Généralités sur les systèmes éoliennes

Le vent est engendré par les variations de la densité et de la pression de l’air, dues au réchauffement inégal de la terre par le soleil, et par la rotation de la terre; il s’agit donc d’une ressource naturelle renouvelable. Le vent causé par le mouvement de l’air contient une grande quantité d’énergie. Les moulins à vent ont servi pendant des milliers d’années à capturer une partie de cette énergie pour accomplir différents travaux utiles. Il ne fait aucun doute que les moulins à vent ont connu dans le passé, un grand succès. Ils ont fourni à l’homme l’énergie mécanique qui manquait à l’époque, à la réalisation de ses desseins. Mais avec l’invention de la machine à vapeur, du moteur à explosion et du moteur diesel, le développement de l’électricité, leur exploitation est négligée et souvent abandonnée. L’utilisation du vent semble par conséquent de plus en plus délaissée et son avenir très compromis. Cependant l’histoire réserve parfois des surprises, car après la crise pétrolière de 1974, avec la diminution du stock mondial en hydrocarbure et surtout la crainte d’une pollution de plus en plus envahissante et destructive pour l’environnement, l’énergie éolienne revient au premier plan de l’actualité et connaît un développement galopant. On cherche surtout à l’utiliser pour produire de l’énergie électrique suivant le principe exploité dans toutes les centrales électriques conventionnelles. Ainsi la demande mondiale d’éoliennes connaît une croissance rapide depuis une quinzaine d’années ; la majorité de la demande découle du souci d’aménager des centrales électriques utilisant des combustibles « moins polluants ». On aménage maintenant des parcs à éoliennes multiples produisant plusieurs mégawatts.

Plusieurs technologies sont utilisées pour capter l’énergie du vent (capteur à axe vertical ou à axe horizontal) et leurs structures sont de plus en plus performantes. Outre leurs caractéristiques mécaniques, nous nous intéressons à l’efficacité de la conversion de l’énergie mécanique en énergie électrique. En effet, il existe deux types d’éoliennes à savoir les éoliennes à axe vertical et les éoliennes à axe horizontal [2]. Ainsi dans ce qui suit, nous allons énoncer en première partie une généralité sur les différents types d’éoliennes, ensuite nous allons nous intéresser plus particulièrement aux éoliennes à axe horizontal qui sont non seulement les plus répandues, mais aussi les plus efficaces.

L’énergie éolienne : 

définition de l’énergie éolienne : 

L’énergie éolienne est une énergie « renouvelable » i.e. (non dégradée), géographiquement diffuse, et surtout en corrélation saisonnière (l’énergie électrique est largement plus demandée en hiver et c’est souvent à cette période que la moyenne des vitesses des vents est la plus élevée). De plus, c’est une énergie qui ne produit aucun rejet atmosphérique ni déchet radioactif. Elle est toutefois aléatoire dans le temps et son captage reste assez complexe, nécessitant des mâts et des pâles de grandes dimensions (jusqu’à 60 m pour des éoliennes de plusieurs mégawatts) dans des zones géographiquement dégagées pour éviter les phénomènes de turbulences.

L’énergie éolienne fait partie des nouveaux moyens de production d’électricité décentralisée proposant une alternative viable à l’énergie fossile (Centrale thermique ou à cycle combiné) sans pour autant prétendre la remplacer (l’ordre de grandeur de la quantité d’énergie produite étant largement plus faible). Les installations peuvent être réalisées sur terre mais également de plus en plus en mer (fermes éoliennes offshore) où la présence du vent est plus régulière.

De plus, les éoliennes sont ainsi moins visibles et occasionnent moins de nuisances sonores. Hormis l’aspect visuel des éoliennes, leur impact sur l’environnement est réduit. Une éolienne ne couvre qu’un pourcentage très réduit de la surface totale du site sur laquelle elle est implantée, permettant alors à la plupart des sites de conserver leurs activités industrielles ou agricoles [3].

les principaux composantes d’une éolienne : 

Une éolienne permet de transformer l’énergie cinétique du vent en énergie électrique ou mécanique. Elle se compose des éléments suivants :

➤ Le mât : généralement un tube d’acier ou éventuellement un treillis métallique, doit être le plus haut possible pour éviter les perturbations près du sol. Toutefois, la quantité de matière mise en œuvre représente un coût non négligeable et le poids doit être limité. Un compromis consiste généralement à prendre un mât de taille très légèrement supérieure au diamètre du rotor de l’aérogénérateur (exemple : éolienne NORDEX N90 2,3 MW: diamètre de 90m, mât de 80 m de hauteur).

➤ La nacelle : regroupe tous les éléments mécaniques permettant de coupler le rotor éolien au générateur électrique : arbres lent et rapide, roulements, multiplicateur. Le frein à disque, différent du frein aérodynamique, qui permet d’arrêter le système en cas de surcharge. Le générateur qui est généralement une machine synchrone ou asynchrone et les systèmes hydrauliques ou électriques d’orientation des pâles (frein aérodynamique) et de la nacelle (Nécessaire pour garder la surface balayée par l’aérogénérateur perpendiculaire à la direction du vent). A cela viennent s’ajouter le système de refroidissement par air ou par eau, un anémomètre et le système électronique de gestion de l’éolienne.

➤ Le rotor : formé par les pâles assemblées dans leur moyeu. Pour les éoliennes destinées à la production d’électricité, le nombre de pales varie classiquement de 1 à 3, le rotor tripale (concept danois) étant de loin le plus répandu car il représente un bon compromis entre le coût, le comportement vibratoire, la pollution visuelle et le bruit.

emplacement des parcs éoliens : 

Les parcs éoliens se situant naturellement là ou il y a un niveau de vent suffisant tout au long de l’année pour permettre une production maximale. Les cotes, les bords de mers et les plateaux offrent des conditions intéressantes en termes de vent mais il faut aussi tenir compte de l’impact sur le paysage.

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.