I Fonctionnement d’une Eolienne

Il existe deux types d’éoliennes principales  dans notre société du 21e siècle ;

la première est l’éolienne avec un axe horizontal (image 1), de loin la plus répandue, elles font appel à des hélices à 3 ou le plus souvent à 2 pales. Ces « moulins à hélices » ont bénéficié des progrès techniques de l’aéronautique pour la réalisation de très grandes pales (jusqu'à 100 m de longueur), et elles offrent un très bon rendement.

la seconde est l’éolienne avec un axe vertical (image 2),  appelée éolienne Darrieus  du nom de l’ingénieur français qui  inventa en 1925 une nouvelle conception de l’éolienne ; ce sont les plus anciennes à avoir été utilisées du fait de leur simplicité de fonctionnement, aucune orientation de l’axe étant nécessaire.

Nous nous  attarderons  sur l’éolienne à axe horizontal car elle possède un mécanisme très complexe que l’on tentera d’expliquer.
Nous allons donc analyser les différents éléments qui la composent ;

                         
Image 1                                            image 2
   

            1) Les différents composants d’une éolienne moderne.

à Un mât qui permet de placer le rotor à une altitude suffisamment élevée pour permettre un mouvement régulier et également le placer à une hauteur lui permettant d’être entrainé par un vent plus violent qu’au niveau du sol. Le mat comporte très souvent une partie des composants électriques et électroniques comme par exemple le modulateur ou le multiplicateur.
à Un rotor qui est composé d’une ou plusieurs pales mais en général il y en a 3, et de ce que l’on peut appeler le nez de l’éolienne, c'est-à-dire le moyeu. Le rotor est quant a lui entrainé par l’énergie du vent, il peut être couplé directement ou indirectement a une pompe (le plus souvent cas des éoliennes de pompage) mais plus généralement a un générateur électrique. A l’aide du moyeu, le rotor est lié à la nacelle. Les pâles tournent à une vitesse maximum de l'ordre de 30 tours par minute.

Un rotor


à Une nacelle  qui est montée au sommet du mât, et qui abrite les composants mécaniques, certains composants électriques et électroniques, nécessaires au fonctionnement de l’éolienne.

Une nacelle

à Le multiplicateur  est un convertisseur de puissance : il multiplie la vitesse d'entrée (rotor de l'éolienne) pour atteindre la vitesse de sortie exigée par la génératrice électrique, en multipliant parfois d’environ 70  à  80  la vitesse de rotation initiale. Il est constitué d'un assemblage d’engrenages. Il a donc pour objectif  d’adapter la vitesse de rotation au fonctionnement de la génératrice, il  est cependant  négligeable dans les petites éoliennes.

Schéma d’ensemble des composants d’une éolienne

Mais la nacelle, une des pièces les plus importantes de l’éolienne  est composée de nombreux éléments essentiels ;

àUn disque de freinage qui est déclenché à un seuil  prédéterminé par un  détecteur de vitesse du vent que l’on appelé anémomètre. Ce dispositif permet non seulement  le ralentissement de l’éolienne mais également son arrêt total, ce qui
assure la sécurité de celle-ci. Le frein est alors relâché lorsque l’intensité du vent baisse.

àUn arbre primaire  qui a la fonction de transmettre le mouvement du rotor à la boite de vitesse. Il se situe entre la boite de vitesse et le rotor.

àUn système de désenclenchement  qui est utilisé en cas de vents trop violents ou lorsqu’ il y a des problèmes sur le réseau d’éolienne .il  sert à désactiver le processus de production d’énergie, donc l’arbre secondaire ne pourra pas être activé et l’énergie ne sera pas produite.

à Un arbre secondaire qui est beaucoup plus rapide que l’arbre primaire car le multiplicateur autrement appelé boite de vitesse multiplie sa vitesse, il peut donc transmettre le mouvement de rotation adapté au générateur.

à Un générateur électrique que l’on peut qualifier d’alternateur. Elle transforme l'énergie mécanique en énergie électrique, comme une  dynamo.

             Un générateur électrique

à Un anémomètre  mesure en permanence la vitesse du vent qu’il va transmettre au système de contrôle de façon à  pouvoir faire démarrer ou arrêter l’éolienne. En règle général, une éolienne est enclenchée à partir de  3 à 4 m/s (12 km/h)  et est arrêtée approximativement à 25m/s (90 km/h). C’est l’anémomètre qui décide de faire tourner ou bien d’arrêter l’éolienne si la vitesse est trop forte (cas de vents violents).

         
               Un anémomètre

àUne girouette  qui sert à repérer l’orientation du vent et ainsi faire tourner l’éolienne dans le sens qui facilitera la production d’énergie

Une girouette

à Un système d’orientation des pales qui régit l’orientation de la nacelle face au vent pour que les pales puissent ainsi tourner sans problème. Ce système est fondamental dans la construction d’une éolienne car sans lui l’éolienne ne fonctionnerait pas convenablement.


à Un contrôleur électronique  qui contrôle l’intensité du courant produit.

à La tour de l’éolienne  supporte la nacelle et le rotor.

Schéma des composants des nacelles, pièce maitresse de l’éolienne

Après avoir analysé les différents composants de l’éolienne contemporaine nous pouvons analyser son mécanisme.

                         
 2) Le mécanisme d’une éolienne

    Nous avons vu précédemment que  l'énergie cinétique du vent est transformée en énergie mécanique due à un mouvement de rotation du rotor.

   a) L’énergie cinétique contenue dans le vent est captée par les pales aérodynamiques de l’éolienne qui freine le vent ;  Lors de son action de freinage,   le vent  est soumis à un système de pressions qui génère la rotation du rotor. Cette rotation crée une énergie dite mécanique qui est transmise à l’arbre de la génératrice afin de produire une électricité utilisable et donc exploitable par l’homme.

 Entre l’arbre du rotor et la génératrice se trouve un arbre de transmission couplé à un système d’engrenages  qui jouent le rôle d’une boite de vitesse que l’on peut appelé multiplicateur car il permet de multiplier la vitesse de rotation.
Donc lorsque le vent est faible ce système dit d’engrenage permet de multiplier la vitesse de rotation, en revanche lorsque le vent souffle fortement ce système permet de freiner la rotation dans le but de conserver une vitesse constante et afin d’éviter tout endommagement de l’éolienne.
Le multiplicateur permet donc  d'adapter la vitesse de rotation à celle du générateur. Du multiplicateur ou boite de vitesse  sort l'arbre secondaire qui transfère le mouvement à la génératrice. Celle-ci a pour rôle de transformer l'énergie mécanique en énergie électrique généralement en courant alternatif.
       b)  Le pilotage d'une éolienne est totalement automatique. Le fonctionnement (arrêt, marche, diagnostic de panne ...) est contrôlée par des ordinateurs puissants,  et  géré par un système de supervision appelé le système contrôle-commande. Les éoliennes demandent donc peu d'interventions locales ce qui est un avantage considérable sur d’autres énergies également exploitées par l’homme.
Le rôle de ce système  est de surveiller 24heures sur 24 les conditions de l’éolienne et de veiller au bon fonctionnement de celle-ci.
On pose souvent  un transformateur au pied de chaque éolienne car cela permet d’augmenter la tension du courant électrique produit qui est d’environ de 690 à 20000 volts. L'énergie électrique produite est ensuite envoyée sur le réseau général pour être utilisée par les consommateurs. 
On constate donc que La plupart des éoliennes sont raccordées au réseau public ce qui est vraisemblablement pour une énergie renouvelable.
La nuit, le vent souffle moins fortement qu’en journée, et nous consommons l’énergie  beaucoup plus durant la  journée que durant la nuit, on peut  donc affirmer  que les éoliennes sont parfaitement adaptées à la consommation électrique.
c)   Contrairement à ce que l’on pense, les éoliennes tournent toujours approximativement à la même vitesse quelle que soit la vitesse du vent (environ 45 tours / minute)
Les compagnies électriques, qui surveillent le système de l’éolienne presque 24h sur 24,  déconnectent l'éolienne du réseau si la puissance du vent est considérée comme trop faible  et la reconnecte lorsque l'éolienne tourne à sa puissance nominale.

Fonctionnement d’une éolienne

Conclusion

L’éolienne est donc une énergie renouvelable très bien gérée par l’Homme et très bien adaptée à sa consommation journalière.  Nous avons vu qu’elle faisait  intervenir de nombreux éléments qui participaient  à la transformation de l’énergie mécanique en énergie électrique. Cette énergie renouvelable présente des avantages mais également des inconvénients et c’est ce que nous allons tenter de comprendre dans notre deuxième partie.