Éolienne/Du vent à l'électricité

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Dans cette partie, nous allons étudier le cheminement pour que l’énergie cinétique du vent se transforme en énergie électrique, utilisable par une population.

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Le vent : acteur fondamental du fonctionnement d’une éolienne

Comme nous le savons, l’éolienne fonctionne essentiellement grâce au vent. Nous allons donc voir dans cette sous-partie, comment il intervient dans cette fonction. Pour cela, nous allons tout d’abord expliquer la portance, qui est le principal phénomène qui permet aux pâles de tourner. Ensuite, nous verrons l’aérodynamique du rotor.

• La portance et la traînée

Pour pouvoir expliquer ce phénomène, il est nécessaire d’expliquer quelques termes. Voir le schéma 1 pour les définir et pour les exposer.

Nous allons prendre l’aile d’un planeur pour montrer ce phénomène, qui est identique à celui que les pâles de l’éolienne subit. Tout d’abord voici un schéma montrant les trajets de l’écoulement de l’air sur cette aile (schéma 2). Nous pouvons y voir que l’air parcourt un chemin plus long pour atteindre le bord de fuite sur l’extrado (flèche rouge) que sur l’intrado (flèche verte). Cependant pour effectuer le déplacement du bord d’attaque au bord de fuite, les molécules d’air mettent le même temps, que cela soit par l’intrado que par l’extrado. Ainsi les molécules suivant le trajet de la flèche rouge ont une vitesse plus grande que celles suivant la flèche verte. Ceci a pour conséquence de créer une dépression au niveau de l’intrado (principe de Bernoulli). L’avion est alors « aspiré » vers le haut : c’est le phénomène de portance. La portance est donc la force due à la dépression, qui est orientée perpendiculairement à l’axe représenté par le vent incident (vent relatif). Cependant, une deuxième force intervient : la traînée. Cette dernière représente la force exercée par le vent relatif sur le profil et a le même axe que le vent relatif. Par conséquent, cette force est un obstacle à la vitesse de l’aile car elle la ralentit, c’est donc une perte de performance aérodynamique. Il faut alors qu’elle soit minimisée. Pour cela, l’épaisseur de l’aile ne doit pas être trop grande. Cela explique donc pourquoi les pâles des éoliennes sont fines, cependant il faut un juste milieu.

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  Schéma 1
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  Schéma 2

• L’aérodynamique du rotor

  

  Schéma 3

L’aérodynamique est une branche de la mécanique des fluides qui s’intéresse aux phénomènes résultant des mouvements relatifs des corps par rapport à l’air. Nous allons donc étudier dans cette sous-partie, l’écoulement d’air autour des pales du rotor de l’éolienne. Pour cela, nous allons nous intéresser à une expérience qui a été réalisée.

Des rubans oranges et jaunes ont été fixés : les oranges au bout des pales, quant aux jaunes, ils ont été fixés à environ un quart de la longueur des pales (voir le schéma 3). La vitesse au centre de rotation, c’est-à-dire au moyeu, est nulle. La plupart des éoliennes ont une vitesse de rotation constante, donc la vitesse à laquelle l’extrémité de la pale tourne (la vitesse tangentielle en extrémité de pale) est en moyenne de 64 m/s. Cependant, à un quart de la longueur de la pale, c’est-à-dire où se situe les rubans jaunes, la vitesse sera d’environ 16 m/s (64/4=16). La vitesse tangentielle n’est donc pas la même sur toute la pale.
Nous pouvons également l’expliquer grâce à la formule suivante :

Début d’un théorème

La vitesse tangentielle

V = Rω
V: la vitesse tangentielle
R: le rayon
ω: la vitesse de rotation

Fin du théorème

Considérons R1, le rayon de la pale et R2, un quart de ce rayon (à partir du moyeu). Puisque R1 > R2, et ω est une constante (comme nous l’avons précisé au début) alors V1 > V2. D’où l’importance d’avoir une éolienne avec des pales assez grandes. Cependant, il faut un juste milieu pour éviter les dangers comme les casses de ces pales, etc.

La génératrice : cœur de l’éolienne

Schéma 4

La génératrice est le principal composant de la nacelle de l’éolienne. Il permet la conversion de l’énergie mécanique apportée par la rotation des pales en énergie électrique. Son fonctionnement est le même qu’une dynamo qu’on retrouve sur les vélos et qui permet de faire briller une lampe.

Elle est composée du rotor et du stator. Le rotor peut-être assimilé à un aimant de grande dimension (environ de 2 à 5 mètres). Le stator est, quant à lui, un ensemble de bobines. Nous pouvons bien comprendre cette installation grâce au schéma 4. La rotation du rotor entraîne une variation du flux du champ magnétique. En effet, lorsque la face Nord du rotor tourne, elle provoque un changement de pôle de la bobine, c’est-à-dire ce pôle devient alors un pôle sud. Et inversement, lorsque la face sud de cet aimant rencontre cette même bobine. Cette variation du flux du champ magnétique entraîne la production d’une énergie électrique. Plus la vitesse de rotation du rotor est importante, plus la variation du flux du champ magnétique est élevée et par conséquent plus la production d’énergie électrique augmente.

Le multiplicateur

Schéma 5

Comme nous l’avons expliqué précédemment, le vent permet la rotation des pales qui elles-mêmes permettent la rotation du rotor. Cette dernière entraîne celle de l’arbre lent, qui est une partie de la nacelle et relie le moyeu du rotor au multiplicateur. Cette rotation a une vitesse de 20 tours par minute pour une éolienne normale de 1 000 kW. Avant d’atteindre la génératrice, la puissance du rotor passe par l’arbre lent puis par le multiplicateur puis par l’arbre rapide. L’utilisation du multiplicateur permet d’augmenter la vitesse angulaire entre l’arbre lent et l’arbre rapide. En effet, le multiplicateur peut être associé à un ensemble d’engrenages.
Comment, à partir de ce multiplicateur, la vitesse de rotation est-elle augmentée ? Prenons, pour simplifier, l’explication d‘un engrenage. La grande roue est liée à l’arbre lent, la petite roue à l’arbre rapide. Les dents des deux roues ont la même taille. Ainsi ces deux roues ont une même vitesse tangentielle. La vitesse des roues correspond au produit de leur vitesse angulaire (vitesse de rotation) par leur rayon. Or le rayon de la grande roue est plus grand que le rayon de la petite roue. Pour rétablir l’égalité, la vitesse de rotation de la petite roue doit être supérieure à celle de la grande roue. Ainsi la rotation de l’arbre rapide est plus rapide et par conséquent celle du rotor l’est également. Ainsi l’augmentation de la vitesse angulaire du rotor est possible grâce au multiplicateur.