Éolienne cinétique: appareil, principe de fonctionnement, application

Une éolienne cinétique moderne vous permet d'utiliser la puissance des courants d'air et de la convertir en électricité. À cette fin, il existe des modèles d'appareils fabriqués en usine et faits maison qui sont utilisés à la fois dans l'industrie et dans les fermes privées.

Nous parlerons de la façon dont les éoliennes de ce type sont agencées, nous vous présenterons les caractéristiques de l'appareil et les options de conception. L'article que nous avons proposé montre les forces et les faiblesses d'une centrale éolienne. Les maîtres indépendants avec nous trouveront des schémas et des recommandations utiles pour l'assemblage.

Le principe de fonctionnement d'une éolienne

Le fonctionnement de l'éolienne est basé sur la transformation de l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique du rotor, qui est ensuite convertie en électricité.

Le principe de fonctionnement est assez simple: la rotation des pales montées sur l'axe de l'appareil entraîne des mouvements circulaires du rotor générateur, grâce auxquels de l'électricité est générée.

L'énergie éolienne est l'un des secteurs les plus prometteurs des énergies renouvelables. Les conceptions modernes permettent une utilisation rentable du flux d'air, en l'utilisant pour produire de l'électricité

Le courant alternatif instable qui en résulte "circule" dans le contrôleur, où il est converti en une tension constante qui peut charger les batteries. De là, l'énergie est fournie à l'onduleur, où elle est transformée en tension alternative avec un indicateur de 220/380 V, qui est fourni aux consommateurs.

La puissance de l'éolienne dépend directement de la puissance du flux d'air (N), calculée selon la formule N = pSV³/ 2, où V est la vitesse du vent, S est la zone de travail, p est la densité de l'air.

Dispositif générateur de vent

Les différentes versions des éoliennes sont très différentes les unes des autres.

Le diagramme ci-dessus montre la structure interne d'une éolienne horizontale classique. Ces modèles sont le plus souvent utilisés à la fois dans l'industrie et dans la vie quotidienne.

Les appareils industriels sont une construction complexe de plusieurs mètres, dont l'installation nécessite une fondation, tandis qu'un modèle domestique peut se composer d'un minimum de composants (moteur 3-12V DC, électrocondensateur 1000uF 6V, diode redresseur au silicium).

Une installation typique comprend les composants suivants:

• alternateur (la puissance dépend de la vitesse des vents);
• pales qui transmettent la rotation à l'arbre du générateur (souvent elles sont en outre équipées de boîtes de vitesses, de stabilisateurs de vitesse de rotor);
• mât du moulin à vent auquel sont fixées les pales (plus ces éléments sont hauts, plus la quantité d'énergie éolienne qu'ils peuvent recevoir est élevée);
• des batteries qui accumulent de l'énergie, ce qui vous permet de l'utiliser avec un petit flux de vent ou son absence totale. La batterie a également pour fonction de stabiliser l'énergie électrique reçue du générateur;
• contrôleur - un convertisseur de tension alternative reçue du générateur en courant continu, qui est utilisé pour charger la batterie. Le contrôleur est contrôlé en tournant les pales, ce qui vous permet de considérer où circule l'air;
• ABP - dispositif de commutation automatique qui relie l'éolienne à d'autres sources d'énergie (panneaux solaires, réseau électrique);
• capteur de direction du vent - un dispositif qui permet aux pales de trouver plus facilement le flux de vent;
• un onduleur pour convertir le courant continu des batteries en tension alternative, qui est utilisé dans les communications électriques.

Pour mieux répondre aux besoins des utilisateurs, l'appareil peut être équipé de différents types d'onduleurs:

• dispositifs avec une onde sinusoïdale modifiée par onduleur, émettant une sinusoïde carrée. Les appareils de ce type conviennent aux éléments chauffants, lampes à incandescence et autres appareils peu exigeants pour la qualité du réseau;
• onduleurs de tension triphasés conçus pour les réseaux électriques triphasés;
• installations à onde sinusoïdale pure qui produisent de l'énergie pour une technique plus sensible;
• onduleurs réseau capables de fonctionner sans batteries. De tels dispositifs sont destinés à des circuits impliquant l'entrée d'énergie électrique directement dans un réseau commun.

Lors du choix des modèles, vous devez absolument faire attention au type d'onduleur.

Types de générateurs éoliens

Lors de la classification des éoliennes, des caractéristiques telles que:

• rendez-vous;
• caractéristiques de conception;
• nombre de lames;
• les matériaux à partir desquels ils sont fabriqués;
• axe de rotation;
• pas de vis.

Considérez en détail les deux classifications les plus utilisées.

Classification des éoliennes par objectif

Il existe différentes variétés d'éoliennes dont le but est différent. Les principales caractéristiques des appareils, par exemple la puissance, en dépendent.

Éoliennes industrielles

Ces appareils sont installés par de grandes sociétés énergétiques ou par l'État pour fournir de l'électricité aux installations industrielles. Les turbines d'une capacité de dizaines de mégawatts sont généralement situées dans des zones de vent (collines ouvertes, côtes).

Les parcs éoliens, où des dizaines d'éoliennes sont installées, sont cassés non seulement au sol, mais aussi en eau peu profonde. L'électricité reçue est généralement utilisée à des fins industrielles.

L'électricité générée, en règle générale, va directement au réseau, tandis que pour la stabilité et la régulation de la fréquence de rotation des pales de l'éolienne sont équipées de mécanismes supplémentaires.

Éoliennes commerciales

De telles installations sont utilisées pour produire de l'électricité à vendre ou pour fournir de l'électricité aux industries des régions à réseaux de faible puissance (ou en son absence totale). Ces parcs éoliens sont constitués d'un groupe de générateurs électriques, qui peuvent avoir des capacités différentes.

L'énergie des usines commerciales peut être fournie directement aux communications électriques ou utilisée pour charger un large éventail de batteries, où elle est stockée et convertie pour l'alimentation du système électrique.

Dispositifs éoliens domestiques

Les unités de faible puissance sont utilisées pour un usage privé. Selon les règles, les moulins à vent avec des mâts d'une hauteur inférieure à 25 mètres peuvent être installés par les propriétaires des sites sans le consentement des autorités, pour les mâts supérieurs, il est nécessaire d'obtenir une autorisation spéciale.

Les éoliennes de faible et moyenne puissance peuvent servir de source d'énergie électrique pour les chalets, les chalets d'été, les maisons de campagne, les fermes

Les éoliennes domestiques sont adaptées pour charger des batteries d'une tension de 12/24 / 48V, dont l'énergie est transformée en une tension de 220 volts. De tels dispositifs peuvent résoudre complètement ou partiellement le problème de l'alimentation électrique de petits objets situés à l'écart du réseau électrique centralisé.

Avec des directives pour choisir une éolienne pour fournir de l'énergie à une maison privée présentera l'articledédié à cette question intéressante.

Variétés de construction d'éoliennes

Selon les caractéristiques de conception de l'appareil, il peut également être divisé en plusieurs catégories, bien que toutes les variétés soient réduites à deux types principaux: vertical et horizontal.

Éoliennes horizontales classiques

Les installations similaires (elles sont également appelées hélice ou aube) ont généralement 3 à 5 pales montées sur un axe horizontal. Tournant à grande vitesse, ces éléments vous permettent d'obtenir le maximum d'énergie (KIEV jusqu'à 0,4).

De plus, la quantité d'électricité générée dépend largement de la hauteur de l'appareil (plus elle est élevée, plus le résultat est important).

L'éolienne horizontale utilise la force de levage qui se produit lorsque la pression augmente au point où le flux d'air direct passe à travers les pales, réfléchi par ces éléments

Ces appareils sont généralement installés dans des parcs éoliens où de l'énergie est générée pour un usage industriel et commercial, mais ils conviennent également à un usage domestique.

Une solution intéressante à un moulin à vent horizontal est un modèle à une lame, ses caractéristiques seront introduites par la sélection de photos suivante:

Éoliennes verticales

Un élément actif de telles installations est une éolienne rotative. En raison des caractéristiques de conception, ces conceptions diffèrent par leur type («Canon», «Savonius»).

La sélection de photos suivante vous familiarisera avec le principe de la construction d'une turbine pour un générateur Savonius vertical:

Malgré le faible indice KIEV (0,1-0,2), ils sont largement utilisés: les unités verticales fonctionnent sur des flux d'air turbulents, elles peuvent donc être placées même dans les zones où les vents forts soufflent rarement.

Le fonctionnement des éoliennes verticales ne dépend pas de la direction des vents. Ils sont faciles à installer et à utiliser, de plus, ces appareils peuvent être placés près du sol

Pour augmenter l'efficacité des éoliennes verticales, les fabricants augmentent souvent leurs paramètres de taille, ce qui entraîne une augmentation significative des coûts. Ces installations étant suffisamment fragiles, elles nécessitent une protection accrue contre les ouragans et autres phénomènes naturels.

Éoliennes "Rotor Daria"

De tels appareils appartiennent à la catégorie des éoliennes verticales, cependant, ils ont des différences de conception prononcées. Grâce à ces fonctionnalités, la réduction du bruit est atteinte et KIEV se développe, ce qui se rapproche des performances des modèles horizontaux.

La turbine basse pression à axe de rotation perpendiculaire à l'environnement aérien, proposée en 1931 par le concepteur aéronautique français Georges Darier, était largement utilisée dans l'éolien.

L'inconvénient de ces conceptions est le faible moment de démarrage (en raison de la présence de seulement deux lames, il est difficile pour l'appareil de démarrer indépendamment). Pour résoudre le problème, l'hybride Savonius + Darier est souvent utilisé.

Installations éoliennes à voile

Pour de telles installations, le principe des éoliennes verticales et horizontales peut être appliqué. La principale caractéristique structurelle est une éolienne recouverte de nombreuses pales ou voiles, tandis que le profil aérodynamique de ces modèles est absent.

Il existe de nombreux modèles d'éoliennes à voile, qui diffèrent par le nombre de pales, le poids, la puissance. Tous ces paramètres doivent être pris en compte lors du choix d'un appareil.

Malgré le fait que les installations de navigation se caractérisent par leur faible vitesse et leur faible efficacité, elles sont souvent utilisées dans l'économie nationale. De telles conceptions sont faciles à installer et à utiliser, et la combinaison d'un couple élevé et de faibles vitesses vous permet de mettre directement en mouvement divers mécanismes utiles, par exemple une pompe pour pomper de l'eau.

La galerie suivante vous familiarisera avec l'un des modèles pratiques des éoliennes à voile:

Générateur d'éoliennes

Pour le fonctionnement des éoliennes, des générateurs triphasés conventionnels sont nécessaires. La conception de tels appareils est similaire aux modèles utilisés sur les voitures, mais a de grands paramètres.

Dans les appareils pour éoliennes, un enroulement statorique triphasé (connexion en étoile) est fourni, d'où trois fils vont au contrôleur, où la tension alternative est transformée en tension continue.

Le rotor du générateur pour une éolienne est réalisé sur des aimants en néodyme: il est inapproprié d'utiliser l'excitation électrique dans de telles conceptions, car la bobine consomme beaucoup d'énergie

Pour augmenter la vitesse, un multiplicateur est souvent utilisé. Cet appareil vous permet d'augmenter la puissance du générateur existant ou d'utiliser un appareil plus petit, ce qui réduit le coût d'installation.

Les multiplicateurs sont plus souvent utilisés dans les éoliennes verticales, dans lesquelles le processus de rotation de la roue éolienne est plus lent. Pour les appareils horizontaux avec une vitesse de rotation élevée des pales, les multiplicateurs ne sont pas nécessaires, ce qui simplifie et réduit le coût de construction.

Les spécificités du montage et de l'installation d'une éolienne de la machine à laver et éoliennes à partir d'un générateur de voiture détaillée dans nos articles recommandés.

Avantages et inconvénients d'une éolienne

Examinons en détail les avantages et les inconvénients des éoliennes, car la décision d'acheter ou d'abandonner un moulin à vent en dépend.

Avantages des appareils à vent

Les avantages des appareils éoliens comprennent:

• Respect de l'environnement. Les usines utilisent une source d'énergie renouvelable, qui peut être utilisée en continu sans nuire à l'environnement. L'électricité produite par les éoliennes remplace l'énergie des centrales thermiques, réduisant les émissions de gaz à effet de serre.
• Polyvalence. Les parcs éoliens peuvent être construits presque partout: dans les plaines, dans les montagnes, dans les champs, sur les îles et même en eau peu profonde. L'énergie éolienne est particulièrement appréciée dans les endroits reculés où il est difficile d'étendre les communications électriques habituelles. Dans ce cas, les éoliennes permettent d'établir l'alimentation électrique des installations, en lui assurant une indépendance vis-à-vis des facteurs aléatoires (par exemple, du carburant non livré à temps).
• Utiliser l'efficacité. Les modèles modernes recyclent l'énergie des vents même légers - la limite minimale est de 3,5 m / s. De la même manière, il est possible de fournir de l'électricité à un réseau centralisé, ainsi que d'organiser l'alimentation électrique des installations individuelles (insulaires ou locales), quelle que soit leur capacité.
• Une alternative valable aux sources traditionnelles. Les parcs éoliens fixes peuvent fournir entièrement de l'électricité à un immeuble résidentiel ou même à une petite installation de production. Dans ce cas, la turbine accumulera dans les batteries l'alimentation électrique requise, destinée à être utilisée pendant les périodes sans vent.
• Rentabilité. Par rapport aux sources traditionnelles d'énergie électrique (gaz, tourbe, charbon, pétrole), les turbines à vélo peuvent réduire considérablement les coûts énergétiques. Dans de nombreux cas, la construction d'un parc éolien est moins coûteuse que la connexion aux réseaux électriques existants.

L'utilisation d'éoliennes peut être une alternative à l'utilisation de générateurs diesel coûteux, réduisant encore les coûts de transport et de stockage de carburant jusqu'à 80%.

La puissance moyenne d'une éolienne diffère considérablement de l'indicateur de charge de pointe. Un générateur de vent n'est responsable que de la quantité d'énergie produite pendant une certaine période de temps avec la vitesse moyenne mensuelle du vent caractéristique d'une zone donnée.

Pour une évaluation plus précise des ressources éoliennes, vous pouvez utiliser des données spécialement dérivées (paramètres Weibull). Ces indicateurs reflètent la répartition des vents de différentes forces caractéristiques d'une zone particulière. Ces informations sont importantes à prendre en compte lors du développement de projets de parcs éoliens d'une capacité de plusieurs dizaines de MW.

La puissance générée par l'éolienne est proportionnelle à la triple vitesse du vent. Par conséquent, cet indicateur est très petit avec de faibles courants de vent, cependant, quand ils sont renforcés, il augmente fortement. En raison de la variabilité de la direction des vents et de leur vitesse lors de la construction de l'éolienne, il est nécessaire de prévoir des composants stabilisateurs.

Règles et formules pour calculer la puissance d'une éolienne donné iciNous vous recommandons de lire quelques informations très utiles.

Dans les petits systèmes autonomes, leur fonction est assurée par des batteries dont la charge commence à augmenter dès que la puissance de l'éolienne dépasse l'indicateur de charge.

À mesure que la charge augmente, la batterie peut se vider. Cette caractéristique du travail est importante à considérer lors du choix d'une unité domestique, sa capacité doit coïncider avec le taux mensuel ou annuel de consommation d'électricité

Il convient de noter que l'utilisation efficace des flux éoliens contribue à la variété des conceptions d'éoliennes.

Les turbines horizontales donnent de hautes performances dans les endroits plats où il y a beaucoup de vents, tandis que les turbines verticales fonctionnent mieux dans les régions avec des écoulements turbulents qui sont observés bas depuis le sol (dans la partie supérieure des collines, les chaînes de montagnes).

Les principaux inconvénients des moulins à vent

Dans le même temps, les moulins à vent ont leurs propres aspects négatifs:

• L'ampleur de la force du vent est difficile à prévoir à l'avance, car elle change souvent. Pour cette raison, il est conseillé de penser à un filet de sécurité, prévoyant une source d'énergie de secours (panneaux solaires, connexion électrique).
• Les dispositifs verticaux risquent de détruire les pales du rotor en raison de l'action des forces centrifuges lorsque les pales tournent autour de l'axe principal. En raison de cet effet, d'importants éléments structurels se déforment et se détruisent avec le temps, et le mécanisme échoue.
• Les éoliennes sont mieux installées dans l'espace libre, car les bâtiments voisins peuvent «amortir» le vent, formant une zone d'air «morte».
• Pour économiser l'énergie excédentaire des éoliennes, il est nécessaire de prévoir l'utilisation de batteries et d'autres dispositifs supplémentaires dans la conception, qui sont utilisés pour convertir l'électricité générée en courant avec des caractéristiques de consommation appropriées.
• Pendant le fonctionnement, les éoliennes font un bruit qui peut gêner les gens, effrayer les animaux. Les pales des installations peuvent également provoquer la mort d'oiseaux qui volent jusqu'à eux.
• Selon certains experts, les éoliennes peuvent dégrader la réception des émissions de radio et de télévision.

Les aspects négatifs peuvent également inclure le coût assez élevé de ces unités, cependant, le bon marché de la source d'énergie élimine largement ce facteur.

Schémas et méthodes de connexion

Bien que l'éolienne puisse fonctionner de manière autonome, un résultat bien meilleur peut être obtenu à l'aide de systèmes combinés qui prévoient la combinaison d'un appareil éolien avec des panneaux solaires, un réseau électrique centralisé, des sources d'énergie diesel ou gaz.

Travail hors ligne. Dans ce cas, une seule installation est définie, à l'aide de laquelle l'énergie éolienne est captée et accumulée, qui est ensuite convertie en un courant électrique dont les consommateurs ont besoin.

Le diagramme montre la manière la plus simple d'utiliser une éolienne, qu'il est conseillé d'utiliser dans les régions où des vents forts soufflent constamment.

Combiner une éolienne avec des panneaux solaires. L'option combinée est considérée comme un moyen d'alimentation fiable et efficace. En l'absence de vent, la batterie fonctionne panneaux solaireset par temps nuageux et pendant la nuit, la charge provient d'une installation éolienne.

Idéal pour une maison privée ou un ménage, situé loin d'un réseau électrique centralisé. Ce schéma combiné permet l'utilisation de deux types d'énergie renouvelable.

Éolienne et fonctionnement sur secteur combinés. Une éolienne peut être combinée avec des communications électriques.

Un schéma similaire est typique pour les appareils industriels et commerciaux. La connexion aux communications électriques est également prévue par certains modèles d'éoliennes domestiques.

Avec un excès d'électricité produite, il entre dans le réseau centralisé, et avec sa pénurie, il est possible d'utiliser le courant électrique du réseau électrique général.

Nuances d'utilisation des éoliennes

Actuellement, les éoliennes sont utilisées dans divers secteurs de l'économie. Des modèles industriels de différentes capacités sont utilisés par le pétrole et le gaz, les sociétés de télécommunications, les stations de forage et d'exploration, les installations de production et les agences gouvernementales.

Le moulin à vent peut être utilisé comme source d'énergie supplémentaire dans les hôpitaux et autres institutions pour fournir un approvisionnement continu en électricité dans les situations d'urgence.

Il est particulièrement important d'utiliser des éoliennes pour la récupération rapide de l'électricité perturbée lors de cataclysmes et de catastrophes naturelles. À cette fin, les éoliennes sont souvent utilisées par le ministère des Urgences.

Les éoliennes domestiques sont parfaites pour organiser l'éclairage et le chauffage des villages de chalets et des maisons privées, ainsi qu'à des fins domestiques dans les fermes.

Dans ce cas, certains points doivent être pris en compte:

• Les appareils jusqu'à 1 kW ne peuvent fournir une quantité suffisante d'électricité que dans des endroits venteux. Habituellement, l'énergie qu'ils produisent n'est suffisante que pour l'éclairage LED et l'énergie pour les petits appareils électroniques.
• Pour fournir entièrement l'électricité au chalet (maison de campagne), vous aurez besoin d'une éolienne d'une capacité supérieure à 1 kW.Cet indicateur est suffisant pour alimenter l'éclairage, ainsi qu'un ordinateur et une télévision, mais sa puissance n'est pas suffisante pour fournir de l'électricité à un réfrigérateur 24h / 24 moderne.
• Pour fournir de l'énergie au chalet, vous avez besoin d'un moulin à vent de 3 à 5 kW, mais même ce chiffre n'est pas suffisant pour chauffer les maisons. Pour utiliser cette fonction, vous avez besoin d'une option puissante, à partir de 10 kW.

Lors du choix d'un modèle, il convient de noter que l'indicateur de puissance indiqué sur l'appareil n'est atteint qu'à la vitesse maximale du vent. Ainsi, une installation de 300 V ne produira la quantité d'énergie indiquée qu'à un débit d'air de 10 à 12 m / s.

Ceux qui souhaitent construire une éolienne de leurs propres mains, nous vous proposons article suivantdans lequel des informations utiles sont détaillées.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

La vidéo ci-dessous fournit des informations détaillées sur le principe de fonctionnement et la conception d'un modèle domestique d'une éolienne:

Une éolienne est une excellente source de production d'énergie électrique, que les résidents des régions éloignées apprécieront particulièrement. Diverses entreprises russes et étrangères offrent une large gamme de structures éoliennes.En outre, les modèles domestiques peuvent être fabriqués de vos propres mains.

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