L’énergie éolienne est l’un des secteurs énergétiques à la croissance la plus rapide. Dans certains pays, il couvre déjà une fraction remarquable de l’approvisionnement énergétique total. Selon des études récentes, cette ressource pourrait satisfaire la demande énergétique mondiale bien que son principal problème réside dans l’instabilité de la production.
Les défis futurs incluent des installations plus efficaces et des systèmes de stockage adéquats. En Europe, certains experts ont proposé un réseau électrique intercontinental intégrant l’Afrique.
Les technologies de l’énergie éolienne se sont considérablement améliorées au cours des quatre dernières décennies et de nombreux experts sont impressionnés par les solutions introduites sur le marché. Entre 2005 et 2011, la capacité éolienne mondiale a augmenté de 75%. Aux États-Unis, deux rapports récents publiés par le Department of Energy montrent la transformation rapide du secteur.
Des progrès significatifs sont réalisés grâce au développement de parcs éoliens équipés d’éoliennes à axe vertical. Cela crée sans aucun doute la meilleure ressource d’énergie éolienne renouvelable.
Sommaire
Les rapports montrent que l’énergie éolienne est la principale source d’énergie renouvelable pour la production d’électricité aux États-Unis. Jusqu’à 43% des nouvelles installations électriques utilisent des sources renouvelables. À l’échelle mondiale, le pays se classe quatrième en termes d’augmentation de la capacité éolienne. La Chine est en tête avec une augmentation de 98% de la capacité éolienne, suivie de la France (88%), du Canada (87%) et enfin des États-Unis (80%).
Au cours des trois dernières décennies, la taille des éoliennes a augmenté d’un facteur de 10 à 12. La capacité d’une turbine isolée est passée de 100 kilowatts (kW) à 2 mégawatts (MW). À l’avenir, les scientifiques estiment pouvoir augmenter cette capacité à 12 MW par turbine.
Actuellement, les éoliennes à axe horizontal sont couramment utilisées pour la production d’électricité. Ils viennent avec un rotor monté au sommet d’un mât, perpendiculaire à la direction du vent et l’axe de rotation est horizontal. Le rotor comporte généralement trois pales, entraînées par le vent, convertissant ainsi l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique avant sa conversion en énergie électrique.
L’inclinaison des pales est adaptable en fonction de la vitesse du vent. Ceci a pour but de réguler la vitesse de rotation de l’hélice et d’assurer la sécurité de l’installation. En revanche, les éoliennes à axe vertical sont équipées d’un rotor monté verticalement en haut du mât. Son axe de rotation est vertical. Les tendances récentes montrent un intérêt renouvelé pour cette conception.
Selon les données de la World Wind Energy Association (WWEA), une organisation chargée de promouvoir le développement de cette source d’énergie, les éoliennes connectées au réseau ont aujourd’hui une puissance installée de 215 gigawatts et couvrent environ 2% de la consommation mondiale d’énergie. La production d’électricité éolienne représente également un secteur économique en expansion rapide, avec une croissance annuelle minimale de 20% par an.
Des études menées dans les années 80 ont conclu que ces turbines étaient moins adaptables à la production d’énergie à grande échelle et que leur développement était beaucoup plus lent. Cependant, les turbines à axe vertical sont plus efficaces du point de vue aérodynamique. Ainsi, cette technologie a récemment été reconsidérée et certains chercheurs affirment que ces unités sont mieux adaptées à la production d’électricité à grande échelle que les turbines traditionnelles.
Une des forces de ces turbines tient à leur polyvalence. Ils ne nécessitent pas une orientation particulière du rotor, contrairement aux turbines à axe horizontal. Ainsi, le rotor n’a pas besoin d’un système de commande. De plus, la vitesse du vent n’est pas régulée et sa direction est rarement uniforme. Un tel système omnidirectionnel est largement favorable. Tous les composants principaux sont placés au bas du mât, ce qui permet un accès plus facile par rapport aux turbines à axe horizontal.
Pour améliorer la production d’énergie des éoliennes, les fabricants introduisent des composants supplémentaires dans la structure de base: mât, pales et nacelle. Le but de ces structures est d’augmenter l’efficacité et la puissance de sortie puisque la puissance globale d’une turbine est proportionnelle à la vitesse du vent. L’ajout d’un diffuseur à bride réduit la pression au niveau de la bride extérieure.
La dépression accélère le vent environnant, ce qui augmente la vitesse du vent sur le diffuseur. En conséquence, la puissance de sortie de la turbine est augmentée de quatre à cinq fois. Récemment, une équipe du California Institute of Technology (CIT) s’est concentrée sur l’ajout d’un déflecteur en amont d’une éolienne à axe vertical. Cette approche est particulièrement simple et permet une forte augmentation de la puissance de sortie de la turbine.
La présence du déflecteur sert de bouclier contre les courants créés par les lames de retour. Les composants exercent un couple négatif tout en dirigeant le vent entrant vers les pales opposées. À son tour, le déflecteur aide à augmenter le couple positif, ainsi l’axe de la turbine doit être placé à l’extérieur du sillage près du déflecteur. De plus, la hauteur du déflecteur a une influence significative sur la puissance de sortie.
L’équipe compte poursuivre son étude en vérifiant si ces concepts sont applicables à d’autres types de turbines. La présence du déflecteur augmente les instabilités localement du flux, effet uniquement lié à un environnement de test confiné. Les chercheurs s’intéressent maintenant à l’étude de la vitesse d’écoulement par rapport au déflecteur et à la turbine. Il en est de même de l’effet du déflecteur amont sur la charge aérodynamique de la pale aval.
Le revêtement des lames pour les protéger des intempéries peut considérablement améliorer les performances. L’utilisation de revêtements nanostructurés permet d’obtenir des propriétés hydrophobes, antigel et antigel intéressantes. Une étude menée à l’Université de Harvard s’est concentrée sur la production d’un matériau hautement antigel. Il repose sur des surfaces poreuses glissantes du fait de l’infusion de liquide dans les pores.
Les chercheurs se sont concentrés sur la surface nanostructurée, qu’ils ont fonctionnalisée chimiquement. Ceci visait à garantir que le matériau ait une forte affinité pour le liquide qui sera infiltré dans ses pores. Ce liquide n’est pas miscible à l’eau et reste infiltré dans les pores du matériau grâce à sa haute affinité. Il constitue une couche lubrifiante supérieure ultra-lisse et stable.
L’étude montre que le matériau empêche l’accumulation de glace et de givre en éliminant efficacement la condensation d’humidité. Il a également une adhérence au gel inférieure à celle des matériaux standard utilisés pour fabriquer les lames.
Une étude menée à la Virginia Tech University a étudié théoriquement et expérimentalement la viabilité d’une éolienne portable. L’expérience a été menée dans un tunnel à basse vitesse. Les résultats ont montré que la turbine peut produire une puissance de sortie allant jusqu’à 2,2 watts pour une vitesse du vent de 5,5 m / s. Lorsque l’on compare ces résultats avec des projets similaires, cette turbine est l’une des turbines miniatures les plus efficaces (diamètre inférieur à 19 pouces).
L’unité est conçue pour fonctionner dans des conditions de vent faible (moins de 5 m / min). Jusqu’à présent, les petites turbines nécessitaient des vitesses de vent élevées pour leur fonctionnement (au-dessus de dix m / s), ce qui empêchait leur utilisation au sol. Les applications de turbine développées par l’équipe de Virginia Tech sont très variées. Les applications concernent à la fois les pays en développement et les pays développés.
Une application directe qui pourrait être envisagée serait, par exemple, l’alimentation de réseaux de capteurs sans fil pour les autoroutes et les ponts. Le coût du câblage ou du remplacement des batteries n’est pas viable à long terme.
Des chercheurs de l’Université Georgia Tech et de l’Institut des nano-énergies et des nano-systèmes de Pékin ont récemment présenté un dispositif basé sur l’effet triboélectrique, qui utilise l’énergie éolienne pour fonctionner.
La triboélectricité est un phénomène électrostatique, qui se produit lorsque deux matériaux entrent en contact. La convergence induit le transfert d’électrons d’un matériau à l’autre. Ce transfert est conservé même après la séparation des matériaux. L’effet peut être augmenté en ajoutant de l’énergie mécanique ou en frottant les deux matériaux l’un contre l’autre. Les chercheurs ont profité de cet effet en utilisant l’énergie éolienne comme déclencheur.
L’appareil est livré avec un film de propylène-éthylène fluoré placé entre deux feuilles d’aluminium, qui sont reliées à la terre via un circuit de charge externe. Les vibrations induites par le vent sur le film provoquent un transfert d’électrons entre les deux électrodes en aluminium et la masse.
La puissance de sortie électrique créée est suffisante pour allumer jusqu’à 10 diodes électroluminescentes du commerce. Sur la base de cette architecture, les chercheurs ont également proposé d’introduire un capteur auto-alimenté. Le composant est conçu pour mesurer la vitesse et la direction du vent. La direction du vent est déterminée par l’analyse en temps réel de la tension de sortie.
Alors que de plus en plus de pays investissent dans la meilleure ressource d’énergie éolienne renouvelable, le secteur est témoin d’un éventail impressionnant de nouvelles technologies. Certaines des solutions innovantes d’énergie éolienne comprennent des éoliennes volantes, des éoliennes flottantes, des turbines d’autoroute et des éoliennes sans pales.
Un certain nombre d’entreprises ont développé des éoliennes qui flottent dans l’air grâce à des rotors. Les hélices se comportent comme des dynamos qui transmettent l’énergie générée à travers un câble au sol. Ils sont conçus pour grimper à des centaines de mètres au-dessus du sol afin de profiter des courants intenses.
Les éoliennes flottantes sont des turbines installées en mer. Cette technologie réduit les coûts de production d’électricité en éliminant le besoin d’installer des tours de serrage. Les générateurs ne nécessitent que l’installation de lignes en acier qui fonctionnent comme des ancrages. De plus, ils disposent d’un système de stabilisation pour éviter le basculement.