Technicité d'une éolienne.
Comment une éolienne marche-t-elle ?
On distingue deux styles d'éoliennes : à axe horizontal (2) et à axe vertical (1) ( illustré ci-dessous ).
1)
2)
une éolienne de type axe horizontal est composée de 3 parties :
( cliquer sur le shéma pour agrandir )
- le mât qui permet de placer le rotor à une hauteur suffisante pour permettre le mouvement de celui-ci, et de placer le rotor à une hauteur permettant d'être entraîné par un vent plus fort et régulier par rapport à celui du niveau du sol. Le mât permet de tenir aussi la nacelle.
- le rotor est composé de plusieur pales ( généralement 3 pales ) et du nez de l'éolienne. Le rotor entraîné par l'énergie du vent, qui peut être couplé directement ou indirectement par un générateur électrique. Le rotor est relié à la nacelle par le moyeu.
- la nacelle monté au sommet du mât abrite les composants mécaniques, pneumatiques et certains composants électriques nécessaires au fonctionnement de la machine ( frein, multiplicateur, système de régulation électrique, générateur ).
Une éolienne est caractérisée par son modèle aérodynamique, mécanique, et électronique.
Avec des "grandes" éoliennes a une puissance de plus de 500 kW, pour des "moyennes" éoliennes a une puissance de 6kW à 300kW, et pour les "petites" éoliennes a une puissance qui est entre 100W à 20kW.
L'électricité ce sont des électrons qui se déplassent. On mesure cela en Ampères, en Volts ou en Watts. On compare tout cela à une chute d'eau, l'intensité du courant électrique ( mesuré en Ampère ) correspond au débit de l'eau et la tension ( mesurée en Volt ) correspond à la hauteur de la chute. les Watts correspond à la force globale induite par ces 2 paramètres. En multipliant l'intensité et la tension on obtient la puissance du générateur. Les "Watts-heure" (Wh) correspondent à la quantité d'énergie produite ou consommée en une heure.
Dans un générateur éolien, on a un courant alternatif caractérisé par sa fréquence, c'est à dire le nombre "d'allers-retours" que le courant effectue en une seconde, ceci est mesuré en Hetz (Hz). En Europe le courant des de 220 V soit 50Hz c'est à dire qu'il fait 50 "allers-retours" par seconde, ce qui veut dire que le courrant électrique change 100 fois de sens ( 50 allers, 50 retours ) par seconde.
Pour produire du courant alternatif, il faut un alternateur. Un alternateur est composé de fil de cuivre émaillé, d'un champ magnétique, et pour que cela marche il faut un mouvement ( voir experience ). Le génératueur électrique ne produit pas d'électrons. Son rôle est de mettre en mouvement les électrons contenus dans les atomes de cuivre, c'est à dire qu'il agit comme circulateur, donner plus ou moins de vitesse et de force aux électrons présents plus le champ magnétique est plus fort et la vitesse des électrons est importante, plus la production d'électricité est importante. Quand on fait passer devant la bobine de cuivre l'aimant, il va faire circuler les électrons dans un sens, et dans l'autre sens. L'alternateur et la dynamo fonctionnent toujours sur les mêmes bases qui sont constitués d'un rotor et un stator: le rotor est la partie en mouvement, le stator est la partie fixe ( rotor=rotatif, stator=statique ).
Les éoliennes à axe horizontal
Ces éoliennes sont caractérisées par leurs hélices perpendiculaires au vent et qui sont montées sur le mât. Leur hauteur est, pour les plus petites de 20 m et pour les modèles de plus grande envergure, la hauteur est superieure au double de la longueur d'une pale.
puissance récupérable
La puissance du vent contenue dans un cylindre de secteur S est de:
EC=p.S.V3
p: masse volumique de l'air ( environ 1,23 kg/m3 à 15°c )
V: vitesse du vent en m/s
La puissance récupérable est inferieure à l'air perçut avant, l'air doit conserver une energie cinétique résiduelle pour qu'il subsiste un écoulement.
Albert BETZ (voir au bas de la page ) démontre que l'énergie récupérable maximale lorsque :
Vsortie=1/3 Vincidente
la conséquence de la puissance maximale récupérable est :
Pmax=(16/27).EC=8/27.p.V3
Le rendement maximal théorique d'une éolienne est fixé a 16/27=59,3% sans prendre en compte les pertes d'énergie occasionnées lors de la conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique.
Face au vent
L'efficacité d'une éolienne dépend de son emplacement face au vent. La puissance fournie augmente avec le cube de la vitesse du vent. C''est pour cette raison que les sites sont choisis principalement en fonction de la vitesse et de la fréquence des vents présents. Un site dans lequel il y a des vents qui soufflent à 30 km/h en moyenne, produira huit fois plus d'énergie qu'un site où les vents soufflent à 15km/h en moyenne, sans non plus que les vents soient violents ce qui détruirait l'éolienne. De plus, une éolienne fonctionne mieux quand les vents sont réguliers et fréquents. Une éolienne doit toujours rester la majeur partie du temps parallèle à la direction du vent. Même si les éoliennes sont équipées d'un système d'orientation de la nacelle performant, il est préférable de placer les éoliennes où la direction des vents est la plus stable possible pour meilleur rendement.
En France, un site est rentable économiquement si la vitesse moyenne annuelle du site est supérieur à 6 ou 7 m/s, soit 21 à 25km/h.
Certains sites spécifiques augmentent la vitesse du vent et ils sont donc plus adaptés à l'installation des éoliennes:
-l'effet Venturi: entre deux montagnes, comme entre deux grands bâtiments, les vents sont souvent plus forts, car les vents sont compressés entre les montagnes ou bâtiments.la vitesse des vents augmentent fortement et ils gardent généralement la même direction. Ces sites sont donc très appropriés pour l'implantation des éoliennes, mais se sont des surfaces que l'on ne trouve pas partout et donc une surface très restreinte.
-les mers et les lacs: dans ces endroits il n'y a pas d'obstacle pour le vent, et même à une altitude basse les vents ont une grande vitesse et moin turbilents, mais si à proximité d'une éolienne se trouve une côte escarpée, cela peut créer des turbulences qui peuvent user certains composants mécaniques de l'éolienne.
Lorsqu'il y a des vents forts, violents, pour sucuriser l'éolienne, il y a un systéme pour arrêter les pâles. L'air intercepté par l'éolienne est proportionnel au carré de la longueur des pâles. La pression de l'air exercé sur l'éolienne augmente rapidement en fonction de la taille des pâles, plus les pâles sont grandes plus la pression de l'air est grande.
les différents materiaux
Pour la réalisation des pâles, le meilleur matériau disponible actuellement est l'époxy, qui est une très bonne résine thermodursissable présentant de bonne propriété mécanique. Pour des éoliennes de 60 m de rayon suffisant pour produire quelque mégaWatts on utilise le graphite composite. Pour des plus petites éoliennes on utilise des matériaux plus légés, tel que la fibre de verre, l'alluminium ou le bois laminé.
Se dirigigé face au vent
Pour que les éoliennes de petit gabari se dirigent face au vent elles sont aidées par une aileron arriérée comme la maniére d'une girouette. Quant aux éoliennes de plus grand gabari elles sont équipés de capteurs qui enregistrent la direction du vent et actionnent le moteur qui sert à faire tourner le rotor.
Quand une éolienne face au vent, elle agit comme un gyroscope; un appareil qui exploite le principe de la conservation du moment angulaire; et la précession essaie de faire faire volte-face en avant ou en arrière à la turbine. chaque pâle est soumise à la force de précession maximal l'orsqu'elle est horizontal. Ces changements cyclique de pression sur les pâles peuvent vite fatiguer et rompre la base des pâles ou fausser l'axe de la turbine.
deux, trois ou plus de pâles ?
Dans l'optique de réduire les contraintes dues à la pression, les éoliennes modernes de trois pâles pour que une seule soit soumise à une pression maximale à la fois. le défaut des anciennes éoliennes est d'avoir un nombre de paire de pâles, de sorte que deux pâles soient à la vertical en même temps. Les éoliennes à deux pâles sont les éoliennes qui ont le plus de contrainte.
La plupart des éoliennes artisanales, possédent deux pâles car elles sont fabriquées à partir d'une seul pièce longue et courbée en bois ou en métal. Ces pâles sont montées sur des générateurs de récupération, tel que l'alternateur de voiture ou le moteur d'une machine à laver.
Les pâles ne sont pa nécéssairement fixées individuelement sur le moyeu, ainsi beaucoup d'éoliennes commercialisées ont deux pâles, car cela est plus économique d'usiner celle-ci d'un seul tenent. Les éoliennes de trois pâles sont plus éfficaces et plus silentieuses, elles doivent être généralement montées sur place. Pour celle de plus de trois pâles, celle-ci sont perturbées par l'air déplacés par la précédente pâle, et donc le rendement est réduit.
Les éoliennes et leurs problèmes:
Les vibrations d'une éolienne diminuent quand le nombre de pâles est grand. Les vibrations, qui fatiguent les mécanismes, certaines sont audibles et provoquent des nuisances sonores. Cependant, les éoliennes possédant un nombre petit de pâles mais qui sont de grande taille fonctionnent au nombre de Reynolds plus élevé ( le nombre Reynolds (Re), est un nombre sans dimention. il est utilisé en mécanique des fluides, qui sert à caractériser un écoulement en particulier la nature de son régime (laminaire, transitoire, turbulent).) et par conséquence ils sont plus éfficaces. De plus, le prix d'une éolienne s'éléve avec le nombre de pâles, donc généralement le nombre optimal est de trois pâles.
Le mât aussi produit des turbulences derrière lui, le rotor est donc généralement placé devant le mât. Dans ce cas-ci, le rotor est placé loin en avant et l'axe de celui-ci est parfois incliné par rapport à l'horizontale
( cliquez pour agrandir ), pour ne pas que les pâles heurtent le mât ( comme dans la video ci-dessous ).
On contruit parfois des éoliennes avec le rotor placé en aval du mât, même si il y a les problème de turbulence, car, dans ce cas-ci les pâles sont plus souples,et ne risquent pas de se courber en risquant de heurter le mât en cas de grand vent réduisant ainsi leur résistance à l'air.
Les anciens moulins à vent, qui étaient équipés de voilures qui représentent les pâles, avaient une expérience de vie très restreinte.Mais aussi leurs résistances à l'air est très élevées par rapport à la puissance que les voilures reçoivent, et donc elles font tourner le générateur trop lentement. L'énergie potentielle du vent est donc trop gaspillée, et la poussée de celle-c implique qu'elles doivent être montées sur un mât particuliérement solide, c'est pourquoi maintenant on préfère des pâles profilées et rigides.
La prise au vent.
Quand une des pales est en rotation, la vitesse relative du vent par rapport à la pale, est supérieur à sa vitesse propre, et dépend de l'éloignement du point considéré de la pale avec son axe de rotation. Cela explique le profil et l'orientation de la pale varient.dans sa longueur. la composition des forces s'exercant sur les pales se résume en un couple utile permettant la production électrique par l'alternateur et une force de poussé axiale, répercutée sur le mât par l'intermédiaire d'une butée. Cette poussée peut devenir excessive par les vents trop fort, c'est pour cela les éoliennes sont alor arrétées et sont aussi orientées pour offrir la moindre prise au vent. Des essais sont ainsi effectués pour utiliser les pales cylindrique affin de bénéficier de l'effet Magnus: qui quand la vitesse du vent augmente sa pression diminue et vis versa.
Les éoliennes à axe verticale
plusieur solution d'éolienne à axe verticale ont été expérimentées jusqu'a maintenant:
- le type DARRIEUS qui repose sur l'effet de portance subi par un profil soumis à l’action d'un vent relatif ( similaire aux forces qui s'exercent sur l'aile d'un avion ). Il y a plusieur déclinaison posible autour de ce principe: le rotor cylindrique ;où deux profils sont disposés de par et d'autre de l'axe, et le rotor parabolique; où les profils sont recourbés en troposkine et fixés au sommet et à la base de l'axe vertical. Une éolienne comme celle-ci avai fonctionné au canada dans le parc Eol de 1983 à 1992. Cette éolienne avait de grande dimention avec 110 m de hauteur, mais ce prototype s'est détérioré lors d'un coup de vent, elle était concu pour produire 4 MW avec un générateur au sol.
- le type savonius est constitué de shématiquement de deux ou plusieurs godets demi-cylindrique légèrement désaxés. ce type d'éolienne presente de nombreux avantages. ces éoliennes sont peu encombrantes, et permettent de les intégrer aux batiments sans changer leurs estétique et sont peu bruillants. Elle peuvent démarer à l'aide de faible vent. Ce modèle utilise un système d’orientation de l’écran par rapport au vent, supprimant de fait un avantage essentiel des éoliennes à axe vertical. Mais l’accroissement important de la masse en fonction de la dimension rend l’éolienne de type Savonius peu adaptée à la production de masse dans un parc éolien.
D'autres models sont contruis par différentes entrepises pour s'affranchir des limites introduites par la taille des pales, par leur vitesse de rotation et par le bruit. Le principe est celui d'un rotor d'axe vertical qui tourne au centre d'un stator à ailettes. Ce type de solution réduit considérablement le bruit tout en autorisant le fonctionnement avec des vents supérieurs à 220 km/h et quelle que soit leur direction. L'encombrement total est plus faible aussi bien pour l'espace au sol que pour la hauteur. Pour une éolienne de 3 m de diamètre et 2 m de haut la production est de 8 000 kWh/an.
La durée de vie d'une éolienne.
cela vari de 10 à 20 ans, aprés cette date l'éolienne est réparé entiérement et pe refonctionner, car une éolienne n'a pas vrement de durré de vie cela depend de l'épuisement des matériaux. Tout les ans une inspection et un netoyage est fait, on regarde si les différents éléments de l'éolienne montrent des signes de fatigue. Les éoliennes doivent résister à toute les météos comme le gel, la neige, la grêle, la pluie, le soleil et aux fortes températures.