Qu'est-ce qu'une turbine à hélice?
Une turbine à hélice appartient à un groupe de machines qui convertissent l’énergie d’un écoulement de fluide ou de gaz en mouvement de rotation. Comme l'indique cette description, ces machines appartiennent à deux catégories de base: les turbines éoliennes ou hydrauliques. La force de rotation produite par ces machines est le plus souvent utilisée pour générer de l’énergie électrique et, dans une moindre mesure, effectuer des travaux mécaniques. Des exemples courants de variantes de travail mécaniques de la turbine à hélice sont les éoliennes et certains types de broyeurs à eau. En raison de la nature abondante, renouvelable et peu coûteuse de la source d'énergie à turbine à hélice, il s'agit de l'une des méthodes de production d'énergie les plus rentables et les plus respectueuses de l'environnement jamais conçues.
Une turbine à hélice applique la théorie conventionnelle des hélices en sens inverse pour exploiter l'énergie cinétique latente dans les flux de gaz et de fluide. Les hélices sont constituées d’un arbre central auquel sont attachées au moins deux pales ou aubes opposées en forme de pales aérodynamiques. Celles-ci sont généralement tournées par une source d'énergie externe pour produire une poussée en poussant ou en déplaçant de l'air ou un liquide sur les pales. Dans une turbine à hélice, ce principe est inversé; un écoulement ou de l'air ou un liquide déplace les pales les obligeant à faire tourner l'arbre.
Les éoliennes sont largement utilisées dans le monde pour exploiter l’énergie éolienne afin de produire de l’électricité, de faire fonctionner des usines ou de pomper de l’eau. Les turbines à hélice entraînées par le vent peuvent être à axe horizontal ou vertical. La variante la plus facilement reconnue est la turbine à axe horizontal, qui comprend des éoliennes traditionnelles et des éoliennes à hélices de type aéronef. La nouvelle génération de conceptions à axe vertical est également efficace. Elle comporte des aubes plates ou incurvées entraînant un arbre vertical. Celles-ci incluent l’aube incurvée Savonius, l’aube plate Giromill et les types distinctifs de «batteurs à oeufs» de Darrieus.
Les turbines horizontales plus anciennes exigent que la tête de turbine soit toujours tournée contre le vent. Dans le cas d’exemples plus petits, un simple gouvernail de style girouette fait tourner la tête de turbine pivotante. Les plus grandes turbines utilisent un système de capteurs de vent et de servomoteurs pour maintenir l'hélice dans le vent. La plupart des modèles de turbines à hélice entraînées par le vent utilisent une boîte de vitesses pour entraîner le générateur ou le démarrage de la pompe à la vitesse correcte.
Les turbines à hélice entraînées par l'eau sont généralement associées aux grandes centrales hydroélectriques, bien qu'il existe plusieurs applications industrielles et agricoles plus petites. Ces turbines fonctionnent de la même manière que leurs frères et soeurs entraînés par le vent, bien que leur conception de base diffère considérablement. Ces machines sont généralement beaucoup plus grandes et présentent des conceptions de pales généralement plus courtes que les variantes entraînées par le vent. La plus commune de ces grandes turbines entraînées par l’eau est la turbine Kaplan. Les turbines Kaplan sont des réacteurs utilisés dans la plupart des grandes installations hydroélectriques.
La variante Kaplan comprend des pales à inclinaison réglable qui permettent d’obtenir des rendements supérieurs à 90% dans une large gamme de niveaux d’eau et de débits. Une grande partie de l’efficacité est obtenue par un circuit d’écoulement de l’eau soigneusement conçu, qui ralentit le débit de sortie. Cette décélération entraîne un transfert de la quantité maximale d'énergie cinétique vers le mécanisme à hélice. Les turbines Kaplan peuvent produire une puissance de 100 mégawatts (100 000 000 de watts) ou plus.
La turbine à hélice exploite des sources d’énergie renouvelables, soit gratuites, soit extrêmement bon marché par rapport aux carburants fossiles. Les avancées technologiques dans ces dispositifs repoussent sans cesse les limites de leur efficacité et de leur capacité et pourraient s'avérer être une solution de remplacement viable au carburant conventionnel dans un proche avenir. La technologie des turbines à hélice devient également de plus en plus accessible, ce qui renforce encore son rôle dans le contexte d’un scénario d’approvisionnement en énergie plus propre et plus écologique.