tirage pour être développé
• avec une bonne aérodynamique, le levage produit peut être plus de trente fois plus grande que le tirage
• les appareils de levage sont généralement plus efficaces que les appareils de tirage
Figure 2: profil aérodynamique
Types et caractéristiques des rotors d'éoliennes=
Il y a deux grandes familles d'éoliennes: les machines à axe vertical et les machines axe horizontal. Celles-ci peuvent aussi être utilisées par levage et par tirage pour exploiter le vent. Parmi ces types l'appareil de levage celui à axe horizontal représente la grande majorité des machines à vent à succès, anciens ou modernes. En fait à part quelques machines expérimentales, pratiquement tous les moulins à vent entrent dans cette catégorie.
Il y a plusieurs paramètres techniques qui sont utilisés pour caractériser les rotors d'éoliennes. Le rapport de pointe de vitesse est défini comme le rapport de la vitesse des extrémités d'un rotor d'éoliennes à la vitesse du vent libre. Il s'agit d'une mesure du rapport d'embrayage du rotor. La vitesse des appareils de tirage doit toujours être à une vitesse inférieure à la pointe de vitesse et donc tourner lentement, alors que les appareils de levage peuvent avoir une haute pointe de vitesse élevée et donc tourner rapidement par rapport au vent.
La proportion de la puissance dans le vent que le rotor peut extraire est appelée le coefficient de performance (ou coefficient de puissance ou d'efficacité; symbole Cp) et sa variation en fonction du rapport de la pointe de vitesse est couramment utilisée pour caractériser les différents types de rotor. Il est physiquement impossible d'extraire toute l'énergie du vent, sans apporter de l'air derrière le rotor à l'arrêt. Par conséquent, il y a une valeur maximale de Cp de 59,3% (connu comme la limite de Betz), bien qu'en pratique les rotors de vent réel ont des valeurs de Cp maximale dans la plage de 25% -45%.
La solidité est généralement définie comme le pourcentage de la circonférence du rotor qui contient du matériel plutôt que de l'air. Haute-la solidité des machines transporter beaucoup de matériel et ont des angles de lame grossière. Ils génèrent beaucoup plus élevé que le couple de démarrage faible solidité des machines, mais sont intrinsèquement moins efficace que la solidité des machines à faible comme le montre la figure 4. Les matériaux supplémentaires coûtent aussi plus d'argent. Cependant, peu de solidité des machines doivent être faites avec plus de précision ce qui conduit à peu de différence dans les coûts.
[[Image:]]
Figure 4: solidité et moment de force
Le choix du rotor est surtout dicté par les caractéristiques de la charge et donc de l'utilisation finale. Ces aspects sont abordés séparément dans les fiches techniques sur les pompes éoliennes et les générateurs à vent. Le tableau 1 compare les différents types de rotors.
Tableau 1: comparaison des types de rotors
|
Type |
Vitesse |
Torque |
Fabrication |
Cp |
Solidité % |
|
Axe horizontal |
|||||
|
voile crétoise |
basse |
moyen |
simple |
.05-.15 |
50 |
|
ventilateur à plaque bombée |
basse |
haut |
modérée |
.15-.30 |
50-80 |
|
aéro-générateur à vitesse modérée |
modérée |
basse |
modérée |
.20-.35 |
5-10 |
|
aéro-générateur à vitesse élevée |
haute |
très basse |
précis |
.30-.45 |
< 5 |
|
Axe vertical |
|||||
|
Panémone |
basse |
modérée |
brut |
> .10 |
50 |
|
Savonius |
modéré |
moyen |
modéré |
.15 |
100 |
|
Darrieus |
modéré |
très basse |
Précis |
.25-.35 |
10-20 |
|
géométrie variable |
modéré |
très basse |
Précis |
.20-.35 |
15-40 |
Performances d'un moulin à vent
Although the power available is proportional to the cube of windspeed, the power output has a lower order dependence on windspeed. This is because the overall efficiency of the windmill (the product of rotor Cp, transmission efficiency and pump or generator efficiency) changes with windspeed. There are four important characteristic windspeeds:
• the cut-in windspeed: when the machine begins to produce power
• the design windspeed: when the windmill reaches its maximum efficiency
• the rated windspeed: when the machine reaches its maximum output power
• the furling windspeed: when the machine furls to prevent damage at high windspeeds.
Performance data for windmills can be misleading because they may refer to the peak efficiency (at design windspeed) or the peak power output (at the rated windspeed). The data could also refer to the average output over a time period (e.g. a day or a month).
Because the power output varies with windspeed, the average output over a time period is dependent in the local variation in windspeed from hour to hour. Hence to predict the output for a given windmill one needs to have output characteristics of the windmill and the windspeed distribution curve of the site (duration at various windspeeds). Multiplying the values of both graphs for each windspeed interval and adding all the products gives the total energy output of that windmill at that site.
References and further reading
This Howtopedia entry was derived from the Practical Action Technical Brief, Energy from the Wind.
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Other sources of information
• Windpumping, Practical Action Technical Brief http://www.practicalaction.org/?id=technical_briefs_water
• Wind Power for Electricity Generation, Practical Action Technical Brief http://www.practicalaction.org/?id=technical_briefs_energy
• S. Dunnett: Small Wind Energy Systems for Battery Charging, Practical Action Technical Information Leaflet
• Hugh Piggott: It’s A Breeze, A Guide to Choosing Windpower. Centre for Alternative Technology, 1998 http://www.cat.org.uk/catpubs/catbooks.tmpl
• E. H. Lysen: Introduction to Wind Energy, basic and advanced introduction to wind energy with emphasis on water pumping windmills. SWD, Netherlands, 1982
• Jack Park: The Wind Power Book Cheshire Books, USA, 1981
• Hugh Piggot: Windpower Workshop, building your own wind turbine. Centre for Alternative Technology, 1997 http://www.cat.org.uk/catpubs/catbooks.tmpl
• S. Lancashire, J. Kenna and P. Fraenkel: Windpumping Handbook I T Publications, London, 1987
• P. Fraenkel, R. Barlow, F. Crick, A. Derrick and V. Bokalders: Windpumps - A guide for development workers. ITDG Publishing, 1993 http://www.developmentbookshop.com/
• David, A. Spera: Wind Turbine Technology, fundamental concepts of wind turbine engineering. ASME Press, 1994
• E. W. Golding: The Generation of Electricity by Wind Power Redwood Burn Limited, Trowbridge, 1976
• T. Anderson, A. Doig, D. Rees and S. Khennas: Rural Energy Services - A handbook for sustainable energy development. ITDG Publishing, 1999. http://www.developmentbookshop.com/
• Paul Gipe, Wind Power: Renewable Energy for Home, Farm, and Business (Revised Edition). Chelsea Green Publishing, 2004 http://www.chelseagreen.com/2004/items/windpower
• Paul Gipe, Wind Energy Basics: A Guide to Small and Micro Wind Systems. Chelsea Green Publishing, 1999 http://www.chelseagreen.com/1999/items/windenergybasics
Useful addresses
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Website: http://www.cat.org.uk
