L’ éolienne est au centre de tout système de production d’énergie renouvelable . La conception des éoliennes comprend généralement un rotor, un générateur de courant continu (CC) ou un alternateur à courant alternatif (AC) monté sur une tour au-dessus du sol, un pilier ou sur le toit.
Une éolienne est l’opposé d’un ventilateur de maison ou de bureau. Le ventilateur utilise l’électricité du réseau électrique pour faire tourner et faire circuler l’air, produisant ainsi du vent.
L’éolienne, quant à elle, utilise la force du vent pour produire de l’électricité. Le mouvement du vent fait tourner les pales de la turbine, ce qui capte l’énergie cinétique du vent et convertit cette énergie en un mouvement de rotation via un arbre pour entraîner un générateur électrique et produire de l’électricité .
Une éolienne extrait l’énergie cinétique du vent en et en transférant cette énergie dans l’arbre en rotation. La puissance du vent produite dépend à la fois de la vitesse du vent et de la zone balayée par les pales de la turbine en rotation.
Ainsi, plus la vitesse du vent est rapide ou plus les pales du rotor sont grandes, plus l’énergie peut être extraite du vent. On peut donc dire que la production d’énergie éolienne dépend de l’interaction entre les pales du rotor et le vent et c’est cette interaction qui est importante pour la conception d’une éolienne .
Tout comme une aile d’avion, les pales d’éoliennes fonctionnent en générant de la portance grâce à leur forme incurvée. Les pales du rotor extraient une partie de l’énergie cinétique des masses d’air en mouvement selon le principe de portance à une vitesse déterminée par la vitesse du vent et la forme des pales. Le résultat net est une force de portance perpendiculaire à la direction d’écoulement de l’air. L’astuce consiste ensuite à concevoir la pale du rotor pour créer la bonne quantité de portance et de poussée des pales du rotor, produisant une décélération optimale de l’air et pas plus.
La structure d'une éolienne
L’image ci-dessus montre une conception typique d’éolienne .
Girouette
La girouette mesure la direction du vent et communique avec l’entraînement de lacet pour orienter correctement l’éolienne par rapport au vent.
Anémomètre
L’anémomètre mesure la vitesse du vent et transmet les données sur la vitesse du vent au contrôleur.
Les pales
La plupart des turbines ont trois pales principalement constituées de fibre de verre. Les pales de turbine varient en taille, mais une éolienne terrestre moderne typique a des pales de plus de 170 pieds (52 mètres). La plus grande éolienne est l’éolienne offshore Haliade-X de GE, avec des pales de 351 pieds de long (107 mètres), soit à peu près la même longueur qu’un terrain de football. Lorsque le vent traverse la pale, la pression de l’air sur un côté de la pale diminue. La différence de pression d’air entre les deux côtés de la pale crée à la fois une portance et une traînée. La force de portance est plus forte que la traînée, ce qui fait tourner le rotor.
Turbine à boîte de vitesses
La transmission d’une turbine avec boîte de vitesses comprend le rotor, le roulement principal, l’arbre principal, la boîte de vitesses et le générateur. La transmission convertit la rotation à faible vitesse et à couple élevé du rotor de la turbine (pales et moyeu) en énergie électrique
Nacelle
La nacelle se trouve au sommet de la tour et contient la boîte de vitesses, les arbres à basse et haute vitesse, le générateur et le frein. Certaines nacelles sont plus grandes qu’une maison et pour une turbine à engrenages de 1,5 MW, peuvent peser plus de 4,5 tonnes.
Système de lacet
L’entraînement en lacet fait tourner la nacelle des éoliennes pour les maintenir face au vent lorsque la direction du vent change. Les moteurs de lacet alimentent l’entraînement de lacet pour que cela se produise.
Les éoliennes sous le vent ne nécessitent pas d’entraînement en lacet, car le vent éloigne manuellement le rotor.
Moyeu
Faisant partie de la transmission de la turbine, les pales de la turbine s’insèrent dans le moyeu qui est relié à l’arbre principal de la turbine.
Boîte de vitesses
La transmission comprend le rotor, le roulement principal, l’arbre principal, la boîte de vitesses et le générateur. La transmission convertit la rotation à faible vitesse et à couple élevé du rotor de la turbine (pales et moyeu) en énergie électrique.
Rotor
Les pales et le moyeu forment ensemble le rotor de la turbine.
Générateur
Le générateur est entraîné par l’arbre à grande vitesse. Les enroulements de cuivre traversent un champ magnétique dans le générateur pour produire de l’électricité. Certains générateurs sont entraînés par des boîtes de vitesses (illustrés ici) et d’autres sont à entraînement direct où le rotor se fixe directement au générateur.
Le frein
Les freins à turbine ne sont pas comme les freins d’une voiture. Un frein de turbine empêche le rotor de tourner après son arrêt par le système de pas. Une fois les aubes de turbine arrêtées par le contrôleur, le frein empêche les aubes de turbine de bouger, ce qui est nécessaire à la maintenance.
Classification de l'éolienne
Pour contribuer à améliorer l’interaction entre le vent et les pales et donc augmenter l’efficacité, deux types de conception d’éoliennes sont disponibles.
Selon l’orientation de l’axe du rotor, les éoliennes sont classées en deux types ;
- Axe horizontal
- Axe vertical
Axe horizontal
Les turbines à axe horizontal sont classées en deux types ;
- Type d’hélice
- Type multilame
Dans une turbine à axe horizontal, l’orientation de l’axe est conservée le long de l’axe horizontal. Dans une turbine à hélice, le nombre de pales est de trois ou moins de trois. Et dans une turbine multipale, un plus grand nombre de pales sont utilisées.
La turbine à hélice est la turbine la plus utilisée. Les éoliennes à hélice sont montées au sommet de la tour et la pale de cette turbine est constituée d’une voilure ou d’une section de voilure. La figure ci-dessus montre différents types de turbines à hélice.
Les turbines à deux pales sont les turbines les plus rentables. Mais dans ces conditions, un système de contrôle du lacet est nécessaire pour atténuer les vibrations. Cette configuration est utilisée pour les grandes unités (2 MW à 3 MW) avec du matériel et des systèmes de contrôle adaptés.
Une conception à trois pales est la conception la plus utilisée et la plus préférable. Parce que le rotor est naturellement équilibré avec une conception à trois pales. Cette configuration est utilisée pour une large gamme de production d’électricité (15 kW – 3 MW).
Les turbines multipales utilisent 12 à 20 pales constituées de plastique renforcé de fibres de verre. Le diamètre du rotor multipale varie de 2 m à 5 m. La turbine multipale est constituée d’aubes incurvées en tôle dont les extrémités intérieure et extérieure sont fixées par des jantes. Le schéma d’une turbine multipale est tel que présenté dans la figure ci-dessous.
Axe vertical
L’éolienne à axe vertical est classée en deux types ;
- Type Savonius
- Type Darrieus
- Type H- Blade
- Type Gorlov
Dans ce type d’éolienne, l’arbre du rotor principal est placé de manière à traverser le vent et d’autres accessoires sont placés à la base de l’éolienne.
Dans une éolienne de type Savonius, un cylindre elliptique creux est placé en deux morceaux. Et chaque pièce constitue la moitié de la turbine verticale fixée à un axe vertical. La forme de ce rotor ressemble à l’alphabet « S ». Par conséquent, le rotor de type Savonius est également connu sous le nom de rotor de type S.
Dans une éolienne de type Darrieus, elle est constituée de deux ou trois pales. Ces lames sont de forme incurvée et la forme de cette lame est connue sous le nom de troposkéine. Les pales à voilure ou à section transversale de voilure sont placées symétriquement sur un arbre vertical.
Applications des éoliennes
Les éoliennes modernes peuvent être classées selon l’endroit où elles sont installées et la manière dont elles sont connectées au réseau :
ÉOLIENNE TERRESTRE
La taille des éoliennes terrestres varie de 100 kilowatts à plusieurs mégawatts.
Les éoliennes de plus grande taille sont plus rentables et sont regroupées en centrales éoliennes, qui fournissent de l’énergie en masse au réseau électrique.
ÉOLIENE OFFSHORE
Les éoliennes offshore ont tendance à être massives.
Elles ne sont pas confrontées aux mêmes défis de transport que les installations éoliennes terrestres, car les gros composants peuvent être transportés par bateau plutôt que par route.
Ces turbines sont capables de capter les puissants vents océaniques et de générer de grandes quantités d’énergie.
EOLIENNE DISTRIBUÉE
Lorsque des éoliennes de toute taille sont installées du côté « client » du compteur électrique, ou sont installées à l’endroit ou à proximité de l’endroit où l’énergie qu’elles produisent sera utilisée, elles sont appelées « éolienne distribuée ».
Avantages et inconvénients de la centrale éolienne
Avantages
Les avantages d’une éolienne sont listés ci-dessous.
- Le vent est une source inépuisable d’énergie électrique.
- Il s’agit d’une source rentable car le coût de fonctionnement d’une centrale éolienne est très inférieur à celui d’une centrale thermique.
- Il est respectueux de l’environnement et ne nécessite aucun combustible carboné. Cette plante contribue à réduire les émissions de carbone.
- L’espace requis pour l’éolienne est moindre par rapport aux autres centrales électriques. Dans la plupart des cas, les éoliennes sont placées en bord de mer et dans certains cas, elles sont également installées en mer pour gagner de la place.
- Une centrale éolienne peut être une centrale connectée au réseau ou elle peut être directement utilisée dans une zone éloignée où un réseau n’est pas accessible.
Inconvénents
Les inconvénients d’une éolienne sont listés ci-dessous.
- Le principal inconvénient d’une éolienne est qu’elle est incohérente. La puissance développée par une éolienne dépend de la vitesse du vent. Et la vitesse du vent varie avec le temps. En fonction de cela, la puissance de sortie fluctue. Il est donc très difficile de connecter l’éolienne à un système de réseau. Mais, à l’aide d’un convertisseur électronique de puissance, il est possible de connecter l’éolienne au réseau. Mais cela augmentera la complexité et le coût du système.
- Le coût en capital pour installer une éolienne est très élevé pour construire une construction et des fondations.
- Les éoliennes nuisent aux oiseaux.
- Le choix du site des éoliennes est difficile. Il doit être situé dans un endroit où le vent est constamment disponible.
- Il est très difficile de transporter sur le site des équipements d’éoliennes lourds et espacés.
