Eoliennes
energieplus-lesite.be/techniques/eolien6/eoliennes/
Généralités
Une éolienne est une machine qui convertit l’énergie du vent en énergie mécanique.
Pour être plus clair, on considère qu’il y a du vent quand l’air se déplace et donc quand l’air possède une certaine vitesse. À cette vitesse est associée une énergie, l’énergie cinétique. Le vent exerce une force sur le rotor de l’éolienne et le met en rotation : il exerce une certaine puissance. A proprement parler, cette force est transmise à un axe qui correspond à une certaine puissance. En langage d’ingénieur, nous sommes en présence d’une machine motrice.
Cette énergie mécanique peut être utilisée directement. Par exemple, on pense à l’actionnement d’une pompe à des endroits non desservis par le réseau électrique ou à nos anciens moulins à vent. Néanmoins, ces applications mécaniques sont assez
marginales. Dans la majorité des cas, l’énergie mécanique du rotor de l’éolienne est transformée en énergie électrique via une génératrice. En tout cas, comme l’énergie mécanique est de “qualité” élevée (notion d’exergie), il est a priori regrettable de la transformer en chaleur, par exemple en utilisant l’énergie éolienne pour se chauffer.
Classification
On peut classifier les éoliennes suivant leur taille ou suivant leur principe de
Classification selon la taille
On définit différentes classes de taille d’éoliennes. En théorie, il n’y a pas de relation directe entre la hauteur et la puissance de l’éolienne. En effet, cette puissance dépend essentiellement de la surface balayée par le rotor qui n’est pas toujours fonction de la hauteur de l’éolienne, mais du diamètre du rotor. Néanmoins, dans le cas des grandes éoliennes, une règle de bonne pratique veut que la hauteur du mât, L, soit égale au diamètre du rotor, D. Dans ce cas, il y a un lien indirect entre la hauteur du mât et la puissance. Dans le tableau suivant sont repris les dénominations de taille et les ordres de grandeur de puissances associées. Attention, il s’agit bien d’ordres de grandeur de
puissance. Le but est uniquement de se donner une idée. En outre, cette puissance n’a de sens que si on a défini la vitesse de vent à laquelle elle est délivrée.
Illustration de la relation entre le diamètre du rotor et la puissance électrique de sortie basée sur les données techniques de 62 modèles récents d’éoliennes.
Dénomination
Diamètre du rotor [m]
Aire balayée [m²]
Puissance [kW]
Micro 0.5-1.25 0.2-1.2 0.1-0.4
Mini 1.25-3 1.2-7.1 0.4-2
Domestique 3-10 7-79 2-30
Petite commerciale 10-20 79-314 30-120
Moyenne
commerciale 20-50 314-1963 120-750
Grande commerciale 50-100 1 963-7854 750-3 000
Géante commerciale 100-170 7 854-22 686 3 000-8 000 Dénomination
Diamètre du rotor [m]
Aire balayée [m²]
Puissance [kW]
Classification des éoliennes suivant la taille et ordre de grandeur associé.
Pour être plus parlant, on trouve classiquement ces éoliennes pour les applications suivantes :
Micro-éoliennes : en général pour couvrir des besoins très limités et sites isolés (par exemple, des sites de pèche, des bateaux, des caravanes).
Mini-éoliennes : essentiellement pour recharger des batteries sur des sites isolés du réseau, les plus puissantes peuvent servir pour l’alimentation domestique hors du réseau (maisons isolées).
Eoliennes domestiques : elles balayent un spectre assez large allant de rotors de 3 à 10 m de diamètre. C’est typiquement le genre d’éoliennes proposées pour les particuliers.
Petites éoliennes commerciales : elles sont typiquement conçues pour les petites entreprises, les fermes, … mais il existe très peu de modèles produits dans cette gamme.
Moyennes éoliennes commerciales : elles sont typiquement utilisées pour les applications commerciales dans des fermes, des usines, des entreprises voire des petits parcs éoliens.
Eoliennes grands commerciales : ce sont les éoliennes que l’on trouve dans les parcs éoliens modernes, ce sont aussi les plus efficaces.
Eoliennes commerciales géantes : ce sont les éoliennes que l’on trouve dans les parcs éoliens modernes et également en offshore, elles sont très efficaces et issues des dernières générations technologiques.
Dans la course au gigantisme, l’éolien ne fait pas figure d’exception. Si les modèles de 9 MW sont déjà à l’ordre du jour, certaines sociétés n’hésitent pas à parler de diamètres avoisinant les 400 m (!) pour atteindre des puissances de 50 MW !!!
Eoliennes à axe horizontal ou vertical
Les plus connues sont les éoliennes à axe horizontal (HAWT, horizontal axis wind turbine). Leur typologie est souvent identique. A la base, on a un mât sur lequel est placée la nacelle. Cette nacelle contient la génératrice ainsi que le système de
transmission, c’est-à-dire les éléments d’accouplement mécanique entre le rotor et la génératrice. Celle-ci convertit l’énergie mécanique en énergie électrique.
En suivant le sens de parcours du vent, le rotor peut être placé en amont ou en aval de la nacelle. Cette dernière configuration a été à la mode, mais devient anecdotique. Elle présentait l’avantage que la nacelle et le rotor se mettent automatiquement face au vent.
Lorsque le rotor se situe en amont, il faut un dispositif particulier pour que l’éolienne se positionne
correctement. Par exemple, on peut trouver une aile fixe verticale qui stabilise l’éolienne face au vent (même principe que la gouverne verticale d’un avion) ou un moteur qui réalise cette tâche. On parlera alors d’un dispositif de positionnement passif ou actif,
respectivement.
Distinction entre éoliennes à axe horizontal avec le rotor placé en amont avec gouverne (figure gauche), en amont avec contrôle actif (figure centrale) et en aval (figure de droite).
L’avantage du rotor placé en aval est qu’il se positionne naturellement face au vent, c’est-à-dire de manière passive. Par contre, le vent est d’abord perturbé par la nacelle et le pylône avant d’agir sur le rotor. D’une part, le régime de vent devient non
uniforme sur la surface balayée par le rotor. Cela engendre des contraintes mécaniques variables dans le temps ce qui provoque une usure prématurée du matériel (phénomène de fatigue
mécanique). D’autre part, le vent perturbé vient impacter les ailettes de l’éolienne ce qui a tendance à générer beaucoup de bruit (bruit d’origine aérodynamique). Pour ces deux raisons, on préfère la configuration
avec le rotor en amont. En effet, le vent est moins perturbé avant de rencontrer les pales
de l’éolienne (à moins qu’un obstacle se trouve en amont, mais ce n’est idéalement pas le cas). Finalement, on peut dire que l’éolienne
à axe horizontal avec le rotor en amont est devenue le standard, en tout cas pour les applications de puissance élevée.
On rencontre aussi des éoliennes à axe vertical (VAWT, vertical axis wind turbine) pour les applications de petite voire de
moyennes puissances. Les avantages de cette configuration sont que l’éolienne est toujours bien positionnée par rapport au vent, que le dispositif d’accouplement ainsi que la génératrice se trouvent au niveau du sol ce qui facilite la maintenance. En outre, de par les diamètres de rotor inférieurs aux éoliennes à axe horizontal, les vitesses absolues sont plus faibles ce qui, du moins théoriquement, devrait engendrer moins de bruit.
Classiquement, on distingue deux grandes familles parmi les éoliennes à axe vertical.
D’une part, on trouve les éoliennes basées sur la “portance” dont la plus connue est le modèle de “Darrieus” et, d’autre part, les éoliennes basées sur la “trainée” dont la plus connue est le modèle de “Savonius”. On invite le lecteur qui veut approfondir ces concepts à consulter des sites spécialisés. Retenons néanmoins que par le principe physique qui anime ces modèles, elles donnent peu de couple au démarrage. Par conséquent, elles ne démarrent qu’à une certaine vitesse de vent, ou il faut assurer mécaniquement le démarrage de l’éolienne pour qu’elle fonctionne.
Illustration des deux grands types
d’éoliennes à axe vertical : les éoliennes de type Savonius en haut, basées sur la
trainée, et les éoliennes de type Darrieus en bas, basées sur la portance. Les figures du haut montrent une coupe horizontale du rotor vue selon un axe vertical. Les figures du bas montrent une coupe
horizontale du rotor d’éoliennes Darrieus.
Le rotor peut avoir une forme en “phi”, en “delta”, en “H”, etc.
Exemple d’éolienne Darrieus (à gauche) et Savonius (à droite).
Dans l’histoire des éoliennes, on trouve de manière cyclique un regain d’intérêt pour les éoliennes à axe vertical. Les nouveaux concepts proposés sont sensés dépasser les limites technologiques du standard actuel qui est l’éolienne à axe horizontal avec rotor en amont. Pour répondre de manière nuancée, voici quelques éléments de réflexion pour situer le débat sur ces VAWT :
En ce qui concerne les nouvelles éoliennes à axe vertical, il s’agit souvent de la redécouverte de vieux concepts.
De manière générale, on manque de retour d’expérience sur le
comportement des nouvelles
éoliennes à axe vertical, notamment en ce qui concerne leurs
performances aussi bien techniques que d’un point de vue économique.
Beaucoup d’experts qui ont accumulé une longue expérience dans l’éolien sont sceptiques.
Beaucoup d’effets d’annonce sur les performances de ces nouveaux concepts sans pour autant les valider : absence récurrente de certification IEC (commission
électrotechnique internationale) de la plupart de ces machines [APERe].
Pour résumer la situation, nous reprenons le point de vue nuancé de Paul Gipe : “Avec des éoliennes à axe vertical, on peut dans certains cas réaliser les mêmes performances technico-économiques qu’avec des éoliennes à axe horizontal, mais plus que
probablement pas mieux“.
Propriétés des éoliennes à axe vertical par rapport
aux modèles
standards Avantages Inconvénients
Simplicité. Parfois oui, on peut arriver à un
concept plus simple Parfois non, on n’aboutit pas
systématiquement à plus de simplicité
Meilleure fiabilité. Peu probable, mais
peu de retour d’expérience.
Positionnement. Toujours bien placé par rapport au vent.
Entretien. Equipement au niveau du sol.
Prix. Moins cher, mais le rendement est-il égal ?
Rendement mécanique (transformation énergie du vent).
Meilleur rendement en vent turbulent/changeant. (Cas des implantations urbaines ou proches du sol).
Peu de retour d’expérience.
Rendement économique.
Peu de retour d’expérience.
Émission de bruit. Théoriquement moins bruyantes parce que les vitesses sont plus faibles.
Tableau récapitulatif des propriétés des éoliennes à axe vertical par rapport aux modèles conventionnels d’éoliennes.
Distinction selon le nombre de pales
On peut faire une distinction entre les éoliennes suivant le nombre de pales.
Distinction entre éoliennes à axe horizontal selon le nombre de pales.
Dans le cas des éoliennes à axe horizontal, la plupart des éoliennes ont 3 pales. En
fait, il s’agit du meilleur compromis entre différentes contraintes. Une éolienne à 3 pales (ou plus) tourne plus régulièrement qu’une éolienne à 1 ou 2 pales, on a un meilleur équilibre du rotor. D’un point de vue esthétique, les effets de battement visuel sont plus importants pour les éoliennes à moins de 3 pales. Le rendement aérodynamique, c’est-à-dire la capacité à convertir l’énergie du vent en énergie mécanique (et donc, in fine, en électricité), est équivalent de 2 à 4 pales. Il augmente sensiblement à partir de 5. Le seul avantage d’avoir une éolienne à deux pales plutôt qu’à trois est qu’elle sera meilleur marché, mais elle tournera de manière moins régulière ce qui est synonyme de durée de
vie plus courte. On ne monte pas au-delà de 4 pales à cause de la diminution de la tenue mécanique : en effet, la “corde” des pales diminue avec le nombre de pales.
Nombre de pâles 1 2 3 4 5
Équilibre du rotor – – + + + Esthétique (effet de
battement visuel)
– – + + +
Rendement
aérodynamique – = = = + Bruit et fatigue – – + + + Tenue mécanique + = = – –
Tableau récapitulatif des propriétés des éoliennes à axe horizontal en fonction du nombre de pales.
Pour conclure cette rubrique, on peut mettre en garde contre certaines conclusions intuitives qui peuvent induire en erreur. Dans le cas des éoliennes à axe vertical, il existe des modèles avec un grand nombre d’ailettes donnant à l’ensemble un aspect très compact. Cette forte densité n’est pas nécessairement synonyme de meilleures performances (aérodynamiques). Comme il sera montré par la suite, la puissance
dépend essentiellement de la surface balayée par le rotor. Or, cette surface ne varie pas en augmentant le nombre de pales. Tout au plus, on balaye cette surface de manière plus efficace. Néanmoins, on peut aussi alourdir inutilement la structure ce qui grève les performances.
Distinction selon la protection contre les vents importants
C’est un aspect fondamental. En effet, en présence de vents importants ou de rafales, il s’agit d’éviter les contraintes mécaniques trop importantes et les vitesses de rotation excessives, c’est-à-dire d’éviter la casse, d’assurer l’intégrité du matériel.
On distingue d’une part les stratégies de contrôle par l’aérodynamique. On joue sur l’orientation des ailes pour modifier leurs propriétés aérodynamiques et donc réduire la force exercée par le vent.
Soit on réduit l’angle d’attaque des pales qui présentent alors un rendement plus faible. On peut aller jusqu’à mettre les pales face au vent où elles seront soumises à une force nulle.
Soit on augmente l’angle d’attaque jusqu’au décrochage du profil (“stall control” en anglais).
Une autre manière de procéder est de placer directement un frein aérodynamique sur l’aile (mais cela est physiquement équivalent à chercher le décrochage).
Ces modifications des propriétés aérodynamiques peuvent être réalisées sur l’entièreté de l’aile ou sur seulement une fraction de celle-ci, par exemple sur le bout d’aile.
À noter que l’on peut jouer sur l’orientation de l’éolienne à axe horizontal. Dans ce cas de figure, il s’agit de réduire la surface présentée au vent par le rotor de l’éolienne en la décalant par rapport à la direction du vent. Comme cette surface est réduite, la
puissance du vent est directement réduite. Typiquement, on décale l’éolienne à gauche ou à droite suivant son axe vertical, soit on place l’éolienne en “hélicoptère” en tirant le rotor vers l’arrière.
D’autre part, on trouve le freinage dynamique ou électrique. Dans ce cas, c’est un frein mécanique qui limite la vitesse de rotation. Cette fonction peut être réalisée par le génératrice électrique.
Le freinage aérodynamique est une stratégie dont on ne peut se passer pour les grandes éoliennes. On peut se limiter au freinage dynamique que pour les éoliennes de faible puissance.
Distinction selon le mode de régulation de la vitesse du rotor : vitesse
constante ou variable
Le rendement aérodynamique instantané, ou coefficient de performance, d’une éolienne dépend du rapport entre la vitesse en bout de pales et la vitesse du vent (évaluée bien en amont de l’éolienne) :
Lambda = tip speed ratio (TSR) = u/V, avec,
u, la vitesse en bout de pale induite par la vitesse de rotation du rotor, et V, la vitesse en amont de l’éolienne.
Pour optimiser la conversion de la puissance du vent en puissance mécanique appliquée au rotor, il faut que se rapport Lambda ne soit ni trop faible, ni trop élevé. Si la vitesse du vent change, la vitesse de rotation de l’éolienne devrait idéalement pouvoir s’adapter pour maintenir le TSR constant et donc toujours travailler avec les meilleurs rendements.
Par conséquent, on distingue les éoliennes à vitesse de rotation constante des éoliennes à vitesse de rotation variable. Ces dernières permettent de suivre le régime de vent et d’obtenir de meilleurs rendements en adaptant la vitesse de rotation de l’éolienne.
Il existe une deuxième raison qui justifie de travailler avec une éolienne à vitesse de rotation variable. De part nature, la vitesse du vent est fluctuante. Si l’éolienne a une vitesse de rotation constante alors ces fluctuations de vitesse se traduisent par des fluctuations du couple mécanique exercé sur l’arbre. Nous sommes alors en présence de contraintes mécaniques fluctuantes qui peuvent accélérer l’usure de la transmission entre le rotor et la génératrice. Travailler avec un rotor à vitesse variable permet d’absorber les fluctuations de vitesse par une accélération de la vitesse du rotor.
Une éolienne à vitesse de rotation variable suppose d’avoir systématiquement recours à de l’électronique de puissance. Fort heureusement, cette technique a évolué très
positivement ces dernières années ce qui permet de conserver un bon rendement et un prix acceptable. Par conséquent, le choix d’une éolienne à vitesse de rotation variable est tout à fait abordable et cohérent. Néanmoins, il faut savoir qu’une éolienne à vitesse de rotation constante reste, théoriquement du moins, plus simple.
Positionnement et intégration
Placer une éolienne est une question de compromis. Par exemple, si l’éolienne est placée près de bâtiments, elle pourra subir leur interférence dans la mesure où ces bâtiments influencent globalement la trajectoire de l’air. Par contre, placer une éolienne loin d’un bâtiment pose la question de la ligne de transmission qu’il faudra tirer entre l’éolienne et le poste électrique compatible le plus proche.
Illustration de la structure de l’écoulement d’air autour d’un bâtiment et des zones d’influences.
La figure ci-dessus donne une idée de l’influence d’un bâtiment sur l’écoulement. On voit que le vent est perturbé par la présence du bâtiment avant que ce vent arrive à son niveau, c’est-à-dire en amont. Si l’obstacle placé sur un terrain plat a une hauteur “H”, on considère que l’écoulement est influencé en amont à partir d’une longueur de l’ordre de
“2H”. En aval, le bâtiment influence significativement l’écoulement jusqu’à une longueur de l’ordre de “20H”. C’est donc loin d’être négligeable. Il est important de comprendre que dans ces zones d’influence, l’écoulement est fortement perturbé, c’est-à-dire que l’air subit de fortes fluctuations de vitesse qui sont loin d’être négligeables devant la vitesse du vent en amont. En d’autres termes, il ne s’agit pas de faibles fluctuations qui se superposent au vent initial, comme un “bruit blanc”. Au contraire, le vent subit de fortes fluctuations de vitesse dans toutes les directions de l’espace. En outre, la vitesse
moyenne de l’écoulement est réduite, à certains endroits parfois annulée voire même inversée.
La situation peut être particulièrement complexe dans un milieu urbain où le vent est perturbé par un ensemble de bâtiments. Comme les figures ci-dessous l’illustrent bien, il existe de grandes zones où la vitesse moyenne du vent est réduite. Le comportement du vent n’est pas aléatoire, il obéit à des lois physiques bien précises. Il n’en reste pas moins que son évolution en passant près de bâtiments est loin d’être intuitive. En effet, il est difficile de prédire les caractéristiques de tels types d’écoulement. Par exemple, les résultats ci-dessous ont été obtenus au moyen de simulations numériques complexes.
Norme de la vitesse dans un plan horizontal à 1.5 m du sol (1ere figure), à 4 m du sol (2ème figure) et dans un plan vertical (3ème figure), autour d’un quartier composé d’immeubles. Cette dernière figure illustre bien l’évolution de la vitesse avec la hauteur.
Résultats obtenus au moyen de simulations numériques réalisées par Tatiana de Meester de Betzenbroeck (Architecture et Climat, UCL).
Eoliennes montées sur le toit : éviter les zones d’écoulement turbulent
Exemples d’éoliennes placées sur le toit d’un bâtiment. En premier lieu, le bâtiment Éole à Gosselies (Igretec) qui intègre deux éoliennes à axe vertical dans un immeuble de bureau. Dans ce cas-ci, on voit que les éoliennes font partie intégrante du concept architectural du bâtiment (un peu comme son nom l’indique). En second lieu, un bâtiment avec une série d’éoliennes à axe horizontal placées sur un mât.
dire sans obstacles, sont peu ou pas existantes. L’idée est aussi de ne pas devoir investir dans un mât pour hisser le rotor à une certaine hauteur. Mis à part ces avantages, il reste de sérieux inconvénients à travailler avec une éolienne placée sur un bâtiment :
Comme la figure ci-dessus sur la zone de perturbation d’un bâtiment l’illustre bien, l’écoulement est aussi perturbé au-dessus du toit. Il est moins perturbé sur le bord amont du toit, mais on voit que cette zone grandit en progressant en aval. Si le rotor de l’éolienne est situé dans cette zone d’influence, il rencontrera un vent de vitesse moyenne plus faible et il subira de fortes fluctuations de vitesse. Par conséquent, le rendement sera plus faible et les forces auxquelles l’éolienne sera soumise seront très fluctuantes. Ces charges dynamiques sur la structure et les équipements de l’éolienne peuvent accélérer son usure. Pour conclure, on peut atténuer cet effet en conseillant d’installer l’éolienne près du bord du toit dans la direction des vents dominants.
Les vibrations de l’éolienne, en plus d’être potentiellement plus importantes sur un toit, sont transmises à la structure du bâtiment. Il faut voir si le bâtiment peut supporter cela et voir dans quelle mesure ces vibrations peuvent être absorbées par un dispositif ad hoc. L’impact de la propagation de ces vibrations par les matériaux de construction sur le confort acoustique des occupants n’est pas à négliger non plus.
Les villes étaient généralement bâties dans des sites abrités du vent.
Assurer la viabilité de la structure en cas de tempête devient encore plus critique concernant la sécurité. En effet, que se passe-t-il si l’éolienne est arrachée ou tombe sur une façade, une personne ? On ne peut se permettre que l’éolienne puisse perdre des éléments par grand vent.
L’impact paysager, au vu de la production dérisoire de ces mini-éoliennes, pose question et pourrait nuire à l’image du secteur éolien dans sa globalité alors que ce secteur est plein de potentialités. [APERe]
Tous ces éléments font que l’intérêt d’installer des éoliennes sur le toit de bâtiments est loin d’être évident. On mentionne souvent que les éoliennes à axe vertical sont bien conditionnées pour fonctionner sur un toit dans la mesure où elles sont toujours bien orientées par rapport à la direction du vent. C’est déjà un bon point, mais il n’en reste pas moins que tous les désavantages cités ci-dessus restent d’application. En effet, quand on dit que le vent est perturbé, il ne s’agit pas simplement de dire qu’il change de direction par rapport à la vitesse non perturbée en amont du bâtiment. Non, le vent est aussi sujet à de fortes fluctuations d’amplitude et la direction locale du vent fluctue aussi rapidement dans le temps. Les forces aérodynamiques sur l’éolienne restent donc
relativement instationnaires (c’est-à-dire, variables), même si l’éolienne est à axe vertical.
Au minimum, il faut s’assurer que le constructeur à mis en œuvre des techniques spécifiques pour gérer cela.
Éoliennes intégrées au bâtiment
Exemples d’éoliennes intégrées au bâtiment : le bâtiment Strata en fin de construction à Londres (figures de gauche et centrale ) et le World Trade Centre de Barhain (figure de droite).
Plus délicate encore est l’intégration de l’éolienne au sein même du bâtiment. En d’autres termes, l’éolienne devient partie intégrante du concept architectural, de l’image véhiculée par le bâtiment. Effectivement, cette démarche donne une image, un style
technologique et écologique au bâtiment. Par contre, mis à part ses qualités de vitrine de marque, on peut se poser de sérieuses questions sur l’intérêt d’intégrer des éoliennes directement au bâtiment. Il reste notamment la question de l’absorption des vibrations des éoliennes par le bâtiment. Si elles sont petites, cela ne pose pas de gros
problèmes, mais, d’un autre côté, si elles sont petites, elles ne produiront alors qu’une infime fraction de la consommation du bâtiment. Si les éoliennes sont de tailles plus importantes, elles peuvent fortement perturber la structure du bâtiment.
On peut jouer sur la forme du bâtiment pour obtenir un effet d’accélération au niveau de l’éolienne (effet Venturi).
Néanmoins, on ne peut pas déplacer le bâtiment en fonction de l’orientation du vent. En conclusion, l’intérêt ne semble pas évident.
Les éoliennes carénées
Certaines éoliennes sont munies d’éléments externes au rotor dont l’objectif est de concentrer le vent sur le celui-ci. On pense principalement aux éoliennes carénées où un conduit convergeant ou divergeant enveloppe le rotor de l’éolienne. Les designs peuvent être des plus variés, voire des plus futuristes :
Certains de ces modèles présentent des puissances supérieures aux éoliennes
traditionnelles non carénées. Il ne faut pas y voir pour autant un effet révolutionnaire. L’explication est relativement simple. Lorsque l’on définit la puissance instantanée du vent, il faut être vigilant à la
définition de la surface rencontrée par l’éolienne que l’on utilise. Dans
le cas d’une éolienne classique, il s’agit de la surface balayée par le rotor. Par contre, dans le cas de modèles carénés, il faut tenir compte de ces éléments
supplémentaires extérieurs. Typiquement, il faut prendre la surface frontale de
l’éolienne, carénage inclus. En gros, celui-ci augmente la puissance instantanée du vent en augmentant la surface exposée au vent. Les puissances plus élevées
obtenues par ces éoliennes ne sont donc pas dues à un meilleur rendement, mais à
une augmentation de la puissance du vent rencontrée, c’est-à-dire la source d’énergie.
Le carénage est-il pertinent?
La méthode n’est pas mauvaise, mais il faut savoir que c’est tout aussi simple
d’augmenter la surface du rotor d’une éolienne classique pour qu’il soit équivalent à la surface au vent de l’éolienne carénée. En effet, dans le cas d’une éolienne carénée, ajouter cet élément externe a un certain coût. En outre, il faut pouvoir le maintenir par une structure et l’orienter correctement par rapport au vent. En ce qui nous concerne, nous pensons qu’il est plus simple d’augmenter la taille du rotor d’une éolienne
traditionnelle. Un avantage néanmoins, il épargnerait les oiseaux grâce à l’absence de pièces mouvantes externes.
Dispositifs d’optimisation de l’aérodynamique
Quand on voit la complexité des ailerons acérés des Formules 1, c’est à se demander pourquoi les pales de nos éoliennes sont si minimalistes. Ni aurait-il pas moyen de pousser l’aérodynamique plus loin ? Si la réponse courte est OUI, la réponse longue impose de nuancer.
En effet, si une pale d’éolienne est loin de la complexité d’un aileron de formule 1, la raison se situe probablement dans une balance coût/bénéfice pour laquelle le point de vue n’est pas le même. D’un côté, en formule 1, on cherchera le bénéfice maximal, qu’importe le coût et la durée de vie ; de l’autre côté, celui de l’éolien, ce sera la solution proposant le meilleur rapport coûts/bénéfices tout au long du cycle de vie qui
l’emportera. Ce dernier point de vue menant logiquement à des solutions simples, éprouvées, efficaces et durables avec “peu” de débauche de moyens. En résumé, cela revient moins cher de faire plus grand que de faire plus complexe.
Néanmoins, les techniques évoluent et les coûts associés également. Pour cette raison, certaines technologies que l’on retrouve dans le monde des sports moteurs, mais aussi de l’aéronautique deviennent suffisamment matures et abordables pour être intégrées dans le secteur éolien.
Les winglets
Afin de réduire la traînée induite par les tourbillons de bout d’aile, certains dispositifs biomimétiques comme les winglets (petite ailette perpendiculaire à la pale située en bout d’aile) ont été développées pour permettre de limiter les turbulences en bout d’aile.
En réduisant la trainée, c’est à la fois de rendement qui est amélioré (1 à 3 %) mais également une réduction du bruit qui peut être observée. Ce type de dispositif est déjà très présent dans le monde aéronautique (on y voit même des doubles winglets aussi appelés “split winglets”).
Les chevrons ou dentelures
Afin d’améliorer l’aérodynamique et le rendement, mais surtout l’acoustique qu’induisent les turbulences au niveau du bord de fuite, certaines sociétés s’inspirent du vol silencieux du hibou et étudient des solutions pour
“adoucir” les perturbations.
Ainsi, par bio mimétisme, en s’inspirant des plumes d’hibou, des dentelures ou chevrons sont apposés au bord de fuite. Ces
entreprises promettent une réduction de 5dB grâce à ce dispositif. Wait and see !
Les générateurs de vortex
Accolés sur l’extrados de la pale, non loin du bord d’attaque, les générateurs de vortex, sorte de petites lames, permettent de contrer la séparation prématurée des flux et ainsi augmentent la portance de la pale. Se faisant, le bruit est réduit et le rendement, en poussant la limite de décrochage plus loin, est amélioré. Ce dispositif peut être placé a posteriori.
Ecoulement de l’air avec générateurs de vortex.
Génératrice et dynamique du rotor
energieplus-lesite.be/techniques/eolien6/generatrice-et-dynamique-du-rotor/
Il s’agit d’une section plus technique qui approfondit certains aspects liés à la dynamique de l’éolienne. Cela inclut inévitablement de considérer la technologie de génératrice utilisée ainsi que de considérer le système de transmission. Il n’est pas absolument nécessaire de comprendre les concepts suivants pour se familiariser avec les éoliennes, mais ils présentent l’avantage d’expliquer certains choix techniques.
Génératrice et transmission
La génératrice est l’élément d’une éolienne qui transforme l’énergie mécanique en énergie électrique. Les pales transforment l’énergie cinétique en énergie mécanique, celle-ci étant transmise à la génératrice via le système de transmission. Une fois le courant produit, celui-ci est généralement injecté sur le réseau électrique.
Illustration de la transmission entre le couple moteur appliqué sur les pales et la génératrice dans le cas d’une éolienne à axe horizontal.
Dans le cas des éoliennes à axe horizontal, la typologie de la chaîne de transmission est
relativement standard. On trouve d’un côté les pales qui sont
soumises à une certaine force et qui ont une certaine vitesse de rotation. Ces pales sont solidarisées à un moyeu, ce moyeu est lui-même connecté à l’arbre de transmission qui, in fine, est sujet à un couple moteur. À l’autre extrémité, on trouve la génératrice. Il s’agit de machines tournantes composées d’un stator et d’un rotor. Du coup, dans la suite de cette section, il faudra être vigilant dans l’utilisation du vocabulaire technique pour ne pas confondre le rotor de la génératrice avec le rotor de l’éolienne, composé des pales.
De manière générale, on trouve une boîte de vitesse (gear box) intercalée entre l’arbre et la génératrice. En effet, la majorité des génératrices imposent une vitesse de leur rotor significativement supérieure à la vitesse du rotor de l’éolienne. Par conséquent, il est nécessaire de placer une boîte de vitesse pour multiplier la vitesse de rotation et assurer le couplage entre ces deux entités.
Génératrices synchrones ou asynchrones
On se trouve aussi bien en présence de machines synchrones (aussi appelées
alternateurs) que de machines asynchrones (aussi appelées machines à induction). Le but de cette section n’est pas de donner une explication sur le mode fonctionnement de ces deux machines, mais plutôt de développer leurs spécificités et leurs impacts dans le cadre de l’éolien. La suite des développements est assez technique, mais, dans ce domaine, il est difficile de simplifier plus les propos. Fort heureusement, les fabricants d’éoliennes choisissent le bon système électrique adapté à leur éolienne. Même si ce n’était pas le cas, cela reste une question de spécialiste. En conclusion, il ne vous sera jamais demandé de choisir ou de concevoir un système électrique, composé d’un générateur, pour une éolienne. Des concepts sont uniquement introduits afin de permettre au lecteur de comprendre les enjeux de la conception de la génératrice.
Pour le lecteur qui ne souhaite pas aller plus loin, nous résumons le point important à retenir. Dans le cas des machines tournantes synchrones et asynchrones, on trouve une certaine tension alternative aux bornes du stator. Elle présente une certaine fréquence, f.
Dans le cas des machines synchrones, son rotor doit tourner à une vitesse
constante dépendant de cette fréquence (à la vitesse dite de synchronisme). Si le stator est directement connecté au réseau électrique, la fréquence du stator, f, est la fréquence du réseau (50 Hz). Par conséquent, le rotor de la génératrice tourne à une vitesse fixe imposée par le réseau que l’on ne peut changer.
Dans le cas des machines asynchrones, son rotor tourne à une vitesse différente de la vitesse de synchronisme. Cette différence de vitesse de rotation dépend à la fois des propriétés de la machine et du couple moteur exercé sur le rotor de la génératrice. En conclusion, même si la machine est directement connectée au réseau électrique, il reste une certaine latitude sur la vitesse de rotor.
Moteurs synchrones
Dans le cas d’une machine synchrone, un champ magnétique est généré au niveau du rotor au moyen d’un aimant permanent ou d’un électroaimant alimenté en courant continu. De manière générale, on trouvera les technologies à aimant permanent sur les petites éoliennes. En effet, il est plus difficile de mettre en œuvre des aimants
permanents sur des grandes machines. La spécificité de la machine synchrone est que le rotor tourne à la même vitesse que la fréquence de la tension appliquée au stator divisée par le nombre de paires de pôles de la machine :
n = ns = f/p, où,
f représente la fréquence de la tension au stator, p, le nombre de paires de pôles,
ns, la vitesse de synchronisme et n, la vitesse de rotation du rotor.
De par le principe de fonctionnement de cette machine, le rotor tourne à la vitesse de synchronisme.
Si la génératrice est directement connectée au réseau électrique, la fréquence du stator, f, est égale à la fréquence du réseau électrique (c’est-à-dire 50 Hz). Le rotor tourne alors à une vitesse constante, n, qui dépend du nombre de paires de pôles de la génératrice, p.
Pour des questions de contraintes constructives, on ne peut augmenter ce nombre de pôles de manière infinie. La majorité des éoliennes ont deux paires de pôles. La vitesse de rotation du rotor sera donc de 1 500 tours/min. Cette vitesse est supérieure aux vitesses de rotation des éoliennes si bien que cela justifie la présence d’une boîte de vitesse. Néanmoins, certains modèles ont un nombre de pôles plus important ce qui permet de réduire cette vitesse de synchronisme et d’être dans le même ordre de
grandeur que la vitesse du rotor de l’éolienne. Dès lors, un couplage direct sans boîte de
vitesse devient possible. Cela se fait au prix d’une machine plus complexe, plus
volumineuse et donc, plus lourde et plus chère. En contrepartie, on a épargné la boîte de vitesse.
Le couple résistif du générateur dépend du décalage, c’est-à-dire du retard qui existe entre la force électromotrice (fem) générée par le rotor et la tension au stator. On appelle ce décalage, l’angle électrique. Si l’angle correspondant à ce déphasage dépasse 90°, on a phénomène dit de décrochage où le rotor s’emballe et la génératrice ne
parvient plus à le freiner.
Courbe caractéristique du couple électrique en fonction de l’angle électrique pour une machine synchrone.
Moteurs asynchrones
Dans le cas d’une machine asynchrone, un courant alternatif est induit dans les bobines du rotor par le champ magnétique du stator. Ce courant est généré parce que le rotor tourne à une vitesse légèrement différente que la vitesse du champ magnétique généré par le stator, celui-ci tourne à la vitesse de synchronisme (telle que définie ci-dessus). Ce courant dans le rotor produit à son tour un champ magnétique qui interagit avec le champ initial du stator. De cette interaction, il est produit un courant qui sort de la machine. De par cette explication, on en déduit que la vitesse de rotor diffère de la vitesse de synchronisme (par définition, l’effet utile a lieu s’il existe une différence de vitesse). Si on reprend la notation ci-dessus, on a “n” différent de “ns”. Cette différence de vitesse est appelée glissement,
s = (ns – n)/ns, et différent de 0.
Le couple de freinage exercé par la génératrice sur le rotor dépend de ce glissement, s.
On voit donc que la vitesse de rotation dépend du couple exercé sur le rotor du moteur.
Dans le cas de la machine synchrone, on avait un couple qui dépendait d’un déphasage entre le rotor et le stator, l’angle électrique, mais l’ensemble tournait à la même vitesse.
Par contre, dans le cas de la machine asynchrone, on a un couple dépendant de la différence de vitesse entre rotor et stator.
Courbe caractéristique du couple électrique en fonction du glissement pour une machine asynchrone.
Si la génératrice est directement connectée au réseau électrique, la vitesse de
synchronisme, ns, est fixée par la fréquence du réseau et le nombre de pôles. Dans le cas de la machine asynchrone, le rotor peut tourner à une vitesse différente qui dépend du couple exercé par le rotor et de la courbe caractéristique du couple électrique du moteur à induction (présentée ci-dessus). Si on peut jouer sur le glissement de la machine, on peut alors fonctionner à une vitesse différente que celle imposée par le réseau qui est constante. On gagne en souplesse.
Dynamique du rotor : vitesse variable ou constante
Reprenons une nouvelle fois la configuration de la chaîne de transmission entre le rotor de l’éolienne, d’une part, et le rotor de la génératrice, d’autre part.
Schéma des forces appliquées au système de transmission ainsi que les éléments dominant pour l’inertie.
Si l’on examine les forces qui s’exercent sur l’arbre de l’éolienne, on voit que l’on trouve, d’un côté, le couple mécanique exercé par les forces
aérodynamiques sur les pales de l’éolienne, et d’un autre côté, le couple de freinage exercé par la génératrice sur le rotor (c’est-à-dire le couple électrique). En effet, si l’arbre exerce un certain couple sur la génératrice alors la génératrice exerce par réaction un couple de freinage sur son rotor. On trouve souvent intercalé entre les deux extrémités une boîte de vitesse pour rendre les vitesses de rotation compatibles. Le rotor de l’éolienne ainsi que le rotor de la génératrice représentent les contributions principales pour l’inertie de la chaîne de transmission.
La vitesse du vent est, de par nature, fluctuante dans le temps, si bien que le couple aérodynamique varie suivant ces variations. On distingue deux grands types de fonctionnement qui ont un impact sur la manière dont on gère ces fluctuations de couple aérodynamique :
Éolienne à vitesse de rotation constante directement couplée au réseau électrique
On considère ici une machine, synchrone ou asynchrone, directement connectée sur le réseau d’énergie électrique. Par “directement”, on veut dire que l’on n’a pas intercalé, entre la sortie de la génératrice et le réseau, un système d’électronique de puissance qui permet de découpler le comportement électrique du réseau de celui de la machine (c’est- à-dire essentiellement un système “redresseur-onduleur”). C’est le montage le plus
Comme le stator de la génératrice est directement connecté au réseau, on connaît la vitesse de synchronisme de la machine, ns.
Dans le cas de la machine synchrone, le rotor doit strictement tourner à la vitesse de synchronisme, ns.
Pour la machine à induction, la vitesse de rotation est différente de la vitesse de synchronisme, ce qui correspond à un certain glissement, s. Néanmoins, il faut savoir que ce dernier est limité. En fait, il est d’autant plus limité que la machine est puissante, et ce, pour une question d’efficacité énergétique.
Dans le cas d’une éolienne qui tourne à vitesse constante, le couple électrique doit être constamment adapté au couple aérodynamique. Tout au plus, on peut essayer
d’intercaler entre les deux extrémités de la transmission, une certaine forme d’amortissement mécanique qui permet que les à-coups ne se traduisent pas
directement en contraintes mécaniques dynamiques importantes sur l’ensemble de la transmission, avec les problèmes de durée de vie qui y sont liés.
Couple moteur aérodynamique = Couple résistif électrique
Si le vent vient à augmenter brusquement, cela se traduit par une augmentation
soudaine du couple aérodynamique. Le couple résistif du générateur s’adapte presque instantanément pour égaler ce couple aérodynamique. Cela se fait soit par une
augmentation de l’angle électrique dans le cas d’une machine synchrone, ou par une augmentation du glissement dans le cas d’une machine à induction.
On voit qu’avec ce mode de fonctionnement, on a deux désavantages :
Le système de transmission est soumis à des charges dynamiques mécaniques importantes,
Par définition, la vitesse de rotation de l’éolienne reste constante (ou varie un peu dans le cas de la machine asynchrone avec glissement), et ce, quel que soit le
régime de vent. Par conséquent, on ne peut maintenir le rapport entre la vitesse en haut de pale et la vitesse du vent qui garantit les meilleurs rendements
aérodynamiques de la machine. On perd en efficacité.
Éolienne à vitesse de rotation variable couplée au réseau
On veut pouvoir travailler à vitesse de rotation variable pour toujours aller chercher les meilleurs rendements, en maintenant le “tip-speed ratio” optimum. En outre, on veut pouvoir minimiser les charges dynamiques sur la chaîne de transmission. En effet, si le vent vient à augmenter brusquement, cela se traduit par une augmentation soudaine du couple aérodynamique. Comme le couple électrique n’est pas obligé de s’adapter en fonction, le rotor va simplement se mettre à accélérer. En d’autres termes, le rotor
accumule sous forme d’énergie cinétique (au moyen de l’inertie de rotation) l’énergie des fluctuations rapides de vent. Une fois que le vent diminue et reprend sa valeur
précédente, le rotor décélère lentement en transférant son énergie accumulée à la génératrice.
Couple moteur aérodynamique différent du Couple résistif électrique
Génératrice synchrone couplée au réseau via un système redresseur- onduleur
La fréquence à la sortie du stator de la génératrice synchrone n’est pas fixée. En effet, le système redresseur-onduleur permet de découpler le fonctionnement électrique de la machine électrique et du réseau. Du coup, c’est la vitesse de rotation du rotor qui donne la fréquence électrique à la sortie du stator. On peut laisser la vitesse de rotor varier. La fréquence du stator sera elle aussi variable, mais cela n’a aucune importance dans la mesure où un couple redresseur-onduleur va transformer cette tension alternative en une autre de fréquence et de tension différente, en l’occurrence, celles du réseau électrique.
Génératrice asynchrone combinée directement au réseau avec glissement important
Si on peut jouer sur le glissement de la machine à induction et que l’on est capable de le faire varier sur de larges plages, alors on peut travailler avec un rotor à vitesse variable.
Typiquement, on peut augmenter le glissement du moteur en ajoutant des résistances au rotor. Cela peut se faire par un jeu de balais qui connecte le rotor par l’extérieur, ce qui permet d’avoir des éléments du circuit électrique à l’extérieur du rotor, autrement dit,
l’extérieur du rotor à un endroit où elles peuvent évacuer facilement la chaleur.
Néanmoins, ces pertes par effet Joule grèvent sérieusement le rendement. On ne peut pas raisonnablement envisager de travailler de cette manière.
Une solution est de faire varier les caractéristiques électriques du rotor via un système d’électronique de puissance. Dans ce cas, on peut faire varier le glissement de manière significative et donc la vitesse de rotation de l’éolienne sans créer de dissipation
importante et donc conserver l’efficacité énergétique. L’avantage par rapport à une
génératrice synchrone avec redresseur-onduleur est que, dans ce cas-ci, l’électronique de puissance embarquée est moins importante.
