Structure et conversion de l’energie

Nous ne traiterons pas ici des aérogénérateurs à axe vertical, étant donné que la majorité des éoliennes installées dans le monde sont à axe horizontal. L’énergie éolienne consiste à exploiter l’énergie cinétique du vent..L’énergie électrique ou mécanique produite par une éolienne dépend de 3 paramètres : la forme et la longueur des pales, la vitesse du vent et la température qui influe sur la densité de l’air. L’énergie éolienne est une forme indirecte de l’énergie solaire : les rayons solaires absorbés dans l’atmosphère entraînent des différences de température et de pression. De ce fait les masses d’air se mettent en mouvement et accumulent de l’énergie cinétique. Celle-ci peut être transformée et utilisée à plusieurs fins.

DESCRIPTION D’UNE EOLIENNE

Pour le principe de fonctionnement de l’éolienne on voit qu’elle est composée de différentes parties  On a tout d’abord des pales qui sont similaires à des ailes d’avion et qui sont entrainées par le vent. Tout le système de pales va donc tourner autour du moyeu encore appelé “nez”, est en général une pièce d’acier moulée. Il supporte les pales du rotor et se monte sur l’arbre lent d’entrée du multiplicateur. Il est pourvu d’un système de régulation qui permet la modification du pas des pales  .Le mât est fixé à des fondations qui permettent à l’éolienne de rester debout. La nacelle qui est l’élément central de l’éolienne est composée de deux pièces principales qui sont le multiplicateur et la génératrice. Le multiplicateur mécanique de vitesse permet de transformer une puissance à couple élevé et à vitesse lente en une puissance à couple faible et vitesse rapide. En effet, la rotation des pales est trop lente et le couple est trop important pour être utilisé par la génératrice. Le multiplicateur relie l’arbre (primaire) de la turbine éolienne à l’arbre (secondaire) de la génératrice électrique.

Le mouvement du rotor est transmis à l’arbre lent dont la vitesse de rotation est augmentée par le multiplicateur qui constitue la boite de vitesse de l’éolienne La tige du moyeu rentre dans le multiplicateur en entrainant tout un système d’engrenage afin de multiplier le mouvement du vent. La génératrice produit la puissance électrique qui sera consommée par une charge ou stockée dans des accumulateurs ou distribuée sur le réseau de transport.

Pour augmenter l’efficacité de l’éolienne la nacelle s’oriente à l’aide de moteurs hydrauliques ou électriques pour être toujours face au vent. Le système d’orientation de la nacelle est une couronne dentée (crémaillère) équipée d’un moteur. Il permet d’orienter l’éolienne et de la « verrouiller » dans l’axe du vent grâce à un frein.

Si le vent est trop faible, les pales pivotent de façon à capter le maximum de vent. Si celui ci est trop fort, elles se mettent en drapeau par mesure de sécurité et l’éolienne s’arrête. Le générateur fonctionne sur le principe de la dynamo; il transforme l’énergie du vent en électricité. Le frein permet de stopper le mouvement de rotation du rotor mais il n’est utilisé qu’en cas d’urgence. Le système de refroidissement comprend généralement un ventilateur électrique utilisé pour refroidir la génératrice et un refroidisseur à huile pour le multiplicateur. Sur le toit se trouvent les capteurs pour le pilotage de l’éolienne. Les feux d’obstacle est un moyen de sécurité qui permet au trafic aérien de repérer l’éolienne à distance. Le paratonnerre protège l’éolienne contre la foudre. Les anémomètres mesurent la vitesse du vent et permettent donc d’arrêter ou de mettre en route l’éolienne. La girouette indique la direction du vent et permet à la nacelle de rester orientée face au vent. Quatre puissants moteurs font pivoter la nacelle pour s’orienter dans la direction du vent. Le courant est transporté en bas du mât, il passe par le convertisseur qui permet d’ajuster l’amplitude la fréquence et l’ordre des phases du système de tension produit par l’éolienne à celle présente sur le réseau de transport électrique. La tension est transformée en électricité haute tension et passe ainsi de quelques centaines de volts à quelques dizaines de milliers de volts grâce au transformateur. L’électricité ainsi produite est envoyée vers le poste source composé d’un transformateur et d’un disjoncteur. Le transformateur sert à élever la tension à quelques centaines de milliers de volts. Le disjoncteur sert à protéger le réseau des surtensions. Le poste source permet de distribuer l’électricité sur l’ensemble du réseau électrique.

REGULATION DE PUISSANCE 

Les éoliennes sont conçues pour produire de l’électricité à un prix aussi bas que possible. Par conséquent, les éoliennes sont en général construites de manière à atteindre leur performance maximale à une vitesse de vent d’environ 15 m/s. Il est en fait inutile de concevoir des éoliennes qui maximalisent leur rendement à des vitesses de vent encore plus élevées, celles-ci étant peu fréquentes. En cas de vitesses de vent supérieures à 15 m/s, il est nécessaire de perdre une partie de l’énergie supplémentaire contenue dans le vent afin d’éviter tout endommagement de l’éolienne. Toutes les éoliennes sont donc conçues avec un système de régulation de la puissance. Précédemment, nous avons fait état d’une courbe Fig.II.7 Cp= f(λ) propre à chaque type d’éolienne. Pour permettre de faire varier Cp , agir sur la variable λ (la vitesse relative) n’est pas le seul moyen. En effet, les pales peuvent être pourvues de dispositifs actifs ou passifs afin de pouvoir dégrader le coefficient de puissance Cp. Il est ainsi possible de réguler la puissance mais aussi d’empêcher l’emballement du rotor pour de fortes vitesses de vent (en complément du frein de sécurité). En résumé il y a deux manières différentes de contrôler en toute sécurité la puissance d’une éolienne moderne :

CONTROLE A CALAGE VARIABLE DE PALES (PITCH CONTROL) 

Sur une éolienne contrôlée à calage variable (appelée aussi une éolienne à pas variable), le contrôleur électronique vérifie plusieurs fois par seconde la puissance de sortie de l’éolienne. En cas de puissance de sortie trop élevée, le contrôleur électronique de l’éolienne envoie une commande au dispositif de calage d’angle qui pivote immédiatement les pales légèrement sur le côté, hors du vent. Inversement, les pales seront pivotées de manière à pouvoir mieux capter de nouveau l’énergie du vent, dès que le vent aura baissé d’intensité.

REGULATION PASSIVE PAR DECROCHAGE AERODYNAMIQUE (STALL CONTROL)

Sur une éolienne à régulation (passive) par décrochage aérodynamique (appelée aussi une éolienne à pas fixe), les pales sont fixées au moyeu de façon rigide. Cependant, la géométrie de la pale a été conçue de façon à mettre à profit, en cas de vitesses de vent trop élevées, le décrochage aérodynamique en provoquant de la turbulence sur la partie de la pale qui n’est pas face au vent. Ce décrochage empêche la portance d’agir sur le rotor. Lorsque la vitesse du vent augmente, l’angle d’attaque des pales augmentera également jusqu’à arriver au point de décrochage. La pale d’une éolienne à pas fixe, est légèrement vrillée autour de son axe longitudinal. En concevant la pale ainsi, on assure que le décrochage a lieu graduellement lorsque la vitesse du vent atteint sa valeur critique.

La régulation par décrochage aérodynamique a avant tout l’avantage d’éviter l’installation de pièces mobiles dans le rotor même, ainsi qu’un système de contrôle très complexe. L’inconvénient est qu’une telle régulation ne pose pas seulement de grands défis à la conception aérodynamique des pales, mais également à la conception de l’éolienne entière afin d’éviter l’apparition de vibrations par le décrochage. Environ deux tiers des éoliennes qui sont installées actuellement dans le monde sont à pas fixe.

REGULATION ACTIVE PAR DECROCHAGE AERODYNAMIQUE

Un nombre croissant des grandes éoliennes (1 MW et plus) sont conçues avec un mécanisme dit de régulation active par décrochage aérodynamique. Du point de vue technique, ayant des pales mobiles, ces machines ressemblent à celles contrôlées à calage variable. Afin d’avoir un couple relativement élevé à des vitesses de vent faibles, ces éoliennes sont normalement programmées pour pivoter leurs pales de la même façon que les éoliennes à pas variable. (Souvent on utilise seulement un nombre limité de pas fixes, dépendant de la vitesse du vent.). Cependant, lorsque l’éolienne atteint sa puissance nominale une grande différence par rapport aux éoliennes à pas variable est à noter : si la génératrice est sur le point d’être surchargée, l’éolienne pivotera ses pales dans la direction opposée à celle dans laquelle une éolienne à pas variable l’aurait fait. En d’autres mots, au lieu de le réduire, elle augmentera l’angle d’attaque des pales du rotor pour faire décrocher les pales encore plus, perdant ainsi l’excès d’énergie du vent.

Un des atouts d’un tel système de régulation est qu’il est possible de contrôler la puissance de sortie de façon plus précise que par la régulation passive par décrochage aérodynamique, ce qui permet d’éviter une surévaluation de la puissance nominale de l’éolienne au début d’une rafale. Un autre avantage est le fait que l’éolienne peut fonctionner presque exactement à sa puissance nominale à toutes les vitesses du vent. Une éolienne à pas fixe normale, par contre, enregistre une chute de la production de puissance électrique à des vitesses de vent élevées, au fur et à mesure que les pales décrochent de plus en plus. Le mécanisme de calage est normalement opéré à l’aide de systèmes hydrauliques ou de moteurs électriques pas à pas.

TYPES DE GENERATEURS ELECTRIQUES

Le générateur électrique ou générateur transforme, à l’intérieur de la nacelle, le couple mécanique en courant électrique. Il transforme l’énergie cinétique du vent disponible sur le moyeu tournant en énergie électrique grâce à un générateur électromagnétique  . Il adapte également le courant électrique fourni par le générateur aux normes du réseau (couplage direct et couplage indirect). Le générateur peut être soit une dynamo (production de courant continu) soit un alternateur (production de courant alternatif). Pour des raisons de coût et de rendement, l’alternateur est désormais quasi exclusivement utilisé. L’alternateur est une machine synchrone ou asynchrone, utilisée en vitesse fixe ou en vitesse variable. Dans l’alternateur l’interaction entre les électroaimants du rotor, partie mobile, et les bobines de fil de cuivre du stator, partie fixe, produit un courant électrique.