PROTOTYPES D'ÉOLIENNES VOLANTES
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Cette page se propose de faire en descriptif le point sur les technologies existantes ou à venir, concernant l'énergie éolienne produite à partir d'engins volants à des altitudes de 300m à 5000 ou 10000 m. Bien évidemment, l'auteur s'est intégralement inspiré de publications sur la toile, pour tenter un résumé. Les sources sont toujours citées.
De toute évidence, pour certains projets la faisabilité n'est pas encore acquise. Une seule certitude aujourd'hui, des éoliennes entre 300 et 600 m d'altitude sont réalisables certaines déjà au stade des essais en vol. Restent des problèmes de sécurité et de rapatriement rapide en cas de tempête.
Pour l’heure, des prototypes aboutis proposent 4 technologies originales :
– Un modèle à hélices, illustré par les prototypes Sky Wind Power (Australie) et Job Energy (Californie) qui se hissent jusqu’à 600 mètres, reliés au sol par un câble. L’énergie récoltée est directement transformée en électricité par un matériel électrique, des rotors, situés sur l’éolienne puis transmise par le câble.
– Des modèles à voiles, représentés par le cerf-volant Skysails (Allemagne) et le Kite Gen (Italie). Le premier est une éolienne type kitesurf constituée d’une voile unique qui grimpe jusqu’à 800 m. Le second est une grappe de voiles qui peut atteindre les 10 000 m d’altitude. Pour ces modèles, l’énergie est créée par le mouvement giratoire de l’engin, transmise par un câble à un générateur au sol qui assurera la transformation et la production d’énergie électrique.
– Enfin, le modèle ballon, illustré par le ballon circulaire à hélium Altaeros Energies. Ce prototype flotte à 600 m de façon statique. Il abrite en son centre une hélice qui produit directement de l’électricité, transférée au sol par un câble.
L’éolienne volante apparaît être une solution d’avenir, tant elle présente de nombreux avantages. Tout d’abord, elle participe au passage à une économie verte, nécessaire à l’heure du changement climatique. Elle offre aussi des rendements décuplés et une puissance active phénoménale, en comparaison de l’éolienne classique et serait à grande échelle une source d’énergie capable d’absorber les besoins de la planète pour sa consommation d’électricité. De plus, elle ne génère que très peu de pollution visuelle et sonore.
Sur le plan pratique, sa maintenance est beaucoup plus facile que sa consœur terrestre et aucune contrainte (conditions climatiques ou infrastructures) n’existe pour l’installation, rendant leur implémentation très souple (régions isolées ou pays en voie de développement). Enfin, d’un point de vue financier, cette solution reste encore une fois attractive ; les coûts de production d’électricité étant réduits de moitié versus les éoliennes terrestres.
Sources :
A - POURQUOI DES EOLIENNES VOLANTES ?
Les éoliennes volantes sont envisagées très sérieusement par les constructeurs d'éoliennes, car les vents les plus forts se situent au dessus de 300 m d'altitude. Nous avons ici deux exemples d'éoliennes. La vitesse du vent passe par exemple de 15 m/s à 100 m à 20 m/s entre 300 et 500 m. Le rendement ne peut qu'en être amélioré.
B - QUELQUES CONCEPTS :
1°) Prototype de Altaeros Energies :
Je cite d'après http://citizenpost.fr/2014/04/altaeros-energies-lance-nouvelle-generation-deoliennes/
D’après l’IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers ou Institut des ingénieurs électriciens et électroniciens), le BAT ( Buoyant Airbonne Turbine ) est capable de produire 30 Kilowatts, soit de quoi alimenter une douzaine de foyers en électricité. D’après des études récentes, le dispositif ne provoquerait aucune nuisance sonore, nécessiterait peu d’entretien et ne comporterait aucun impact environnemental direct, bien qu’une étude scientifique avait prouvé dernièrement, que les éoliennes influait sur les températures locales et ainsi, sur le réchauffement de la planète dans une proportion infime comparée aux industries mais notable."
Brevet déposé pour une turbine à rotor double, appelée Airbone Wind Turbine, imaginée par des chercheurs du MIT et de Harvard
fig 1 Skystream 2.5 kW , 3.7 m wind turbine
fig 2 http://www.altaerosenergies.com/
2°) Prototype éolienne zeppelin ( projet M.A.R.S pour Magenn Power Air Rotor System )
L'éolienne développée par l'entreprise canadienne Magenn Power est en fait un gros ballon gonflé à l'hélium, comportant des pales, qui tourne sur lui même à 300 m de hauteur, ce qui produit de l'énergie. Pour éviter tout risque de collision avec un avion, ces éolienne doivent être équipées d'un matériel de détection. Cette éolienne est conçue pour les particuliers, elle n'a en effet qu'une faible puissance (quelques kW). Cette solution permettrait d'obtenir un gain de place, moins de bruit, et plus d'esthétique. De plus, il y aurait possibilité d'emporter son éolienne en cas de déménagement. Cette éolienne possède aussi un avantage : elle ne coûte que 8 400 Euros.
Traversé par un axe horizontal, un ballon gonflé à l’hélium muni de grosses pales est entraîné par le vent. La rotation du ballon entraîne deux génératrices fixées aux extrémités de l’axe.
De plus, la rotation du ballon induit une force de sustentation supplémentaire - l’effet Magnus ( voir http://gilbert.gastebois.pagesperso-orange.fr/java/magnus/mvt_magnus.pdf ). D’après ses concepteurs, cette éolienne commencerait à fonctionner à partir d’un vent de seulement 1 mètre par seconde (3,6 km/h). Un câble relie l’éolienne au sol afin d’acheminer l’électricité produite
ou
3°) LE CERF-VOLANT :
Cet engin bien connu des enfants est en train d'intéresser nombre d'ingénieurs pour des applications utilisant le vent, soit comme moyen de traction soit pour produire de l'énergie électrique, d'une façon très originale.
a) Les trois usages du kite cerf-volant :
1 - Statique et bordé, pratiquement avec les cordages de commande verticaux. La traction est moyenne
2 - Statique et choqué, avec le vent dans le plan des commandes, la force de traction est faible. Ce mode est utilisé pour ramener le kite vers le sol.
3 - Dynamique, piloté pour décrire des 8, c'est le mode où le vent relatif est plus grand que le vent réel et le kite donne sa traction maximale) Application mécanique directe en voile de traction pour bateaux:
Un cerf-volant évoluant entre 100 et 300 mètres rencontre des vent forts et réguliers. Il produit, paraît-il, 5 à 25 fois plus de puissance au mètre carré qu’une voile classique de bateau.
Un essai de traction de gros navires marchands est déjà en expérimentation, avec un cerf-volant de 300 m² capables d'une force tractrice de 16 tonnes ( force de 160 kN ) et un autre plus petit de 160 m² développant 8 tonnes ( 80 KN de force ).
SkySails GmbH & Co. KG société allemande basée à Hambourg commercialise un cerf-volant de 320 m²
Beyond the sea concurrent de SkySails confirme le niveau des forces possibles en mode de pilotage dynamique ( description de 8 ) 50000 N pour 100 m², soit
Niveau possible 500 N/m²
c) Application à la production d'électricité :
Kitegen est une société italienne créée en 2007 qui développe des centrales productrices d’énergie mues par des cerfs-volants de grande taille.
Le vent agit sur le cerf-volant en créant une force ascensionnelle qui est utilisé pour faire tourner un générateur d'électricité. Pour ce faire, un pilotage électronique astucieux de câbles de commande impose au cerf-volant une montée en altitude par une série de 8 . Lorsque l'altitude maximum est atteinte, une commande permet le rapatriement rapide du cerf-volant près du sol. Et ceci, sans dépense importante d'énergie, avec un cerf-volant choqué, en drapeau, qui ne "tire "plus beaucoup et le cycle recommence indéfiniment.
Citation d'une revue technique du journal Le Monde: Dans le même ordre d’idées, la société italienne Kite Gen a passé trois jours à l’aéroport de Milan, en septembre 2007, pour tester son prototype à 400 mètres d’altitude. Les résultats ont été particulièrement encourageants, à en croire le responsable du projet, Mario Milanese, de l’Université polytechnique de Turin. Leur cerf-volant de 10 m2 porté par un vent soufflant à 4 m/s a pu générer une moyenne de 2,5 kW"
Le cerf volant est maintenu par un câble de traction combiné au conducteur de transport des informations d'attitude et de commande et de 2 câbles annexes de pilotage à réponses rapides. Une électronique intelligente gère les "caprices" du vent et évite que la voile ne se dégonfle. Le câble principal, toujours maintenu tendu dans sa partie terminale base, traverse une perche creuse mobile suivant tous les axes et entraîne un rotor de production d'énergie électrique.
En pratique, le câble enroulé sur un tambour, entraîne celui _ci lors de la montée en série de boucles en 8. Ce tambour par un engrenage, transmet un couple au générateur producteur d'énergie.
La force de traction, très importante, a deux effets :
1 - Faire grimper le kite en altitude
2 - Ce faisant le câble se déroule en tirant pour faire tourner le générateur électrique. Toutes les phases de montée en 8 sont productrices d'énergie, celles de redescente sont plus rapides et consomment un peu d'énergie, mais nettement moins que ce qui est produit.
Tirés de leur site, voici quelques ordres de grandeur prévus :
- Voile de 50 m² prévue pour une puissance de 1 MW et en proportion 150 m² pour 3 MW
- Force normale au plan de la voile de 50 m² : 250 kN
NB : Ce niveau de force est 10 fois supérieur à celui du cerf-volant utilisé en mer. Peut-être grâce au vent relatif le plus souvent très supérieur au vent réel?
- Vitesse radiale, c'est à dire dans le sens du câble de retenue : entre 4 et 12 m/s
- Vitesse orthoradiale entre 60 et 80 m/s
NB : Avec 4 m/s et une traction de 250 kN, la puissance théorique est effectivement au minimum de 1 MW, pouvant atteindre en pointe à 12 m/s et 3 MW. Reste à voir le rendement mécanique du système et la tenue des matériels!!!.
3°) Prototype éolienne Sky Wind Power (Australie) :
4°) Prototype éolienne type drone :
Objet d'un dépôt de brevet http://www.google.dj/patents/US20110057453 cette éolienne
°)
Ce dispositif, certainement original, est très complexe car la production d'énergie et le SCA ( Système de Contrôle d'Attitude ) sont intimement associé. De ce que l'on peut lire, c'est par un contrôle différentiel des vitesses des turbines que serait réalisé la stabilisation suivant roulis, lacet et tangage.
Reste le problème de l'acheminement à poste? Peut-être les roues utilisés comme des rotors d'hélicoptère ou de drone, pour grimper l'engin et son câble, à poste.
6°) Prototype de centrales à ailes volantes KiteGen ( Italie ) :
Une centrale à voile libre est constituée d’une plate-forme circulaire placée au sol sur laquelle sont accrochés de très longs câbles reliés à des voiles géantes.
La plateforme circulaire est entraînée en rotation par la force des vents en altitude et entraîne une turbine pour produire de l’électricité.
La position de ces derniers est contrôlée électroniquement et l’ensemble fait tourner le manège qui .
Pour que cela fonctionne, les dimensions doivent être généreuses : au moins cent mètres de diamètres pour la roue.
Puissance de 100MW pour un diamètre au sol de 800 mètres (estimations)
Avantages :
Inconvénients : Obstacles techniques à surmonter dus aux forces qui s’exercent le système
6°) Prototype éolienne type aile volante ou cerf-volant :
Cet engin est plutôt exotique, puisque il monte en altitude en "tant alimenté par le sol et produit du courant quand il est tiré depuis le sol
Ce sont des projets les moins aboutis de ceux qu'on a pu trouver..
Nous prendrons : R=6 m, r = 4 m, H = 6 m, donnant un volume V = 377 m3 disons V = 380 m3
2°) SURFACE ET MASSE DE L'ENVELOPPE :
Calculons la surface des parois : le calcul donne S = 2*p*(R-r)*H+ 2*p*(R²-r²) = 276 m², comptant sur un nylon de l'enveloppe à 0.2 kg/m² la masse du ballon avoisine 56 kg, disons qu'avec des renforts on a une enveloppe de 60 kg.
Donc la masse M de l'ensemble éolienn et cable ne devra pas dépasser le maximum de 320 kg.
Ce sera nettement moins à l'arrivée. Pour l'instant j'ignore la masse de l'éolienne?
B - CONSIDÉRATIONS SUR L'EOLIENNE :
Essayons de retrouver sensiblement la puissance P =205 KW avec un rayon de 3.7 m
NB : " La lentille " source -> http://mobile.agoravox.fr/actualites/environnement/article/l-invention-d-un-chercheur-127253
L’invention d’un chercheur japonais, Yuji Ohyav, travaillant à l’Université de Kyushu, a permis de faire un grand pas en avant car elle permet de multiplier le rendement des éoliennes d’une nouvelle génération capable de produire de 2 à 3 fois plus d’énergie. L’invention est aussi simpliste que génial. Il suffit d’ajouter une paroi, une sorte de court cylindre de forme conique appelle « lentille » positionné autour des pales.
L’ajout de cette « lentille » ( "Wind Lens" ou « Wind Lens Turbine » en anglais) permet de créer une zone de dépression qui aspire le vent, concentrant et accélérant le flux à travers les hélices. À l’instar d’une lentille optique qui a pour caractéristique de faire converger les rayons lumineux, la lentille à éolienne agrège les flux de vent.
Cette génératrice d’électricité écologique est en fait une turbine placée dans un ballon gonflé à l’hélium qui s’envolera à plus de 300 mètres de hauteur, pulvérisant ainsi les records de ses concurrents. Ce projet intitulé BAT (Buoyant Airborne Turbine, littéralement turbine aéroportée dynamique) durera dix-huit mois, une première, et coûtera la bagatelle d’1,3 million de dollars.
À cette altitude, les vents sont cinq fois plus forts qu’au sol et l’éolienne peut donc produire beaucoup plus d’électricité que ses petites sœurs terrestres. Cette turbine volante envoyant l’électricité au sol « va générer assez d’énergie pour alimenter plus d’une douzaine de maisons », annonce la start-up. Elle a aussi l’avantage de pouvoir produire de l’énergie dans des endroits reculés ou isolés, comme des îles. L’objectif d’Altaeros Energies : proposer une source d’énergie alternative aux générateurs diesels, coûteux et polluants, utilisés notamment dans les secteurs que le réseau de distribution électrique ne dessert pas. L’éolienne volante pourrait également être utile dans des zones touchées par des catastrophes naturelles. Altaeros Energies l’a d’ailleurs conçue pour qu’elle puisse résister à la puissance d’un ouragan.
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