aérogénérateur

Eolienne Enercon E70/2300 de 2300 kW à la Répara

Très souvent le mot éolienne est employé pour designer un aérogénérateur.

Une éolienne est un dispositif de captage de la force motrice du vent. Cette force peut être utilisée mécaniquement (dans le cas d'une éolienne de pompage), ou pour produire de l'électricité (dans le cas d'un aérogénérateur). On parle de parc éolien ou de ferme éolienne pour décrire les unités de productions groupées, dites « offshore » si elles son en mer.

Les régions du monde où les champs éoliens sont les plus nombreux sont le Danemark, le nord de l'Allemagne et la Californie (USA), mais de nombreux parcs éoliens existent dans les îles des Shetlands (Écosse), dans la plaine du Pô (Italie) et en Galice (Espagne), où l'on peut en voir des centaines tout au long de la côte. En France elles sont surtout présentes en Bretagne dans l'Aude, la Meuse (France).

On désigne par FarWind les régions du globes exposées aux vents extrêmes et aux cyclones (par exemple la Guadeloupe)

On regroupe les aérogénérateur en 6 familles :

• une machine synchrone (sans boîte de vitesses)
• une unique machine asynchrone (avec boîte de vitesses)
• deux machines asynchrones
• une ou deux machines asynchrones avec cascade hypersynchrone (convertisseur statique au rotor couplé au réseau)
• une ou deux machines asynchrones avec dispositif de contrôle de la résistance rotorique (convertisseur statique au rotor couplé au réseau)
• une machine synchrone, asynchrone ou à aimant permanent avec convertisseur statique assurant le transit total de puissance (interface électronique intégrale)

La machine asynchrone avec cascade hypersynchrone est appelé MADA et utilisé pour les éoliennes de forte puissance. A ces machines peuvent être ajouté un limiteur de courant au couplage ou/et des condensateurs.

On trouve à partir du V^ième siècle les premiers aéromoteurs en Asie, ce sont des machine à axe vertical. A peu près à la même époque, les Égyptiens utilisent des moulins à axe horizontal. Tout en différant du point de vue technologique, ces moulins avaient le même principe : transformer de l'énergie éolienne en énergie mécanique. En Europe ce n'est qu'au VII^ième siècle que l'on voit apparaître des moulins. C'est en 1802 que l'on a songé pour la première fois à transformer de l'énergie éolienne en énergie électrique. Lord Kelvin en effet essaya d'associer une génératrice d'électricité à un moteur éolien, amis il faudra attendre 1850 et l'apparition de la dynamo pour que voie le jour ce que l'on appellera les aérogénérateurs.

Cette nouvelle application de l'énergie éolienne connut un certain succès, et l'on comptait en 1920 jusqu'à 300 constructeurs d'aérogénérateurs. Les recherches aérodynamiques importantes pour l'aéronautique permirent aux moteurs éoliens de faire des progrès sensibles et les études se poursuivirent jusqu'en 1961.

A cette époque, le faible cout du pétrole avait mis le kilowatt fourni par l'énergie thermique à un niveau de compétitivité inaccessible à l'énergie éolienne. Toutes les machines furent démontées.

Au cours de ces vingt dernière années se dessine une nette tendance au développement de fermes éoliennes ou parcs éoliens raccordés au réseau de distribution avec des machines de 300kW à 3 MW.

• voir aussi l'histoire de l’énergie éolienne

• Quand le vent se lève (environ 5 km/h), un anémomètre et une girouette placés sur la nacelle commandent aux moteurs d’orientation de placer l’éolienne face au vent.
• Un mât ou pylône support permet de placer le rotor à une hauteur suffisante pour permettre son mouvement (nécessaire pour les éoliennes à axe horizontal) et/ou placer ce rotor à une hauteur lui permettant d'être entrainé par un vent plus fort et régulier qu'au niveau du sol. Le mât abrite généralement une partie des composants électriques et électroniques (modulateur, commande, multiplicateur, générateur, etc.).
• Les pales (en général au nombre de trois) sont mises en mouvement par la seule force du vent. Elles entraînent avec elles l’arbre principal, le multiplicateur et la génératrice
• Un rotor, composé de plusieurs pales (en général trois) et du nez de l'éolienne. Le rotor est entrainé par l'énergie du vent, il peut être couplé directement ou indirectement à une pompe (cas des éoliennes de pompage) ou plus généralement à un générateur électrique. Le rotor est relié à la nacelle par le moyeu.
• Une nacelle montée au sommet du mât, abritant les composants mécaniques, pneumatiques, certains composants électriques et électroniques, nécessaires au fonctionnement de la machine.
• Dans le cas des éoliennes produisant de l'électricité, un poste de livraison situé à proximité du parc éolien permet de relier ce parc au réseau électrique pour y injecter l'intégralité de l'énergie produite par un mat électromagnétique.

Les aérogénérateur sont caractérisées par leur puissance électrique. Ainsi une éolienne de 2 MW signifie qu'elle est capable de fournir une puissance électrique maximale de 2 millions de Watt.

Les conditions optimales permettant d'atteindre cette puissance maximale correspondent notamment à une vitesse de vent de l'ordre de 25 m/s, soit environ 90 km/h : en dessous de cette vitesse, l'éolienne produit moins d'énergie, au dessus, l'éolienne est mise à l'arrêt. La production réelle d'énergie électrique est fonction de la distribution statistique de la vitesse du vent du site.

• Le facteur de capacité est le rapport entre la puissance électrique moyenne (calculée sur un an) produite par l'éolienne et sa puissance électrique maximale. En théorie, ce facteur de capacité peut varier de 0% à 100%. En pratique, ce facteur est compris entre 20% et 70% selon les sites, et le plus souvent entre 25% et 30%.
• Ainsi, une éolienne de 2 MW produira le plus souvent une puissance moyenne de 600 kW voire dans les cas les plus favorables 1400 kW. Cette puissance est donc la puissance électrique maximale que peut fournir l'éolienne sur le réseau.

Par comparaison, une centrale électrique de capacité moyenne (1300 MW électrique pour une tranche nucléaire, une centrale à charbon étant du même ordre) peut produire environ 200 fois plus d'énergie électrique qu'un groupe de 10 éoliennes de 2 MW installées sur un bon site.

La production d'électricité éolienne.

La puissance d’une tg a été multipliée par 10 entre 1997 et 2007. Dans les années 80, une éolienne permettait d’alimenter environ 10 personnes en électricité. Aujourd’hui, une seule éolienne de 2 MW fournit de l’électricité pour 2 000 personnes, chauffage compris. La puissance moyenne d’une éolienne était de 0,5 MW en 2000, de 1,7 MW en 2007, de 2 MW en 2009, et elle atteindra 2,5 MW en 2010. DTC

Les éoliennes sont couramment utilisées pour le pompage, l’énergie mécanique du vent est directement utilisée sans conversion en électricité. Ces éoliennes sont généralement dotées d'un rotor multi-pales de type “américain” ainsi que d'un gouvernail afin d'orienter le rotor face au vent. La principale application reste le puisage d'eau pour abreuver le bétail ou pour l'irrigation des terres. De nombreux moulins à vent étaient autrefois utilisés aux Pays-Bas pour actionner des vis d'Archimède pour évacuer l'eau des polders.

Moulin à vent remontant l'eau des Polders aux Pays-Bas

Éolienne de pompage pour puiser de l'eau.

Une éolienne peut être utilisée à des fins de production d'eau, la génératrice électrique est remplacée par un condenseur permettant la condensation de l'eau contenue dans l'air.

Une éolienne peut être utilisée pour produire de l'air comprimé, en étant directement reliée à un compresseur d’air.

Schéma d'une éolienne de type aérogénérateur

• Un aéromoteur ou rotor composé d'une ou plusieurs pales (généralement 3) pourvu d'un système de régulation et de protection conférant à l'hélice une fréquence (vitesse de rotation) stable à partir d'une certaine vitesse de vent, et éventuellement d'un système de sécurité destiné à arrêter la machine en cas de vent trop fort si le système de régulation est inopérant au-delà d'une certaine vitesse de vent.
• Un générateur électrique permettant de transformer l’énergie mécanique en énergie électrique qui peut être :
  • directement couplé a l'aéromoteur : dans le cas le plus simple, l'hélice est montée directement sur l'axe du générateur électrique (génératrice synchrone)
  • entrainé par un multiplicateur placé entre l'aéromoteur et le générateur électrique (génératrice asynchrone)
• Un système d'orientation permet à la machine de présenter l'hélice au vent quelle que soit sa direction. L'énergie électrique produite est transmise de la partie orientable à la partie fixe de l'aérogénérateur, solidaire du pylône support, par l'intermédiaire d'un dispositif à collecteur associe au pivot ou d'un câble souple qu'il faut détorsader périodiquement
• La nacelle : composée d'un carter ou bâti qui enveloppe, protège et relie entre elles l'ensemble des pièces
• Le mat qui supporte la nacelle et le rotor, il abrite une échelle permettant l’accès à la nacelle pour l'entretien.
• Un gouvernail (pour les petites machines), dans le cas ou l'hélice de la machine fonctionne “au vent” ou des moteurs associés à une girouette et destinés à maintenir la machine face au vent
• Un moyeu qui supporte les pales. Lorsqu'elles sont à pas variable, il comporte un mécanisme permettant de faire varier l'angle d'attaque simultanément. On peut également devoir ajuster l'angle des pales fixes, aussi on prévoit toujours une façon de corriger l'installation des pales
• Un groupe hydraulique qui permet l'orientation des pales et de la nacelle ainsi que le pilotage des freins aérodynamiques.
• Un arbre, dit arbre lent entre le rotor et la boîte de vitesse et arbre rapide entre le multiplicateur et la génératrice. C'est une pièce imposante car elle subit des efforts élevés. Pour les éoliennes sans boite de vitesse (synchrones), il n'y a qu'un arbre unique
• Un frein à disque placé sur l'arbre rapide permet l'immobilisation du rotor lors de la maintenance et palier à une défaillance éventuelle du frein aérodynamique
• L'armoire de couplage au réseau électrique qui transforme l’énergie produite (690 V) pour l'injecter dans le réseau de distribution (haute tension)
• Une girouette et un anémomètre situés sur la nacelle fournissent les informations nécessaires pour orienter correctement l'éolienne de façon automatique

• hauteur totale : entre 120 et 150 mètres
• puissance : entre 2 et 3 MW
• hauteur du mat : entre 80 et 120 mètres de haut
• diamètre du rotor : entre 80 et 100 mètres
• poids du rotor (moyeu et pales) : 50 tonnes
• poids de la nacelle : 90 tonnes
• poids du mat : 180 tonnes
• poids de la fondation : 800 tonnes
• diamètre de la fondation : 20 mètres
• volume de béton armé pour les fondations : 300 m³ (ratio d’armature de 130kg/m³ soit une cage de 40 tonnes environ)
• estimation de la production électrique

• historie de l’énergie éolienne
• étude théorique d'une éolienne
• conception d'une éolienne
• impact des éoliennes sur l'environnement
• les éoliennes en milieu urbain