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

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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

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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.


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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.


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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.


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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.



Coulage du béton pour réaliser les fondations d'une éolienne

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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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