Efficacité des éoliennes : 11 faits complets en bref

Éolienne la production d'énergie est un domaine en pleine croissance de la production d'électricité; en 2020, la capacité totale d'énergie éolienne dans le monde est de 743 GW. Comme les éoliennes produisent moins de pollution, la demande de production d'énergie éolienne augmente.

L'efficacité d'une éolienne dépend de nombreux facteurs, tels que le type d'éolienne, la géométrie des pales, la vitesse du vent disponible, etc. 59 % est l'efficacité maximale pouvant être atteinte par une éolienne. L'efficacité pratique d'une éolienne varie entre 30 et 45 %, et elle peut atteindre 50 % pendant les pointes de vent.

Si la turbine fonctionne à 100% d'efficacité, la vitesse du vent après avoir heurté la turbine devient nulle, ce qui est impossible.  

efficacité éolienne
Éolienne Crédit : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Windmills_D1-D4_(Thornton_Bank).jpg
Éolienne
Éolienne Crédit :https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wind_turbine.gif

Formule d'efficacité des éoliennes

Le calcul de l'efficacité est essentiel ; l'efficacité permet de comparer les performances de différentes éoliennes et la vitesse optimale du vent pour une efficacité maximale.

Le coefficient de puissance est le mot le plus courant pour désigner l'efficacité de l'éolienne. Le Cp est défini comme,

gif

La quantité d'électricité produite par une éolienne peut être calculée à partir de la puissance du générateur. L'équation ci-dessous calcule l'énergie cinétique d'entrée,

Où,

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A est la surface couverte de l'éolienne, V est la vitesse du vent, ρ est la densité de l'air.

La valeur Cp varie en fonction de la vitesse du vent ; par conséquent, l'efficacité de l'éolienne varie pendant son fonctionnement.

De plus, le Cp dépend des pièces de la turbine, c'est-à-dire les aubes de la turbine, les arbres et le générateur. Par conséquent, la multiplication du rendement aérodynamique des pales, du rendement mécanique de l'arbre et du rendement électrique du générateur fournit la valeur de Cp.

Efficacité maximale de l'éolienne

L'efficacité maximale possible de l'éolienne est proposée par Albert Betz, un physicien allemand, en 1919. Elle fournit aperçu de l'efficacité maximale possible de la turbine.

La limite de Betz montre que 59.3% est le rendement maximal possible d'une éolienne. D'où le efficacité de la turbine ne dépasse jamais 59 %, y compris toutes les autres pertes, il s'agit d'une valeur de 35 à 45 % dans des cas pratiques.  

Supposons que l'efficacité d'une éolienne est de 100 %, ce qui signifie que l'éolienne consomme toute l'énergie de l'air. Si cela se produit, la vitesse de l'air après le passage de la turbine devient nulle. Cela signifie que l'air ne circule pas, ce qui entrave le flux d'air supplémentaire. C'est donc une situation impossible.

Or, si la vitesse d'entrée et de sortie de l'air est la même, cela signifie qu'aucune énergie n'est extraite, ce qui donne un rendement de 0% à la turbine. Par conséquent, le rendement maximal possible de la turbine se situe entre 0 et 100 %, en excluant ces limites.

Betz a prouvé que l'efficacité maximale possible est de 59.3% pour une éolienne avec des mathématiques et de la physique des solides.

Types d'éoliennes et leur efficacité

Une variété d'éoliennes est disponible selon l'axe de rotation et la conception des pales. L'éolienne la plus couramment utilisée est l'éolienne à axe horizontal. Cependant, d'autres types de turbines sont également utilisés pour des conditions appropriées. Les différents types de turbines sont,

Discutons de l'efficacité de ces turbines séparément,

Efficacité des éoliennes à axe horizontal (HAWT)

Les éoliennes à axe horizontal sont couramment utilisées pour les grandes installations, où suffisamment d'espace et de vent sont disponibles. L'axe de rotation de l'aube de turbine est parallèle à la surface du sol.

L'efficacité de HAWT varie entre 35-50%. Actuellement, HAWT a l'efficacité la plus élevée.

L'énergie éolienne captée par l'éolienne dépend de la surface couverte par les pales de l'éolienne. Pour un HAWT, la surface est calculée comme suit,

A = πL2

Où, L est la longueur de la lame. La longueur varie entre 20 et 80 mètres.

Habituellement, ces éoliennes sont utilisées pour les grandes usines de production. L'éolienne horizontale la plus courante est à 3 pales et la couleur des turbines est généralement blanche pour une visibilité par avion.

Horizontal
Crédit HAWT : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Micon-Turbine.JPG

Efficacité des éoliennes à axe vertical (VAWT)

Les éoliennes à axe vertical sont couramment utilisées pour la petite production d'énergie où l'espace est restreint. L'axe de rotation des pales des éoliennes à axe vertical est perpendiculaire à la surface de la Terre.

L'efficacité du VAWT est inférieure à celle du HAWT. 

Comme nous l'avons vu, l'efficacité dépend de la surface des aubes de turbine exposées au vent. Pour VAWT, la zone exposée est,

A = DH

Où D et H sont le diamètre et la hauteur des lames.

Différents types de VAWT sont disponibles. L'éolienne Darrius et l'éolienne Savonius sont des VAWT communs. Les efficacités de ces deux sont discutées ci-dessous.

Éolienne à axe vertical offshore
Éolienne à axe vertical. Crédit : https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1f/Vertical_Axis_Wind_Turbine_offshore.gif

Efficacité de l'éolienne Darrius

L'éolienne Darrius est une VAWT.

L'efficacité de l'éolienne Darrius se situe entre 30 et 40 %. L'utilisation de ces turbines est limitée même si elles ont un rendement élevé principalement en raison de l'incapacité de démarrer automatiquement.

La turbine Darrius est une turbine à portance. La figure montre une éolienne Darrius. Comme indiqué ci-dessous, un certain nombre de pales aérodynamiques sont montées sur un arbre vertical qui tourne. Les aubes ne sont sollicitées qu'en traction pour ces turbines du fait de la courbure. La conception est développée par l'ingénieur français Georges Jean Marie Darrieus. Ceux-ci sont couramment utilisés à proximité de l'habitat humain, au sommet d'un bâtiment ou au centre d'une route. Cependant, la protection de la turbine est dure dans des conditions extrêmes.

Rotor Darrieus Ennabeuren 3256
Éolienne Darrius Crédit : https://commons.wikimedia.org/wiki/File : Darrieus-Rotor_Ennabeuren-3256.jpg

Efficacité éolienne Savonius

L'éolienne Savonius est un autre type de VAWT. Malheureusement, le rendement de ces turbines est très faible.

Le rendement de l'éolienne Savonius varie entre 10 et 17 %. Même si l'efficacité est très faible, en raison de la structure simple et de la fiabilité de la turbine, celles-ci sont utilisées pour produire une petite quantité d'électricité dans des endroits appropriés.  

La turbine Savonius est une turbine à traînée. La figure montre une véritable éolienne Savonius. La vue de dessus de la lame est également illustrée dans la figure ci-dessous.

399px Éolienne Savonius
Éolienne Savonius Crédit : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Savonius_wind_turbine.jpg
660px Rotor Savonius fr
Vue de dessus de l'éolienne Savonius. Crédit : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Savonius-rotor_en.svg

L'ingénieur finlandais Sigurd Johannes Savonius a développé le vent Savonius en 1922. Il existe deux types de conception de pale pour l'éolienne Savonius, la conception en baril et la conception de vent de glace. La vue de dessus de l'éolienne à tonneau est illustrée ci-dessus. Les lames sont demi-cylindriques ; les barils ne se rejoignent pas au centre ; ils sont éloignés du centre, ce qui permet le libre mouvement du vent dans la pale.

Éolienne sans pales efficace

Les éoliennes sans pales sont un type particulier d'éoliennes, ces éoliennes n'ont pas de pales rotatives et l'éolienne fonctionne sur la base des vibrations induites par le vortex.

L'efficacité d'une éolienne sans pales est très inférieure à celle de toute autre éolienne. Cependant, la légèreté, la rentabilité et moins d'entretien sont les avantages de l'éolienne sans pale. De plus, la turbine nécessite moins d'espace ; par conséquent, plus d'éoliennes peuvent être installées que l'éolienne habituelle.

Efficacité de l'éolienne d'Archimède

L'éolienne d'Archimède est une technologie récemment développée. Ce sont de petites structures et peuvent être utilisées sur les toits, sur les routes, etc.

Par rapport aux éoliennes conventionnelles, les éoliennes d'Archimède sont plus efficaces. De plus, la turbine réduit de nombreux autres problèmes liés aux turbines conventionnelles. 

Par exemple, le bruit produit par les éoliennes d'Archimède est nettement inférieur à celui de l'éolienne conventionnelle. La forme de la turbine est modélisée de manière similaire à la spirale d'une coquille de Nautilus. Cette forme permet à la turbine d'auto-ajuster la face de la turbine en fonction du débit du vent. 

Facteurs affectant l'efficacité des éoliennes

L'efficacité des éoliennes est déjà discutée ci-dessus, à partir de laquelle les facteurs affectant l'efficacité des turbines sont,

  • La vitesse du vent.
  • La densité de l'air.
  • Rayon de la lame.
  • Type d'éolienne

Comparaison de l'efficacité des éoliennes

Concluons ici l'efficacité de l'éolienne. Le rendement des éoliennes est présenté ci-dessous.

TurbineEfficacité
Éolienne à axe horizontal30-45
Éolienne à axe vertical10-40
Éolienne Darrius30-40
Éolienne Savonius10-17
éoliennes sans palesTrès moins

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