Fonctionnement d'une éolienne

L'explication qui suit concerne les éoliennes les plus utilisées : celles à axes horizontals.
L’énergie cinétique contenue dans le vent est captée par les pales aérodynamiques de l’éolienne qui freine le vent.
En effet, en freinant le vent les pales de l'éolienne sont soumises au dessus et en dessous à un système de pressions qui génère la rotation du rotor. Cette rotation créer une énergie mécanique qui est transmise à l’arbre de la génératrice afin de produire une électricité utilisable.

Entre l’arbre du rotor et la génératrice se trouve un arbre de transmission couplé à un système d’engrenage qui jouent le rôle d’une boite de vitesse.
Ainsi, par vent faible cet engrenage multiplie la vitesse de rotation et par vent fort freine la rotation dans le but de garder une vitesse constante et d'éviter la destruction de l’éolienne. Très souvent les éoliennes de petites puissances (moins de 10 kW) ne possèdent pas de système d'engrenage. La génératrice et le rotor sont solidaires, et donc tournent à la même vitesse.

Quels sont les composants d'une éolienne ?

Les composants mentionnés ci dessous concernent les éoliennes à axe horizontal.

Moyeu du rotor : Il transmet le mouvement de rotation à l’arbre de transmission qui lui est solidaire.

Arbre de transmission : Il reçoit le mouvement de rotation du moyeu afin d’entraîner la génératrice électrique.

Transmission : Appelée aussi multiplicateur, elle adapte la vitesse de rotation au fonctionnement de la génératrice. (Elle n’est pas nécessaire dans les petites éoliennes).

Frein : Il sert à arrêter l’éolienne en cas d’urgence, ou pour effectuer la maintenance.

Génératrice : Elle peut être un générateur à courant continu ou un alternateur; dans tous les cas elle transforme l'énergie mécanique que lui transmet le rotor, en énergie électrique.

Système de contrôle : Il surveille le fonctionnement de l’éolienne, signale et commande l’arrêt de l’éolienne en cas de défaillance.

Anémomètre : Il mesure en permanence la vitesse du vent qu’il va transmettre au système de contrôle de façon à démarrer ou arrêter l’éolienne. En général, une éolienne est enclenchée à partir de 3 à 4 m/s et est arrêtée approximativement à 25m/s (90 km/h).

Nacelle : C’est le coffret qui se trouve en haut du mât. IL contient et protège les différents composants de l’éolienne (la transmission, la génératrice, le système de contrôle, etc.).

Gouvernail : C’est le système d’orientation pour les petites éoliennes; Il sert à maintenir le rotor de l’éolienne dans l'axe horizontal face au vent afin de tirer le maximum d’énergie.

Mât et fondation : Ce sont les éléments qui supportent la nacelle et le rotor; ils doivent être capables de supporter les différentes contraintes dûes aux conditions du site.
Plus le mât est haut, plus les pales captent du vent (la vitesse du vent augmentant avec l’altitude).
Dans le cas des éoliennes domestiques de petites puissances on utilisera des mâts haubanés car ils sont économiques et faciles à installer. Cependant leur installation demande beaucoup d'espace et les haubans constituent un inconvénient majeur s'ils sont mal ancrés ou s'ils viennent à se casser.

Quelle quantité d'énergie peut produire une éolienne ?

La quantité d'énergie électrique que peut produire une éolienne est fonction de la quantité d'énergie cinétique qu’elle peut récupérer du vent.
Cependant, un principe physique énoncé par l’allemand Albert Betz indique que toute éolienne avec un rotor en forme de disque ne pourra jamais convertir plus de 59 % de l’énergie cinétique contenue dans le vent en énergie mécanique.
Notons que l’énergie cinétique d’une masse en mouvement (E_C exprimée en joule = kg.m².s^-2) est égale à la moitié de la masse multipliée par la vitesse au carré :

m = est la masse du vent qui traverse la surface d’un disque en une seconde et se calcule comme suit :

ρ = densité de l’air exprimée en kg/m³= 1.225 kg/m3, à 15°C, à pression atmosphérique normale

Si l’on remplace m de l’équation (1) par m de l’équation (2) on obtient :

Par ailleurs, selon la loi de Betz, seulement 59.3 % d’énergie peut être extraite du vent.

P_{récupérable} du vent = 59,3 % de la puissance du vent disponible au niveau du rotor = 0,593 × 0,6125 S V³

P_{récupérable} du vent = 0.36 S V³ = 0.29 D² V³
S = π D² / 4

P_{récupérable}/m² = 0.36 V³

Ce résultat exprime la puissance maximale récupérée par m² d'une surface en forme de disque lorsqu'un vent la traverse de façon perpendiculaire, dans les conditions suivantes : Au niveau de la mer, Température à 15°C, densité d’air de 1.225 kg/m³, pression atmosphérique normale.
Ces conditions varient en fonction du site en question. On remarque donc, que cette puissance est liée à la fois à la surface du rotor balayée et au cube de la vitesse du vent.

Note :

La densité de l'air est inversement proportionnelle à l'altitude et à la température. Elle diminue donc quand la température ou l'altitude augmente.
Si vous doublez la surface balayée par le rotor d'une éolienne vous multiplier par 2 l'énergie disponible et le doublement du diamètre du rotor multiplie la surface balayée par 4.
Si la vitesse du vent double d'un site à un autre, la puissance disponible est multipliée par huit.

En pratique il faut considérer toutes les pertes dûes aux éléments mécaniques et électriques (Pales, génératrice, transmission, redresseur etc...). Les éoliennes récupèrent donc entre 12 et 40% de l'énergie contenu dans le vent, dépendamment du site et du type d'éolienne.
On peut présenter cette puissance pratique ou puissance disponible en sortie de l'éolienne comme la puissance récupérable affectée du rendement (η) de l'éolienne installée :

P_disponible/m² = 0.36 η V³

Le rendement pour les petites éoliennes est compris entre 20 et 65% maximum

Ainsi avec la puissance pratique nous pouvons alors calculer la production d'énergie disponible annuellement par mètre carré de surface balayée en sortie de l'éolienne, en multipliant la puissance pratique par le nombre d'heure sur une année soit 8760 heures

E_disponible/m² = P_disponible/m² x 8760 h

Ayant le diamètre du rotor ou la surface, le rendement et la la vitesse moyenne annuelle en main vous trouvez la production d'énergie annuelle de votre éolienne

Paramètre important: Vitesse moyenne du vent

Pour déterminer la puissance disponible par mètre carré de surface balayée, il faut connaitre la vitesse moyenne annuelle du vent sur le site. Cependant si l'on tient compte seulement de cette vitesse moyenne sans considérer les vitesses inférieures et supérieures à la moyenne, le calcul de la production d'énergie sera faussé car la moyenne du cube de différentes vitesses de vent est toujours supérieure au cube de la moyenne.

Ainsi pour tenir compte de cette variabilité de la vitesse du vent, on utilise un histogramme de distribution des vitesses établi pour la plupart des régimes de vent du monde, par les météorologues à partir d'une loi de probalité continue.

Cet histogramme est modélisé par une fonction analytique (loi de probabilité) : La fonction de ditribution de weibull indique la probabilité d'apparition d'une vitesse de vent V au cours de l'année. Elle se caractérise par 2 facteurs: Le facteur d'échelle C qui représente la vitesse du vent et le facteur de forme k qui indique la forme de la distribution.
Pour la majorité des sites le facteur k = 2 et correspond à la distribution de Rayleigh le pendant de weibull.

C'est donc cette distribution de Rayleigh qui est utilisée pour calculer la puissance et l'énergie disponible lorsqu'on ne dispose pas de relevés réels du vent.
En effet la puissance calculée à partir de cette distribution est environ 2 fois plus élevée que celle faite seulement avec la vitesse moyenne annuelle.

' Mathématiquement parlant ' la courbe de weibull s'obtient à partir de la fonction suivante :

f(V) = (k/C)x(V/C)^k-1 e^{[-(V/C)^k]}

f(V) représente la fréquence d'apparition de la vitesse du vent V durant l'année

k représente le facteur de forme compris entre 1 et 3

C représente le facteur d'échelle (en m/s)

V représente la vitesse de vent donné (en m/s)

e représente la fonction exponentielle de base e

Néanmoins il existe un rapport entre la puissance obtenue à partir de la distribution des vitesses (modèle weilbull ou réel) et celle obtenue à partir de la vitesse moyenne uniquement, appelé facteur d'irrégularité ou facteur cube K_e, qui permet de calculer l'énergie récupérable en utilisant seulement la vitesse moyenne du vent.

Pour k = 1.2 K_e = 3.99

Pour k = 2 K_e = 1.91

Pour k = 3 K_e = 1.40

Notons qu'on peut trouver néanmoins la puissance récupérable (en W/m²) sur un site, grâce aux cartes de puissances du vent des météorologues ou des laboratoires excerçant dans le domaine. On peut aussi utiliser les courbes de puissances des fabricants. Pour le cas des fabricants de petites éoliennes, il faut faire attention aux conditions dans lesquelles les courbes ont été déterminées. Aucun laboratoire ou organisme gouvernemental pour l'instant ne garantit la validité de ces courbes, contrairement aux courbes des fabricants d'éoliennes de moyennes puissances.

Méthode de calcul de l'énergie basée sur la fonction de weibull :

E_disponible/m² = Σ_{V=0 à 25} 0.36 η V³ x f(V) x 8760 h

Méthode de calcul de la puissance et de l'énergie basée sur le facteur d'irrégularité :

P_disponible/m² = 0.36 η V³ x K_e

E_disponible/m² = 0.36 η V³ x K_e x 8760 h

Comment mesure t-on le vent sur un site ?

La vitesse du vent étant continuellement variable, on mesure sa valeur moyenne sur des intervalles de temps réguliers d'environ 10 minutes, habituellement à une hauteur de 10 mètres. La vitesse de vent est généralement mesurée à l'aide d'un anémomètre à coupelles couplé à un enregistreur et la direction à l'aide d'une girouette.

On peut aussi évaluer la vitesse du vent sur un terrain en observant la végétation déformée par le vent. Ce phénomène de déformation s'appelle l'anémomorphose. En utilisant l'indice de déformation de Griggs-Putnam, on est capable d'avoir une idée de la vitesse du vent. Vous pouvez aussi comparer cette évaluation aux vitesses de vent recueillies par la station météo la plus proche de chez vous ou l'aéroport le plus proche afin de faire une estimation global de votre vitesse de vent moyenne annuelle.

La vitesse du vent varie avec l'altitude, pour prendre en compte ce paramètre la méthode suivante appelé la loi de puissance doit être appliquée pour déterminer la vitesse exacte à une hauteur plus élevée que 10 mètres:

V = V₀(H / H₀)^α

V = vitesse du vent à la nouvelle hauteur H

V₀ = vitesse du vent à la hauteur initiale H₀

α = coefficient de gradient vertical de la vitesse du vent qui varie selon le terrain, donc lié à la rugosité.

Pour un terrain avec herbe coupée α = 0.14
Pour une prairie à herbes courtes α = 0.16
Pour des cultures, prairies à hautes herbes α = 0.19
Pour des arbres haies et quelques batiments α = 0.29
pour les banlieues α = 0.31

Noter que pour par exemple des hautes herbes, le niveau effectif du sol se trouve au sommet des herbes...

L'augmentation de la vitesse du vent avec l'altitude, augmente par conséquent la densité de puissance :

P = P₀(H / H₀)^3α

P = puissance du vent à la nouvelle hauteur H

P₀ = puissance du vent à la hauteur initiale H₀

α = coefficient de gradient vertical de la vitesse du vent qui varie selon le terrain, donc lié à la rugosité.

Quelles vitesses de vent sont nécessaires pour l'explotation l'éolienne ?

La plupart des éoliennes sont conçues pour démarrer à une certaine vitesse dite de démarrage, habituellement à 3 ou 4 m/s. Aussi, elles sont faites pour s’arrêter automatiquement à une vitesse de vent pour laquelle l’éolienne risque de s’endommager, à environ 25 m/s.
On peut considérer qu'à partir d'une vitesse moyenne de 5 m/s sur le site à hauteur de moyeu, l'exploitation d'une éolienne devient intéressante. À 25 m/s en principe l'éolienne doit être arrêtée, au risques de subir de sérieux dommages.

Qu'est ce qu'un système éolien ?

Un système éolien est un dispositif qui transforme l’énergie du vent en énergie électrique fin d'alimenter en électricité de façon optimale une habitation, un batiment, un moteur ou le réseau de distribution électrique. Un système éolien appliqu à l'habitat domestique peut être présenté de manière suivante :

RÉGULATEUR DE CHARGE/DÉCHARGE

Le régulateur est un petit appareil qui se place entre la batterie et l’éolienne. Sa fonction première est de contrôler la quantité de courant continu qui arrive ou qui sort de la batterie pour éviter qu’elle s’endommage. Il protège la batterie contre une surcharge de courant pouvant provenir du panneau photovoltaïque, et contre une éventuelle décharge profonde engendrée par le consommateur.

, pour éviter que la batterie ne soit endommagée par un courant de charge trop élevé, ou inversement par une décharge trop profonde. Son rôle principal est de réduire le courant continu, lorsque la batterie arrive à sa valeur de charge ou de décharge.

Pour en savoir plus/ Types de régulateur

BATTERIE

Afin de stocker l’énergie électrique produite par l'éolienne lorsque le vent est propice et pouvoir la réutiliser en période de faible vent, on utilise un dispositif de stockage de l’énergie électrique : La batterie. Elle est composée d’unités électrochimiques appelées cellules, qui produisent un voltage en transformant l’énergie chimique qu’elles contiennent en énergie électrique. Chaque cellule produit une tension variant entre 1 et 2 V selon le type de batterie. En assemblant ces cellules en série/parallèle, on obtient des tensions de batteries suivantes: 12, 24 ou 48 Volt.

Pour en savoir plus/ Types de batteries

ONDULEUR OU CONVERTISSEUR AC/DC

L’énergie électrique provenant de l'éolienne et stockée dans la batterie se présente sous forme de courant continu CC à faible tension continue CC (12V, 24V, 48V). Cependant, la majorité des appareils est conçue pour être alimentée en courant alternatif CA sous tension alternative élevée CA (110V/120V). Le rôle de l’onduleur est donc de convertir ce courant continu CC en courant alternatif CA utilisable par ces appareils. Le processus de conversion entraîne une perte d’énergie. Par conséquence, il convient de choisir un onduleur ayant une faible perte d’énergie de moins de 10%.

CONVERTISSEUR CC/CC

Il convertit la tension continue provenant de la batterie en une tension continue différente, qui convient à certains appareils spéciaux comme les chargeurs de téléphone, ou les ordinateurs portables. Il existe deux types de convertisseurs : Les élévateurs de tension qui convertissent par exemple une tension 12V en tension 20V, et les abaisseurs de tension qui convertissent par exemple une tension 12V en une tension de 5V. Le paramètre à surveiller dans le choix d’un convertisseur CC/CC est le rendement. Le rendement standard est de l’ordre 80 à 90% pour les meilleurs.

DISPOSITIF DE PROTECTION

Une système éolien exige des protections électriques comme celles utilisées dans une application domestique. Cependant, elles doivent être conforment aux normes applicables à une installation électrique. Les appareils électriques doivent être protégés par une mise à la terre, par des fusibles, disjoncteurs, parafoudres, interrupteurs, sectionneurs contre tous les défauts électriques pouvant survenir dans les circuits de l'application (surtension, surcharge, fuite de courant, court-circuit etc...).

CÂBLAGE ÉLECTRIQUE

Câble en cuivre, connecteurs, boite de jonction ou boitier de raccordement constituent le câblage électrique du système à raccorder à l'application. Ils doivent respecter les normes applicables au cablâge en courant continu et/ou alternatif suivant l'éolienne et le système choisis. Le câblage doit être dimensionné en fonction du courant admissible et du pourcentage admissible de la chute de tension induite dans les sections de câbles.

Comment fonctionne une éolienne ?