L’énergie Eolienne

Chapitre 4: L’énergie Eolienne

4.1.Descriptif d’une éolienne

L’énergie éolienne est l’énergie du vent et plus spécifiquement, l’énergie directement tirée du vent au moyen d’un dispositif aérogénérateur comme une éolienne ou un moulin à vent. Elle tire son nom d’Eole (en grec ancien Aiolos), le maître des vents dans la Grèce antique L’énergie éolienne peut être utilisée de trois manières :

• • Conservation de l’énergie mécanique : le vent est utilisé pour faire avancer un véhicule (navire à voile ou char à voile), pour pomper de l’eau (moulins de Majorque, éoliennes de pompage pour irriguer ou abreuver le bétail) ou pour faire tourner la meule d’un moulin ;
  • Transformation en force motrice (pompage de liquides, compression de fluides…) ;
  • Production d'énergie électrique ; l’éolienne est alors couplée à un générateur électrique pour fabriquer du courant continu ou alternatif. Le générateur est relié à un réseau électrique ou bien fonctionne au sein d'un système « autonome » avec un générateur d’appoint (un groupe électrogène) et/ou un parc de batteries ou un autre dispositif de stockage d'énergie.

Une éolienne est un dispositif qui transforme une partie de l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique disponible sur un arbre de transmission puis en énergie électrique par l'intermédiaire d'une génératrice.

Figure.4.1: Conversion de l'énergie cinétique du vent.

4.2.Principaux composants d’une éolienne

Une éolienne se compose essentiellement les éléments suivants :

Figure.4.2: Composants d’une turbine éolienne.

• • La tour (mât) :

Permet de placer le rotor à une hauteur suffisante pour permettre son mouvement ou placer ce rotor à une hauteur lui permettant d'être entraîné par un vent plus fort et régulier qu'au niveau du sol. Le mât abrite généralement une partie des composants électriques et électroniques (modulateur, commande, multiplicateur, générateur, etc.).

Figure.4.3: Modèles de mâts d’éoliennes à axe horizontal ; a) Mât autoporteur, b) Mât en treillis, c) Mât haubané.

• • Le rotor

Partie rotative de l’éolienne placée en hauteur afin de capter des vents forts et réguliers. Il est composé de plusieurs pales (en général trois) en matériau composite qui sont mises en mouvement par l’énergie cinétique du vent. Reliées par un moyeu, ces dernières peuvent en moyenne mesurer chacune 25 à 60 m de long et tourner à une vitesse de 5 à 25 tours par minute. Il est branché directement ou indirectement (via un multiplicateur de vitesse à engrenages) au système mécanique qui utilisera l'énergie recueillie (pompe, générateur électrique…).

• • La nacelle

Montée au sommet de la tour : composée d'un carter ou bâti qui enveloppe, protège et relie entre elles l'ensemble des éléments mécaniques permettant de coupler le rotor éolien au générateur électrique : arbres lent et rapide, roulements, multiplicateur.

• • Le moyeu

Un moyeu qui supporte les pales. Lorsqu'elles sont à pas variable, il comporte un mécanisme permettant de faire varier l'angle d'attaque simultanément. On peut également devoir ajuster l'angle des pales fixes, aussi on prévoit toujours une façon de corriger l'installation des pales.

• • Le générateur électrique

Un générateur électrique permettant de transformer l’énergie mécanique en énergie électrique qui peut être :

-        Directement couplé à l'aéromoteur : dans le cas le plus simple, l'hélice est montée directement sur l'axe du générateur électrique (génératrice synchrone) ;

-        Entrainé par un multiplicateur placé entre l'aéromoteur et le générateur électrique (génératrice asynchrone).

• • Un système d'orientation

C’est un moteur électrique dans le cas des grandes éoliennes. Il permet à la machine de présenter le rotor au vent quelle que soit sa direction. L'énergie électrique produite est transmise de la partie orientable à la partie fixe de l'aérogénérateur, solidaire du pylône support, par l'intermédiaire d'un dispositif à collecteur associe au pivot ou d'un câble souple qu'il faut détorsader périodiquement.

• • Un multiplicateur

Permet de transformer la rotation lente de l’arbre principal en une rotation plus rapide grâce à un système d’engrenages. La vitesse de rotation passe ainsi de 60 tours/minute à environ 1500 tours/minute.

• • Un arbre

Dit arbre lent entre le rotor et la boîte de vitesse et arbre rapide entre le multiplicateur et la génératrice. C'est une pièce imposante car elle subit des efforts élevés. Pour les éoliennes sans boite de vitesse (synchrones), il n'y a qu'un arbre unique.

• • Un gouvernail

Pour les petites machines, dans le cas où l'hélice de la machine fonctionne “au vent” ou des moteurs associés à une girouette et destinés à maintenir la machine face au vent.

• • Un groupe hydraulique

Qui permet l'orientation des pales et de la nacelle ainsi que le pilotage des freins aérodynamiques.

• • Un frein à disque

Placé sur l'arbre rapide permet l'immobilisation du rotor lors de la maintenance et palier à une défaillance éventuelle du frein aérodynamique.

• • Armoire de couplage

Qui transforme l’énergie produite par l’éolienne pour l'injecter dans le réseau de distribution ou charge.

• • Une girouette et un anémomètre

Situés sur la nacelle fournissent les informations nécessaires pour orienter correctement l'éolienne de façon automatique.

4.3.Les différents types d’éoliennes

Il existe deux types des aérogénérateurs ; les aérogénérateurs à axe vertical et aérogénérateurs à axe horizontal.

4.3.1. L’éolienne à axe vertical

Ce type d’éolienne se distingue par un axe de rotation vertical par rapport au sol et perpendiculaire à la direction du vent. On peut distinguer deux types la Savonius et Darrieus :

La Savonius est constituée de plusieurs godets demi-cylindriques légèrement désaxés. L’éolienne démarre à de faibles vitesses de vent et présente un couple élevé (variant de façon sinusoïdale au cours de la rotation). Elle présente les avantages et les inconvénients suivants.

• • Avantage

-        Peu bruyant.

-        Pas de dispositifs d’orientation

-        Possibilité de placer toute la machinerie dans un local sous terre, réduction de

-        L’encombrement et maintenance facilitée.

-        Démarrage à vents faibles

• • Inconvénients

-        Couple non constant ;

-        Faible rendement ;

-        Masse importante de l’installation et des pâles

Dans le cas de l’aérogénérateur de type Darrieus

• • Avantage

-        Pas de dispositifs d’orientation ;

-        Possibilité de placer toute la machinerie dans un local sous terre : réduction de ;

-        L’encombrement et maintenance facilitée.

• • Inconvénients

-        Nécessité d’un dispositif de lancement moteur auxiliaire ou génératrice réversible ce qui implique un niveau de bruit supplémentaire.

-        Surcoût de fabrication des pales.

Figure.4.4: Exemples de turbines éoliennes à axe vertical.

4.3.2. L’éolienne à axe horizontal

Ces éoliennes sont basées sur la technologie ancestrale des moulins à vent. Elles sont constituées de plusieurs pales profilées aérodynamiquement à la manière des ailes d'avion.

Avantage

-        Vitesse variable + électronique de puissance, ce qui implique production surfacique (kWh/m2) plus élevé.

-        Bon rendement ;

-        De structure stable.

Inconvénients

-        Système de guidage pour un fonctionnent face au vent

-        Bruyants, peu esthétiques ;

-        Vitesse de rotation assez faible (~qq 10 tr/min)

-        Multiplicateur lourd, encombrant, parfois bruyant pour atteindre les 1500 tr/min nécessaires pour produire un courant à 50 Hz.

Figure.4.5: Exemples de turbines éoliennes à axe horizontal.

4.4.Système de régulation et de protection de l’éolienne

C'est un élément essentiel de la survie d'une éolienne, afin d'éviter la destruction de l'aéromoteur lorsque le vent est trop violent. Il est nécessaire d'équiper l'éolienne d'un système permettant de diminuer les contraintes mécaniques sur la machine en cas de survitesse du rotor. Ces systèmes peuvent être plus ou moins fins, et plus ou moins automatiques.

La plupart des accidents survenus sur un aérogénérateur sont la cause d'un sous-freinage de ces machines. On cherche donc à installer sur une éolienne au moins deux systèmes de freinage afin de protéger le générateur électrique contre la surproduction et la surchauffe et d'éviter une casse mécanique importante de l'éolienne elle-même.

4.4.1. Système de freinage manuel

C'est le moyen le plus simple pour éviter la destruction d'une machine, lorsque le vent atteint une certaine vitesse, un opérateur immobilise l'éolienne, cette immobilisation peut être effectuée de plusieurs manières :

-        À l'aide d'un frein ;

-        En changeant l'orientation de l'hélice : l'hélice est placée parallèlement au vent ;

-        En modifiant le calage des pales afin d'obtenir un couple moteur nul.

4.4.2. Système de freinage automatique

a. Système de freinage mécanique

Il existe deux systèmes mécaniques de freinage par pivotement et basculement du rotor :

• • Le gouvernail articulé : lorsque le vent dépasse une limite déterminée, le gouvernail de l'éolienne pivote pour se mettre parallèle au vent (en drapeau) et ainsi arrêter sa vitesse.
  • Le basculement : le rotor, au-delà d'une certaine vitesse de vent, bascule en arrière (système de ressort, calibré pour se détendre au-delà d'une certaine force).

Ces systèmes sont réservés aux petites éoliennes du fait des charges mécaniques qu'ils engendrent sur la tête du rotor et sur le mât. Cette solution est cependant efficace pour un coût assez faible.

b. Système de régulation aérodynamique

Le principe est de modifier l'angle des pales par rapport au vent de manière à diminuer la vitesse de rotation des pales par une moindre prise au vent et le jeu des turbulences.

c. Arrêt par frein à disque automatique

Un détecteur de vitesse déclenche, à un certain seuil prédéterminé, un mécanisme automatique d'arrêt complet de l'éolienne. Il ne s'agit plus d'un système de ralentissement, mais bien d'un stoppage complet. Lorsque le vent baisse d'intensité, le frein est relâché et l'éolienne est de nouveau libérée. Ces arrêts peuvent aussi être déclenchés lorsque l'automate détecte un problème de réseau.

d. Régulation active par décrochage aérodynamique

Aussi appelé “active stall”, ce système est utilisé pour les éoliennes de fortes puissances, il utilise les atouts de la régulation passive et de la régulation active afin de contrôler de manière plus précise la production d'électricité.

4.5.Avantages et inconvénients

4.5.1. Les avantages:

-        Une source d’énergie renouvelable et décarbonée

-        Une énergie qui peut se trouver presque partout sur la planète

-        Le terrain sous l’éolienne reste exploitable

-        Certaines éoliennes peuvent être adaptées à des milieux urbains

-        Des éoliennes pour les particuliers permettent de produire sa propre énergie

4.5.2. Les inconvénients:

-        Le vent n’est pas une source d’énergie constante. Pas de vent, pas de production d’électricité.

-        L’énergie éolienne doit toujours ou presque être associée à une autre source d’énergie.

-        Certaines éoliennes sont bruyantes.

-        Tout le monde n’apprécie pas la vue d’une éolienne dans le paysage.

-        Les éoliennes peuvent être dangereuses pour la faune sauvage (notamment les oiseaux)

-        Implanter massivement des éoliennes est compliqué puisque les zones intéressantes sont limitées.

-        Les éoliennes offshores peuvent être des territoires de pêche ou de plaisance.

-        Les coûts pour les particuliers qui veulent installer une éolienne restent importants.