Généralités sur les éoliennes. Composants d une éolienne. Nomenclature. Avantages / inconvénients. Ressources

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1 Généralités sur les éoliennes Composants d une éolienne Nomenclature Avantages / inconvénients Ressources Généralité sur les éoliennes : EOLIENNE A AXE HORIZONTAL OU A AXE VERTICAL

2 1. Principe Généralités sur les éoliennes Pâles & Rotor Eolienne énergie Alternateur énergie Il existe différents profils d'éolienne. On distingue deux grands types d'éolienne : les éoliennes à axe vertical et les éoliennes à axe horizontal. Que l'éolienne soit à axe vertical ou horizontal, il s'agit de générer un couple moteur pour entraîner la génératrice. 2. Eolienne à axe vertical Eolienne de... Eolienne de Eolienne à axe horizontal Les éoliennes à axe horizontal sont basées sur le principe des moulins à vent. Elles sont constituées d' une à trois pales profilées aérodynamiquement. Le plus souvent le rotor de ces éoliennes est tripale, car trois pales constituent un bon compromis entre le coefficient de puissance, le coût et la vitesse de rotation du capteur éolien ainsi que l'aspect esthétique par rapport aux bipales. Ferme.. Ferme. Les éoliennes à axe horizontal sont les plus employées car leur rendement aérodynamique est supérieur à celui des éoliennes à axe vertical, elles sont moins exposées aux contraintes mécaniques et ont un coût moins important.

3 1. Principe Généralités sur les éoliennes Vent Pâles & Rotor Eolienne Alternateur Énergie Mécaniénergie stockage Réseau de distribution Utilisation directe Il existe différents profils d'éolienne. On distingue deux grands types d'éolienne : les éoliennes à axe vertical et les éoliennes à axe horizontal. Que l'éolienne soit à axe vertical ou horizontal, il s'agit de générer un couple moteur pour entraîner la génératrice. 2. Eolienne à axe vertical Eolienne de Savonius Eolienne de Darrieus 3. Eolienne à axe horizontal Les éoliennes à axe horizontal sont basées sur le principe des moulins à vent. Elles sont constituées d' une à trois pales profilées aérodynamiquement. Le plus souvent le rotor de ces éoliennes est tripale, car trois pales constituent un bon compromis entre le coefficient de puissance, le coût et la vitesse de rotation du capteur éolien ainsi que l'aspect esthétique par rapport aux bipales. Ferme éolienne offshore Ferme éolienne Les éoliennes à axe horizontal sont les plus employées car leur rendement aérodynamique est supérieur à celui des éoliennes à axe vertical, elles sont moins exposées aux contraintes mécaniques et ont un coût moins important.

4 Eoliennes à axe horizontal Toutes les éoliennes commerciales raccordées au réseau sont aujourd'hui construites avec un rotor du type hélice, monté sur un axe horizontal. La finalité du rotor est de convertir le mouvement linéaire du vent en énergie rotative susceptible d'entraîner une génératrice. Fonctionnement : Le système d orientation place l éolienne face au vent, entraînant la rotation du rotor. Le mouvement des pales est distribué à l axe lent, au multiplicateur, à l axe rapide et enfin au générateur. Pour que l éolienne puisse produire de l électricité, le vent doit atteindre une vitesse d au moins 15km/h. C est avec un vent de 50 km/h que l éolienne atteint sa meilleure efficacité énergétique. Mais comme la force du vent varie beaucoup, le système d'orientation doit réguler la portance des pales en les faisant pivoter, assurant ainsi une puissance constante. Au-delà de 90 km/h, les pales sont mises parallèles au vent (si besoin est, un frein à disque procède à l arrêt d urgence). Le générateur transforme l'énergie mécanique en courant alternatif d'une tension de 690 Volts qui est transformé en Volts afin d'être transporté vers le consommateur par le réseau électrique. 10 permet de transformer une vitesse lente en une vitesse rapide 9 assure la production électrique 8 permet d'orienter l'éolienne et de la «verrouiller» dans l'axe du vent 7 pour en évaluer la direction du vent. 6 pour en mesurer la vitesse du vent. 5 C est la boite qui contient l ensemble des composants en haut du mat 4 entraine des machines (alternateur) 3 c'est l'arbre du rotor de la turbine éolienne. Il est dit arbre lent 2 capter l'énergie du vent et de la transférer ensuite au rotor 1 Il supporte le rotor et la nacelle Re désignations fonctions

5 Avantages / inconvénients En vous aidant des documents ressources, répondre sur une feuille de classeur aux questions suivantes Eoliennes à axe vertical Avantages Inconvénients Pourquoi la plupart des éoliennes commercialisées ont-elles un axe horizontal? Pourquoi faut-il un multiplicateur entre le rotor de l éolienne et la génératrice? Quelles sont les critères de choix pour un site éolien? Quel est le diamètre de rotor d une éolienne de 2000 kw? Quelle est la hauteur d une éolienne de 1500 kw?

6 Eoliennes à axe horizontal Toutes les éoliennes commerciales raccordées au réseau sont aujourd'hui construites avec un rotor du type hélice, monté sur un axe horizontal. La finalité du rotor est de convertir le mouvement linéaire du vent en énergie rotative susceptible d'entraîner une génératrice. Fonctionnement : Le système d orientation place l éolienne face au vent, entraînant la rotation du rotor. Le mouvement des pales est distribué à l axe lent, au multiplicateur, à l axe rapide et enfin au générateur. Pour que l éolienne puisse produire de l électricité, le vent doit atteindre une vitesse d au moins 15km/h. C est avec un vent de 50 km/h que l éolienne atteint sa meilleure efficacité énergétique. Mais comme la force du vent varie beaucoup, le système d'orientation doit réguler la portance des pales en les faisant pivoter, assurant ainsi une puissance constante. Au-delà de 90 km/h, les pales sont mises parallèles au vent (si besoin est, un frein à disque procède à l arrêt d urgence). Le générateur transforme l'énergie mécanique en courant alternatif d'une tension de 690 Volts qui est transformé en Volts afin d'être transporté vers le consommateur par le réseau électrique. 10 multiplicateur permet de transformer une vitesse lente en une vitesse rapide 9 génératrice assure la production électrique 8 Système d orientation permet d'orienter l'éolienne et de la «verrouiller» dans l'axe du vent 7 girouette pour en évaluer la direction du vent. 6 anémomètre pour en mesurer la vitesse du vent. 5 Nacelle C est la boite qui contient l ensemble des composants en haut du mat 4 Arbre secondaire entraine des machines (alternateur) 3 Arbre primaire c'est l'arbre du rotor de la turbine éolienne. Il est dit arbre lent 2 pales capter l'énergie du vent et de la transférer ensuite au rotor 1 Mât Il supporte le rotor et la nacelle Re désignations fonctions

7 Nomenclature En vous aidant des documents ressources, répondre sur une feuille de classeur aux questions suivantes Eoliennes à axe vertical Avantages 1) Elle vous permet de placer la génératrice, le multiplicateur, etc. à terre, et vous n'avez pas besoin de munir la machine d'une tour. 2) Un mécanisme d'orientation n'est pas nécessaire pour orienter le rotor dans la direction du vent. 3) Pylône plus petit donc moins chers Inconvénients 1) Les vents sont assez faibles à proximité de la surface du sol. 2) L'efficacité globale des éoliennes à axe vertical n'est pas impressionnante. 3) L'éolienne ne démarre pas automatiquement. (Ainsi, il faut p.ex. pousser les éoliennes de Darrieus pour qu'elles démarrent. 4) Pour faire tenir l'éolienne, on utilise souvent des haubans ce qui est peu pratique dans des zones agricoles exploitées intensivement. Pourquoi la plupart des éoliennes commercialisées ont-elles un axe horizontal? Elles ont un meilleur rendement Pourquoi faut-il un multiplicateur entre le rotor de l éolienne et la génératrice? Pour produire plus d électricité Quelles sont les critères de choix pour un site éolien? En recherche d'une vue dégagée Raccordement au réseau Infrastructure Quel est le diamètre de rotor d une éolienne de 2000 kw? Quelle est la hauteur d une éolienne de 1500 kw?

8 Généralité sur les éoliennes EOLIENNE A AXE HORIZONTAL OU A AXE VERTICAL Eoliennes à axe horizontal Toutes les éoliennes commerciales raccordées au réseau sont aujourd'hui construites avec un rotor du type hélice, monté sur un axe horizontal. La finalité du rotor est évidemment de convertir le mouvement linéaire du vent en énergie rotative susceptible d'entraîner une génératrice. Eoliennes à axe vertical La seule éolienne à axe vertical qui n ait jamais été fabriquée commercialement est l'éolienne de Darrieus, nommée d'après l'ingénieur français Georges Darrieus qui breveta la conception en La compagnie américaine FloWind fabriqua l'éolienne jusqu'à son faillite en L'éolienne de Darrieus est caractérisée par ses pales de rotor en forme de C qui la font ressembler un peu à un fouet à œufs. Elle est normalement construite avec deux ou trois pales. Les avantages théoriques d'une machine à axe vertical sont les suivantes : 1) Elle vous permet de placer la génératrice, le multiplicateur, etc. à terre, et vous n'avez pas besoin de munir la machine d'une tour. 2) Un mécanisme d'orientation n'est pas nécessaire pour orienter le rotor dans la direction du vent. Les inconvénients principaux sont les suivants : 1) Les vents sont assez faibles à proximité de la surface du sol. Le prix d'omettre une tour est donc des vents très faibles sur la partie inférieure du rotor. 2) L'efficacité globale des éoliennes à axe vertical n'est pas impressionnante. 3) L'éolienne ne démarre pas automatiquement. (Ainsi, il faut p.ex. pousser les éoliennes de Darrieus pour qu'elles démarrent. Cependant, ceci ne constitue qu'un inconvénient mineur dans le cas d'une éolienne raccordée au réseau, étant donné qu'il est alors possible d'utiliser la génératrice comme un moteur absorbant du courant du réseau pour démarrer l'éolienne). 4) Pour faire tenir l'éolienne, on utilise souvent des haubans ce qui est peu pratique dans des zones agricoles exploitées intensivement.

9 Généralité sur les éoliennes LE MULTIPLICATEUR La puissance produite par la rotation du rotor d'une éolienne est transmise à la génératrice par toute une chaîne dynamique, c.-à-d. par l'arbre lent, le multiplicateur et l'arbre rapide. Mais pourquoi, en fait, utiliser un multiplicateur? N'est-ce pas possible d'entraîner la génératrice directement par la puissance produite par l'arbre lent? Si nous utilisions une génératrice ordinaire, raccordée directement au réseau électrique il nous faudrait une turbine à une vitesse extrême variant entre et tours par minute. Avec un diamètre de rotor de 43 mètres, cela impliquera une vitesse des pales du rotor à leur extrémité de plus de deux fois la vitesse du son, il vaut donc mieux laisser tomber cette idée tout de suite. CHOIX D UN SITE EOLIEN La ressource éolienne Normalement, le seul fait d'observer la nature constitue une aide excellente lors de l'identification d'un bon site éolien. Ainsi, comme vous pouvez le voir sur l image, les arbres et les buissons peuvent servir d'un bon indicateur de la direction des vents dominants dans la zone en question. En recherche d'une vue dégagée Il faut de préférence avoir une vue aussi dégagée que possible dans la direction des vents dominants. Raccordement au réseau Les grandes éoliennes doivent évidemment être raccordées au réseau électrique. Lorsqu'il s'agit de projets éoliens de moindre envergure, il est donc primordial que l'éolienne soit installée relativement près d'une ligne électrique de 10 à 30 kilovolts (kv) afin d'éviter que les coûts de pose de nouveaux câbles ne soient exorbitants. Infrastructure Lors de l'élaboration d'un projet éolien, il faut toujours tenir compte des coûts liés à l'établissement des fondations des éoliennes et à la construction d'un chemin permettant aux camions lourds de gagner le site.

10 Généralité sur les éoliennes TAILLE DE LA TOUR Il est évident que la production d'énergie d'une grande génératrice est supérieure à celle d'une petite, mais si vous regardez les trois éoliennes ci-dessous de 225 kw, 600 kw et 1,500 kw ayant des diamètres de rotor de 27, 43 et 60 mètres respectivement, vous verrez que la hauteur des tours diffère également. Il va de soi que, pour des raisons de faisabilité, il est impossible d'installer un rotor de 60 m de diamètre sur une tour de moins de 30 m de haut. Mais également si nous considérions le coût d'un grand rotor, d'une grande génératrice et d'un multiplicateur, une telle idée s'avérerait tout à fait folle : ce serait une pure perte d'argent d'installer un si grand rotor sur une petite tour, pour la simple raison qu'une plus grande tour nous permet d'obtenir des vitesses du vent beaucoup plus fortes, et donc d'extraire une capacité énergétique bien supérieure. Chaque mètre de tour coûtant évidemment de l'argent, la hauteur optimale d'une tour est donc fonction de : le coût de la tour par mètre (10 m de tour supplémentaires s'élèvent à environ ). combien la vitesse du vent varie avec l'altitude au-dessus du sol sur le site en question le prix que le propriétaire de l'éolienne obtiendra par kwh d'électricité produite en plus. Les constructeurs d'éoliennes vendent souvent des éoliennes dont la hauteur de la tour correspond au diamètre du rotor. D un point de vue esthétique, beaucoup de monde trouve en fait que les éoliennes sont plus harmonieuses à regarder si la hauteur de la tour et le diamètre du rotor sont plus ou moins égaux. TAILLE DES PALES La surface de disque balayée par le rotor (ainsi que la vitesse du vent, évidemment) détermine la quantité d'énergie que l'éolienne est susceptible de récolter en une année. L'image peut vous donner une idée des diamètres généraux du rotor, valables pour les différentes tailles d'éoliennes. Une éolienne, dont la puissance de la génératrice est de 600 kw, aura typiquement un diamètre de rotor de 44 mètres.

11 Composants d une éolienne Intérieur d une nacelle

12 Nomenclature Travail demandé Se connecter sur le site : Cliquer sur Energies renouvelables, filière éolienne, généralités, composants d une éolienne 1. Compléter la colonne fonctions du document Nomenclature 2. Replacer les repères sur le document Composants d une éolienne 3. Colorier en rouge les pales, en bleu le mât et repasser en vert la nacelle 11 Outils de mesure 10 contrôleur 9 génératrice 8 Système d orientation 7 Refroidisseur 6 Arbre secondaire 5 multiplicateur 4 Arbre primaire 3 Mât 2 Moyeu 1 pales Rep désignations fonctions

13 Composants d une éolienne Intérieur d une nacelle Photo éolienne

14 Nomenclature Travail demandé Se connecter sur le site : Cliquer sur Energies renouvelables, filière éolienne, généralités, composants d une éolienne 1. Compléter la colonne fonctions du document Nomenclature 2. Replacer les repères sur le document Composants d une éolienne 3. Colorier en rouge les pales, en bleu le mât et repasser en vert la nacelle 4. Replacer les repères sur le document Photo d une éolienne et intérieur d une nacelle 5. Colorier en rouge les pales, en bleu le mât et en vert la nacelle En vous aidant des documents ressources, répondre sur une feuille de classeur aux questions suivantes : 1. Pourquoi la plupart des éoliennes commercialisées ont-elles un axe horizontal? 2. Pourquoi faut-il un multiplicateur entre le rotor de l éolienne et la génératrice? 3. Quelles sont les critères de choix pour un site éolien? 4. Quel est le diamètre de rotor d une éolienne de 2000 kw? 5. Quelle est la hauteur d une éolienne de 1500 kw? Compréhe ntion 11 Outils de mesure 10 contrôleur une girouette pour en évaluer la direction et un anémomètre pour en mesurer la vitesse. Surveille le fonctionnement de l éolienne (vitesse, orientation..) 9 génératrice assure la production électrique 8 Système d orientation permet d'orienter l'éolienne et de la «verrouiller» dans l'axe du vent 7 Refroidisseur Refroidir 6 Arbre secondaire entraine des machines (alternateur) 5 multiplicateur 4 Arbre primaire permet de transformer une vitesse lente en une vitesse rapide c'est l'arbre du rotor de la turbine éolienne. Il est dit arbre lent 3 Mât Il supporte le rotor et la nacelle 2 Moyeu 1 pales permet d'orienter les pales pour réguler la vitesse de rotation (prise de vent). capter l'énergie du vent et de la transférer ensuite au rotor Rep désignations fonctions

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