Cet article explore les convertisseurs d’énergie des vagues et fournit des calculs pour la puissance générée en utilisant les caractéristiques des vagues.
Récemment, l’énergie des vagues a attiré l’attention en raison de sa prévisibilité et de son abondance. Avec le monde en quête constante de sources d’énergie alternatives, le passage aux convertisseurs d’énergie des vagues (CEV) devient populaire pour capturer et convertir l’énergie cinétique des vagues océaniques en électricité utilisable.
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Caractéristiques des vagues et évaluation des ressources
Connaître les caractéristiques des vagues et comment accéder aux ressources disponibles est important pour comprendre comment exploiter l’énergie des vagues. Les vagues océaniques résultent du vent soufflant à la surface de l’océan. La puissance de la vague est influencée par la forme, la taille, la durée du vent, la vitesse et la distance qu’il parcourt (connu sous le terme de fetch). La longueur d’onde est la distance entre deux crêtes consécutives, tandis que la période de la vague est le temps que la vague met à passer un point fixe.
La mesure et l’analyse des paramètres liés aux caractéristiques des vagues sont impliquées dans les évaluations des ressources en énergie des vagues. Un paramètre couramment mesuré est la hauteur des vagues (Hs), ou la hauteur moyenne du tiers supérieur des vagues dans un certain climat de vagues. Hs prédit l’énergie des vagues disponible à un certain endroit et est mesuré par un radar satellite ou une bouée de vagues.
La période de pointe (Tp) et la période d’énergie (Te) sont d’autres paramètres mesurables liés aux caractéristiques de l’énergie des vagues. Tp est le temps entre deux crêtes de vagues respectives avec la plus haute énergie de vague, tandis que Te est le temps nécessaire pour que la moitié de l’énergie des vagues passe un point fixe dans un certain climat de vagues. La densité spectrale des vagues explique comment les formes d’ondes se distribuent entre différentes longueurs d’onde.
Dans l’évaluation des ressources en énergie des vagues, des modèles mathématiques sont également utilisés pour prédire les conditions des vagues à un endroit particulier. Le modèle prend en compte la direction du vent, la vitesse du vent et le courant océanique pour fournir des informations précieuses sur les ressources en énergie des vagues au fil du temps.
Pour la conception et l’exploitation réussies des convertisseurs d’énergie des vagues, il est important de faire des évaluations précises des ressources énergétiques. Par conséquent, comprendre les caractéristiques de ces ressources facilitera l’optimisation des CEV et maximisera la puissance produite.
Types de Convertisseurs d’Énergie des vagues
Voici quelques CEV courants, chacun avec une conception et une technique de conversion différente :
Absorbeur Ponctuel
Les absorbeurs ponctuels (PA) utilisent le mouvement de haut en bas d’une structure flottante pour entraîner un générateur électrique ou une pompe hydraulique afin de convertir l’énergie cinétique en énergie électrique. Des systèmes à une ou plusieurs bouées sont disponibles.
En ce qui concerne la conception, les PA consistent en une structure flottante attachée au fond marin. L’énergie de la vague est convertie en pression hydraulique utilisée pour entraîner le générateur électrique dans le système d’entraînement de puissance (PTO). L’électricité générée est transmise par un câble sous-marin jusqu’à la côte.
Figure 1. Convertisseur d’énergie des vagues de type absorbeur ponctuel. Image utilisée avec la permission de Bob Odhiambo
Les performances des PA dépendent des ressources en énergie des vagues, de la conception et de l’efficacité du système hydraulique. La puissance produite peut être calculée avec :
P = 0.5 × ρ × A × C × Hs2 × Cg
Où
P est la puissance en kW
ρ est la densité de l’eau de mer donnée par 1025 kg/m3
A est la surface de la bouée (structure flottante) en m3
C est le rapport de largeur de capture
Hs est la hauteur significative de la vague en m
Cg est la vitesse de groupe des vagues océaniques en m/s
Exemple de calcul :
Pour calculer la puissance théorique maximale d’un absorbeur ponctuel de rayon 5 m avec un déplacement maximum de 2 m, supposons que la hauteur de la vague soit de 4 m et que la densité de l’eau de mer soit de 1025 kg/m3.
À partir de la formule discutée précédemment, la puissance de sortie d’un absorbeur ponctuel est déterminée en utilisant :
P = 0.5 × ρ × A × C × Hs2 × Cg
La première étape consiste à calculer la surface de l’absorbeur ponctuel :
A = pi × r2
= 3.14 × 52
= 78.5 m2
La deuxième étape consiste à calculer la vitesse de groupe des vagues en utilisant la formule :
\[Cg=0.5\times\sqrt{\frac{g\times T}{\pi}}\]
Où T représente la période de la vague.
\[Cg=0.5\times\sqrt{\frac{9.81\times 10}{\pi}}\]
= 7.86 m/s
Remplaçons toutes les valeurs dans la formule ci-dessous pour obtenir la valeur de la puissance de sortie de l’absorbeur ponctuel :
P = 0.5 ×1025 × 9.81 ×78.5 ×42 ×7.86
= 22,196,223.6 W
= 22.2 MW
Dans cet exemple, la puissance électrique théorique générée par l’absorbeur ponctuel est de 22.2 MW. La puissance réelle dépendra des conditions des vagues et de l’efficacité du mécanisme de conversion.
Dans le système d’entraînement de puissance (PTO) d’un absorbeur ponctuel, le contrôle par verrouillage peut réduire l’énergie perdue pendant le processus PTO en améliorant l’efficacité. En raison de la non-synchronisation fréquente du système, le contrôle par verrouillage vise à contrer cela. Voici un graphique montrant comment l’efficacité du système PTO est affectée lorsque le contrôle par verrouillage est incorporé dans le système et lorsqu’il n’y a pas de contrôle par verrouillage.
Figure 2. L’efficacité du convertisseur d’énergie des vagues de type absorbeur ponctuel avec et sans contrôle par verrouillage dans une gamme de fréquences. Image utilisée avec la permission de Bob Odhiambo
Convertisseurs d’Énergie des Vagues par Débordement
Les convertisseurs d’énergie des vagues par débordement (OWEC) utilisent l’énergie potentielle de l’eau qui s’écoule à travers le réservoir pour générer de l’électricité. Les OEWEC possèdent une structure inclinée partiellement submergée au sommet et un réservoir. Le convertisseur comprend également une turbine hydroélectrique en bas.
Le niveau d’eau dans le réservoir monte et descend lorsque la vague entre dans la structure. Cela provoque l’écoulement de l’eau à travers le bassin ou le canal, entraînant la turbine hydroélectrique pour générer de l’électricité. Pour calculer la puissance théorique des OWEC, on utilise la formule suivante :
P = η × ρ × g × V × Hs3 × C
Où :
P est la puissance en kW.
ρ est la densité de l’eau de mer donnée par 1025 kg/m3
Hs est la hauteur significative de la vague en m
η est l’efficacité de la turbine
g est l’accélération due à la gravité, soit 9.81 m/s2
V est le volume du réservoir en m3
C est le coefficient de capture de l’appareil
L’efficacité de la turbine peut être évaluée en utilisant la formule suivante :
\[\eta=\frac{P}{(\rho\times g\times V\times Hs^{3})}\]
Exemple de calcul :
Supposons qu’un OWEC ait un réservoir de 1000 cm3. Si le convertisseur est situé dans une zone avec une efficacité de 0.4 et une hauteur significative des vagues de 2 m, calculons la puissance théorique du système et l’efficacité de la turbine si le coefficient de capture de l’appareil est de 0.8.
En utilisant la formule discutée précédemment :
P = η × ρ × g × V × Hs3 × C
La puissance de sortie de l’appareil peut être calculée comme suit :
P = 0.4 × 1025 × 9.81 × 1000 × 23 × 0.8
P = 9,820.80 kW
Par conséquent, la puissance de sortie de l’OWEC est d’environ 9,820.80 kW.
L’efficacité de la turbine est calculée comme suit :
\[\eta=\frac{P}{(\rho\times g\times V\times Hs^{3})}\]
\[\eta=\frac{9,820.80}{(1025\times 9.81\times 1000\times 2^{3})}\]
η = 0.39 = 39%
Points Clés sur les Convertisseurs d’Énergie des Vagues
Comprendre les caractéristiques des vagues et comment accéder aux ressources disponibles est crucial pour exploiter l’énergie des vagues. Les absorbeurs ponctuels et les OWEC sont couramment utilisés pour convertir l’énergie cinétique des vagues océaniques en énergie électrique utilisable et représentent une alternative précieuse dans la quête de sources d’énergie renouvelables.