Comment fonctionne une éolienne

Selon les ressources éoliennes disponibles, une turbine peut réduire les factures d'électricité de 50 à 90 %, aider à éviter les coûts élevés d'acheminement des lignes électriques vers des emplacements éloignés, prévenir les pannes de courant et, surtout, être respectueuse de l'environnement.

Dans cet article, nous allons explorer les bases des éoliennes – leurs types, tailles, efficacité, avantages et inconvénients, fonctionnement, installation, maintenance, et les collecteurs tournants. Chaque chapitre contient une description des recherches et une analyse complète des sujets abordés.

Les éoliennes exigent une transmission stable de l'énergie et des signaux de données depuis la nacelle jusqu'à la section de commande des pales du rotor. Les collecteurs tournants assurent l'efficacité et la fiabilité requises dans des conditions environnementales difficiles.

Les temps d'arrêt coûteux des éoliennes peuvent être limités par l'utilisation de balais en fibres et de matériaux durables dans la construction des collecteurs tournants.

Avantages des collecteurs tournants :

• Ils peuvent fonctionner à différentes températures
• Ils se caractérisent par une grande fiabilité
• Ils ne nécessitent pas d'inspections régulières
• Ils ne nécessitent pas de lubrification
• Ils produisent un minimum de contamination par l'usure

Qu'est-ce qu'une éolienne ?

Les éoliennes sont une modification moderne des moulins à vent traditionnels, populaires au XIXe siècle. Leur objectif est de réduire la dépendance aux combustibles fossiles et de produire de l'énergie de manière renouvelable et respectueuse de l'environnement.

Faits sur les éoliennes

Les éoliennes utilisent l'énergie cinétique du vent, qui fait tourner les pales, entraînant un moteur qui convertit l'énergie cinétique en énergie mécanique, puis en énergie électrique.

Pour faire simple, une turbine fonctionne à l'inverse d'un ventilateur : au lieu d'utiliser de l'électricité pour déplacer l'air, elle utilise le vent pour produire de l'électricité.

Applications des éoliennes

Depuis des siècles, les gens utilisent la force du vent – des moulins à vent aux Pays-Bas aux ranches aux États-Unis, où ils servaient à pomper l'eau et à moudre le grain. Aujourd'hui, leur forme moderne – l'éolienne – produit de l'électricité.

Les turbines sont construites sur des tours pour capter plus d'énergie cinétique. À une hauteur de 30 mètres, le vent est plus fort et plus stable. Généralement, une turbine a 2 ou 3 pales formant le rotor.

Les pales agissent comme des ailes d'avion – la différence de pression au-dessus et en dessous d'elles provoque un mouvement de rotation qui entraîne le générateur.

Les turbines peuvent fonctionner de manière autonome (hors réseau, off-grid) ou être connectées au réseau électrique. Dans les applications industrielles, des parcs éoliens entiers sont construits pour fournir de l'énergie au réseau.

Énergie renouvelable éolienne

L'énergie éolienne est l'une des sources renouvelables qui connaît la croissance la plus rapide. Dans le monde, sa capacité installée est passée de 7,5 GW en 1977 à 574 GW en 2018.

Entre 2009 et 2013, la production d'énergie éolienne a doublé, et en 2016, elle représentait 16 % de l'énergie renouvelable totale.

Les turbines modernes atteignent une puissance de 2 MW (à terre) à 5–8 MW (en mer).

Facteurs influençant la production d'énergie éolienne

Les facteurs les plus importants :

• la vitesse du vent,
• la densité de l'air,
• le diamètre des pales.

Une plus grande vitesse du vent = plus d'énergie. Cependant, un vent trop fort peut endommager la turbine, c'est pourquoi des vitesses limites (cut-in et cut-out) sont utilisées.

Un air plus dense (plus froid, sous une pression plus élevée) donne une meilleure efficacité.

Des pales plus grandes capturent plus d'énergie, mais nécessitent plus d'espace et des vents plus puissants.

Que se passe-t-il quand il n'y a pas de vent ?

Les turbines ne produisent de l'énergie que lorsqu'il y a du vent. Quand le vent s'arrête, l'énergie est fournie par d'autres sources – par exemple, le gaz ou l'hydroélectricité. Aucune source d'énergie ne fonctionne sans interruption – même les centrales nucléaires sont parfois à l'arrêt. C'est pourquoi l'énergie éolienne fonctionne le mieux en collaboration avec l'hydroélectricité.

Principales parties d'une éolienne

• Fondation – relie la tour au sol, généralement en béton armé d'acier.
• Tour – la partie la plus grande et la plus lourde (50–150 m de hauteur). Plus elle est haute, meilleures sont les conditions de vent.
• Rotor – recueille l'énergie du vent et la transmet au système d'entraînement.
• Nacelle – contient la boîte de vitesses, l'arbre et le générateur. Elle tourne pour orienter la turbine face au vent.

Intérieur de l'éolienne

• Anémomètre – mesure la vitesse du vent.
• Pales – se déplacent sous l'effet du vent.
• Freins – arrêtent le rotor en cas de défaillance.
• Contrôleur – allume et éteint la turbine en fonction de la vitesse du vent.
• Boîte de vitesses (gearbox) – augmente la vitesse de rotation de 30–60 tr/min à 1000–1800 tr/min.
• Générateur – produit de l'électricité.
• Arbre basse et haute vitesse – transmet la puissance des pales au générateur.
• Système d'orientation (yaw) – oriente la turbine face au vent.

Types, tailles et efficacité des éoliennes

Types de turbines

À axe horizontal (Horizontal Axis Turbines) – les plus courantes, les pales sont orientées vers le vent.

• Terrestres (On-shore)
• Marines (Off-shore)
• Proches du rivage (Near-shore)

À axe vertical (Vertical Axis Turbines) – pales verticales, tous les éléments sont près du sol.

• Darrieus (Eggbeater)
• Giromill
• Savonius
• Savonius torsadé (Twisted Savonius)

Carénées (Ducted Turbines) – montées sur les bords des bâtiments, elles utilisent le flux d'air le long des murs.

Tailles des éoliennes

Les éoliennes peuvent être divisées en trois groupes principaux en termes de puissance, de diamètre du rotor et de hauteur de tour :

Les turbines domestiques ont une puissance allant jusqu'à environ 20–50 kW, un diamètre de rotor de 1 à 15 mètres et une hauteur de tour comprise entre 15 et 40 mètres. Elles sont principalement utilisées dans les ménages, les exploitations agricoles ou les petites installations de services, où elles peuvent couvrir une partie importante des besoins en électricité.

Les turbines de puissance moyenne atteignent de 50 kW à 1 MW, avec un diamètre de rotor de 15 à 50 mètres et une hauteur de tour de 30 à 80 mètres. Elles sont utilisées dans les petits parcs éoliens, les installations industrielles et dans les zones où des ressources éoliennes modérées sont disponibles.

Les turbines commerciales se caractérisent par une puissance de 1 MW à plus de 10 MW, un diamètre de rotor allant de 80 à 180 mètres et une hauteur de tour pouvant atteindre 150 mètres. Ces unités sont utilisées dans les grands parcs éoliens — tant terrestres (onshore) que marins (offshore) — destinés à la production d'énergie à l'échelle industrielle et directement connectés au réseau électrique.

Efficacité des turbines

L'efficacité est le rapport entre l'énergie obtenue et l'énergie disponible. Le maximum théorique est la limite de Betz – 59,3 %, en pratique, les turbines atteignent environ 80 % de cette limite.

Avantages et inconvénients des éoliennes

Avantages des turbines horizontales

• Stabilité grâce à la position du centre de gravité
• Possibilité de réglage des pales (pitch control)
• Tours hautes – accès à des vents stables

Inconvénients

• Coûts de transport et d'assemblage élevés
• Maintenance difficile
• Interférences radar

Avantages des turbines verticales

• Faibles coûts d'entretien
• Faciles à assembler
• Ne nécessitent pas d'orientation face au vent

Inconvénients

• Moins d'efficacité
• Démarrage difficile
• Fonctionnent uniquement par vent fort

Avantages des turbines carénées

• Faible impact visuel
• Montage sur les toits
• Production d'énergie sur place

Inconvénients

• Uniquement pour les immeubles de grande hauteur
• Nécessitent des études préliminaires précises

Comment fonctionnent les éoliennes

1.Le vent met les pales en mouvement.

2.Les pales entraînent l'arbre et la boîte de vitesses.

3.La boîte de vitesses augmente la vitesse de rotation.

4.Le générateur convertit l'énergie mécanique en énergie électrique.

5.L'anémomètre et la girouette surveillent les conditions.

6.Le système d'orientation oriente la turbine face au vent.

7.L'énergie passe au transformateur, puis au réseau.

Installation des éoliennes

Étapes de l'installation :

1. Préparation de la fondation

2. Creusement des tranchées pour câbles

3. Construction de la tour et assemblage de la turbine

4. Câblage et connexion de l'onduleur

5. Connexion au réseau

6. Tests finaux et mise en service

Maintenance des turbines

Une lubrification régulière prolonge la durée de vie des composants.

Les systèmes modernes de lubrification automatique réduisent les coûts et les risques de défaillance.

Avenir des éoliennes

L'énergie éolienne est l'une des sources les plus prometteuses pour réduire les émissions de CO₂.

L'énergie des turbines marines (offshore) se développe particulièrement dynamiquement.

Des recherches sont menées sur de petites turbines portables pour les ménages.

Résumé

L'énergie éolienne est une source propre et renouvelable qui gagne en popularité grâce à la technologie moderne et à la baisse des coûts.

Malgré certains défis (par exemple, collisions avec les oiseaux, bruit, impact visuel), des innovations telles que les turbines sans pales peuvent les surmonter.

Des éléments tels que les collecteurs tournants jouent un rôle clé dans le fonctionnement fiable des éoliennes, et leur choix approprié influence considérablement la durabilité et l'efficacité de l'ensemble du système.