Les humains utilisent l'énergie éolienne depuis des siècles. Des voiliers aux moulins à vent, le vent a été une importante source d'énergie tout au long de l'histoire humaine. Ces dernières années, l'énergie éolienne a gagné en popularité en tant qu'alternative efficace et durable aux combustibles fossiles. Les parcs éoliens ont commencé à parsemer les côtes et les sommets des montagnes à travers le monde, et vous avez probablement déjà remarqué leur conception distincte.

Alors pourquoi les éoliennes ont trois pales, par opposition à moins ou plus ? La réponse réside dans l'ingénierie derrière l'énergie éolienne et comment maximiser les rendements énergétiques. Afin de produire efficacement les quantités d'électricité les plus élevées, il y a beaucoup à prendre en compte.

Comment fonctionnent les éoliennes ?

Les éoliennes génératrices d'électricité sont plus anciennes que certains ne le pensent. La première turbine de ce type a été inventée en 1888 par Charles F. Brush. Il avait une remarquable 144 lames en bois et pouvait générer 12 kilowatts d'énergie.

Jusqu'au milieu des années 1930, de nombreuses résidences rurales en Amérique dépendaient de l'énergie éolienne comme seule source d'électricité. Les turbines étaient un moyen accessible et rentable d'alimenter des sites éloignés qui n'étaient pas autrement desservis par les lignes électriques principales.

Après l'expansion des lignes électriques aux États-Unis, les éoliennes rurales se sont effectivement éteintes et l'énergie éolienne est devenue une chose du passé. Ce n'est qu'au cours des dernières décennies qu'il y a eu un regain d'intérêt pour l'énergie éolienne comme alternative bon marché aux autres formes de production d'énergie.

Les principes de la production d'énergie éolienne sont aussi simples aujourd'hui qu'au 19e siècle. Le vent est simplement de l'air en mouvement, et là où il y a du mouvement, il y a de l'énergie cinétique.

Les éoliennes sont conçues pour présenter un obstacle à cette énergie cinétique, la ralentir et la convertir en énergie électrique. Cet obstacle se présente sous la forme des pales des turbines, qui sont spécialement conçues pour fournir la plus grande quantité d'énergie.

Cependant, la conception et l'utilisation des aubes de turbine est une science délicate, qui repose sur un certain nombre de facteurs tels que l'aérodynamique et la résistance de l'air.

Conception de pales de turbine: vitesse, aérodynamique et vitesse du son

Il existe un certain nombre de facteurs en jeu lors de la conception des pales d'une éolienne. L'aérodynamique est peut-être le facteur le plus important.

L'aérodynamique fait référence aux propriétés d'un objet solide et l'air qui l'entoure interagit avec lui. Dans cet esprit, les pales d'une éolienne sont conçues comme les ailes d'un avion.

L'arrière de la lame est plus incurvé que l'avant, de la même manière que l'aile d'un avion se courbe vers le haut à la fin. Cette forme variée provoque une différence de pression lorsque l'air se déplace à travers la lame, ce qui provoque le déplacement des lames.

En raison de l'obstruction de la lame, l'air se déplace à une vitesse plus rapide derrière la lame qu'en face d'elle. C'est ce qui met en mouvement la rotation des pales et amorce le processus de génération électrique.

Cependant, il ne suffit pas que les pales soient déplacées par le vent. Les ingénieurs doivent tenir compte de la vitesse et de la traînée dans la conception des pales pour assurer le plus haut niveau d'efficacité.

Par exemple, si trop de traînée est créée par l'obstruction des pales, le rendement énergétique sera beaucoup plus faible. S'il n'y a pas assez de traînée, les lames pourraient se déplacer trop rapidement, ce qui pourrait briser la barrière acoustique.

L'un des plus grands avantages des éoliennes est leur fonctionnement silencieux. S'ils franchissaient le mur du son, cela pourrait rendre les résidents à proximité des parcs éoliens proposés plus susceptibles de s'opposer à la mise en œuvre des turbines.

Choisir le nombre parfait de lames

Dans l'ensemble, la plupart des éoliennes fonctionnent en standard avec trois pales. La décision de concevoir des turbines à trois pales était en fait un compromis.

En raison de la traînée diminuée, une lame serait le nombre optimal en ce qui concerne le rendement énergétique. Cependant, une aube pourrait déséquilibrer la turbine, et ce n'est pas un choix pratique pour la stabilité de la turbine.

De même, deux pales offriraient un rendement énergétique supérieur à trois, mais présenteraient leurs propres problèmes. Les éoliennes bipales sont plus sujettes à un phénomène connu sous le nom de précession gyroscopique, entraînant un vacillement. Naturellement, cette oscillation créerait de nouveaux problèmes de stabilité pour la turbine dans son ensemble. Cela exercerait également une pression sur les composants de la turbine, la faisant s'user avec le temps et devenir de moins en moins efficace.

Un nombre de pales supérieur à trois créerait une plus grande résistance au vent, ralentissant la production d'électricité et devenant ainsi moins efficace qu'une turbine à trois pales.

Pour ces raisons, les turbines conçues avec trois pales sont le compromis idéal entre un rendement énergétique élevé et une plus grande stabilité et durabilité de la turbine elle-même.

L’avenir des éoliennes: aucune lame ne pourrait-elle être meilleure que trois ?

Bien que les turbines à trois pales soient devenues le modèle standard de production d'énergie propre ces dernières années, cela ne signifie pas qu'elles le seront toujours. Les ingénieurs travaillent toujours sur des conceptions meilleures et plus efficaces pour les futurs efforts de génération d'énergie.

L'une des conceptions proposées les plus populaires est une turbine sans lame. Bien que cela puisse sembler contraire à la résistance nécessaire pour convertir l'énergie éolienne en électricité, il existe en réalité un certain nombre d'avantages à créer une turbine sans pales.

Un avantage est le coût et la maintenance. Les turbines actuelles sont soumises à beaucoup de contraintes dans leur fonctionnement. Ils peuvent effectuer jusqu'à vingt rotations par minute et atteindre des vitesses de 180 mph (289 km / h), ce qui entraîne une force énorme. Ajouté à l'érosion qu'ils subissent dans des conditions météorologiques hostiles au large, il est facile de comprendre pourquoi les aubes de turbine se détériorent de manière significative au fil du temps.

Des entreprises comme Vortex Bladeless ont créé des prototypes d'éoliennes sans lame qui utilisent réellement le mouvement gyroscopique pour générer de l'énergie éolienne. La production de leur conception pourrait potentiellement coûter jusqu'à 50% de moins que les turbines traditionnelles et ne se détériorerait pas autant au fil du temps.

Bien que les turbines à trois pales soient définitivement la solution la plus efficace pour l'instant, ce n'est pas toujours le cas. Jusqu'à ce que les turbines sans pales deviennent la norme, nous avons l'efficacité des turbines à trois pales pour remercier la grande majorité de notre production d'énergie éolienne.