Coûts

Le 18 avril 2010 · 0 Commentaires

Différentiel de coûts entre une éolienne à axe horizontale et la turbine éolienne à flot dirigé

Les coûts liés à l’implantation des éoliennes sont nombreux et très variables selon les projets. Il est donc difficile et complexe de définir l’ensemble des coûts d’implantation pour deux éoliennes de type différent. Nous allons donc comparer les différences de coût d’installation entre une éolienne à axe horizontale et la turbine éolienne à flot d’air dirigé. L’ensemble des coûts d’installation à l’exception de la fabrication de l’éolienne sont approximativement les mêmes.

La différence la plus important provient de la construction de la nacelle. La vitesse de rotation de l’éolienne à axe horizontale se situe entre 13 et 20 rotations par minute en moyenne. La vitesse de rotation de la turbine éolienne se situe plutôt entre 1200 et 1800 rotations par minute. Cette différence de vitesse de rotation des deux éoliennes a des répercussions importantes sur la construction de l’ensemble de l’éolienne. La nacelle de la turbine éolienne à flot d’air dirigé comporte beaucoup moins de pièces.

Raccordement hélice-générateur

Une vitesse de rotation élevée permet de réduire considérablement la dimension de l’hélice. Pour une éolienne à axe horizontale, l’hélice peut avoir un diamètre supérieur à 30 mètres et un poids supérieur à 15 tonnes. L’hélice de la turbine éolienne a quelques mètres de diamètre et un poids correspondant à sa dimension. Les dimensions précises de l’hélice de la turbine éolienne restent à déterminer en fonction de la puissance désirée par expérimentation mais demeure de l’ordre d’un diamètre de quelques mètres.

Dans l’éolienne à axe horizontale, le raccordement de l’hélice au générateur demande un ensemble d’arbres de transmission et une boite d’engrenage. Ces éléments sont nécessaires pour rendre la vitesse de rotation de l’arbre de sortie suffisamment élevée pour se conformer aux exigences du générateur. L’arbre de transmission d’entrée et les supports de  cet arbre doivent être importants pour supporter le poids de l’hélice et les forces torsions générées par les variations de la vitesse du vent sur une hélice pouvant avoir un diamètre de rotation supérieur à 30 mètres.

Pour la turbine éolienne, l’hélice et le générateur sont raccordés directement avec un arbre de transmission. L’hélice étant à l’intérieur de la turbine, la poussée du vent se réparti presqu’uniformément sur l’hélice. L’installation est beaucoup plus simple et efficace. L’utilisation d’ensemble d’arbres de transmission et de boîtes d’engrenage entraine des pertes d’énergie mécanique qui réduit l’efficacité énergétique de l’éolienne.

Contrôle de la vitesse de rotation

Le contrôle de la vitesse de rotation de l’hélice en fonction de la vitesse du vent et de la charge d’une éolienne à axe horizontale se fait en variant le pas de l’hélice en continu. La modification du pas de l’hélice modifie l’aérodynamisme des pales permettant une modulation de la capacité de transformer l’énergie du vent en travail mécanique sur l’hélice. Le travail de modification du pas est réalisé par un système hydraulique composé d’une pompe et de plusieurs vérins. Le système hydraulique doit être suffisamment costaud pour faire tourner les palmes (le poids de chaque pale peut être supérieur à 5 tonnes) sous charge puisque l’éolienne est en production. Le système hydraulique demande un entretien régulier pour éviter l’usure prématurée.

Avec la turbine éolienne, quatre volets placés sous et au-dessus de la nacelle dans les ailes assurent le contrôle de la vitesse de rotation de l’hélice par rapport à la charge. L’ouverture des volets augmente la pression d’air dans les ailes réduisant le différentiel de pression présent entre l’avant et l’arrière de l’hélice. Un différentiel de pression plus bas réduit la force de rotation appliquée sur l’hélice réduisant ainsi sa vitesse de rotation. Des vérins électriques ouvrent et ferment les volets. L’opération des volets ne demande pas une grande force. Les vérins électriques sont fiables et demandent peu d’entretien.

Orientation de l’éolienne

Le vent étant de direction variable, les éoliennes à axe horizontale comme beaucoup d’autres éoliennes, doivent avoir un système d’orientation pour maintenir les pales dans une position optimale de production. Les petites éoliennes utilisent un système passif  d’orientation. Un gouvernail installé à l’arrière de l’éolienne lui permet de demeurer dans un bon alignement.

Pour les grandes éoliennes, des contrôleurs d’orientation leur permettent de garder un bon alignement. Le contrôleur d’orientation utilise des moteurs hydrauliques ou électriques pour garder la nacelle en bonne position. Le système doit être suffisamment puissant pour faire tourner la nacelle et l’hélice (le poids pouvant dépasser 30 tonnes) et résister aux efforts de torsion de l’hélice (un diamètre pouvant être supérieur à 30 mètres) sous des variations de vitesse de vent réparti non-uniformément sur le diamètre de l’hélice.

L’ensemble de la turbine éolienne repose sur un pivot et utilise un système d’orientation passif. La forme des ailes de la turbine lui permet de s’orienter automatiquement dans la position optimale pour convertir l’énergie du vent en énergie mécanique. Le dispositif est simple et efficace et ne demande très peu d’entretien. Il est possible d’installer un dispositif de freinage afin de réduire la vitesse de déplacement et les oscillations. Des mouvements trop rapides pourraient être dommageables pour l’éolienne.

Différentiel coûts d’installation

Voici un exemple de différentiel coûts dans la réalisation de deux projets de puissance égalent avec une éolienne à axe horizontale trois pâles et une turbine éolienne à flot d’air dirigé. Les deux éoliennes ont une puissance de 80 à 100kwa pour un budget de $100 000.00.

La proportion en pourcentage de la fabrication de l’éolienne sur l’ensemble d’un projet varie en fonction des disponibilités services (route, ligne de transport électrique, disposition du terrain,…) sur le site d’implantation. Ce pourcentage se situe généralement entre 70% et 80% mais peut être inférieur pour une région éloignée. La valeur retenue pour la démonstration est la valeur médiane de 75%. Autres références: 75%, 75,6%, 75,6%.

Autres points important en faveur de la turbine éolienne sont les frais d’entretient de la turbine éolienne. La nacelle de la turbine éolienne contient beaucoup moins de pièces et d’équipements que les autres éoliennes de même puissance. Cette caractéristique permet de réduire sensiblement les frais annuels d’opération de la turbine éolienne.

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