TPE Eolienne
I) Généralités sur les éoliennes
A) L'évolution des éoliennes au cours du temps
L'énergie éolienne a
beaucoup évolué depuis ses débuts,
comme le montrent les événements qui ont
marqué son histoire.
Dès le début du Ve siècle avant Jésus Christ, on trouve les premiers aéromoteurs en Asie : ce sont des machines à axe vertical, comme les panémones de certaines îles grecques. A la même époque, les égyptiens utilisent des moulins à axe horizontal. Ces aéromoteurs avaient des axes différents mais produisaient tous deux de l'énergie mécanique afin de pomper l'eau ou de moudre les céréales.
Panémone de type éolienne à axe vertical
A partir du VIIème
siècle les ancêtres des moulins à vent
font leur apparition en Europe. Ces premiers moulins sont
composés de quatre pales qui tournent autour d'un axe
horizontal.
C'est en 1802 que l'on a songé
pour la première fois à transformer de
l'énergie éolienne en énergie
électrique. Mais ce n'est qu'en 1850 que les premiers
aérogénérateurs voient le jour.
En 1888, Charles F. Brush, un scientifique américain de Cleveland en Ohio, construit la première turbine éolienne capable de produire de l'électricité. Avec un diamètre de rotor de 17 mètres et composée de 144 pales en cèdre, elle était énorme mais la puissance de sa génératrice était seulement de 12 kW.
Aéromoteur construit par Charles F. Brush
A la fin du XIXème, les
travaux du danois Paul La Cour permettent la commercialisation pendant
la première guerre mondiale
d'aérogénérateurs de petite taille
destinés à l'électrification rurale.
C'est au début du
20ème siècle qu'apparaissent les
premières éoliennes créant de grande
quantité d'électricité. Il y eut alors
trois grandes nouvelles innovations:
- en 1931, un prototype
soviétique d'une puissance de 100 kW avec un rotor de 30
mètres de diamètre.
- en 1957, l'éolienne de
Gedser, éolienne tripale, construite par Johannes Juul avec
une puissance de 200kW.
- en 1920, la conception du rotor Darrieus à axe vertical par G.J.M. Darrieus.
En 1973, à cause de la crise
pétrolière, les pays de l'Europe occidentale et
les Etats-Unis comprennent leur dépendance vis à
vis du pétrole et essayent de garantir une
sécurité d'approvisionnement
énergétique. Certains pays se lancent donc dans
l'énergie éolienne. Le Danemark qui ne voulait
pas du nucléaire couvre aujourd'hui environ 20% de la
consommation électrique du pays avec l'énergie
éolienne.
Depuis, le rythme de
développement des éoliennes ne cesse d'augmenter.
B) Les éléments d'une éolienne
L'éolienne est composée de trois grandes parties : la nacelle, le mat et les fondations.
1) La nacelle :
La nacelle comprend tous les éléments
mécaniques qui permettent de transformer
l'énergie mécanique produite par les pales en
énergie électrique. Les pales,
l'anémomètre et le rotor sont fixés
dessus. A l'intérieur se trouvent la boîte de
vitesse, la génératrice, les systèmes
de contrôles, le capteur de température (huile de
la boite de vitesse afin de distinguer une usure
prématurée), le capteur de vibration et le
capteur de vitesse (une éolienne commence à
tourner à partir de 20km/h, est à sa pleine
puissance à 60km/h, et les pales arrêtent de
tourner lorsque le vent dépasse 90km/h). La nacelle se situe
à environ 60 mètres au dessus du sol et les pales
mesurent (sur une éolienne de 100 mètres) environ
32 mètres.
1: Rotor
Il est constitué des pales et du nez. Des études
ont été faites dans des souffleries afin de
déterminer le nombre optimal de pales pour le fonctionnement
de l'éolienne. Il a été
démontré que moins les pales sont nombreuses,
plus l'éolienne met du temps pour démarrer et
inversement. De plus, lorsque l'éolienne a deux pales, les
vibrations sont très fortes et rendent ainsi
l'éolienne fragile. Lorsqu'elle en possède plus
de trois, les pales sont perturbées par l'air
déplacé par la pale
précédente. Le rendement s'en trouve ainsi
réduit. Ainsi le nombre optimal de pales pour le
fonctionnement d'une éolienne est de trois. Les pales sont
torsadées afin d'offrir plus de surface au vent et peuvent
aussi s'orienter. Cette partie qui est reliée au
multiplicateur par l'arbre principal est toujours orientée
de façon à être face au vent
grâce à la girouette et à
l'anémomètre.
2: Système de verrouillage du rotor
C'est là que se situent les freins qui s'activent si la vitesse du vent est supérieure à 90km/h et qui empêchent ainsi le rotor de tourner.
3: L'arbre principal
Il est entraîné par les pales et tourne
à vitesse assez basse avec beaucoup de force.
4: Le multiplicateur
L'arbre principal tourne lentement
transmettant une très grande force de rotation au
multiplicateur. Celui-ci transforme ensuite cette force : au lieu d'une
rotation lente avec une grande force, on obtient une rotation rapide
avec une petite force.
5: Arbre rapide
Il relie la
génératrice et le multiplicateur. Sa rotation est
donc rapide (environ 1500 tr/min) mais la force est plus faible.
6: La génératrice
La génératrice
transforme l'énergie mécanique en
énergie électrique. Elle est soit directement sur
l'axe de l'aéromoteur, soit entraînée
par un multiplicateur. La fréquence de rotation est
égale au diamètre de l'hélice. Elle
diminue quand le diamètre augmente donc on doit parfois
augmenter la fréquence. Il existe 2 types de
générateur :
-> la dynamo qui fournit un courant continu directement
utilisable
-> l'alternateur qui fournit un courant d'une
fréquence variable en fonction de la vitesse de rotation.
L'alternateur crée un courant en faisant tourner des bobines
ou des aimants, placés sur le rotor et qui créent
ainsi un champ magnétique. Il nécessite donc un
convertisseur et est utilisé plus
particulièrement par les éoliennes domestiques.
7: La girouette et l'anémomètre
Ces deux instruments permettent de
connaître respectivement l'orientation du vent et sa vitesse.
Ils sont placés derrière les pales. Ils prennent
les mesures entre deux passages de pales et établissent une
moyenne.
8: Le pivot d'orientation
Le pivot d'orientation permet à
la machine de présenter l'hélice face au vent
quelque soit sa direction. Il ne fait pivoter que la nacelle.
2) Le mat :
Le mat est constitué de trois parties, qui sont reliées par des boulons qui ne sont pas serrés au maximum pour permettre une certaine extension. Les boulons s'étirent, il faut donc les resserrer régulièrement. Le courant est produit en 690V continus en haut de l'éolienne. Il est apporté en bas de l'éolienne par des câbles qui passent dans le mat puis est transformé en 20 000V alternatif par un puissant transformateur. De plus, il doit être assez robuste pour résister à une éventuelle surcharge due au givre ou à un vent trop fort.
La première partie contient un ordinateur qui permet de contrôler le fonctionnement de l'éolienne. C'est cet ordinateur qui, grâce aux informations mesurées par l'anémomètre et la girouette dit à l'éolienne de freiner ou d'arrêter ses pales si le vent va trop vite ou encore de bien orienter le rotor face au vent. Un compteur de tours y est attaché, qui permet, si l'éolienne continue de s'orienter dans le même sens pendant une longue période, de faire tourner l'éolienne dans l'autre sens afin d'empêcher les câbles de trop se torsader. Cette partie est le première à être posée.
3) Les fondations :
Les fondations sont en béton armé, ce sont des blocs d'environ 100 tonnes voir plus, enterrés à 5 à 6 mètres de profondeur. Au dessus de ces fondations, une autre dalle est coulée afin de fixer la première partie du mat.
Au cours du temps, l’éolien a constamment évolué et son mécanisme de fonctionnement ne cesse d’être amélioré et modernisé.
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