Contribution à l’étude d’une chaine de conversion éolienne de faible puissance à axe horizontal

 Introduction

L‘énergie est l‘un des moteurs du développement des sociétés. La civilisation industrielle s‘est bâtie autour de l‘exploitation du charbon à la fin du 18e siècle, puis du pétrole au milieu du 20e siècle. Depuis le premier choc pétrolier de 1973, les pays industrialisés optent progressivement pour les énergies nouvelles et renouvelables. D’une façon générale, les énergies renouvelables sont des modes de production d’énergie utilisant des forces ou des ressources dont les stocks sont illimités. L’eau des rivières faisant tourner les turbines d’un barrage hydroélectrique ; le vent brassant les pales d’une éolienne; la lumière solaire excitant les photopiles; mais aussi l’eau chaude des profondeurs de la terre alimentant des réseaux de chauffage. En plus de leur caractère illimité, ces sources d’énergie sont peu ou pas polluantes, le solaire, l’éolien, l’eau,…etc, ne rejettent aucune pollution lorsqu’elles produisent de l’énergie. L‘aérogénérateur est basé sur le principe des moulins à vent. Le vent fait tourner les pales qui sont elles-mêmes couplées à un rotor et à une génératrice. Lorsque le vent est suffisamment fort, les pales tournent et entraînent la génératrice qui produit de l’électricité. L‘énergie éolienne est aujourd‘hui l‘énergie propre la moins coûteuse à produire, ce qui explique l‘engouement fort pour cette technologie. Les recherches en cours pourraient lui laisser pendant encore de nombreuses années cette confortable avancée [9]. Dans ce chapitre, nous allons présenter une généralité sur le fonctionnement de la chaine de transfert de l‘énergie dans une éolienne, on commence par une définition de l’énergie éolienne puis, une classification des différents capteurs à axe horizontal et vertical, le principe de fonctionnement ainsi que les différents composants de l‘aérogénérateur et de toute la chaine de conversion d‘énergie sont présentés. 

Définition de l’énergie éolienne

L’énergie éolienne est l’énergie du vent et plus spécifiquement, l’énergie directement tirée du vent au moyen d’un dispositif aérogénérateur comme une éolienne ou un moulin à vent. L’énergie éolienne est une des formes d’énergie renouvelable. Elle tire son nom d’Eole le maitre des Vents dans la Grèce antique. La ressource éolienne provient du déplacement des masses d‘air qui est dû indirectement à l‘ensoleillement de la terre. Par le réchauffement de certaines zones de la planète et le refroidissement d‘autres, une différence de pression est créée et les masses d‘air sont en perpétuel déplacement. L‘aérogénérateur utilise l‘énergie cinétique du vent pour entraîner l‘arbre de son rotor (Figure I.1): celle-ci est alors convertie en énergie mécanique elle-même transformée en énergie électrique par une génératrice électromagnétique accouplée à la turbine éolienne. Ce couplage mécanique peut être soit direct si turbine et génératrice ont des vitesses du même ordre de grandeur, soit réalisé par l’intermédiaire d’un multiplicateur dans le cas contraire. Enfin il existe plusieurs types d‘utilisation de l‘énergie électrique produite : soit elle est stockée dans des accumulateurs, soit elle est distribuée par le biais d‘un réseau électrique ou soit elle alimente des charges isolées. Le système de conversion éolien est également siège de pertes : à titre indicatif, le rendement est de 59 % au rotor de l‘éolienne, de 96% au multiplicateur ; il faut de plus prendre en compte les pertes de la génératrice et des éventuels systèmes de conversion [12]. Figure I.1: Conversion de l’énergie cinétique du vent [13] L’énergie éolienne est une énergie « renouvelable » non dégradée, De plus, c’est une énergie qui ne produit aucun rejet atmosphérique ni déchet radioactif. Elle est toutefois aléatoire dans le temps et son captage reste assez complexe, nécessitant des mâts et des pales de grandes dimensions (jusqu’à 60m pour des éoliennes de plusieurs mégawatts) dans des zones géographiquement dégagées pour éviter les phénomènes de turbulences.

Classification des éoliennes

Selon l’axe de rotation Les éoliennes se divisent en deux grandes familles : les éoliennes à axe horizontal, et celles à axe vertical

Eoliennes à axe horizontal

Les éoliennes à axe horizontal (Figure I.2), plus largement employées, nécessitent souvent un mécanisme d’orientation des pales, présentant un rendement aérodynamique plus élevé. Elles démarrent de façon autonome et présentent un faible encombrement au niveau du sol. Dans ces types d’éolienne, l’arbre est parallèle au sol. Le nombre de pales utilisé pour la production d’électricité varie entre 1 et 3. Le rotor tripale est le plus utilisé car il constitue un compromis entre le coefficient de puissance, le coût et la vitesse de rotation du capteur éolien[15]. Ce type d’éolienne a pris le dessus sur celles à axe vertical car elles représentent un coût moins important .

Eolienne à axe vertical

Les éoliennes à axe vertical ont été les premières structures développées pour produire de l‘électricité paradoxalement en contradiction avec le traditionnel moulin à vent à axe horizontal. Elles possèdent l‘avantage d‘avoir les organes de commande et le générateur au niveau du sol donc facilement accessibles et il s’agit d’une turbine à axe vertical de forme cylindrique qui peut facilement être installée sur le toit d’une maison moderne et dont les avantages sont : faible impact visuel, pratiquement pas de bruit et très grande tolérance aux vents forts.[18] Les éoliennes à axe horizontal fonctionnent avec la portance alors que les éoliennes à axe vertical utilisent soit la portance (Darrieus) soit la traînée (Savonius). 

Rotor Darrieus

L‘éolienne de modèle Darrieus représentée sur la figure (I.3), se caractérise par la forme en en H ou en C de ces pales qui rappelle vaguement un batteur. Elle est normalement constituée de deux ou trois pales. L‘éolienne utilise l‘effet de la portance. Il existe différents types de machine utilisant ce principe : conique, cylindrique ou parabolique. L‘éolienne peut être fixée par des haubans.

Rotor Savonius

L‘éolienne de modèle Savonius représentée sur la figure (I.4), utilise la traînée différentielle entre les aubes constituées de parties cylindriques en opposition. Un couple se crée mettant alors le générateur en mouvement. La vitesse de démarrage de ces machines est plutôt basse, autour de 2 m/s (λ ≈ 0.5). Les éoliennes à axe vertical s‘adaptent particulièrement bien aux effets de la turbulence. De plus, ce design ne fait pas beaucoup de bruit et finalement convient bien au milieu urbain. En revanche, ce concept est fortement pénalisé par son coefficient de puissance (Cp max ≈ 0.2). Figure I.4: Eolienne de type Savonius [21] A titre comparatif, en termes de coûts, les éoliennes à axe horizontal sont à l‘heure actuelle moins chère que les éoliennes à axe vertical et connaissent également de meilleurs rendements énergétiques. Cependant, les éoliennes à axe horizontal posent quatre problèmes qui sont moins cruciaux pour les éoliennes à axe vertical : le bruit, les vibrations, la sécurité, l‘orientation du flux éolien et sa variation. 

Selon la puissance nominale

Les éoliennes sont divisées en trois catégories : Eolienne Diamètre de l’hélice Puissance délivrée Petite Inférieure à 12 m Inférieure à 40 kW Moyenne 12 à 45 m 40 kW à 1 MW Grande 46 m et plus Plus de 1 MW Tableau I.1: Classification des turbines éoliennes 

Principaux composants d’une éolienne

On peut considérer trois composants essentiels dans une éolienne représentés sur la figure (I.5) : le rotor, la nacelle et la tour. Figure I.5: Composante d‘une éolienne  Le rotor : Formé par les pales assemblées dans leur moyeu. Pour les éoliennes destinées à la production d’électricité, le nombre de pales varie classiquement de un à trois, le rotor tripale (concept danois) étant de loin le plus répandu car il représente un bon compromis entre le coût, le comportement vibratoire, la pollution visuelle et le bruit. Les pales se caractérisent principalement par leur géométrie dont dépendront les performances aérodynamiques et les matériaux dont elles sont constituées (actuellement, les matériaux composites tels la fibre de verre et plus récemment la fibre de carbone sont très utilisés car ils allient légèreté et bonne résistance mécanique).  La nacelle : Regroupe tous les éléments mécaniques permettant de coupler le rotor éolien au générateur électrique : arbres lent et rapide, roulements, multiplicateur. Le frein à disque, différent du frein aérodynamique, qui permet d’arrêter le système en cas de surcharge générateur qui est généralement une machine synchrone ou asynchrone et les systèmes hydrauliques ou électriques d’orientation des pales (frein aérodynamique) et de la nacelle (nécessaire pour garder la surface balayée par l’aérogénérateur perpendiculaire à la direction du vent). A cela viennent s’ajouter le système de refroidissement par air ou par eau, un anémomètre et le système électronique de gestion de l’éolienne.  Le mât (la tour) : Son rôle est d‘une part de supporter l‘ensemble rotor + nacelle, mais aussi de le placer à une hauteur suffisante, de manière à sortir autant que possible le rotor du gradient de vent qui existe à proximité du sol, améliorant ainsi la captation de l‘énergie. Certains constructeurs proposent ainsi différentes hauteurs de tour pour un même ensemble rotor + nacelle de manière à s‘adapter au mieux à différents sites d‘implantation .