Généralité sur la production éolienne

Généralité

Historique de l’énergie éolienne :

Depuis l’Antiquité, des moulins à vent convertissent l’énergie éolienne en énergie mécanique (généralement utilisée pour moudre du grain, presser des produits oléifères, battre le fer, le cuivre, le feutre ou les fibres du papier… ou relever de l’eau). De nos jours, on trouve encore des éoliennes couplées à des pompes à eau, généralement utilisées pour assécher des zones humides ou au contraire irriguer des zones sèches ou abreuver du bétail. En 1888, Charles F. Brush construit une petite éolienne pour alimenter sa maison en électricité, avec un stockage par batterie d’accumulateurs. La première éolienne « industrielle » génératrice d’électricité est développée par le Danois Poul La Cour en 1890, pour fabriquer de l’hydrogène par électrolyse. Georges Darrieus Ingénieur français en aéronautique, fut l’inventeur de l’éolienne à axe vertical et a breveté la conception en 1927. La compagnie américaine FloWind fabriqua l’éolienne jusqu’à sa faillite en 1997. L’éolienne de Darrieus est caractérisée par ses pales de rotor en forme de C qui la font ressembler un peu à un fouet à œufs. Elle est normalement construite avec deux ou trois pales. Johannes Juul, ingénieur électricien et ancien élève de La Cour, fut le premier à mettre au point une éolienne moderne capable de produire du courant alternatif. En 1956-1957, il conçut et construisit la plus grande éolienne du monde, la « turbine de Gedser  » de 200 kW qui fonctionna pendant onze ans et devint le modèle de référence pour le développement futur de tous les autres aérogénérateurs (éoliennes équipées d’un générateur électrique). Elle fut remise en marche trois ans durant à partir de 1977 à la demande de la NASA, dans le cadre de ses projets dans le domaine des grandes turbines électriques. Mais, l’énergie éolienne fut complètement négligée pendant l’ère industrielle, au profit quasi exclusif, si l’on excepte l’hydroélectricité, les énergies fossiles, etc. Mais, de nos jours, on le transforme en énergie électrique par l’emploi d’aérogénérateurs. Le nouvel intérêt porté à l’énergie éolienne résulte deux préoccupations : d’une part, la protection de l’environnement et l’économie des combustibles fossiles qui en résulte. D’autre part, l’évolution des technologies rend la conversion de cette énergie de plus en plus rentable et donc son utilisation devient économiquement compétitive par rapport aux sources traditionnelles de même puissance.

Développement de l’énergie éolienne :

Depuis ces dernières années, la production d’électricité par l’énergie éolienne s’est considérablement développée dans le monde entier . Ceci est du principalement à deux raisons :
-Produire une énergie propre,
-Trouver une source d’énergie durable alternative aux combustibles fossiles.

Au début de l’année 2009, on estimait à peu près de 121 gigawatts la puissance totale installée de l’ensemble des éoliennes à travers le monde. Le pays possédant la plus grande puissance éolienne installée était les États-Unis (25 388 MW début 2009) suivis par l’Allemagne (23 903 MW), l’Espagne (16 740 MW), la Chine (12 200 MW), l’Inde (9 645 MW) et, loin derrière, l’Italie (3 736 MW) et la France (3 387 MW).

Taille des aérogénérateurs :

Avec le développement récent et le besoin de fournir des puissances croissantes au réseau, les constructeurs et les chercheurs mettent au point des éoliennes de plus en plus puissantes et donc plus grandes . Pour utiliser le maximum de la force du vent, on cherche à ce que l’hélice balaie une surface où le vent est maximum. Pour cela les éoliennes sont très haut perchées pour ne pas subir les effets de sol qui freinent le vent.

Conversion de l’énergie éolienne : 

Une éolienne a pour rôle de convertir l’énergie cinétique du vent en énergie électrique  . Ses différents éléments sont conçus pour maximiser sa conversion énergétique et,  d’une manière générale, une bonne adéquation entre les caractéristiques couple/vitesse de la turbine et de la génératrice électrique est indispensable.

Pour parvenir à cet objectif, idéalement, une éolienne doit comporter :
– Un système qui permet de la contrôler mécaniquement (orientation des pâles, de la nacelle).
– Un système qui permet de la contrôler électriquement (machine électrique associée à  l’électronique de commande).

Descriptif d’une éolienne :

En général, une éolienne est constituée par une tour au sommet de laquelle se trouve  la nacelle. Etant donné que la vitesse du vent augmente lorsque l’on s’éloigne du sol. La tour a la forme d’un tronc en cône où, à l’intérieur, sont disposés les câbles de transport de l’énergie électrique, les éléments de contrôle, les appareillages de connexion au réseau de  distribution ainsi que l’échelle d’accès à la nacelle. La nacelle regroupe tout le système de transformation de l’énergie éolienne en énergie électrique et divers actionneurs de commande. Un dispositif oriente automatiquement la nacelle face au vent grâce à une mesure de la  direction du vent effectuée par une girouette située à l’arrière de la nacelle.

La turbine éolienne est munie de pales fixes ou orientables et tourne à une vitesse nominale de 25 à 40 [tr/mn]. Plus le nombre de pales est grand, plus le couple au démarrage sera grand et plus la vitesse sera petite. Les turbines uni et bipales ont l’avantage de peser moins mais elles produisent plus de fluctuations mécaniques. Elles ont un rendement énergétique moindre, et sont plus bruyantes puisqu’elles tournent plus vite. Elles provoquent une perturbation visuelle plus importante de l’avis des paysagistes. De plus, un nombre pair de pales doit être évité pour de raison de stabilité. En effet, lorsque la pâle supérieure atteint le point extrême, elle capte la puissance maximale du vent. A ce moment, la pale inférieure traverse la zone abritée du vent par la tour. Cette disposition tend à faire fléchir l’ensemble de la turbine vers l’arrière. Ceci explique pourquoi 80% des fabricants fabriquent des aérogénérateurs tripales. Lorsque des pales fixes sont utilisées, un dispositif de freinage aérodynamique est utilisé permettant de dégrader le rendement de la turbine audelà d’une certaine vitesse (décrochage aérodynamique ou stall control). Si non un mécanisme d’orientation des pâles permet la régulation de la puissance et un freinage (réglage aérodynamique). Un arbre dit « lent » relie le moyeu au multiplicateur et contient un système hydraulique permettant le freinage aérodynamique en cas de besoin. Un multiplicateur adapte la vitesse de la turbine éolienne à celle du générateur électrique utilisé. Ce multiplicateur est muni d’un frein mécanique à disque actionné en cas d’urgence lorsque le frein aérodynamique tombe en panne ou en cas de maintenance de l’éolienne. Le système de refroidissement comprend généralement un ventilateur électrique utilisé pour refroidir la génératrice et un refroidisseur à l’huile pour le multiplicateur. Il existe certaines éoliennes comportant un refroidissement à l’eau. La génératrice (ou alternateur) est généralement asynchrone, et sa puissance électrique est variable.

Principe de fonctionnement d’une éolienne :

Les pales de la machine ont un mouvement de rotation autour du moyeu de l’éolienne et extraient l’énergie cinétique du vent incident. Les pales sont déterminées par des critères aérodynamiques et de profils utilisés sur structure, et ils sont assemblés entre le moyeu et le bout de la pale avec des angles de calage décroissant. Pour la plupart des éoliennes, l’énergie extraite du vent est par l’intermédiaire d’une boîte de vitesse tandis que la transmise à la génératrice vitesse de rotation de l’arbre est imposée par les caractéristiques du générateur et par le réseau distributeur d’électricité. Dans ce cas, la vitesse de rotation de la pale est constante. Toutefois, pour optimiser le rendement de l’éolienne à toutes les vitesses de vent, certaines éoliennes modernes fonctionnent à vitesse de rotation variable et le moyeu de l’éolienne est directement reliée à la génératrice. L’ensemble du système convertisseur d’énergie est finalement placé dans la nacelle, qui soutient aussi les dispositifs de freinage, de variation de l’angle de calage global de la pale, etc.