II. Le fonctionnement d'une éoliennE 

    

     1) Les composants de l'éolienne :

 

L’éolienne est composée de nombreux éléments dont les principaux sont :

 

     Le rotor :

Il est constitué du nez de l’éolienne et des pales.

 Montage éolienne

     Les pales :

Les pales sont une partie très importante des éoliennes. De leur nature dépendent le bon fonctionnement et la durée de vie de la machine ainsi que le rendement du moteur éolien.

Plusieurs éléments caractérisent ces pales :

- la longueur

- la largeur

- le profil

- les matériaux

- le nombre

Parmi ces éléments, certains sont déterminés par les hypothèses de calcul, puissance et d’autres sont choisis en fonction de critères tel que : coûts, résistance au climat ...

·         la longueur :

Le diamètre de l’hélice est déterminé en fonction de la puissance désirée et du générateur utilisé. D’autres critères entrent également en compte comme

la vitesse de rotation maximum que l’hélice ne doit pas dépasser au risque de s'arracher à cause de la force centrifuge ou les risques de vibrations pour les très longues pales. Pour les éoliennes classiques, les pales mesurent une trentaine de mètres.

·         la largeur :

La largeur des pales intervient pour déterminer la vitesse minimum du vent entrainant les pales qui sera d’autant plus faible que la pale sera large. Mais pour obtenir des vitesses de rotation élevées, on préfère des pales fines et légères. Le résultat est donc un compromis entre les deux.

·         le profil :

La plupart des éoliennes ont des pales vrillées c'est-à-dire qu’elles prennent une forme d’hélice. Elles sont ainsi torsadées pour présenter une plus grande surface au vent et ainsi une plus grande résistance à celui-ci. 

Une pale se compose d’un bord d’attaque et d’un bord de fuite. L’angle d’attaque sert à donner le sens du mouvement. Il correspond à l’inclinaison de la pale par rapport à l’horizontal (entre 3 et 6° en bout de pale et 16 et 25° en début). Le bord d’attaque des pales peut être modulé en fonction du vent.

La pale comporte également une partie plate qui fait face au vent (l’intrados) et d’une partie bombée (l’extrados).

·         les matériaux :

Les matériaux utilisés pour la réalisation des pales sont variés et ont bénéficié de nombreux progrès.

La principale difficulté concernant les matériaux constituant les pales ne réside pas dans l'aérodynamisme (forme des pales qui rendra le rendement optimal) mais dans la résistance de ces matériaux aux intempéries.

Les matériaux utilisés pour la réalisation des pales sont donc essentiels et doivent répondre à plusieurs exigences. En effet ils doivent être assez légers, résistants à la fatigue mécanique, à l’érosion et à la corrosion auxquelles ils sont soumis et d’entretien aisé et rapide.

On rencontre plusieurs types de matériaux répondant à ces critères parmi lesquels le bois et la fibre de verre sont les plus couramment utilisés.

- le bois : il est facile à trouver et à travailler, il n’est pas cher et solide, il résiste bien à la fatigue. Cependant, il est sensible à l’humidité et à l’érosion, il peut également se déformer, il demande un traitement spécifique au niveau de sa surface et il a une longévité limitée c’est pourquoi il est généralement réservé pour des pales assez petites.

- la fibre de verre : elle résiste extrêmement bien aux intempéries, elle est légère et solide. Mais elle est difficile à modeler car elle demande du temps et des compétences spécifiques, de plus son utilisation coûte relativement chère.

- l’aluminium : il résiste aux intempéries, il est solide, il a une longévité importante même s'il est dur à travailler et son coût est élevé.

- les matériaux composites : leur intérêt est de permettre la réalisation de toutes les formes et dimensions possibles pour les pales.

·         nombre de pales : 

Des études dans le domaine de l’éolien ont montré que plus les pales étaient nombreuses et moins l’éolienne met de temps pour démarrer même par vent faible mais que par contre elle aura une vitesse maximale inférieure et inversement.

Les éoliennes à marche lente ont en général entre 20 et 40 ailettes, leur rendement est faible car leur vitesse en bout de pale est limitée et, bien qu’elles se mettent en marche par vent léger, elles ne peuvent jamais tourner très vite.

Les éoliennes à marche rapide sont généralement bipales ou tripales. La roue bipale est la plus économique et la plus simple mais elle génère des vibrations qui peuvent être importantes au point de perturber le bon fonctionnement de l’éolienne et lui faire perdre du rendement. La roue tripale présente moins de risques de vibrations, ce qui entraine moins de bruit et permet aux pales de résister à l'usure plus longtemps, mais elle est plus compliquée et plus lourde.

Les éoliennes à trois pales sont les plus répandues car elles constituent un bon compromis entre les difficultés touchant les variations de vitesse du vent, en effet elles commencent à tourner avec des vents à 20 km/h et atteignent leur meilleur rendement à 60km/h.

 

     Le frein :

Il sert à empêcher le rotor de tourner (ainsi que les pales) ou tout du moins à le freiner lorsque le vent souffle à plus de 90 kilomètres par heure afin d’éviter que les pales ne s’endommagent ou ne s’arrachent.

 

     Le multiplicateur :

Les rotors dont le diamètre est supérieur à 5 m ont des vitesses de rotation trop faibles pour pouvoir entraîner directement un générateur classique. Il est donc indispensable pour ces machines d’installer entre l’aéromoteur et le générateur un multiplicateur. En effet, lorsqu’un vent souffle à 60km/h, la rotation des pales est de l’ordre de 20 tours à la minute alors que la production d’électricité ne commence qu’à 1500 tours/min. Le multiplicateur est donc composé d’un système d’engrenages qui permet de multiplier le nombre de tours fait par les pales.

 

    Le générateur :

Le générateur sert à transformer l’énergie créée à partir du mouvement des pales qui est une énergie mécanique en énergie électrique. Le générateur de l’éolienne est un alternateur car il produit un courant alternatif.

 

Les génératrices des éoliennes diffèrent un peu des autres types de génératrices raccordées au réseau électrique. Une des raisons de cette différence est que la génératrice d'une éolienne doit pouvoir fonctionner avec une source de puissance (le rotor de l'éolienne) qui fournit une puissance mécanique  très variable car elle dépend de la vitesse de rotation des pales donc de la force du vent.

L'alternateur est constitué d'un aimant tournant (le rotor) entre deux bobines de fil en cuivre (stator) au bout desquelles on récupère le courant alternatif.

En passant devant les bobines en cuivre, l'aimant va faire circuler les électrons contenus dans les atomes de cuivre de la bobine tantôt dans un sens, tantôt dans l'autre ce qui va créer un champ magnétique qui est à l'origine de l'électricité produite. Pour ce faire, l'aimant a un mouvement circulaire.
Un alternateur ne produit donc pas d'électrons, son rôle est de mettre en mouvement les électrons contenus dans les atomes de cuivre de la bobine: il agit comme un circulateur.
 
 
 
 
 
 
 
 
Le système de refroidissement
Il faut refroidir les génératrices lorsqu'elles travaillent. Sur la plupart des éoliennes, on assure ce refroidissement en enrobant la génératrice dans un conduit et en installant dans celui-ci un grand ventilateur qui refroidit l'air.
 
 

     Le système hydraulique :

Il sert à faire pivoter les pales de 90° de manière à ce qu’elles n’offrent aucune résistance au vent en cas de danger (vents violents).

 

     La girouette et l'anémomètre :

Ils servent à déterminer le sens du vent et sa vitesse pour pouvoir par la suite orienter l’éolienne de façon optimale.

 

    La nacelle :

La nacelle sert à orienter l’éolienne. C’est sur elle que sont fixées les pales, l’anémomètre et la girouette et elle contient le frein, le multiplicateur, le générateur et le système hydraulique. Elle se situe dans la plupart des cas à 60 mètres de haut.

      

      Le système d'orientation :

Il permet d’orienter la nacelle face au vent grâce aux indications fournies par la girouette et l’anémomètre. L’ordinateur qui synchronise toutes ces informations est situé dans le mât de l’éolienne.

 

      Le mât :     

Il sert à surélever le rotor (nez + pales)  pour qu’il soit soumis à des vents plus réguliers et plus forts que ceux qui soufflent au niveau du sol. Il est robuste afin de pouvoir supporter des poids supérieurs à ceux qu'il subit normalement (celui de la nacelle) qui sont dus à la neige ou au givre qui se sont déposés sur les pales et la nacelle mais aussi afin de pouvoir résister à des vents violents. Il contient une échelle qui permet au personnel de maintenance d’accéder à la nacelle pour l’entretenir ou y effectuer des réparations. Il a une hauteur variant de 50 à 100 mètres de haut selon la puissance de l'éolienne

 

    La cabine de dispersion :

Elle adapte le courant électrique provenant de la nacelle (générateur) qui est un courant alternatif en du courant injectable sur le réseau local. En effet, elle gère la connexion du courant provenant de l'éolienne avec celui du réseau : elle sert d'intermédiaire. L’électricité ainsi produite est acheminée par un câble électrique souterrain jusqu’au poste de livraison EDF.

 

  Les fondations :

Les fondations sont dans la majeure partie des cas, des plaques de béton armé enterrées à 5 ou 6 mètres de profondeur où vient se fixer la partie inférieure du mât. Elles permettent de maintenir de manière rigide l’ensemble de l’éolienne.

 

 2) Le fonctionnement de l'éolienne :

Une éolienne (ou “aérogénérateur”) utilise la force du vent pour actionner les pales d’un rotor. 

Un automate, informé par une girouette, commande aux moteurs d’orientation de placer les éoliennes face au vent dès que celui-ci se lève (au-delà de 4 m/s en général). L’énergie mécanique générée par la rotation des pales sous l’action du vent est transformée en courant par un alternateur. Ce courant est ensuite injecté sur le réseau.

La puissance d'une éolienne terrestre peut aller jusqu'à produire 3MW (puissance produite par une locomotive de TGV).

 

Sources: Le Mini-Eolien par E. Riolet aux éditions Eyrolles

Photo Gallery: II. Le fonctionnement d'une éolienne

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