Système de régulation et de protection

C'est un élément essentiel de la survie d'une éolienne, afin d'éviter la destruction de l'aéromoteur lorsque le vent est trop violent. Il est nécessaire d'équiper l'éolienne d'un système permettant de diminuer les contraintes mécaniques sur la machine en cas de survitesse du rotor. Ces systèmes peuvent être plus ou moins fins, et plus ou moins automatiques.

La plupart des accidents survenus sur un aérogénérateur sont la cause d'un sous-freinage de ces machines. On cherche donc à installer sur une éolienne au moins deux systèmes de freinage afin de protéger le générateur électrique contre la surproduction et la surchauffe et d'éviter une casse mécanique importante de l'éolienne elle-même.

On appelle vitesse de régulation la vitesse du vent à laquelle le mécanisme de régulation est pleinement activé.

C'est le moyen le plus simple pour éviter la destruction d'une machine, lorsque le vent atteint une certaine vitesse un opérateur immobilise l'éolienne, cette immobilisation peut être effectuée de plusieurs manières :

• à l'aide d'un frein
• en changeant l'orientation de l'hélice : l'hélice est placée parallèlement au vent (mise en drapeau)
• en modifiant le calage des pales afin d'obtenir un couple moteur nul

Le basculement de l’éolienne entraîne une réduction de la surface effective balayée par le rotor. Pour réduire cette surface il faut augmenter l'angle formé par l'axe de rotation du rotor et la direction du vent dominant soit en faisant basculer l'hélice vers le haut soit en le faisant pivoter sur le côté. Lorsque le rotor est "effacé" vers le haut ou sur le côté, le rendement du rotor diminue considérablement et la puissance produite chute rapidement.

Ce dispositif est installé essentiellement sur les petites éoliennes, l'intervention de l'opérateur peut être remplacée et automatisée par action du vent sur une "palette" de commande parallèle et solidaire du plan de rotation de l'hélice. Lorsque la pression du vent sur la palette atteint un certain seuil, celle-ci entraîne la commande d'un frein ou de la mise en drapeau. Cette palette peut être associée à un ressort permettant de replacer l'hélice dans sa position normale lorsque la pression du vent sur la palette diminue. Le passage d'une position à l'autre peut être progressif et l'angle formé par le plan de l'hélice et le vent dépendra de la pression sur la palette (entre 0° : vitesse nominale et 90° : arrêt de la machine). La modification de cet angle modifie les efforts de l'air sur les pales.

Ce système peut être utilisé uniquement sur des aéromoteurs dont la vitesse de rotation n'a pas à être constante et présente l'inconvénient d'interrompre le fonctionnement de l'aérogénérateur au delà d'une vitesse de vent limite par exemple sur la majorité des éoliennes de pompage pour lesquelles le rendement et la vitesse de rotation ne sont pas importants.

À partir d'un certain niveau de vent, jugé excessif pour la sécurité mécanique de l'éolienne, le gouvernail se replie progressivement et automatiquement en travers de l'axe du vent. Non seulement il freine l'écoulement, ralentissant la vitesse, mais il détourne l'éolienne de la perpendiculaire au vent. Celle-ci devient alors de moins en moins efficace et sa vitesse ne peut augmenter même si le vent force. On parle généralement d'effacement latéral ou de "furling" dans ce cas précis, ceci est très utilisé pour les petites éoliennes car c'est un système très simple à mettre en œuvre.

Contrôle du calage des pales sur une maquette 1:50 d'éolienne offshore

Le pas variable, aussi appelé pitch control, est un système de régulation aérodynamique actif. Ce système consiste à faire varier l'angle de calage des pales sur le moyeu à l'aide de vérins hydrauliques autour d'un axe longitudinal pour profiter au maximum du vent instantané et limiter la puissance pour des vitesses de vent supérieures à la vitesse nominale. La variation de l'angle de calage entraîne une diminution ou une augmentation de la portance de la pale, donc du couple moteur. Un système de contrôle permet de déterminer la meilleure position des pales en fonction de la vitesse du vent (MPPT) et commande le système hydraulique afin d’exécuter le positionnement.

Ce système permet :

• d’arrêter l’éolienne ou en limiter la puissance afin de la protéger des vents violents en plaçant les pales en drapeau et réduisant ainsi la prise au vent
• de maximiser l'énergie absorbée par l'éolienne pour la faire démarrer : généralement les pales pivotent de quelques degrés à chaque variation de la vitesse du vent de manière à ce que les pales soient toujours positionnées avec un angle optimal par rapport à la direction du vent pour en extraire la puissance maximale.

C'est le système le plus efficace car il permet une régulation constante et presque parfaite de la rotation du générateur en bout de ligne, donc de la puissance, mais c'est un dispositif complexe, qui exige davantage d'entretien.

La désignation "pas fixe" est impropre car en réalité elle désigne une pale dont le calage est fixe mais le pas varie tout le long de l'envergure de la pale (tout comme le pas variable, la pale est vrillée), le système régulation à angle fixe est plus correct. Le pas fixe, aussi appelé stall control, est un système de régulation aérodynamique passif. Les pales de l'éolienne sont fixes par rapport au moyeu de l'éolienne. Ce système empêche les pales, qui sont conçues spécialement pour subir des décrochages, d'accélérer en utilisant l’effet Stall qui agit comme un frein par le décrochage aérodynamique au niveau de la pale du rotor. En effet grâce à sa forme, la pale ne peut plus accélérer même si le vent augmente. Ce type de régulation est utilisé pour la plupart des petites éoliennes car il ne nécessite pas de pièces mobiles ni de système de régulation dans le rotor, c'est un système simple, fiable et moins couteux mais il engendre des pertes d'efficacité au démarrage et dans les grandes vitesses de vent. Cette commande agit uniquement pour limiter la puissance à des vents forts, régulant la puissance à sa valeur nominale ou plus faible. Le fonctionnement à vents faibles reste sans aucune commande donc la puissance obtenue dépend des caractéristiques mécanique de la turbine et des caractéristiques électriques de la machine. L'utilisation d'une régulation à angles fixes implique un seul point de fonctionnement défini par la vitesse de rotation du rotor et par la vitesse du vent.

Les volets (aérofrein ou flaps) s’ouvrent automatiquement, si la vitesse du vent devient excessive ou si un problème est décelé, et ralentissent les pales ou diminuent leur portance en provoquant un décrochage aérodynamique.

Les spoilers sont encastrés dans le bord d'attaque des pales (freinage aérodynamique). Chaque spoiler est maintenu dans son logement par un ressort de rappel et une masse tarés individuellement en fonction de la position du spoiler sur le bord d'attaque de la pale. À partir d'une certaine vitesse linéaire, la force centrifuge provoque l'éjection de tous les spoliers au même moment modifiant ainsi le profil aérodynamique de la pale.

Un détecteur de vitesse déclenche, à un certain seuil prédéterminé, un mécanisme automatique d'arrêt complet de l'éolienne. Il ne s'agit plus d'un système de ralentissement, mais bien d'un stoppage complet. Lorsque le vent baisse d'intensité, le frein est relâché et l'éolienne est de nouveau libérée. Ces arrêts peuvent aussi être déclenchés lorsque l'automate détecte un problème de réseau.

Les éoliennes à pas fixe et régulation Stall comportent souvent, par sécurité, deux freins à disques. Un tel système permet de freiner l’éolienne en douceur sans trop de contraintes et fatigue de la tour et des éléments mécaniques.

Aussi appelé "active stall", ce système est utilisé pour les éoliennes de fortes puissances, il utilise les atouts de la régulation passive et de la régulation active afin de contrôler de manière plus précise la production d'électricité.

Ce sont les dispositifs qui permettent d’immobiliser le rotor afin d'effectuer des réparations, des travaux de maintenance, ou toute autres manœuvres sur la machine..

• éolienne