Qu'est-ce qu'une éolienne ?
Les éoliennes sont une source d'énergie renouvelable qui peut être installée aussi bien sur terre qu'en mer. Elles fonctionnent en capturant l'énergie cinétique du vent pour faire tourner une turbine, qui produit ensuite de l'électricité via un générateur électrique.
Les éoliennes existent en différentes tailles, allant des petites unités pour un usage domestique (puissance en kW) aux grandes installations capables d'alimenter une ville entière (puissance en MW). Elles deviennent également de plus en plus abordables à mesure que la technologie évolue.
Éoliennes
Il y a de nombreux avantages à utiliser des éoliennes, notamment la réduction de la dépendance aux combustibles fossiles (charbon, pétrole, etc.) et la diminution des émissions de gaz à effet de serre. Cependant, il y a aussi quelques inconvénients à considérer, tels que le bruit et l'impact visuel. En général, les éoliennes sont considérées comme un moyen propre et efficace de produire de l'énergie renouvelable.
Qu'est-ce que le vent et comment est-il causé ?
Le vent est simplement le déplacement de l'air dans notre atmosphère. Ce mouvement est provoqué par des différences de pression résultant de divers facteurs. Lorsque l'air est chauffé par le soleil, il monte, créant une zone de basse pression. À l'inverse, lorsque l'air refroidit, il descend, entraînant une zone de haute pression. Ces différences de pression font que l'air se déplace des zones de haute pression vers les zones de basse pression, cherchant à s'équilibrer.
La vitesse à laquelle l'air se déplace dépend de l'ampleur de la différence de pression. Une grande différence de pression entraîne des vents plus forts, tandis qu'une petite différence de pression produit des brises plus douces. S'il n'y avait aucune différence de pression, il n'y aurait pas de vent, mais cela ne se produit pas dans les situations réelles. Le processus continu d'égalisation de la pression conduit à un mouvement constant de l'air, et c'est cela qui façonne les modèles météorologiques et climatiques que nous expérimentons quotidiennement.
Pour mieux comprendre comment le vent se produit, nous pouvons nous référer au processus de convection naturelle. L'air chauffé monte car il devient moins dense et l'air plus frais le déplace en raison de sa plus grande densité. Ce déplacement pousse l'air moins dense (plus chaud) vers le haut, créant un cycle d'air ascendant/montant et d'air descendant/refroidissant. La convection naturelle se produit à une échelle beaucoup plus grande dans l'atmosphère terrestre, mais le principe de base reste le même.
Convection Naturelle
Quels sont les principaux types d'éoliennes ?
Les éoliennes peuvent être classées de différentes manières, mais l'une des façons les plus simples de les classer est par leur axe de rotation. Les éoliennes à axe horizontal (HAWT) sont utilisées pour les applications commerciales de grande envergure et sont celles que la plupart des gens ont vues. Les éoliennes à axe vertical (VAWT) sont moins courantes, moins efficaces, et ne sont pas utilisées pour les applications commerciales de grande envergure.
Quelles sont les principales parties d'une éolienne ?
Un aperçu rapide de chaque composant d'une éolienne est donné ci-dessous à des fins de familiarisation ; une description détaillée de chaque partie est ensuite fournie.
Parties d'une Éolienne
Les principales parties d'une éolienne sont :
- Fondation – supporte le poids de la turbine et de toutes ses parties. La fondation est généralement construite en béton ou en acier.
- Tour – fournit un support structurel et élève la nacelle.
- Nacelle – abrite toute la machinerie de production d'énergie.
- Rotor – composé des pales et d'un moyeu.
- Pales – conçues avec une forme de profil aérodynamique pour capturer l'énergie cinétique du vent et la convertir en puissance mécanique.
- Moyeu – une pièce commune à laquelle toutes les pales se connectent.
- Axe à basse vitesse – transfère l'énergie mécanique (mouvement rotatif) du rotor à une boîte de vitesses.
- Boîte de vitesses – prend la vitesse de rotation de l'axe à basse vitesse et l'augmente.
- Axe à haute vitesse – la sortie à haute vitesse de la boîte de vitesses se connecte à l'axe à haute vitesse.
- Générateur – convertit l'énergie mécanique de l'axe à haute vitesse en énergie électrique.
- Système de freinage – arrête la rotation du rotor en cas d'urgence, lorsque la vitesse du vent est trop faible, ou lors de la maintenance de la turbine.
- Système de contrôle d'orientation – un système hydraulique qui aligne le rotor de la turbine avec la direction du vent pour une capture optimale de l'énergie.
- Système de contrôle de pas – un système hydraulique utilisé pour changer le pas des pales du rotor. En variant le pas (angle d'attaque), on varie la puissance de sortie de la turbine.
- Électronique – régule la tension et la fréquence de sortie du générateur.
- Transformateur – généralement installé à la base de la tour ou monté dans la nacelle. Le transformateur augmente la tension de sortie du générateur pour une transmission d'énergie efficace.
Un examen détaillé de chacune des principales parties d'une éolienne sera maintenant donné.
Tour
La tour élève la nacelle, maximisant ainsi son exposition aux vitesses de vent plus élevées présentes à de plus grandes hauteurs. Plus la vitesse du vent est élevée, plus la quantité d'énergie disponible pour la conversion en énergie électrique est grande.
Nacelle
La nacelle est une enceinte située au sommet de la tour. Elle abrite toute la machinerie de production d'énergie, y compris la boîte de vitesses, le générateur et les systèmes de contrôle. La nacelle protège la machinerie de production d'énergie de l'environnement, réduisant ainsi les effets de l'usure, de la corrosion et de l'érosion.
Rotor
Le rotor se compose de deux parties principales : les pales et le moyeu. Le rotor capture l'énergie éolienne et la convertit en puissance mécanique. Lorsque le vent souffle sur les pales, il induit une force de rotation (couple) qui est transmise au moyeu, puis au reste des actifs rotatifs de la turbine (axe à basse vitesse, boîte de vitesses, axe à haute vitesse et générateur).
Pales
Les pales convertissent l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique ; cela est réalisé car chacune des pales a une forme de profil aérodynamique. Le design aérodynamique génère une portance lorsque l'air s'écoule sur la surface de la pale. La portance est la force linéaire qui agit sur la pale, mais c'est le couple - une force rotative - qui fait tourner les pales.
Moyeu
Le moyeu sert de point de connexion central pour toutes les pales de la turbine. Le moyeu transfère le mouvement de rotation généré par les pales à l'axe à basse vitesse, puis aux autres actifs rotatifs de la turbine.
Axe à basse vitesse
L'axe à basse vitesse transmet le mouvement de rotation du rotor à la boîte de vitesses.
Boîte de vitesses
La boîte de vitesses prend la faible vitesse de rotation de l'axe à basse vitesse et l'augmente avant de la transmettre à l'axe à haute vitesse.
Axe à haute vitesse
L'axe à haute vitesse transfère l'énergie de rotation de la boîte de vitesses au générateur.
Générateur
Le générateur est responsable de la conversion finale de l'énergie. Il convertit l'énergie mécanique de l'axe à haute vitesse en énergie électrique.
Système de freinage
Le système de freinage permet un contrôle opérationnel sûr de l'éolienne. Il peut arrêter la rotation du rotor en cas d'urgence, de faibles vitesses de vent ou pour des activités de maintenance.
Système de contrôle d'orientation
Le système de contrôle d'orientation est utilisé pour ajuster l'orientation de la nacelle et du rotor par rapport à la direction du vent. Ce système optimise la capture de l'énergie en s'assurant que les pales font face au vent à l'angle le plus efficace. Les systèmes de contrôle d'orientation sont généralement actionnés électriquement ou hydrauliquement.
Système de contrôle de pas
Le système de contrôle de pas modifie l'angle d'attaque des pales du rotor par rapport au vent. Ajuster le pas d'une pale ajuste la puissance totale de sortie de la turbine. En raison de la nature du vent et de ses conditions variables, le contrôle de pas est essentiel pour le fonctionnement efficace d'une éolienne.
Électronique
L'électronique gère et régule divers aspects du fonctionnement de la turbine. Elle contrôle la tension et la fréquence de sortie du générateur, garantissant que la turbine peut être connectée (synchronisée) au réseau de manière sûre et efficace.
Transformateur
Généralement situé soit à la base de la tour, soit dans la nacelle, le transformateur sert à augmenter la tension de sortie du générateur. Cette augmentation de tension entraîne une réduction du courant, ce qui signifie que les pertes de puissance de transmission peuvent être réduites de manière significative.
Câbles et Poste de Transformation
Les câbles transportent l'énergie électrique de l'éolienne à un poste de transformation. Plusieurs éoliennes se connectent à un seul poste de transformation. Le poste de transformation connecte le parc éolien au réseau électrique.
Comment fonctionnent les éoliennes ?
Les éoliennes commerciales sont des structures hautes, généralement avec trois pales, qui tournent autour d'un axe central. L'axe central est formé d'un axe à basse vitesse entre un moyeu de rotor et une boîte de vitesses, et d'un axe à haute vitesse entre la boîte de vitesses et le générateur électrique (les deux axes ne sont pas littéralement installés le long d'un axe central, mais sont légèrement décalés).
Les pales de la turbine sont mises en rotation par l'énergie cinétique du vent (énergie du mouvement). Chaque pale a une forme de profil aérodynamique pour maximiser la portance et minimiser la traînée. La portance est une force qui agit sur les pales lorsque le vent les traverse, mais c'est le couple (force rotative) qui fait tourner les pales autour de l'axe central.
Conception de Profil Aérodynamique
Les pales se connectent à un moyeu de rotor commun, qui se connecte à un axe à basse vitesse, puis à une boîte de vitesses, puis à un axe à haute vitesse, et enfin à un générateur. L'énergie cinétique du vent est convertie en puissance mécanique par les pales de la turbine ; cette puissance est ensuite transférée à un générateur où elle est convertie en énergie électrique. Tous ces composants sont logés dans une nacelle, qui est installée au sommet d'une tour.
Les éoliennes utilisent souvent un design de tour monopieu cylindrique, bien que des constructions de type treillis soient également possibles. Les tours monopieu sont généralement fabriquées en acier, mais peuvent également être construites en béton.
Quelle taille peuvent avoir les éoliennes ?
La plus grande éolienne commerciale est la Haliade-X de General Electric. La Haliade-X mesure 260 m (853 ft) de haut, a un diamètre de rotor de 220 m (721 ft), et peut générer presque 13 MW de puissance électrique (suffisante pour environ 10 000 foyers).
Pourquoi les éoliennes sont-elles si hautes ?
Les vitesses du vent sont plus élevées à des altitudes plus élevées. La quantité d'énergie qu'une éolienne peut extraire du vent est proportionnelle à la vitesse du vent. Des vitesses de vent plus élevées contiennent plus d'énergie potentielle, donc les éoliennes sont construites hautes pour atteindre cette énergie potentielle et la récolter.
Quels sont les avantages des éoliennes ?
Les éoliennes sont de plus en plus utilisées comme source d'énergie renouvelable. Il y a de nombreux avantages à utiliser des éoliennes par rapport aux sources de combustibles fossiles traditionnelles, y compris leur absence d'émissions (une fois installées et mises en service), leurs faibles coûts de maintenance, et leur capacité à générer de l'électricité même à de faibles vitesses de vent. Les éoliennes peuvent également être utilisées pour compléter d'autres sources d'énergie, telles que le solaire (photovoltaïque, souvent abrégé en 'PV'), l'hydro, et les centrales électriques non renouvelables (charbon, gaz, pétrole, etc.). De plus, les éoliennes peuvent être construites sur une variété de types de terrains, y compris les terres agricoles, les déserts, les zones urbaines, et même en mer (offshore).
Quels sont les inconvénients des éoliennes ?
Les éoliennes sont une source d'énergie renouvelable de plus en plus populaire, mais elles présentent également quelques inconvénients. L'un des problèmes les plus significatifs est que les éoliennes peuvent être visuellement peu attrayantes pour certaines personnes, en particulier dans les zones rurales. Elles représentent également une source de pollution sonore, car les pales d'une turbine peuvent générer du bruit en raison du mouvement des pales dans l'air, et parfois aussi en raison de vibrations. Les éoliennes peuvent représenter une menace pour la faune, car les oiseaux et les chauves-souris peuvent être tués s'ils volent dans les pales. Enfin, les éoliennes peuvent être une source de pollution lumineuse, car les pales en rotation créent des ombres vacillantes.
Dans l'ensemble, les éoliennes offrent une source d'énergie relativement propre, mais elles présentent également des inconvénients mineurs.
Où peut-on installer une éolienne ?
Les éoliennes peuvent être trouvées dans une variété d'endroits, des champs ouverts aux sommets des montagnes. Souvent, elles sont regroupées dans des 'parcs éoliens' qui peuvent générer des quantités significatives d'énergie (centaines de MégaWatts). Certains des plus grands parcs éoliens sont situés aux États-Unis, en Chine, au Royaume-Uni et en Allemagne. À mesure que l'utilisation de l'énergie éolienne continue de croître, il est probable que les éoliennes deviendront encore plus courantes.
Parc Éolien
Ressources pour en savoir plus sur les éoliennes :
Le Programme Éolien du Département de l'Énergie des États-Unis propose une mine d'informations sur son site web.
Ressources supplémentaires
https://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine
https://www.enelgreenpower.com/learning-hub/renewable-energies/wind-energy/wind-turbine
https://www.repsol.com/en/energy-and-the-future/future-of-the-world/wind-turbine/index.cshtml