Image ©Pxhere Un nouveau dispositif pourrait ouvrir davantage de zones à la production d'énergie éolienne en utilisant des ailes stationnaires au lieu de turbines tournantes
Une solution permettant d'optimiser l'énergie éolienne
Les panneaux solaires perchés sur les toits des maisons et autres bâtiments sont de plus en plus courants, mais les systèmes éoliens sur les toits n'ont jamais fait leur chemin. Les efforts passés pour réduire les turbines imposantes qui produisent de l'énergie éolienne à quelque chose qui pourrait s'asseoir sur une maison ont été entravés par trop de problèmes techniques pour rendre ces appareils pratiques. Maintenant, cependant, une nouvelle conception pourrait contourner ces problèmes en exploitant le même principe qui crée une portance pour les ailes d'avion.
Dans l'ensemble, l'électricité produite par des sources renouvelables a augmenté au cours des dernières années, et l'énergie éolienne a été un moteur majeur de cette tendance. Elle représente plus de 40% de l'électricité produite à partir d'énergies renouvelables aux États-Unis (mais seulement 7% de toute la production d'électricité). Contrairement aux cellules à énergie solaire, qui sont limitées à la collecte d'énergie pendant les heures de clarté, les éoliennes peuvent fonctionner toute la nuit dans n'importe quel endroit avec les bonnes conditions, à savoir dans les plaines ouvertes ou les collines douces avec des vitesses de vent toujours suffisantes. Mais en plus de ces exigences, les grandes turbines ont besoin d'un espace ouvert, qui n'est pas toujours disponible près des villes et des villes tentaculaires. L'installation de systèmes éoliens sur les toits des maisons et des bâtiments de la ville pourrait aider à exploiter davantage cette ressource.
Des éoliennes moins bruyantes et plus durables
En matière d'énergie éolienne, la taille compte. La quantité d'énergie qu'une turbine individuelle peut générer est proportionnelle à la surface balayée par ses pales. Les appareils suffisamment petits pour tenir sur un toit sont donc moins puissants. «Ce qui empêche le vent distribué de réussir, c'est que la plupart des systèmes sont essentiellement des éoliennes miniaturisées», explique Brent Houchens, ingénieur en mécanique chez Sandia National Laboratories. Les petits appareils ne produisent pas suffisamment d'énergie pour être rentables. De plus, leurs lames qui tournent rapidement créent des vibrations bruyantes et leurs nombreuses pièces mobiles sont plus sujettes à la rupture. Par rapport aux panneaux solaires passifs sur les toits, les éoliennes ont le potentiel de nécessiter beaucoup d'entretien.
Houchens et ses collègues pensent qu'ils ont conçu une solution qui surmonte ces obstacles en empruntant à un principe fondamental du vol aérien. La forme incurvée d'une aile d'avion - appelée profil aérodynamique - modifie la pression de l'air de chaque côté et produit finalement de la portance. Le collègue de Houchens, Carsten Westergaard, président de Westergaard Solutions et ingénieur en mécanique à la Texas Tech University, dit qu'il a attelé deux profils ensemble de sorte que «le flux d'un profil va amplifier l'autre profil, et ils deviennent plus puissants». Orientée comme deux ailes d'avion debout sur le côté, la paire d'ailes fait face directement au vent. Au fur et à mesure que le vent se déplace, une basse pression s'accumule entre les feuilles et aspire l'air à travers les fentes dans leurs corps en partie creux.
Grâce à cette conception, l'appareil - que les chercheurs appellent AeroMINE («MINE» pour Motionless, Integrated Extraction) - peut tirer l'énergie éolienne d'une zone plus grande (essentiellement, la face rectangulaire de l'AeroMINE) que ses pales de turbine ne pourraient à elles seules dans une configuration traditionnelle. Houchens compare ces turbines standard à des emporte-pièces qui laissent de la pâte gaspillée. Le nouvel appareil utilise tout le vent disponible, ce qui lui permet d'extraire plus d'énergie.
Les AeroMINE ne génèrent pas non plus les mêmes vibrations et bruits que les turbines ordinaires; ils sont «moins bruyants qu'un ventilateur», explique Westergaard. La relative simplicité de leur conception signifie qu'il y a moins de pièces mobiles à dysfonctionner. La turbine, qui est logée à l'intérieur d'un bâtiment, serait plus facile d'accès si elle a besoin de réparations. Cette disposition maintient également les lames isolées de tout contact avec les personnes ou la faune. L'équipe conçoit le système afin qu'il puisse être utilisé en conjonction avec des panneaux solaires sur le toit, se branchant sur l'infrastructure existante pour récolter l'énergie qu'ils génèrent.
«Je pense que cette technologie pourrait être révolutionnaire» pour les zones avec de bonnes conditions de vent, explique Luciano Castillo, ingénieur en mécanique à l'Université Purdue, qui n'est pas impliqué dans le projet mais a travaillé avec Westergaard dans le passé. Il pense également que la simplicité des AeroMINEs pourrait en faire une bonne option pour les pays en développement, car les nouveaux appareils ne nécessitent pas de pièces ou d'outils spécialisés et sont relativement faciles à réparer. Castillo et Westergaard voient tous les deux la possibilité d'utiliser la conception sous l'eau pour exploiter également l'énergie marémotrice.
Jay Apt, codirecteur du Carnegie Mellon Electricity Industry Center, qui n'est pas non plus impliqué dans le projet, convient que la simplicité de la conception est attrayante. Mais il ne sait pas si le système peut être mis à l'échelle pour générer efficacement de l'énergie à un coût suffisamment bas dans un environnement réel. Houchens dit qu'avec des conditions de vent appropriées, lui et ses collègues pensent que les AeroMINE peuvent être compétitifs par rapport au coût actuel de l'énergie solaire sur les toits.
L'équipe, qui a reçu un financement de Sandia et du ministère de l'Énergie, a testé des modèles réduits dans des souffleries pour affiner la conception. En juin, les chercheurs ont l'intention de tester une version de quatre mètres de haut de l'appareil sur un faux bâtiment d'un étage dans les installations de la technologie du parc éolien à l'échelle (SWiFT), qui fait partie du National Wind Institute de Texas Tech.
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