L'éolienne moderne

Définition:

Étymologiquement, le terme « éolienne » provient du grec « Αïολος » signifiant Éole, le dieu des vents dans la mythologie grecque. Ce terme signifie également « rapide », « vif » ou « inconstant ».

Pour ce qui est de l’objet, une éolienne est un système à ailes ou à pales tournantes permettant de capter l’énergie cinétique du vent et de s’en servir pour un usage tel que moudre du grain ou produire de l’électricité.

L’énergie éolienne est souvent dite renouvelable car 100% propre. En effet, elle fonctionne grâce aux vents qui sont des phénomènes naturels et « inépuisables ». Cependant, la production, la livraison et le montage d’une éolienne ont un impact plus ou moins négatif sur notre environnement. Néanmoins, le fait d’utiliser des éoliennes plutôt que des centrales thermiques fonctionnant au charbon ou à l’uranium permet de diminuer les rejets de dioxyde de carbone et la production de déchets radioactifs.

Les éoliennes qui produisent de l'électricité ou aérogénérateur:

La video ci-dessus dégage les élements essentiels d'un aérogénérateur.

Schéma d’une éolienne

Une éolienne possède une partie rotative appelée rotor, composée d’un moyeu sur lequel sont accrochées les pales (en général il y en a trois) construites en matériau composite alliant légèreté et solidité (fibre de verre, de carbone …). De par leur composition complexe, notons que ce sont les seules parties d’une grande éolienne qui ne peuvent être recyclées (elles sont incinérées ou broyées). Les pales, grâce à l’angle qu’elles ont par rapport au vent sont mises en mouvement, ceci étant dû à l’effet de portance généré. Une fois en mouvement, les pales entraînent alors l’arbre lent jusqu’au multiplicateur. Celui-ci a pour but de multiplier la vitesse de rotation grâce à des engrenages et de transmettre ce mouvement accéléré à l’arbre rapide. À son tour, l’arbre rapide transmet son mouvement au générateur afin de produire de l’électricité.

Schéma de l'intérieur d'une nacelle d'une éolienne

Tous ces éléments sont situés dans la nacelle, elle-même positionnée en haut du mât légèrement conique pouvant mesurer jusqu’à 130 mètres de haut. Cette hauteur permet aux pales de ne pas toucher le sol et de ne pas s’abimer mais aussi de capter des vents forts et réguliers car leur trajectoire n’est que peu modifiée par le relief environnant. La nacelle, grâce à des moteurs, est capable de s’orienter de manière automatique face au vent pour plus d’efficacité. Les pales peuvent aussi pivoter afin de capter un maximum de vent en cas de vent faible ou, au contraire, réduire leur prise à celui-ci afin de limiter les risques de casse liés à une vitesse de rotation trop élevée.

En bas du mât, on trouve une ouverture permettant aux techniciens un accès à la nacelle. On trouve aussi le transformateur qui permet d’augmenter la tension de l’électricité produite afin de la rendre compatible au réseau.

À l’autre extrémité, sur le toit de la nacelle, sont installés :

• Un paratonnerre (pour la protéger de la foudre)
• Un feu d’obstacle (afin de la signaler à distance au trafic aérien)
• Une girouette (pour guider la nacelle par rapport au sens du vent)
• Un anémomètre (pour mesurer la vitesse du vent)

Produire de l’énergie électrique à partir de l’énergie cinétique du vent

A) Calcul de l’énergie cinétique du vent captée par une éolienne

Les éoliennes captent l’énergie cinétique du vent et la transforment en énergie électrique. Cependant, le chercheur allemand Albert Betz (1885-1968) a démontré en 1926 que seuls 16/27èmes (environ 59%) de l’énergie cinétique du vent peuvent être captés par une éolienne. En effet, si l’ensemble de l’énergie cinétique du vent était capté, il n’y aurait plus de vent derrière les pales.

L’énergie cinétique d’un objet s’exprime ainsi : Ec = ½ mv²	- Ec, l’énergie cinétique en J - m, la masse de l’objet en kg - v, la vitesse de l’objet en m/s
Or ρ = m/V D'où m = ρV	- ρ, la masse volumique de l'air en kg/m3 - m, la masse de l'air en kg - V, le volume de l'air en m3
Ce qui entraine Ec = ½ ρVv² Or V = vS	- V, le volume de l’air déplacé en m3 - v, la vitesse instantanée du vent en m/s - S, la surface du cercle formé par les pales en m²
Donc Ec = ½ ρvSv² = ½ ρSv3

Or, la puissance d’une éolienne s’exprime en Watts et l’on sait qu’1 MJ = 278 W/h.Comme dit plus haut, seuls 16/27èmes de cette énergie est captée. Ceci modifie donc la formule :
Ec= ½ ρSv3 x 16/27 = 16/54 ρSv3 = 8/27 ρSv3

En étudiant les variables de la formule, on se rend compte que la puissance d’une éolienne est proportionnelle :

• À la masse volumique de l’air (ρ)
• À la surface du cercle formé par les pales (S)
• Au cube de la vitesse du vent arrivant sur l’éolienne (v3) (si le double de vitesse, la puissance sera multipliée par huit)

On remarque alors que la surface du cercle est le seul paramètre propre à l’éolienne (la masse volumique de l’air et sa vitesse sont des paramètres inconstants).

Le schéma suivant permet de connaître la puissance d’une éolienne en fonction du diamètre du cercle formé par ses pales :

On peut cependant noter que, plus les pales sont grandes, plus elles sont lourdes. En conséquence, il faut une plus grande énergie au vent pour les mettre en mouvement. C’est pour cela que des recherches sont actuellement faites afin de trouver de nouveaux matériaux et ainsi alléger les pales dont la masse unitaire peut dépasser 5 tonnes.

B) Mise en rotation des pales par le vent

Le vent, grâce à son énergie cinétique, fait tourner les pales de l’éolienne. Elles entrainent alors le rotor et ainsi de suite.

En observant le schéma ci-dessous, on observe que le déplacement de la pale est dû à l’effet de portance généré par le profil de celle-ci. En effet, la pale a une forme d’aile d’avion et est donc asymétrique. Son profil fait fluctuer la vitesse des filets d’air s’écoulant autour d’elle et crée ainsi un déséquilibre.

Cette force, la portance, peut être calculée grâce à la formule suivante : Fz=1/2ρSv2Cz avec Fz la portance en N, p la masse volumique de l'air en kg/m3, v la vitesse relative du vent en m/s et Cz le coefficient de portance sans unité.

Pour rappel, le coefficient de portance dépend du profil de l'aile et de son angle d'incidence (angle entre la corde de l'aile et la direction du vent relatif).

Cependant, une autre force est elle aussi créée : la trainée. Cette force a même direction et même sens que le vent et vaut Fx=1/2ρSv2Cx avec les mêmes variables que pour la portance à l'exception de Cx qui est le coefficient de trainée exprimé sans unité.

De ces deux forces résultent une troisième appelée résultante aérodynamique et égale à Fr=1/2ρSv2Cr avec Cr le coefficient aérodynamique. Cette force a comme direction la bissectrice de l'angle entre la portance et la trainée.

De plus, un quatrième paramètre entre dans la mise en mouvement de la pale. Ce paramètre est la finesse de l'aile. Cette finesse doit être la plus grande possible afin que la trainée n'absorbe pas une partie trop élevée de la portance. La finesse se calcule de la manière suivante : s = Cz/Cx, s étant la finesse exprimée sans unité.

Schéma des forces s’appliquant sur une pale d’éolienne (β représente ici l’angle de calage c’est-à-dire l’angle entre la corde de profil de la pale et le plan de rotation de la pale).

C) Transformation de l’énergie mécanique en énergie électrique

Le multiplicateur, grâce à ses engrenages, capte la vitesse de rotation de l’arbre lent et l’accélère. Par exemple, si l’arbre lent tourne à 19 tours/min, le multiplicateur fait tourner l’arbre rapide à près de 1 900 tours/min.

Une fois le mouvement accéléré, l’arbre rapide transmet son mouvement au rotor. Le rotor est de forme cylindrique et est composé d’aimants. Autour du rotor, on trouve le stator. C’est la partie fixe de l’alternateur. Il est composé d’une bobine de fil de cuivre.

C’est le phénomène d’induction qui permet la création d’électricité. En effet, tout déplacement d’un fil conducteur dans un champ magnétique induit un courant dans ce fil. Le même phénomène se produit si le fil conducteur est fixe et le champ magnétique variable.

Ce type de générateur est dit asynchrone et produit un courant continu qu’il faut transformer en courant alternatif qui, lui, sera compatible avec le réseau électrique.

Distribuer l’énergie électrique produite

Schéma des différents circuits électriques d’une installation éolienne domestique

Une fois que le courant électrique a été créé par le générateur, il est acheminé soit pour être directement utilisé dans l’habitation, soit pour être injecté dans le réseau.

Dans le circuit dédié à l’injection dans le réseau commun, le courant est amené dans un transformateur qui va permettre la conversion du courant en un courant à haute tension (60 000 à 90 000 V).