La comparaison des éoliennes à axe horizontal et vertical
Les éoliennes varient en taille et en conception, où l’orientation de l’axe – horizontal ou vertical – fait la différence essentielle. Évidemment, dans une éolienne à axe horizontal, une hélice verticale tourne face au vent horizontalement, tandis que dans une éolienne à axe vertical, les pales tournent autour d’un axe vertical face au vent verticalement.
Au fil des années d’exploitation, il est devenu évident que les éoliennes à axe horizontal, ou HAWT, fonctionnent bien dans les zones ouvertes, tandis que les VAWT ont beaucoup moins de restrictions et peuvent donc être montées sur les sommets et les toits des zones urbaines.
Présentation générale de VAWT et HAWT
Pour les HAWT, la direction du vent est importante car les pales sont plus productives lorsque le vent souffle à angle droit. De plus, ils ont généralement un entraînement en rotation pour ajuster les pales à la direction du vent.
Au contraire, une éolienne à axe vertical ne dépend pas autant de l’angle du vent et peut fonctionner à une vitesse de vent inférieure à une HAWT moyenne. Cependant, il existe quelques conceptions d’éoliennes à axe horizontal, telles qu’une éolienne de TBHAWT Manufacturing, qui parviennent à échapper à la perte d’efficacité étant conçues pour rester efficaces même à la vitesse du vent de 8 m/sec ou moins.
Les éoliennes à axe vertical se tiennent verticalement ou perpendiculairement au sol, convertissant le vent de tous les 360 degrés autour. Parfaitement adaptés aux zones urbaines, les VAWT peuvent être utilisés dans des endroits où les vents sont irréguliers ou dans des zones rurales complexes.
Malgré ces faits, les VAWT semblent moins productifs que les HAWT en raison d’une vitesse de fonctionnement plus faible et d’une productivité ultérieure, mais ils constituent définitivement un choix parfait pour un ménage individuel avec des vents à forte turbulence.
Les HAWT et VAWT produisant moins de 100 kW d’électricité sont considérés comme petits et sont principalement utilisés localement pour les besoins des ménages. Cependant, certaines conceptions de HAWT avec une production de plus de 50 kW se sont avérées rentables en raison d’une bonne combinaison de rentabilité et de portée client.
Les petites éoliennes ont tendance à être plus populaires car elles nécessitent moins de terrains et d’investissements que les grandes. Les petits WT sont particulièrement adaptés aux zones éloignées et hors réseau, et peuvent être connectés ou déconnectés aux lignes électriques nationales.
Éolienne à axe horizontal
Les éoliennes à axe horizontal utilisent l’énergie éolienne à travers des pales dirigées sur un axe horizontal parallèle au sol. HAWT fait face au vent perpendiculairement afin que les pales de l’éolienne tournent en suivant une portance aérodynamique.
Les éoliennes à axe horizontal prédominent sur le marché de l’énergie éolienne car leur conception de construction permet d’obtenir plus d’énergie grâce à la rotation complète des pales en termes de flux de vent constant. De plus, les éoliennes à axe horizontal résistent au retour en arrière, ce qui est également bénéfique dans ce type de production d’énergie.
Pour atteindre le maximum d’efficacité, les éoliennes à axe horizontal doivent être placées dans la direction du vent. Si la direction du vent est polyvalente, l’efficacité de la production d’énergie peut parfois chuter considérablement.
Cependant, cet inconvénient est éliminé lorsqu’un parc d’éoliennes à axe horizontal est situé dans une zone correctement sélectionnée avec un flux de vent constant et de même direction.
Une petite éolienne a souvent une girouette pour s’aligner avec la direction du vent, tandis que les grandes éoliennes comprennent un compteur de lacet pour corriger la position de l’éolienne afin de rester alignée avec le vent. Un flux de vent constant et stable est important lorsqu’un opérateur recherche une solution rentable.
Éolienne à axe vertical
Les pales de l’éolienne à axe vertical tournent perpendiculairement au sol et autour de l’axe vertical en utilisant des effets de traînée et de portance pour le fonctionnement. Malgré le manque de popularité par rapport au HAWT, les VAWT peuvent recevoir et traiter le vent de n’importe quelle direction afin qu’il convienne parfaitement aux zones urbaines et suburbaines avec des vents turbulents et incohérents.
La boîte de vitesses de l’éolienne et certains de ses équipements peuvent être installés plus près du sol. Ce faisant, un utilisateur d’éoliennes peut réduire considérablement les dépenses de maintenance, ce qui, associé à une construction moins bruyante, crée de meilleures conditions de cohabitation.
Les éoliennes à axe vertical sont assez sensibles au retour en arrière en raison des pales qui tournent dans la direction du vent alors qu’elles doivent retourner dans le courant du vent avant d’être repoussées.
En fin de compte, de nouvelles recherches montrent que les éoliennes à axe vertical ne sont pas très différentes de celles à axe horizontal – l’efficacité de l’éolienne dépend fortement des conditions de vent de la région et du volume de production d’électricité requis.
Rotation
Lors de la rotation, les pales HAWT obtiennent des effets de force d’inertie variable et de gravité toujours stable. En raison de ces influences, les pales HAWT subissent une charge alternée qui est préjudiciable à la résistance à la fatigue de la pale.
Pendant la rotation, les effets reçus de l’éolienne à axe vertical sont plus stables en raison de la force d’inertie et de la stabilisation de la gravité. À cet égard, la charge est fixe, de sorte que la longévité à la fatigue du VAWT est plus longue que celle du HAWT.
Vitesse du vent
Il est devenu de notoriété publique que les éoliennes à axe horizontal présentent d’excellentes performances en raison d’une vitesse de démarrage suffisante et de flux de vent constants. Cependant, il convient de mentionner que l’efficacité des éoliennes dépend en grande partie de la conception de la construction.
Pour soutenir cette idée, le Centre chinois de recherche et de développement en aérodynamique a mené une expérience avec une petite éolienne à axe horizontal avec une vitesse de démarrage d’environ 5 m/s et une vitesse maximale reçue de 5,9 m/s.
L’expérience a prouvé que cette vitesse de démarrage est insuffisante pour surpasser la consommation d’énergie de l’éolienne et n’est donc pas satisfaisante. Dans le même temps, d’autres éoliennes, avec une plus grande plage de vitesse du vent, telles que la WTW-55 de TBHAWT Manufacturing mentionnée ci-dessus, sont une éolienne plus prometteuse en termes d’utilisation commerciale.
Les éoliennes à axe vertical démarrent à une vitesse de vent inférieure, ce qui entraîne une performance moins productive. Pour fournir une sortie à un coût raisonnable, des éoliennes à axe vertical à structure en H doivent être sélectionnées – dans ce cas, un opérateur doit s’assurer que le profil aérodynamique et l’angle d’installation optimal sont respectés avec précision. Ce faisant, une éolienne à structure en H démarrera à la vitesse imbattable de 2 m/s.
Efficacité
Les éoliennes à axe horizontal prédominent sur le marché de l’énergie éolienne en raison de leur efficacité beaucoup plus élevée par rapport au VAWT. À leur tour, les HAWT se divisent en grandes et petites éoliennes où les grands WT ont besoin d’espaces ouverts spacieux, idéalement avec un accès au bord de mer pour recevoir plus de vent.
Les petites éoliennes ont moins de limitations et peuvent être utilisées aussi bien pour les petits ménages domestiques que pour l’approvisionnement d’une communauté ou d’une ville. Bien sûr, tout dépend fortement de la taille du parc éolien – plus il est grand, plus il peut desservir de ménages.
En ce qui concerne l’utilisation commerciale, les éoliennes à axe horizontal laissent VAWT loin derrière en termes de mise à l’échelle et de productivité. De plus grande taille, l’entretien des HAWT coûte plus cher, mais en même temps, ils produisent dix fois plus d’électricité qu’une éolienne moyenne à axe vertical.
Il convient de rappeler que les éoliennes à axe vertical sont sensiblement inefficaces dans les flux de vent à grande vitesse en raison de leurs couples de démarrage finalement faibles et de leurs problèmes de stabilité dynamique.
Les types d’éoliennes à axe horizontal et vertical présentent des avantages et des inconvénients. Pour en tirer le meilleur parti, un développeur doit d’abord décider s’il souhaite qu’une éolienne s’auto-approvisionne ou monétise l’énergie éolienne en transformant les éoliennes en un revenu stable à long terme.
