L’une des principales énergies renouvelables est l’énergie éolienne. Leur principe de fonctionnement semble simple: le vent fait tourner des pales et un système transforme ce mouvement en électricité. Néanmoins, en présentant les différents éléments, nous verrons que derrière cette simplicité apparente se cache une complexité insoupçonnée. Nous verrons :
- Le rotor, composé des pales et du moyeu
- La transmission mécanique: l’arbre principal et la boite de vitesse
- Le système de génération électrique, composé d’un générateur et d’un système de conversion électrique
- De la structure : la tour et ses fondations
- De la nacelle
- Et d’autres dispositifs importants, comme l’anémomètre, la girouette et le système de freins
I. Rotor d’éolienne
Le rotor d’une éolienne est un élément essentiel qui capte l’énergie cinétique du vent et la transforme en énergie mécanique. Il est composé de deux parties principales : les pales et le moyeu.
Pales
Les pales sont des structures aérodynamiques qui agissent comme des ailes d’avion, capturant l’énergie du vent et la transformant en mouvement de rotation. La forme et la taille des pales sont optimisées pour maximiser la capture de l’énergie du vent. Les principaux aspects des pales sont :
- Profil aérodynamique : Les pales sont conçues avec un profil aérodynamique qui génère une différence de pression entre la face avant (extrados) et la face arrière (intrados) de la pale. Cette différence de pression crée une force de portance, qui provoque la rotation du rotor.
- Longueur des pales : La longueur des pales a un impact significatif sur la puissance générée par une éolienne. En effet, la puissance captée par le rotor est proportionnelle à la surface balayée par les pales, qui est elle-même proportionnelle au carré de la longueur des pales. Ainsi, des pales plus longues peuvent capter plus d’énergie, augmentant la puissance générée. Cependant, des pales plus longues augmentent également les contraintes mécaniques et les coûts de fabrication, ce qui nécessite un compromis optimal entre la performance et la faisabilité. Leur longueur est de l’ordre de 1 à 5 mètres pour les éoliennes domestiques (0,5 à 10 kW), de 5 à 20 mètres pour les éoliennes de taille moyenne (10 à 250 kW) et de 20 à 80 mètres ou plus pour les grandes éoliennes (250 kW à 15 MW).
- Angle d’incidence : L’angle d’incidence, ou angle d’attaque, des pales est ajustable pour optimiser la capture de l’énergie du vent. En modifiant l’angle d’incidence, on peut maximiser la portance et minimiser la traînée, augmentant ainsi l’efficacité du rotor. Sur certaines éoliennes, l’angle d’incidence peut être ajusté automatiquement en fonction de la vitesse du vent, ce qui est appelé le calage variable des pales.
Le rôle de la longueur des pales dans le calcul de la puissance est lié à la surface balayée par les pales. La puissance captée par le rotor dépend de la quantité d’énergie cinétique du vent interceptée par les pales, et cette quantité est proportionnelle à la surface balayée. La surface balayée par les pales (A) est donnée par la formule suivante : A = πR² où R est le rayon du cercle formé par la rotation des pales.
La puissance du vent (P_wind) est donnée par la formule suivante : P_wind = 0,5 * ρ * A * V³ où ρ est la densité de l’air (environ 1,225 kg/m³ à 15°C et au niveau de la mer) et V est la vitesse du vent. La puissance électrique générée par l’éolienne (P_elec) est égale à la puissance du vent multipliée par le coefficient de puissance (Cp) de l’éolienne : P_elec = Cp * P_wind . Le coefficient de puissance (Cp) est le rendement de l’éolienne pour convertir l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique. Il dépend de la conception de l’éolienne et varie entre 0 et le limite de Betz (environ 0,59).
Ce que nous venons de dire concerne surtout les éoliennes à axes horizontal. Ces calculs sont plus complexes dans le cas des éoliennes à axe vertical et ne concernent pas les éoliennes sans pale ou certaines éoliennes volantes.
Moyeu
Le moyeu est la partie centrale du rotor qui relie les pales à l’arbre principal. Il est responsable de la transmission de l’énergie mécanique captée par les pales à l’ensemble de la turbine. Le moyeu est généralement fabriqué en acier ou en matériaux composites pour résister aux forces et aux contraintes mécaniques imposées par le mouvement des pales.
La conception du moyeu doit être optimisée pour assurer une transmission d’énergie efficace et minimiser les pertes mécaniques. Les ingénieurs doivent également tenir compte des facteurs tels que le poids, la résistance aux charges et la maintenance lors de la conception du moyeu.
II. Transmission mécanique d’éolienne
La transmission mécanique d’une éolienne, composée de l’arbre principal et de la boîte de vitesses, est responsable de la transmission de l’énergie mécanique du rotor vers le générateur. L’arbre principal supporte les forces de rotation générées par les pales, tandis que la boîte de vitesses adapte la vitesse de rotation à la plage optimale pour le générateur.
Arbre principal
L’arbre principal est un élément mécanique solide qui relie le moyeu du rotor à la boîte de vitesses. Son rôle est de transmettre la force de rotation (ou le couple) générée par le mouvement des pales à la boîte de vitesses. L’arbre principal doit être conçu pour résister aux forces et aux contraintes mécaniques imposées par la rotation des pales et les variations de charge.
- a) Matériaux : L’arbre principal est généralement fabriqué en acier allié de haute résistance pour supporter les contraintes mécaniques et les charges dynamiques.
- b) Conception : La conception de l’arbre principal doit prendre en compte les forces de torsion, les forces de flexion et les forces axiales, ainsi que les contraintes de fatigue causées par les variations de charge et les cycles de fonctionnement.
- c) Lubrification et refroidissement : Pour réduire l’usure et la friction, l’arbre principal est généralement équipé d’un système de lubrification. Un système de refroidissement peut également être nécessaire pour éviter une surchauffe et garantir un fonctionnement optimal.
Boîte de vitesses
La boîte de vitesses est un composant essentiel qui augmente la vitesse de rotation de l’arbre principal avant de la transmettre au générateur. La plupart des générateurs fonctionnent à des vitesses de rotation beaucoup plus élevées que celles des rotors d’éoliennes, il est donc nécessaire d’utiliser une boîte de vitesses pour adapter la vitesse de rotation à la plage de fonctionnement optimale du générateur. Certaines éoliennes, appelées éoliennes à entraînement direct, n’utilisent pas de boîte de vitesses et relient directement l’arbre principal au générateur.
- a) Rapport de transmission : La boîte de vitesses est conçue pour fournir un rapport de transmission spécifique, qui est le rapport entre la vitesse de rotation de l’arbre d’entrée (lié à l’arbre principal) et la vitesse de rotation de l’arbre de sortie (lié au générateur). Ce rapport dépend des caractéristiques du rotor et du générateur et est optimisé pour garantir un fonctionnement efficace de l’éolienne.
- b) Types de boîtes de vitesses : Il existe différents types de boîtes de vitesses utilisées dans les éoliennes, telles que les boîtes de vitesses à engrenages parallèles, à engrenages planétaires et à engrenages hélicoïdaux. Chaque type a ses avantages et inconvénients en termes d’efficacité, de fiabilité et de coûts de fabrication.
- c) Lubrification et refroidissement : Comme pour l’arbre principal, la boîte de vitesses nécessite un système de lubrification pour réduire l’usure et la friction entre les engrenages. Un système de refroidissement
- peut également être nécessaire pour éviter une surchauffe et garantir un fonctionnement optimal de la boîte de vitesses.
- d) Maintenance et surveillance : Les boîtes de vitesses sont soumises à des contraintes mécaniques élevées et peuvent être sujettes à des défaillances. Par conséquent, la maintenance et la surveillance de l’état des boîtes de vitesses sont essentielles pour assurer un fonctionnement fiable et durable des éoliennes. Les techniques de surveillance de l’état incluent la mesure des vibrations, l’analyse des huiles de lubrification et l’inspection visuelle.
III. Génération électrique d’éolienne
Le système de génération électrique d’une éolienne est responsable de convertir l’énergie mécanique captée par le rotor en électricité qui peut être injectée dans le réseau électrique. Ce système est composé du générateur, qui produit l’électricité, et du système de conversion électrique, qui la rend adéquate au transfert dans le réseau.
Générateur
Le générateur est le composant clé qui convertit l’énergie mécanique en énergie électrique. Il existe plusieurs types de générateurs utilisés dans les éoliennes, tels que les générateurs à induction et les générateurs synchrones. Les aspects scientifiques du générateur comprennent :
- a) Principe de fonctionnement : Les générateurs fonctionnent selon le principe de l’induction électromagnétique, où un courant est induit dans les bobines de cuivre en présence d’un champ magnétique variable créé par la rotation des aimants permanents ou des électroaimants.
- b) Types de générateurs : Les générateurs à induction et les générateurs synchrones sont les deux principaux types utilisés dans les éoliennes. Les générateurs à induction sont plus simples et moins coûteux, tandis que les générateurs synchrones offrent un meilleur contrôle de la tension et de la fréquence.
- c) Refroidissement et isolation : Les générateurs produisent de la chaleur en raison des pertes électriques et mécaniques. Un système de refroidissement, comme l’air ou l’eau, est nécessaire pour maintenir la température du générateur dans une plage acceptable. Les matériaux isolants sont également utilisés pour éviter les courts-circuits entre les bobines et les parties métalliques du générateur.
Système de conversion électrique
Le système de conversion électrique est responsable de la transformation de l’énergie électrique générée par le générateur en une forme compatible avec le réseau électrique. Ce système comprend l’onduleur, les transformateurs et les dispositifs de protection:
- L’onduleur est un dispositif électronique qui convertit le courant électrique continu (DC) généré par le générateur en courant alternatif (AC) compatible avec le réseau électrique. Les onduleurs utilisent des techniques de modulation de largeur d’impulsion pour générer un courant alternatif de tension et de fréquence appropriées.
- Les transformateurs sont utilisés pour augmenter ou diminuer la tension du courant alternatif généré par l’éolienne afin de l’adapter aux exigences du réseau électrique. Ils fonctionnent sur le principe de l’induction électromagnétique et sont constitués de bobines de cuivre enroulées autour d’un noyau magnétique.
- Les dispositifs de protection, tels que les disjoncteurs et les fusibles, sont utilisés pour protéger l’éolienne et le réseau électrique en cas de surtension, de surintensité ou de court-circuit. Ils détectent les anomalies électriques et déconnectent automatiquement l’éolienne du réseau pour éviter les dommages.
IV. Tour et fondations d’éolienne
La tour et les fondations d’une éolienne sont des éléments essentiels qui assurent la stabilité et la durabilité de l’installation. Ils sont conçus pour soutenir la structure et résister aux forces et aux charges imposées par les conditions météorologiques et les vibrations générées par le fonctionnement de l’éolienne.
Tour
La tour est la structure verticale sur laquelle est montée la nacelle contenant le générateur, le rotor et d’autres composants de l’éolienne. Les aspects scientifiques de la conception des tours d’éoliennes incluent :
- a) Matériaux et conception : Les tours d’éoliennes sont généralement fabriquées en acier tubulaire, en béton précontraint ou en treillis métallique. Le choix du matériau dépend de facteurs tels que la taille de l’éolienne, les conditions du site et les contraintes économiques. Les tours sont conçues pour résister aux forces de flexion et de torsion engendrées par le vent et les vibrations mécaniques.
- b) Hauteur et diamètre : La hauteur de la tour influence directement la quantité d’énergie captée par l’éolienne, car la vitesse du vent augmente généralement avec la hauteur. Cependant, des tours plus hautes entraînent également des coûts de fabrication et d’installation plus élevés. Le diamètre de la tour doit être adapté à la charge qu’elle doit supporter, en tenant compte des contraintes structurelles et des conditions climatiques locales.
Voici un comparatif des différents matériaux de construction:
- Les tours en acier tubulaire sont couramment utilisées dans l’industrie éolienne. Elles sont constituées de sections tubulaires d’acier soudées entre elles. Elles offrent une bonne résistance aux charges, sont faciles à installer et nécessitent peu d’entretien. Leur inconvénient principal est leur poids, qui augmente les coûts de transport et d’installation.
- Les tours à treillis sont constituées d’une structure métallique en forme de grille. Elles sont généralement plus légères que les tours en acier tubulaire et peuvent être démontées et réassemblées, ce qui facilite leur transport et leur installation. Cependant, elles nécessitent plus d’entretien en raison de leur conception ouverte et sont moins esthétiques que les tours en acier tubulaire.
- Les tours en béton sont une alternative aux tours en acier. Elles sont fabriquées en segments de béton préfabriqués ou coulées sur place. Les tours en béton sont robustes, durables et résistantes à la corrosion. Cependant, elles sont plus lourdes et leur installation est plus complexe que celles des tours en acier.
Notez que la tour ne concerne pas les éoliennes volantes qui, par définition, n’en ont pas.
Fondations d’éolienne
Les fondations sont la base sur laquelle repose l’éolienne et constituent un élément crucial pour assurer sa stabilité et sa durabilité. Les aspects scientifiques des fondations d’éoliennes comprennent :
- a) Types de fondations : Il existe différents types de fondations pour les éoliennes, tels que les fondations en béton massif, les fondations en pieux ou les fondations en caissons. Le choix du type de fondation dépend des caractéristiques du sol, de la taille de l’éolienne et des contraintes économiques.
- b) Conception et dimensionnement : Les fondations d’éoliennes sont conçues pour résister aux forces et aux moments générés par le vent, les vibrations mécaniques et le poids de la structure. Les ingénieurs doivent prendre en compte la capacité portante du sol, les conditions hydrologiques, les forces sismiques et les charges dynamiques lors de la conception et du dimensionnement des fondations.
Voici un comparatif des différents matériaux de construction:
- Les fondations en béton sont les plus courantes pour les éoliennes. Elles sont composées de blocs de béton armé enterrés dans le sol, sur lesquels repose la tour de l’éolienne. Elles offrent une excellente résistance aux charges et une bonne durabilité. Leur inconvénient principal est leur poids, qui peut nécessiter un renforcement du sol avant l’installation.
- Les fondations en acier sont une alternative aux fondations en béton. Elles sont constituées de plaques d’acier fixées sur des pieux enfoncés dans le sol. Elles sont plus légères que les fondations en béton, mais peuvent être moins résistantes aux charges et nécessiter davantage d’entretien en raison de la corrosion.
- Les fondations sur pieux sont utilisées lorsque le sol est trop mou ou instable pour supporter les fondations en béton ou en acier. Elles sont composées de pieux enfoncés profondément dans le sol, sur lesquels repose la tour de l’éolienne. Les pieux peuvent être en acier, en béton ou en bois. Les fondations sur pieux offrent une bonne résistance aux charges, mais leur installation est plus complexe et coûteuse que celle des fondations en béton ou en acier.
Ce point est particulier pour les éoliennes marines flottantes, qui sont en général attachées aux fonds marins par des câbles.
V. Nacelle d’éolienne
La nacelle d’éolienne est un élément crucial qui abrite les principaux composants de l’éolienne, tels que le générateur, la boîte de vitesses et le système de contrôle. Les aspects scientifiques de la nacelle et de ses composants, notamment le système de contrôle, de refroidissement et de lubrification, sont essentiels pour assurer le fonctionnement sûr et efficace de l’éolienne.
Système de contrôle
Le système de contrôle gère et surveille la performance de l’éolienne. Il contrôle la vitesse de rotation, l’orientation par rapport au vent et d’autres paramètres pour optimiser la production d’énergie et protéger l’éolienne en cas de conditions météorologiques extrêmes.
Le système de contrôle est responsable de la surveillance et de la gestion du fonctionnement de l’éolienne. Il comprend des capteurs, des actionneurs et un logiciel de contrôle qui régule la production d’énergie en fonction des conditions environnementales et des exigences du réseau électrique. Les aspects scientifiques du système de contrôle incluent :
- a) Capteurs : Les capteurs mesurent divers paramètres tels que la vitesse et la direction du vent, la température, les vibrations et la tension du réseau électrique. Ces données sont utilisées pour ajuster le fonctionnement de l’éolienne en temps réel.
- b) Actionneurs : Les actionneurs sont des dispositifs qui permettent de contrôler les éléments mécaniques de l’éolienne, tels que l’orientation de la nacelle (suivi du vent) et l’angle d’attaque des pales (régulation de la puissance).
Système de refroidissement
Le système de refroidissement est essentiel pour maintenir une température optimale des composants internes de l’éolienne, tels que le générateur, la boîte de vitesses et les systèmes électroniques. Les aspects scientifiques du système de refroidissement comprennent :
a) Types de refroidissement : Les éoliennes peuvent utiliser des systèmes de refroidissement à air, à liquide ou à une combinaison des deux. Le choix du type de refroidissement dépend de la taille de l’éolienne, de la conception des composants et des conditions climatiques.
b) Échangeurs de chaleur : Les échangeurs de chaleur sont des dispositifs qui transfèrent la chaleur des composants internes vers l’extérieur de la nacelle, permettant ainsi de réguler la température des composants.
Système de lubrification
Le système de lubrification assure la réduction de la friction et l’usure des pièces en mouvement, telles que les engrenages de la boîte de vitesses et les roulements. Les aspects scientifiques du système de lubrification incluent :
a) Types de lubrifiants : Les lubrifiants peuvent être des huiles minérales, synthétiques ou des graisses. Le choix du type de lubrifiant dépend de la conception de l’éolienne, des conditions environnementales et des contraintes de maintenance.
b) Système de distribution : Le système de distribution de lubrifiant assure l’acheminement du lubrifiant vers les pièces en mouvement et le retour du lubrifiant usagé vers un réservoir pour être filtré et recyclé.
VI. Autres dispositifs
L’anémomètre mesure la vitesse du vent, et la girouette mesure la direction du vent. Ces informations sont utilisées par le système de contrôle pour orienter l’éolienne dans la direction optimale et réguler la vitesse de rotation.
Anémomètre
L’anémomètre est un instrument qui mesure la vitesse du vent. Il est généralement situé au sommet de la tour d’éolienne, près de la nacelle. Les données recueillies par l’anémomètre sont essentielles pour contrôler et optimiser le fonctionnement de l’éolienne. Les aspects scientifiques de l’anémomètre incluent :
a) Types d’anémomètres : Il existe plusieurs types d’anémomètres, tels que les anémomètres à coupelles, les anémomètres à ultrasons et les anémomètres à fil chaud. Chaque type a ses avantages et ses inconvénients en termes de précision, de fiabilité et de coût.
b) Mesure de la vitesse du vent : L’anémomètre mesure la vitesse du vent à une hauteur spécifique, généralement à proximité de la hauteur du moyeu de l’éolienne. Ces données sont utilisées pour déterminer si les conditions sont favorables pour la production d’énergie et pour réguler l’orientation des pales.
Girouette
La girouette est un dispositif qui mesure la direction du vent. Elle est également située au sommet de la tour d’éolienne. Les données recueillies par la girouette sont utilisées par le système de contrôle pour orienter la nacelle et les pales de l’éolienne face au vent. Les aspects scientifiques de la girouette comprennent :
a) Types de girouettes : Les girouettes peuvent être mécaniques ou électroniques. Les girouettes mécaniques utilisent des ailettes ou des flèches qui s’alignent avec la direction du vent, tandis que les girouettes électroniques utilisent des capteurs, tels que des magnétomètres, pour mesurer la direction du vent.
b) Mesure de la direction du vent : La girouette mesure la direction du vent à une hauteur spécifique, généralement à proximité de la hauteur du moyeu de l’éolienne. Ces données sont utilisées pour optimiser l’orientation de l’éolienne par rapport au vent.
Freins d’éolienne
Le système de freins d’une éolienne a pour fonction de ralentir ou d’arrêter la rotation du rotor lors de situations spécifiques, telles que des vitesses de vent trop élevées, des opérations de maintenance ou des pannes de composants. En voici les principaux aspects:
- Types de freins : Les éoliennes peuvent utiliser des freins mécaniques, hydrauliques, électriques ou aérodynamiques. Les freins mécaniques et hydrauliques sont généralement situés sur l’arbre principal de l’éolienne et sont actionnés par des actionneurs. Les freins électriques utilisent des systèmes de générateur pour créer un couple résistif. Les freins aérodynamiques sont intégrés dans la conception des pales et sont activés en modifiant l’angle d’attaque des pales.
- Fonctionnement des freins : Le système de contrôle active les freins en fonction des conditions de vent, des exigences de maintenance ou des pannes de composants. Un système de freinage efficace est crucial pour la sécurité et la durabilité de l’éolienne.
- Conception et maintenance : Les ingénieurs doivent concevoir des systèmes de freinage fiables et efficaces, capables de résister aux contraintes importantes auxquelles ils sont soumis. Les matériaux de friction, les dimensions des freins et la force de serrage sont quelques-uns des éléments à considérer lors de la conception. La maintenance régulière est également essentielle pour assurer le bon fonctionnement et la durée de vie des systèmes de freinage.