Fonctionnement d'une éolienne

II/fonctionnement d'une éolienne

 

 

 Une éolienne est un dispositif destiné à transformer l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique. Elles sont généralement utilisées pour produire de l'électricité et entrent dans la catégorie des énergies renouvelables.

 a)composition

 A vue d’œil, une éolienne est composée d’un mat, d’une nacelle et de pales.

Pour qu’une éolienne profite d’un maximum de vent, elle doit être placée en hauteur. C’est pour ça que la nacelle est perchée au sommet d’une tour dont les plus grandes atteignent parfois 100 mètre.

L’eolienne est construite sur une base solide qui possède une surface d’environ 100m².

En effet cette base doit être capable d’endurer le poids de l’éolienne et les forces de pression qui s’appliquent sur toute la hauteur de celle-ci.

La plupart des gens se font l’idée que plus le nombre de pales augmente plus l’éolienne tourne vite. En fait il a été démontré que le nombre idéal est de trois. En effet, les pales n’opposent pas une résistance au vent assez grande au nombre de deux. A l’inverse, en nombre plus important le rendement décroit, car les pales sont perturbées par l’air déplacé par la pale précédente.

Une pale d'éolienne fonctionne un peu comme une aile d'avion, le vent qui passe de chaque côté de la pale accélère en passent par le côté le plus long (l'extrados) créant ainsi une dépression sur le dessus de la pale. Au contraire le vent passant par le côté le plus court (l'intrados) crée une surpression poussant la pale. Ces deux phénomènes entrainent la rotation du rotor (ensemble des trois pales et du nez)

 

 

 

 

La régulation de la vitesse de rotation fait appel à plusieurs techniques. Les hélices à pas variable semblent idéales mais sont généralement réservées aux unités importantes. Elles permettent par une gestion informatique très précise d’optimiser en permanence l’angle d’incidence des pales en fonction de la vitesse et de la direction du vent. De plus le pas variable offre la possibilité de mettre les pales en transparence (en drapeau) lorsque le vent dépasse les valeurs admises. Ainsi, la pression du vent est ramenée à des valeurs supportables par les structures. Certaines hélices à pas fixe ont recours à l’effet aérodynamique négatif, dont le principe vient des moulins à vent. Le profil est conçu pour perdre une partie de son efficacité avec l’accroissement de la vitesse. Ce système est aussi inclus dans la conception du profil mais il est rigoureux. Par vent forts et malgré le ralentissement, la pression exercée sur les pales ajoute d’importantes contraintes sur le mât et la nacelle, de ce fait ce principe s’adresse à de petites unités. La vitesse des machines de faible puissance est parfois régulée par l’action du vent sur une dérive. L’effet est, là aussi, une importante baisse de rendement aérodynamique. On rencontre plus couramment un dispositif de régulation inertielle, d’autres ont recours à un freinage mécanique à disque. Ces dispositions préservent le matériel des conditions de vent excessives, mais assurent également la régulation en période normale, car les normes électriques exigent une gestion rigoureuse de la vitesse.

La rotation du rotor entraine un arbre à l’intérieure de la nacelle. Sa vitesse n’est que de 13 tours/min environ. L’éolienne est munie d’un multiplicateur de vitesse, système d’engrenage, q

ui augmente la vitesse de rotation jusqu’à 1500 tour/min, vitesse nécessaire au bon fonctionnement de l’alternateur, et qui régularise la rotation

 

 

 

 

La tension de l’électricité produite par l’alternateur est de l’ordre de 600 à 1000 volts, elle est ensuite élevée grâce à un transformateur de puissance situé dans le mat de l’éolienne jusqu'à 20000 à 30000 volts. . Ce niveau de tension permet de véhiculer l’électricité produite par les éoliennes jusqu’au point de raccordement au réseau électrique public (EDF en France).

 Lexique :

 Pales : Les pales captent l’énergie du vent et la transfèrent au moyeu du rotor.

Moyeu du rotor : Il transmet le mouvement de rotation à l’arbre de transmission qui lui est solidaire.

Arbre de transmission : Il reçoit le mouvement de rotation du moyeu afin d’entraîner la génératrice électrique.

Transmission : Appelée aussi multiplicateur, elle adapte la vitesse de rotation au fonctionnement de la génératrice. (Elle n’est pas nécessaire dans les petites éoliennes).

Frein : Il sert à arrêter l’éolienne en cas d’urgence, ou pour effectuer la maintenance.

Génératrice : Elle peut être un générateur à courant continu ou un alternateur; dans tous les cas elle transforme l'énergie mécanique que lui transmet le rotor, en énergie électrique.

Système de contrôle : Il surveille le fonctionnement de l’éolienne, signale et commande l’arrêt de l’éolienne en cas de défaillance.

Anémomètre : Il mesure en permanence la vitesse du vent qu’il va transmettre au système de contrôle de façon à démarrer ou arrêter l’éolienne. En général, une éolienne est enclenchée à partir de 3 à 4 m/s et est arrêtée approximativement à 25m/s (90 km/h).

Nacelle : C’est le coffret qui se trouve en haut de la tour. IL contient et protège les différents composants de l’éolienne (la transmission, la génératrice, le système de contrôle, etc.).

Gouvernail : C’est le système d’orientation pour les petites éoliennes; Il sert à maintenir le rotor de l’éolienne dans l'axe horizontal face au vent afin de tirer le maximum d’énergie.

Tour et fondation : Ce sont les éléments qui supportent la nacelle et le rotor; ils doivent être capables de supporter les différentes contraintes dues aux conditions du site.
Plus la tour est haute, plus les pales captent du vent (la vitesse du vent augmentant avec l’altitude).
Dans le cas des éoliennes domestiques de petites puissances on utilisera des tours haubanées qui peuvent être basculées grâce aux haubans, afin de permettre l'entretien

 

b) Bilan énergétique

 La puissance nominale d’une éolienne est l’énergie que peut produire une éolienne par unité de temps dans des conditions optimales de fonctionnement, c'est-à-dire si la vitesse et la direction du vent sont telles que l’éolienne fonctionne à plein régime.

Celle-ci dépend de la surface balayée par le rotor: plus la surface sera importante, plus l'énergie développée sera grande.

 

 

Diamètre (m)

Puissance (kW)

27

225

33

350

40

550

44

650

48

800

54

1000

64

1500

72

2000

80

2500

 

On peut exprimer la puissance nominale ou cinétique par la relation suivante :

 

 

 

  

P : masse volumique de l’air à 15° et 1013 hPA

V : vitesse du vent en m/s

 

La puissance récupérable est en fait inférieure, étant donné que l’air doit conserver une énergie cinétique résiduelle pour qu’il y ait un écoulement de l’air dans le rotor.

D’après le théorème de Betz la puissance récupérable ne représente que 16/27 de la puissance nominale :

 

 P_{max} = \frac{16}{27} . P_{cin\acute{e}tique} = \frac{8}{27} \rho . S . V^3  \,

courbe de puissance

c) d’où vient le vent et son exploitation

 

Entre les pôles et l’équateur, le Soleil réchauffe le globe terrestre de manière très inégale. Les écarts de températures qui en résultent provoquent des différences de densité des masses d’air qui se traduisent par des variations de pression atmosphérique. Pour rétablir une égalité des pressions, un vaste mouvement des masses d’air se crée des zones de hautes pressions vers les zones de basses pressions. Ce mouvement constitue le phénomène général des vents à la surface de la planète. Mais la façon dont les vents s’orientent localement aux quatre coins de la planète obéit à des autres lois très complexes résultant de la rotation de la Terre : la force de Coriolis.

 

 

effet de la force de Coriolis

(Source Windpower.org)

 

Les vents sont également modifiés grâce à la présence des océans, des continents et de leurs reliefs respectifs. Ceci explique la grande diversité des vents dominants qui caractérisent les diverses régions et climats du globe selon les latitudes et les longitudes. Le vent est donc une masse d’air en mouvement qui transforme l’énergie thermique en énergie cinétique. Deux paramètres essentiels caractérisent donc les vents. Le premier est sa vitesse, et le second est la direction de son déplacement.

 


Potentiel éolien en France

Puissance moyenne du vent selon les zones, en W/m²
de section verticale prise à 50 m du sol. (Source ADEME)

 

La force du vent dépend de facteurs qu’il est important de connaître car l’énergie produite par une éolienne est proportionnelle à cette force. Des composants locales peuvent influer, par exemple : le vent s’accélère sur les fortes pentes et d’une année sur l’autre il peut y avoir des variations. De plus il est préférable que le vent ait soit une direction fixe. C’est pourquoi certains sites sont ainsi à proscrire car le vent y est trop turbulent par la proximité de grands obstacles (bâtiments, escarpements). Les sites propices à l’implantation des éoliennes sont découverts en observant les arbres et la végétation. Le site est intéressant si les arbres et la végétation sont constamment légèrement courbés par le vent. Une autre façon de procéder est d’utiliser une carte de la vitesse des vents, ou des données accumulées par une station météorologique proche. Certains sites spécifiques ou le vent est constant et de forces suffisantes sont très favorables à l’exploitation éolienne. L’effet tunnel en est la parfaite illustration, car en effet  au niveau des cols entre deux montagnes ou entre deux grands bâtiments le vent est souvent plus fort et plus régulier. Ces emplacements sont très appropriés à l’installation d’une éolienne. Les mers et les lacs sont aussi des emplacements très convoités car il n’y a aucun obstacle au vent. Il est donc clair que la régularité du vent en intensité et en direction améliorera le rendement de l’éolienne.

Effet Tunnel entre deux cols de montagnes (Source Windpower.org)

La vitesse du vent étant continuellement variable, on mesure sa valeur moyenne sur des intervalles de temps réguliers d'environ 10 minutes, habituellement à une hauteur de 10 mètres. La vitesse de vent est généralement mesurée à l'aide d'un anémomètre à coupelles et la direction à l'aide d'une girouette.

Un histogramme de répartition des vitesses est établi pour représenter l'ensemble des mesures de vitesses moyennes de vent à intervalles réguliers en fonction du nombre d'heures durant lequel le vent a soufflé à ces vitesses.
Par ailleurs, cet histogramme de distribution de vitesse peut être modélisé par une fonction analytique : La fonction de distribution de weibull. Elle est maniable et souvent utilisée car elle représente mieux les valeurs expérimentales de mesure du vent. Elle indique la probabilité que le vent souffle à une vitesse V.

la plupart des éoliennes sont conçues pour démarrer à une certaine vitesse dite de démarrage, habituellement à 3 ou 4 m/s. Aussi, elles sont faites pour s’arrêter automatiquement à une vitesse de vent pour laquelle l’éolienne risque de subir des dommages, à environ 25 m/s.

 

 

 

 

 

Vitesses de vent à 10 mètres du sol

Indications pour la production éolienne

16 Km/h ou 4.5 m/s

Vitesse moyenne annuelle de vent minimale pour qu'une éolienne produise un minimum d'électricité.

22 Km/h ou 6 m/s

Vitesse moyenne annuelle de vent assez satisfaisante sur un site pour exploiter de façon rentable une éolienne. Notons qu'à partir de vents supérieurs à 5 m/s soit 18 Km/h, l'exploitation d'une éolienne devient intéressante.

30 Km/h ou 8.5 m/s

Vitesse moyenne annuelle de vent idéale pour exploiter une éolienne sur un site. Notons qu'entre 6 et 8.5 m/s de vitesse de vent annuelle l'utilisation d'une éolienne est très rentable.

50 Km/h ou 14 m/s

Vitesse moyenne annuelle de vent de grande productivité électrique pour les parcs éolien.

90 Km/h ou 25 m/s

Vitesse de vent pour laquelle tout éolienne doit être arrêtée, au risque d'être endommagée.

d) production en France et dans le monde :

La France n’apparaît qu’au 15ème rang mondial et à la 9ème position européenne en termes de production éolienne. A la date du 20 décembre 2005, la France possédait 119 parcs éoliens (France métropolitaine, Corse et DOM-TOM) composées de 901 aérogénérateurs, d’une puissance totale de 662 MW. En France la consommation moyenne d’électricité pour un foyer d’environ 4 personnes est de 8000 KWh par an. Avec 662 MW correspondant à 10puissance 6 ­­­de production totale, les parcs éoliens français couvrent les besoins électriques domestiques d’au moins 662000 personnes.

Dans le monde les parcs éoliens produisent énormément d’électricité, la puissance éolienne dans le monde est de plus de 52100 MW. La croissance mondiale de production dans le monde a été de 13% en 10 mois durant l’année 2005.

Dans le monde, les 5 leaders de l’éolienne (puissance éolienne installée en MW) sont :

- Allemagne (17500 MW)

- Espagne (9200 MW)

- Etats-Unis (7200 MW)

- Inde (3600 MW)

- Danemark (3100 MW)

 

Graphique de la puissance éolienne installé par pays en MW de 1980 à 2005

 

 

Créer un site gratuit avec e-monsite - Signaler un contenu illicite sur ce site

×