L’énergie éolienne aéroportée

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L’ énergie éolienne aéroportée ( AWE ) est l’utilisation directe ou la génération d’ énergie éolienne par l’utilisation de dispositifs de levage aérodynamiques ou aérostatiques. La technologie AWE est capable de récolter des vents de haute altitude , contrairement aux éoliennes , qui utilisent un rotor monté sur une tour.

Le terme énergie éolienne à haute altitude (HAWP) a été utilisé pour désigner les systèmes AWE. ^[1] Cependant, sémantiquement, HAWP peut également inclure des systèmes de conversion d’énergie éolienne qui sont en quelque sorte positionnés à une grande hauteur du sol ou de la surface de la mer.

Divers mécanismes sont proposés pour capturer l’ énergie cinétique des vents tels que les cerfs- volants , les kytoons , les aérostats , les planeurs , les planeurs à turbines pour le vol régénératif, ^[2] les planeurs à turbines ou d’autres profils aérodynamiques, y compris les constructions multipoints ou les exploitations activées par le terrain. . ^[3] Une fois que l’énergie mécanique est dérivée de l’énergie cinétique du vent, de nombreuses options sont disponibles pour utiliser cette énergie mécanique : la traction directe, ^{[4] [5]}conversion à l’électricité en altitude ou à la station au sol, conversion au laser ou aux micro-ondes pour transmettre la puissance à d’autres aéronefs ou récepteurs au sol. L’énergie générée par un système à haute altitude peut être utilisée en altitude ou envoyée à la surface du sol par des câbles conducteurs, une force mécanique à travers une attache, la rotation d’une boucle de ligne sans fin, le mouvement de produits chimiques modifiés, le flux de gaz à haute pression, le flux de gaz à basse pression. des gaz sous pression ou des faisceaux de puissance laser ou micro-ondes.

Vent de haute altitude à des fins énergétiques

Les vents à des altitudes plus élevées deviennent plus stables, plus persistants et plus rapides. Parce que la puissance disponible dans le vent augmente avec le cube de la vitesse (la loi du cube de la vitesse), ^{[6] [7]} en supposant que les autres paramètres restent les mêmes, doubler la vitesse d’un vent donne 2 ³ = 8 fois la puissance ; tripler la vitesse donne 3 ³ =27 fois la puissance disponible. Avec des vents plus réguliers et plus prévisibles, le vent de haute altitude a un avantage sur le vent près du sol. Pouvoir localiser HAWP à des altitudes effectives et utiliser la dimension verticale de l’espace aérien pour l’éolien apporte un avantage supplémentaire en utilisant des vents à haute altitude pour générer de l’énergie.

Les éoliennes à haute altitude peuvent être ajustées en hauteur et en position pour maximiser le retour d’énergie, ce qui n’est pas pratique avec les éoliennes fixes montées sur tour.

Dans chaque plage d’altitudes, des préoccupations spécifiques à l’altitude sont abordées par les chercheurs et les développeurs. À mesure que l’altitude augmente, les attaches augmentent en longueur, la température de l’air change et la vulnérabilité à la foudre atmosphérique change. Avec l’augmentation de l’altitude, l’exposition aux passifs augmente, les coûts augmentent, l’exposition à la turbulence change, la probabilité que le système vole dans plus d’une strate directionnelle de vents augmente et les coûts d’exploitation changent. Les systèmes HAWP qui volent doivent monter à travers toutes les altitudes intermédiaires jusqu’aux altitudes de travail finales, étant d’abord un appareil à basse altitude puis à haute altitude.

Un atlas du gisement éolien de haute altitude a été élaboré pour tous les points de la Terre. ^[8] Un atlas similaire d’évaluation globale ^[9] a été développé chez Joby Energy.

Méthodes de capture de l’énergie cinétique des vents de haute altitude

L’énergie peut être captée du vent par des Cerfs-volants, ^[10] kytoons , planeurs captifs , ^[11] planeurs captifs , aérostats ( kytoons sphériques et en forme), turbines à aubes, profils aérodynamiques, matrices de profils aérodynamiques, drogues, drogues variables, profils aérodynamiques en spirale, Turbines Darrieus, dirigeables VAWT à effet Magnus, complexes à rotors multiples, Cerfs-volants en tissu Jalbert-parafoil, turbines unipales, flipwings, attaches, brides, boucles de cordes, lames flottantes, formes ondulantes et matériaux piézoélectriques, ^[12] et plus. ^[13]

Lorsque le but d’un système est de propulser des navires et des bateaux, ^{[14] [15]} les objets attachés au vent auront tendance à avoir la majeure partie de l’énergie capturée en tension utile dans l’attache principale. Les organes de travail en altitude seront actionnés pour maintenir une tension utile même lorsque le navire se déplace. C’est la méthode pour les sports de powerkite. Ce secteur de HAWP est la méthode la plus installée. Le folklore suggère que Benjamin Franklin a utilisé la méthode de traction de HAWP. George Pocock était un chef de file dans le remorquage de véhicules par traction. ^[16]

Contrôles

Les avions HAWP doivent être contrôlés. Les solutions dans les systèmes construits ont des mécanismes de contrôle situés de différentes manières. Certains systèmes sont passifs, actifs ou mixtes. Lorsqu’une unité de direction de cerf-volant (KSU) est gonflée, la KSU peut être robotique et autonome; un KSU peut être actionné depuis le sol via une radiocommande par un opérateur humain en direct ou par des programmes informatiques intelligents. Certains systèmes ont intégré des capteurs dans le corps de l’avion qui signalent des paramètres tels que la position, la position relative par rapport aux autres pièces. Les unités de contrôle de cerf-volant (KCU) ont impliqué plus que la direction; les vitesses et les directions d’enroulement d’attache peuvent être ajustées en réponse aux tensions d’attache et aux besoins du système pendant une phase de génération d’énergie ou une phase de retour sans génération d’énergie. Les pièces de contrôle du cerf-volant varient considérablement. ^{[17] [18]}

Méthodes de conversion de l’énergie

L’ énergie mécanique de l’appareil peut être convertie en chaleur , son , électricité , lumière , tension , poussée, traction, laser , micro -onde , changements chimiques ou compression de gaz. La traction est une grande utilisation directe de l’énergie mécanique comme dans le remorquage des cargos et des kiteboarders. Il existe plusieurs méthodes pour obtenir l’énergie mécanique à partir de l’énergie cinétique du vent. Des aérostats amarrés plus légers que l’air (LTA) sont utilisés comme élévateurs de turbines . Profils aérodynamiques captifs plus lourds que l’air (HTA)sont utilisés eux-mêmes comme élévateurs ou turbines. Des combinaisons de dispositifs LTA et HTA dans un seul système sont en cours de construction et de vol pour capturer HAWP. Même une famille d’appareils aéroportés en vol libre est représentée dans la littérature qui capte l’énergie cinétique des vents de haute altitude (à commencer par une description en 1967 par Richard Miller dans son livre Without Visible Means of Support ) et une demande de brevet contemporaine par Dale C. Kramer , compétiteur planeur planeur, inventeur.

Une recherche sur les innovations technologiques des éoliennes aéroportées révèle que la technique des “AWT de type Kite”, le type le plus courant, a un potentiel de croissance élevé à l’avenir ; il a contribué pour environ 44% de l’énergie éolienne aérienne totale au cours de la période 2008-2012. Les AWT de type cerf-volant extraient de l’énergie à travers des éoliennes suspendues à haute altitude à l’aide de Cerfs-volants tels que cerf-volant multi-captif, cerf-volant et ventilateur circulaire à double usage, Cerfs-volants à voilure tournante, etc. ^[19]

Position du générateur électrique dans un système HAWP

La production d’électricité n’est qu’une des options pour capter l’énergie mécanique ; cependant, cette option domine l’attention des professionnels visant à fournir de grandes quantités d’énergie au commerce et aux services publics. Un large éventail d’options secondaires comprend le remorquage de Turbines à eau , le pompage d’eau ou la compression d’air ou d’hydrogène. La position du générateur électrique est une caractéristique distinctive parmi les systèmes. Faire voler le générateur en altitude se fait de différentes manières. Garder le générateur dans la zone d’amarrage est une autre grande option de conception. L’option dans un système d’un générateur en altitude et à la station au sol a été utilisée lorsqu’un petit générateur fait fonctionner des appareils électroniques en altitude tandis que le générateur au sol est le gros travailleur pour produire de l’électricité pour des charges importantes.

Générateur de carrousel

La configuration “Carrousel” plusieurs Cerfs-volants volent à hauteur constante et à des altitudes plus élevées, entraînant en rotation un générateur qui se déplace sur un large rail circulaire. Pour un grand système Carrousel, la puissance obtenue peut être calculée de l’ordre de GW, exposant une loi qui voit la puissance atteignable en fonction du diamètre élevé à la puissance cinq, alors que l’incrément de coût du générateur est linéaire. ^[20]

HAWP basé sur un aérostat

Une méthode pour maintenir en l’air les systèmes HAWP en état de marche consiste à utiliser des aérostats flottants, que le générateur électrique soit soulevé ou non ou laissé au sol. Les aérostats sont généralement, mais pas toujours, façonnés pour obtenir un effet de levage de cerf-volant. La recharge du gaz de levage qui fuit reçoit diverses solutions. En cas de vents productifs, les aérostats sont généralement soufflés par la traînée aérodynamique appliquée sur la large et inévitable surface Reynolds les excluant de facto de la catégorie HAWP.

• WR Benoit US Patent 4350897 Lighter than air wind energy conversion system par William R. Benoit, déposé le 24 octobre 1980 et délivré le : 21 septembre 1982.
• Le système TWIND (demande de brevet internationale PCT/W02010/015720 ) est basé sur l’utilisation d’une surface de voile surélevée par la force ascensionnelle d’un ballon aérostatique relié au sol par un câble utilisé également pour la transmission d’énergie. Le vent présent à haute altitude crée une poussée horizontale sur la voile qui dans son mouvement transmet cette énergie au sol via le câble de liaison. A la fin de son mouvement vers l’avant, la surface de voile est réduite lui permettant de remonter au vent avec une perte d’énergie réduite. ^[21]
• L’aérostat Magenn est une éolienne à axe vertical maintenue avec son axe horizontal en bridant l’axe transversal au vent de sorte que la portance par effet Magnus soit obtenue pendant l’autorotation; l’électricité est générée avec des générateurs terminaux. ^[22]
• Le LTA Windpower PowerShip utilise la portance d’un aérostat et des ailes. Il fonctionne près d’une flottabilité neutre et ne nécessite pas de treuil. La puissance est générée par des turbines avec les hélices sur le bord de fuite des ailes. Le système est conçu pour pouvoir décoller et atterrir sans surveillance. ^[23]
• Airbine propose de soulever des éoliennes dans les airs à l’aide d’aérostats ; l’électricité reviendrait aux charges au sol au moyen d’une attache conductrice. ^[24]
• Turbine de dirigeable par William J. Mouton, Jr. et David F. Thompson : Leur système a intégré la turbine dans la partie centrale d’un aérostat presque toroïdal, comme mettre une turbine dans le trou d’un beignet d’aérostat. ^[25]
• Le système HAWE ^[26] est développé à partir de l’idée de Tiago Pardal. Ce système consiste en un cycle de pompage similaire à celui des systèmes de cerf-volant. Dans la phase de génération, la force de traction augmente de 5 à 10 fois en raison de l’ effet Magnus d’un cylindre en rotation (plate-forme aérienne). Comme un cerf-volant, la force de traction produite par la plate-forme aérienne va dérouler le câble et générer de l’électricité au sol. En phase de récupération, il rembobine le câble sans effet Magnus dans la plate-forme élévatrice.

Systèmes non aéroportés

Conceptuellement, deux montagnes adjacentes (naturelles ou adaptées au terrain) ou des bâtiments ou tours artificiels (urbains ou artificiels) pourraient avoir une éolienne suspendue entre eux à l’aide de câbles. Lorsque HAWP est câblé entre deux sommets de montagne à travers une vallée, ^[3] le dispositif HAWP n’est pas aéroporté, mais porté par le système de câble. Aucun de ces systèmes n’est connu pour être utilisé, bien que des brevets enseignent ces procédés. Lorsque les ponts non câblés sont la base pour maintenir les éoliennes au-dessus du sol, ^[27] alors ceux-ci sont regroupés avec les turbines à tour conventionnelles et sont en dehors de l’intention de HAWP où l’attache d’un système aéroporté est fondamentale.

Sécurité

La foudre , le Trafic aérien , les procédures d’urgence, les inspections du système, le marquage de visibilité des pièces du système et de ses attaches, la Sécurité électrique , les procédures d’emballement des ailes, les commandes de surpuissance, l’amarrage approprié, etc. forment l’environnement de sécurité des systèmes HAWP.

Défis en tant qu’industrie émergente

Il y a eu plusieurs périodes de grand intérêt pour HAWP avant l’activité contemporaine. La première période s’est concentrée sur le tirage de voitures sur les terres et la capture de l’électricité atmosphérique et de la foudre à usage humain. ^[28] La deuxième période a eu lieu dans les années 1970 et 1980 lorsque la recherche et l’investissement ont prospéré ; une baisse du prix du pétrole n’a entraîné aucune installation importante de HAWP. Le retour sur investissement (ROI) a été le paramètre clé ; que le retour sur investissement reste au centre de l’activité de développement actuelle tandis qu’en arrière-plan se trouve le mouvement des énergies renouvelables et durables soutenant l’énergie éolienne de toute nature ; mais HAWP doit rivaliser sur le retour sur investissement avec les solutions conventionnelles en tour. Un centre de test à Lista, en Norvège, fournit une vérification indépendante de la recherche.^[29]

Premières références à HAWP

Les premiers siècles de cerf-volant ont démontré que le cerf-volant est un moteur rotatif qui fait tourner sa partie d’attache autour de son point d’amarrage et fait bouger les mains et les bras en raison de l’énergie capturée par les vents plus élevés dans le dispositif mécanique. La tension dans les appareils gonflés effectue le travail de levage et de traction des parties du corps et des choses. L’énergie éolienne aéroportée (AWE) pour HAWP est née il y a des milliers d’années; nommer ce qui s’est passé et développer les potentiels implicites des avions captifs pour effectuer des travaux spéciaux est ce qui se passe dans AWE HAWP. Ce qui est « faible » pour certains travailleurs est « élevé » pour d’autres.

• 1796 George Pocock utilise le mode traction pour se déplacer dans des véhicules sur des routes terrestres.
• 1827 Le livre de George Pocock ‘The Aeropleustic Art’ ou ‘Navigation in the Air by the Use of Kites or Buoyant Sails’ est publié. Pocock a décrit l’utilisation de Cerfs-volants pour les voyages terrestres et maritimes. Le livre a été réédité plusieurs fois. ^[30]
• 1833 John Adolphus Etzler a vu HAWP fleurir au moins pour la traction. ^[31]
• 1864 ? Le chapitre du livre Kite-Ship décrit bien la dynamique clé du HAWP utilisé pour remorquer les navires par des Cerfs-volants. John Gay’s : ou Work for Boys. Chapitre XVIII du volume d’été. ^[15]
• 1935 Aloys van Gries est l’un des premiers brevetés de l’énergie éolienne à haute altitude; il a enseigné divers systèmes de cerf-volant à utiliser pour générer de l’électricité dans son brevet DE 656194 C : Durch Drachen getragene Windkraftmaschine zur Nutzbarmachung von Hoehenwinden
• 1943 Stanley Biszak a demandé d’utiliser l’énergie potentielle en vol libre pour convertir les vents ambiants impactant la turbine pour entraîner un générateur électrique pour charger les batteries. ^[32]
• 1967 Richard Miller, ancien rédacteur en chef du magazine Soaring , publie le livre Without Visible Means of Support qui décrit la faisabilité des Cerfs-volants couplés en vol libre non ancrés au sol pour capturer les différences de strates de vent pour voyager à travers les continents; un tel HAWP fait l’objet de la demande de brevet contemporaine de Dale C. Kramer.
• 1973 ? Hermann Oberth Dans l’annexe de son livre Primer pour ceux qui voudraient gouverner , il y a des croquis et une photographie d’un modèle de la centrale électrique de cerf-volant du musée Oberth. ^[33]
• 1977 3 avril 1977, invention déclarée. Le 21 septembre 1979, Douglas Selsam a notarié sa chaîne sans fin soulevée par cerf-volant du système HAWP, type générique qui apparaîtra plus tard dans l’appareil de l’astronaute néerlandais Wubbo Ockels ^[34] appelé LadderMill décrit dans un brevet de 1997. Douglas Selsam a conçu son Auto -orienté Wind Harnessing Buoyant Aerial Tramway le 3 avril 1977. Sur la divulgation notariée de l’invention Selsam a été placée une date du 20 septembre, tandis que le notaire a placé la signature finale le 21 septembre 1979. notes et dessins . ^[35]
• 1979 Le professeur Bryan Roberts commence le développement d’éoliennes HAWP de type giromill gyrocoptère. ^[36]
• 1980 Miles Loyd publie un article sur la puissance du cerf-volant par vent de travers. ^[37]
• 1986 Le rotor AWE HAWP de Bryan Roberts génère de l’électricité et se soulève en vol captif. ^[38]
• 1992 Free Rotor WO/1992020917 Free Rotor par JACK, Colin, Humphry, Bruce (un homme). Colin Jack. Colin Bruce. Les multi-rotors sont traités. Les attaches carénées sont reconnues. 1992.

Voir également

Wikimedia Commons a des médias liés à l’énergie éolienne aéroportée .

• Portail des énergies renouvelables

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• Vent
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• Énergie éolienne
• Loi de puissance du profil du vent
• Évaluation des ressources éoliennes
• Éolienne

Références

1. ^ Roberts, Bryan R.; Shepard, David H.; Caldeira, Ken; Cannon, M. Elizabeth; Eccles, Da G.; Grenier, Albert J.; En ligneFreidin, Jonathan F. (2007). “Exploiter l’énergie éolienne à haute altitude”. Transactions IEEE sur la conversion d’énergie . 22 (1): 136–144. Bibcode : 2007ITEnC..22..136R . doi : 10.1109/TEC.2006.889603 . S2CID 1833299 .
2. ^ Vol sans carburant – Étude de faisabilité de la montée en flèche régénérative
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5. ↑ Anne Quéméré, l’Oceankite et les Météo Extrêmes
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15. ^ ^{un travail de John Gay b} pour les garçons. Quatre tomes. Le volume d’été avait un chapitre XVIII intitulé Kite-Ship qui décrivait bien la dynamique de traction du cerf-volant HAWP.
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29. ^ Ramsdal, Roald (22 septembre 2017). “Vil lokke internasjonale konkurrenter til nytt norsk testsenter for flyvende vindkraft” . Teknisk Ukeblad . Récupéré le 23 septembre 2017 .
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32. ^ Brevet américain 2368630 déposé le 3 juin 1943.
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36. ^ Nouvelles de la BBC, SciTech.
37. ^ J. Energy, 1980, vol. 4., non. 3.
38. ^ Photographie de Robert’s Rotorcraft d’une expérience en Australie. PJ Shepard place l’année 1986 au meilleur souvenir. Bryan Roberts se souvient que la photographie était lors de sa session en mai 1986. Sur la photographie, l’engin motorisé était presque en autorotation ; la production d’électricité réelle a été réalisée brièvement dans un autre test. Une vidéo est disponible là où la production d’électricité a été effectuée. L’engin montré avait deux moyeux rotatifs; à chaque moyeu rayonnait une pale de rotor de levage et une pale profilée plus courte avec une masse d’équilibrage à son extrémité Le professeur prévoit une centrale électrique volante; l’engin total pesait 64 livres. De gauche à droite, les personnes : Hasso Nibbe, Alan Fien, Grahame Levitt et Bryan Roberts ; tous étaient des employés de l’Université de Sydney. Site : Mt. Pleasant Farm à Marulan en Nouvelle-Galles du Sud. Vent : environ 15 nœuds. L’inventeur de l’AWECS, David H. Shepard, après une longue correspondance, a finalement rencontré en personne en 2006 le professeur Bryan Roberts ; tels font partie des fondations de la société HAWPA Sky WindPower.

Liens externes

• Liste des participants à l’énergie éolienne aéroportée
• Groupe de recherche sur la puissance du cerf-volant de la TU Delft
• Energy Kite Systems un glossaire des termes et des liens vers les systèmes HAWP
• AWESystems.info liste des organisations
• Évaluation de la viabilité des ressources éoliennes à haute altitude en Irlande , Colm O’Gairbhith pour le suivi du carbone