QU’ EST-CE QU’ UNE ÉOLIENNE ?

 

 

 


Une éolienne est constituée des éléments suivants :

-         une tour cylindrique en acier d’une hauteur comprise entre 60 et 100 mètres, à l’intérieur de laquelle se trouvent l’échelle d’accès et les câbles électriques de raccordement au réseau ;

-          une nacelle  située en haut de la tour et qui comporte toute l’installation de production d’électricité : le multiplicateur, le (ou les) générateur(s), les systèmes de frein et d’orientation de l’éolienne et tous les équipements automatisés d’asservissement de l’ensemble des fonctions de l’éolienne ;

-          le rotor  constitué de trois pales en matériaux composites d’une longueur de 30 à 45 mètres.

 

Le montage sur site d’une éolienne est une opération courte (une à deux semaines) mais complexe. Les principales étapes sont les suivantes :

-         l’aménagement des accès et de la plate-forme d’une surface d’environ 1 000 m² (soit 10 ares) située au pied de l’éolienne et servant à son montage ;

-         la construction de la fondation  en béton d’une profondeur de 2,5 à 3 mètres et d’un volume - total de 250 m³ au minimum ;

-         le raccordement au réseau électrique : celui-ci est entièrement enterré jusqu’au poste-source EDF le plus proche ;

-         le montage de l’éolienne : tous les éléments sont transportés sur place par une quinzaine de camions semi-remorques. Une grue automotrice d’une capacité de levage de 500 tonnes est utilisée pour mettre en place les différents tronçons de la tour, la nacelle et les trois pales du rotor.

 

 

L’ IMPLANTATION DES ÉOLIENNES

 

Par suite de l’irrégularité des vents, la rentabilité d’une machine éolienne dépendra beaucoup du site sur lequel elle est installée et sera liée aussi à son utilisation. Les sites les plus intéressants sont situés au bord de la mer ou aux sommets de collines et de montagnes bien dégagées. Toutefois dans ces premiers lieux se posent des problèmes de corrosion et dans les seconds des risques de givrage.

 

L’énergie éolienne est très utilisée pour alimenter en énergie électrique des sites très isolés dont les besoins énergétiques sont réduits, ou pour pomper de l’eau à peu de frais et de façon plus silencieuse qu’avec un moteur thermique. Elle peut être une solution dans les pays où les lignes d’interconnexion ne parviendront pas du fait de la faible densité de population. Dans le cas où toute autre source d’énergie peut être envisagée, l’hydroélectricité par torrent ou rivière dans le domaine privé, ligne de distribution E.D.F... une petite étude économique est nécessaire. La prospection des sites possibles constitue donc le premier travail à effectuer pour juger de la possibilité d’utiliser le vent. Des relevés météorologiques complets sur les sites présumés doivent être effectués au moins pendant une année. Non seulement, il faut connaître la vitesse moyenne mais aussi la quantité d’énergie annuelle. Pour cela, des anémomètres spéciaux totalisateurs de l’énergie par mètre carré ont été mis au point. Les vents les plus intéressants, qui donnent le maximum d’énergie annuelle, sont les vents réguliers, comme les alizés, ayant une vitesse moyenne de 6 à 8 m/s, voire jusqu’à 10 m/s. Outre ceux ayant une quantité d’énergie annuelle insuffisante, il faut éliminer les sites soumis à des variations très brutales de la vitesse du vent (type mistral par exemple). Le relief local joue un rôle très important. Aussi, y a-t-il lieu d’en tenir compte dans l’interprétation des mesures effectuées souvent à la hauteur standard de 10 m au-dessus du sol (hauteur adoptée par la Météorologie nationale). Les constructeurs, en vue de la conquête des mers, planchent sur des machines de plusieurs mégawatts. En effet, installer des fermes de grande puissance à quelques kilomètres des côtes, où les ressources en vent sont bien plus élevées qu’à terre, permettrait de réduire encore le coût de l’électricité. De plus, l’impact visuel sera atténué. Une haie joue le rôle de brise-vent ; il en est de même des rideaux d’arbres ;ces obstacles s’avèrent défavorables à l’implantation des éoliennes de faible hauteur. Des phénomènes cycliques apparaissent avec des périodes qui peuvent être de l’ordre de la dizaine de minutes, de quelques heures, de plusieurs jours ou de la durée des saisons. La connaissance de la fréquence de ces manifestations s’avère utile pour la sécurité des machines. Certaines régions ont la réputation de voir naître ou de voir passer un ou plusieurs cyclones par an, ou encore des tempêtes ou des tornades. De ce fait, les pays à riche implantation de stations météorologiques édictent des règles destinées à mieux cerner les hypothèses de calcul pour donner aux constructions un degré de sécurité accrue.

 

L’extrait cadastral ci-contre illustre l’implantation typique d’une éolienne dans une parcelle agricole.

Celle-ci est positionnée à une distance minimale de 40 ou 45 mètres des routes, des chemins contigus (qui sont interdits de survol par les pales), et des parcelles voisines (ou nécessité d’obtenir une autorisation de survol du propriétaire de la parcelle voisine).

Entre l’éolienne et la route d’accès la plus proche, une plate-forme de 20 mètres par 50 mètres est créée, soit une surface totale d’environ 1 000 m² (soit 10 ares). Cette plate-forme, destinée à recevoir la grue et les semi-remorques lors du montage de l’éolienne, est réalisée en cailloux sur 30 à 40 centimètres d’épaisseur. Elle sera conservée pendant toute la durée de vie de l’éolienne (soit une vingtaine d’années) et doit rester accessible à tout moment aux équipes d’entretien et de maintenance de l’exploitant. Cette plate-forme n’est pas clôturée.

La distance séparant deux éoliennes dépend de la disposition topographique, de la direction des vents dominants et du découpage parcellaire. Elle ne peut en tous cas descendre en dessous des valeurs suivantes :

-   pour deux éoliennes côte à côte, face aux vents dominants : 300 mètres ;

-   pour deux éoliennes l’une derrière l’autre par rapport aux vents dominants : 500 mètres.

 

Les éoliennes sont ensuite raccordées entre elles et au poste source EDF par des câbles électriques entièrement enterrés, à une profondeur minimale de 80 cm. Ils sont représentés sur le plan ci-dessus par une ligne de petites flèches. Ils sont positionnés de préférence le long des routes et des chemins existants ou à créer.

 

 


 

LE FONCTIONNEMENT D’ UN PARC ÉOLIEN

 

 


Un parc éolien (ou ferme éolienne) est constitué de plusieurs éoliennes implantées dans la même zone géographique. La distance qui les sépare varie entre 300 et 500 mètres au minimum entre deux éoliennes suivant le sens des vents dominants. Chaque éolienne fonctionne de manière totalement autonome et est pourvue d’un système informatique de commande qui oriente en temps réel la nacelle, fait démarrer et stoppe la rotation des pales, raccorde le générateur au réseau EDF, etc… Toutes les éoliennes sont reliées entre elles électriquement et informatiquement, si bien que l’exploitant connaît à tout moment, et à distance, l’ensemble des paramètres de fonctionnement du parc éolien et peut ainsi agir en cas de problème. Les interventions sur site (hors pannes) sont limitées aux opérations d’entretien et de maintenance, qui ont lieu tous les six mois en moyenne et durent trois à quatre jours par éolienne, sans nécessiter l’utilisation d’une grue automotrice.

 

 

Comment tirer profit de l’énergie éolienne

           

  

Caractéristiques physiques des éoliennes

 

La limite de Betz :

 

L’énergie récupérable est celle qu’il est possible de prélever de l’énergie cinétique du vent. Betz a montré que, pour une machine à axe horizontal, cette quantité avait une limite.

Après démonstration, en prenant pour la masse volumique de l’air une valeur moyenne de  1,25 Kg/m^3, la puissance maximum pratiquement récupérable par un dispositif de surface S est égale à :

Zone de Texte:  P= 0,37 S .V 3
 


c’est la limite de Betz avec V la vitesse instantanée du vent. Toutes les grandeurs sont exprimées en unité SI. Cette puissance récupérable est celle que recueillerait une machine idéale.

Bien qu’établie pour une éolienne à axe horizontal, il est admis que cette valeur limite s’applique à la plupart des machines.

Le rendement maximal théorique d’une éolienne est de 59 %. Grâce à l’amélioration du profil et du revêtement des pales, les machines actuelles peuvent approcher les 50 %. Mais l’utilisation de systèmes de carénage permet d’élargir la surface balayée et donc de dépasser les fameux 59 %.

 

Les dispositifs de stockage de l’énergie éolienne :

 

Une caractéristique essentielle du vent étant la discontinuité dans le temps, un certain nombre d’études ont eu pour objet d’étudier ou de mettre au point des systèmes permettant de stocker l’énergie produite par le vent et non utilisée directement pendant les périodes de production afin d’en restituer une partie, aussi grande que possible, pendant les périodes de calme. 

Il existe différentes possibilités de stockage.

· Pour la production d’électricité, le système de loin le plus utilisé est celui par batterie d’accumulateurs. Celles au plomb, bien que lourdes et encombrantes, s’accommodent bien des fluctuations propres au vent. Les autres types sont mal adaptés. Toutefois, ce type de stockage ne convient que pour de petites puissances de quelques kW tout au plus.

 

· Pour les stockages importants, on peut faire appel au pompage de l’eau  entre 2 réservoirs et une turbine si le terrain fournit une possibilité intéressante en dénivelé. Le simple pompage de l’eau dans un réservoir est aussi la solution pour stocker de l’eau dans le cas, par exemple, de distribution d’eau alimentaire.

Principe : l’énergie éolienne sert à remplir un réservoir de stockage dont l’eau sera turbinée pour restituer l’énergie.

 

· Le stockage thermique commence aussi à se développer, essentiellement pour le chauffage. Les différents types de stockage thermique existant sont utilisés : réservoir de fluides, chauffage de produits à haute capacité thermique, etc.

Principe : l’énergie produite est utilisée pour chauffer le fluide d’un réservoir qui restituera pendant les périodes sans vent l’énergie stockée.

 

 

Caractéristiques technologiques des éoliennes

 

Le support :

 

Les pylônes peuvent être réalisés en acier ou en béton armé. Ils peuvent être autoporteurs et auto-résistants ou haubanés. Si l'haubanage permet de réduire les dimensions du mât, par contre il pénalise l’emprise au sol. Pour limiter l’occupation au sol, le support de plusieurs éoliennes par une seule structure est envisagé ; dans ce cas, les pylônes constitués de structures métalliques en treillis sont intéressants. Actuellement les mats en caisson, souvent en acier et fortement ancrés au sol, sont très répandus pour les éoliennes de forte puissance.

Les pylônes des machines à axe vertical sont courts, entre 0,1 et 0,5 fois la hauteur du rotor. Ils sont le plus souvent du type haubané.

Les problèmes de corrosion et de montage sont les paramètres principaux dans le choix de la solution à adopter.

 

L’orientation :

 

Deux solutions sont encore en concurrence :l’éolienne à rotor face au vent et l’éolienne à hélice sous le vent.

L’éolienne à rotor face au vent nécessite soit une dérive, soit une orientation actionnée par un servomoteur recevant des informations et commandes de la part d’une girouette.

Les capteurs à axe horizontal doivent toujours être orientés pour faire face au vent. Les dispositifs le permettant sont donnés dans le tableau ci-dessous.

Les systèmes les plus simples sont ceux qui laissent l’hélice sous le vent. Le capteur, placé à l’amont du support, nécessite une gouverne mais soustrait les pales au sillage de ce support. Par contre s’il est placé en aval, la gouverne n’existe plus et les efforts de manœuvre  sont plus faibles. Cette dernière disposition est donc plus simple et donne une stabilité supérieure. Il est cependant utile, dans tous les cas, de monter un amortisseur.

La disposition roue aval est de loin maintenant la plus utilisée, même exclusivement dès que la puissance dépasse quelques kilowatts.

Les changements de direction et les variations de fréquence de rotation liés aux rafales sont à l’origine de vibrations néfastes au bon fonctionnement de la machine. Le dispositif d’orientation devra donc assurer le maintient du rotor face au vent sans provoquer lors des changements brutaux du vent des variations d’orientation rapides de la machine.

Les grandes machines font appel à la technologie électro-hydraulique et le contrôle de l’orientation se fait par embrayage et valves hydrauliques.

 

Différent types d’orientation des capteurs

 

 

Les pales :

 

Les pales sont une partie très importante des éoliennes. De leur nature dépendront 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 couple et d’autres sont choisis en fonction de critères tel que : coûts, résistance au climat ...

 

Longueur :

 

Le diamètre de l’hélice est fonction de la puissance désirée. La détermination de ce diamètre fixe aussi la fréquence de rotation maximum, que l’hélice ne devra pas dépasser pour limiter les contraintes en bout de pales dues à la force centrifuge. Il est essentiel de prendre en compte le travail en fatigue des pales et les risques de vibrations, surtout pour les très longues pales.

Pour les roues à marche lente, ayant une inertie importante, le diamètre reste limité à 8 m à cause de leur comportement lors de rafales de vent.

Pour les roues à marche rapide, la longueur des pales peut être grande, supérieure à 30 m.

 

Largeur :

 

La largeur des pales intervient pour le couple de démarrage qui sera d’autant meilleur que la pale sera plus large. Mais pour obtenir des vitesses de rotation élevées, on préférera des pales fines et légères. Le résultat sera donc un compromis.

 

Le profil :

 

Il est choisi en fonction du couple désiré.

Pour la plupart des aérogénérateurs de moyenne et de faible puissance, les pales ne sont pas vrillées. Par contre, pour la plupart des machines de grande puissance ( ³ 100 kW), elles le sont, c’est-à-dire qu’elles prennent la forme d’une hélice.

Les caractéristiques des différents profils sont déterminées en soufflerie. Ils ont en général été étudiés pour l’aviation (ailes ou hélices).

 

Les matériaux :

 

Les matériaux utilisés pour la réalisation des pales sont variés et ont bénéficié de nombreux progrès, particulièrement ceux dus aux pales d’hélicoptère.

Contrairement à ce que l’on croit fréquemment, ce n’est pas dans le domaine de l’aérodynamique que réside la difficulté mais bien dans celui de la construction et de la résistance des matériaux. En effet, c’est dans le mode de réalisation des pales qu’il y a le plus à faire pour augmenter la sécurité de marche.

Les matériaux utilisés pour la réalisation des pales sont donc essentiels et doivent répondre à plusieurs exigences : ils doivent être assez légers, résistants à la fatigue mécanique, à l’érosion et à la corrosion, et de mise en oeuvre ou d’usinage simple.

On rencontre plusieurs types de matériaux :

- le bois : il est simple, léger, facile à travailler et il résiste bien à la fatigue mais il est sensible à l’érosion, peut se déformer et est réservé pour des pales assez petites.

- le lamellé-collé : c’est un matériau composite constitué d’un empilement de lamelles de bois collées ensemble. Il est possible de réaliser des pales jusqu’à 5 à 6 m de longueur ayant une bonne tenue en fatigue.

- les alliages d’aluminium pour des pales allant principalement jusqu’à 20 m de longueur.

- les matériaux composites : leur intérêt est de permettre la réalisation de toutes les formes et dimensions, ainsi que d’obtenir les caractéristiques mécaniques exactes recherchées : pale vrillée, corde évolutive, changement de profil.

 

Nombre de pales :

 

Les éoliennes à marche lente ont en général entre 20 et 40 ailettes et ont un couple de démarrage proportionnel au nombre de pales et au diamètre ; leur rendement par rapport à la limite de Betz est faible car leur vitesse en bout de pale est limitée.

Les éoliennes à marche rapide sont généralement bipales ou tripales. La roue bipale est la plus économique et la plus simple mais elle est génératrice de vibrations qui peuvent être importantes. La roue tripale présente moins de risques de vibrations, d’où fatigue et bruit plus faibles, mais elle est plus compliquée et plus lourde.

 

Systèmes de protection et de régulation :

 

Quel que soit le type d’aéromoteur, il est nécessaire pour éviter sa destruction lorsque les vents sont trop violents qu’il soit équipé d’un système permettant de diminuer les contraintes mécaniques sur la machine.

Les systèmes peuvent agir de façons différentes et plus ou moins fines avec un degré d’automatisme nul ou intégral.

 

Système de freinage manuel :

        

C’est le moyen le plus simple de préserver une machine de la destruction. Lorsque le vent atteint une certaine force un opérateur immobilise la machine soit à l’aide d’un frein, soit en plaçant l’hélice parallèle au vent (mise en drapeau), soit en modifiant le calage des pales pour obtenir un couple moteur nul (système le plus efficace).

 

Système de freinage automatique :

 

Les deux moyens cités précédemment peuvent être automatiques par action du vent sur une « palette » de commande.

La palette annexe est parallèle et solidaire du plan de rotation de l’hélice. Lorsque la pression du vent sur cette palette, proportionnelle au carré de la vitesse et à la surface de la palette,

k SV2 , k ~ 0,9 , atteint un certain seuil, elle peut entraîner la commande d’un frein ou la mise en drapeau.

Ce dispositif peut être associé à un ressort qui replace l’hélice dans sa position normale lorsque l’action du vent sur la palette annexe a cessé.

Ces systèmes ne peuvent être utilisés qu’avec des aéromoteurs dont la vitesse de rotation n’a pas à être constante. D’autre part ils présentent l’inconvénient majeur d’interrompre le fonctionnement de l’aéromoteur au-delà d’une certaine vitesse de vent.

 

L’action du vent sur P est insuffisante pour provoquer une rotation de l’éolienne autour de son axe O.

G articulé en O’ reste parallèle à la direction du vent.

Le réglage de I ou de la surface P permette de régler le seuil de régulation.

 

Lorsque  la vitesse du vent est supérieur au seuil de régulation, le rotor entier pivote et présente ainsi une surface réduite au vent

 

Système de régulation par effacement total ou partiel du rotor avec palette auxiliaire

 

Système de régulation par effacement total ou partiel du rotor

 

L’action du vent sur P est suffisant pour provoquer l’effacement partiel de l’hélice

 

 

Système de régulation par frein aérodynamique centrifuge :

 

Les pales principales sont fixes (calage constant).

La régulation comporte 2 palettes P1 et P2 articulées en O1 et O2 sur un support normal à l’axe des pales principales. Ces palettes ont leur partie avant un peu plus longue et plus lourde que la partie arrière. Elles sont maintenues à la position repos par les tiges t1 et t2 et les ressorts tarés x1 et x2 .

Jusqu’à une certaine fréquence de rotation f0 (c’est-à-dire la vitesse de vent correspondante V0), les palettes restent concentriques. En formant un volant d’inertie, elles tendent à maintenir la fréquence de rotation stable lorsque la vitesse du vent varie pendant de bref instants (petites rafales).

Les pales ayant un calage fixe, la fréquence de rotation augmente avec la vitesse du vent. Lorsque cette vitesse dépasse V0 , la fréquence de rotation dépasse f0 , la force centrifuge et la pression de l’air sur les palettes deviennent prépondérantes. Les palettes P1 et P2 pivotent autour de O1 et O2 et prennent la position correspondant au freinage (voir figure ci-dessous).

La vitesse diminue alors et l’action des ressorts x1 et x2 redevient prépondérante, ramenant les palettes à leur position initiale. Si le vent est toujours supérieur à V0 le processus recommence.

En fait, le mouvement réel ne présente que de faibles variations de position autour d’une position d’équilibre. En fonctionnement, les palettes semblent conserver une position d’équilibre fixe. Mais la vitesse de rotation n’est pas très stable pour toute la plage d’utilisation de vitesse du vent.

En plus de ce système de régulation, un frein peut permettre d’immobiliser la machine en cas de tempête, d’arrêt urgent ou de non-utilisation.

 

 

Régulation par variation du calage des pales :

 

(voir le dessin en annexe).

La régulation consiste à conserver une fréquence de rotation constante de l’hélice pour toute une gamme de vitesses de vent. Cette régulation est obtenue en faisant varier l’angle de calage a , et par suite l’angle d’incidence i qui est l’angle entre la direction de la vitesse du vent relatif et l’axe de la pale.

 

Régulation par mise en drapeau :

Principe : la pale est orientée en incidence légèrement négative et le profil ne porte plus.

Avantage : limiter les contraintes sur les pales par fort vent.

Les machines qui utilisent ce système exigent d’être freinées pour un vent supérieur ou égal à 36 m/s.

 

Régulation par décrochage aérodynamique :

Principe : on provoque une diminution de a , ce qui entraîne une augmentation de l’angle d’incidence i de sorte que la traînée de la pale augmente considérablement tandis que sa portance diminue (le système charge la machine et il est source de phénomènes de fatigue).

Le système garantit une bonne régulation pour des vents inférieurs ou égaux à 60 m/s.

 

Régulation par asservissement du calage :

Les 2 systèmes précédents peuvent fonctionner par commande directe du calage, un vérin hydraulique dans l’arbre porte-hélice creux par exemple.

Le vérin modifie le calage des pales en fonction de la vitesse de rotation du rotor.

Ce système, plus souple mais techniquement plus complexe, est réservé aux grandes machines.

 

Freinage mécanique :

 

Les dispositifs de commande sont également nombreux : frein à main, frein à air comprimé, frein électromécanique ou électromagnétique : le frein est inséré au plus près du disque éolien lorsqu’il y a une ligne d’arbre avec multiplicateur incorporé ; il agit de façon progressive pour réduire les contraintes élevées apparaissant lors d’un freinage brutal sur une roue de plus grande inertie. Le freinage d’une machine constitue un élément de sécurité si important que, bien souvent, on conjugue diverses solutions qui participe à la limitation en vitesse de rotation puis à l’arrêt.

 

L’éclipsage :

 

Il s’agit d’effacer plus ou moins soit le disque éolien soit la totalité du système.

Soit on efface totalement ou partiellement le rotor soit l’ensemble du pylône et de la machine peut être ramené à terre grâce à un vérin hydraulique.

 

 

Le multiplicateur :

 

Les rotors dont le diamètre est supérieur à 5 m ont des vitesses de rotation trop faibles pour pouvoir entraîner directement un alternateur classique. Il est donc indispensable pour ces machines d’interposer entre l’aéromoteur et l’alternateur un multiplicateur. 3 types de multiplicateurs peuvent être utilisés avec les aéromoteurs :

· Le plus simple est le multiplicateur à engrenages à un ou plusieurs trains de roues dentées cylindriques ; d’une réalisation économique il est tout de même encombrant pour un rapport de multiplication élevé.

· L’utilisation de trains planétaires permet de réaliser des multiplications élevées sous un encombrement réduit. Leur utilisation se généralise ; cette technique permet de réaliser des rapports de multiplication élevés sous un encombrement réduit et avec un bon rendement de transmission. Les axes d’entrée et de sortie sont colinéaires voire coaxiaux.

· Le réducteur à couple conique permet une disposition de l’arbre de sortie perpendiculaire à l’arbre d’entrée.

 

Petit schéma pour résumer :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Présentation d’une maquette

 

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