L'énergie éolienne provient de l'énergie cinétique présente dans l'air en mouvement. La quantité d'énergie produite dépend principalement de la vitesse du vent et de la densité de l'air.
Partie de 25 kW dans les années 80, la puissance nominale des éoliennes de grande puissance actuelles varie entre 600 kW et 5 MW pour les éoliennes offshore (cette puissance peut atteindre 6 MW pour certaines éoliennes terrestres). Des prototypes allant jusqu'à 7 MW sont à l'heure actuelle en développement. Il existe différents types d'éoliennes, à axe vertical ou horizontal, à deux, trois ou six pales, cependant le concept technologique à axe horizontal à trois pales constitue le modèle moderne d'aujourd'hui. De façon générale, une éolienne est composée de quatre éléments essentiels : la tour, la nacelle, les pales et le transformateur élévateur de tension. La tour en acier, de forme tubulaire, porte la nacelle et le rotor. La nacelle comprend le moyeu qui supporte trois pales liées à la génératrice. Un transformateur permet l'élévation de la basse tension en moyenne tension (par exemple de 575 V à 34,5 kV). La nacelle est plaquée d'un styromousse insonorisant et est munie d'instruments de mesure de vent (anémomètre et girouette) sur son capot. |
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De manière générale, les éoliennes actuelles sont conçues pour atteindre leur puissance nominale à une vitesse de vent de 12 à 15 m/s et sont arrêtées automatiquement vers 25 m/s (cf. la figure ci-dessous). Pour limiter la puissance transmise par le vent, des systèmes de régulation et de contrôle sont intégrés à l'éolienne. À l'heure actuelle, les éoliennes à pas variable (permettant une rotation des pales pour optimiser le captage du vent), à vitesses variables et munies d'un système d'orientation de la nacelle suivant l'orientation du vent remplacent les anciens modèles d'éoliennes (pas fixe, vitesse fixe ou semi-variable) quoique plusieurs de ceux-ci, moins sophistiqués mais moins coûteux, soient toujours sur le marché. On peut ainsi distinguer quatre zones de fonctionnement de l'éolienne : |
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Exemple de courbe de puissance d'une éolienne de 700 kW
Dans le cas idéal où la totalité de l'énergie cinétique de la masse d'air passant dans le champ d'aire A des pales serait transmise au rotor, la puissance récupérée serait : |
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avec |
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Ce résultat serait cependant celui obtenu dans une modélisation idéale où toute l'énergie du vent serait récupérée, donc la masse d'air n'aurait plus de vitesse à la sortie de l'éolienne (problématique : il y aurait accumulation d'air en sortie !). Dans la réalité, la puissance récupérée est en fait donnée par la relation : |
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avec v1 la vitesse du vent en amont de l'éolienne et v2 la vitesse du vent en aval. |
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On trouve ensuite que la puissance maximale est obtenue pour : |
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| Le rendement maximal d'une éolienne est donc : |  |
Les deux systèmes de régulation mécanique de la vitesse de rotation de l'éolienne :
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Les éoliennes sont toutes équipées de génératrices asynchrones : une génératrice asynchrone est un moteur asynchrone fonctionnant à l'envers. Le moteur asynchrone est le moteur le plus courant : un champ électromagnétique tournant (analogue à un aimant tournant) est créé entre les pôles du stator. Ce champ induit des efforts dans le rotor qui est alors mis en mouvement. De façon réversible, le rotor est entraîné par le multiplicateur et induit un courant dans le stator de la génératrice. De par son principe, il existe toujours un décalage entre le champ tournant au rotor et celui du stator : ce décalage est appelé glissement. Tout se passe comme si le rotor devait "rattraper" le champ tournant du stator... Si le glissement est nul, le moteur/génératrice tourne à sa vitesse de synchronisme : il n'absorbe aucune puissance. Si le glissement est de l'ordre de 1% (soit 15 tr/mn pour une vitesse de synchronisme de 1500 tr/mn), la génératrice absorbe sa puissance maximale. Une très faible variation de vitesse entraîne donc une très forte variation de puissance.
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| La vitesse de synchronisme d'un moteur/génératrice asynchrone est liée à la fréquence du réseau (50 Hz en France, 60 Hz aux USA) et aux nombre de pôles du moteur/générateur : 4 pôles/50 Hz donne une vitesse de synchronisme de 1500 tr/mn (c'est le moteur le plus courant) ; 6 poles/50 Hz donne 1000 tr/mn. Il existe différentes technologies de génératrices asynchrones : Génératrice asynchrone à cage d'écureuil, Génératrice asynchrone à rotor bobiné, Génératrice asynchrone avec résistance rotorique. La plupart des éoliennes utilisent des cages d'écureuil qui ont un coût d'investissement plus faible et nécessitent moins d'entretien. Par contre les plus grandes éoliennes modernes (puissance de 1,5 MW et plus) utilisent des génératrices asynchrone dites à double enroulement (double fed asynchronous generator) qui présentent l'avantage de fournir une puissance électrique moins fluctuante. |
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Génératrice asynchrone à rotor bobiné |
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Source : www.windpower.org
Pour davantage d'informations, voir aussi :
Les problèmes techniques, notamment sur les fondations et le système de raccordement au réseau.
Le couple Profondeur/Distance à la côte
Le couple Profondeur/Distance à la côte
Toutes les centrales éoliennes offshore (500 MW installés en 2003 dont 80% au Danemark) se trouvent dans des profondeurs d'eau de moins de 20 mètres et à des distances à la côte inférieures à 18 km (premier quadrant en haut à gauche sur le graphique). Différents projets en développement se situent dans des profondeurs supérieures à 20 mètres et à des distances souvent supérieures aux 12 milles nautiques (limite de souveraineté du pays) (quatrième quadrant, en bas à droite). Cette tendance au passage du 1er au 4ème quadrant se concrétisera-t-elle dans les années à venir ? Les défis sont nombreux et la rentabilité ne sera peut-être pas au rendez-vous.
La taille des éoliennes
Le rapport Taille/Puissance :
En théorie, rien ne s'oppose à l'augmentation de la puissance et donc du diamètre des diamètre des futures éoliennes offshore. En extrapolant (voir graphique ci-dessous), on peut s'attendre à des des éoliennes de plus de 160 m de diamètre de puissance unitaire de 10 MW. Certains projets sont déjà dans les cartons... pour 2010 ?
Le rapport Masse en tête/Puissance :
La grande question, ce sont les fondations qui dépendent certes de la profondeur d'eau, mais aussi de la masse en tête (nacelle + pales), qui induit des efforts dynamiques proportionnels. Si l'on interpole la tendance actuelle, on obtient quelques 600 tonnes pour une éolienne de 10 MW (voir graphique ci-dessous). Mais cette tendance linéaire (masse en tête proportionnelle à la puissance) devrait s'infléchir vers des masses plus faibles : on le constate avec Vestas.
Le rapport Masse de la pale/Puissance :
La masse de la pâle suit la même tendance que la masse en tête. Là encore, il va falloir optimiser les profils, rendre la pale flexible, voire même changer radicalement de technologie (et se rapprocher de celle des ailes d'avion ?).
Liens :
La Danish Wind Industry Association (DWIA) est une association à but non lucratif dont le but est de promouvoir l'énergie éolienne au Danemark et à l'étranger. L'association a été crée en 1981, elle représente aujourd'hui 99,9% des éoliennes danoise en terme de MW et plus de 122 entreprises du secteur éolien danois.
Photos d'éoliennes "originales".
la masse volumique de l'air (1,225 kg/m3 au niveau de la mer) et v la vitesse du vent.
