La part de la production issue des sources d’énergies renouvelables croît régulièrement mais reste encore faible, en France, par rapport à l’énergie nucléaire. Cette croissance est largement soutenue par l’éolien et le solaire photovoltaïque dont le potentiel est extrêmement élevé, alors que celui de l’hydraulique est proche de la saturation et que sa productivité risque même de décliner à cause du dérèglement climatique.
Fin du XIXème siècle: Paul La Cour associe une turbine à une dynamo: première éolienne générant de l’électricité.
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Le moulin à vent
Années 1920: Georges Darrieus met au point une éolienne bipale à axe vertical.
1920-1973: peu d’innovation à cause du pétrole
Les chocs pétroliers ont permis un renouveau dans la recherche éolienne
1.1 Les éoliennes à axe vertical
Constitué de demi-cylindres reliés à un axe vertical, ce type d’éolienne utilise la force de traînée du vent. Son rendement est plus faible que celui des éoliennes qui utilisent la force de portance, mais ce type de machine permet d’exploiter des vitesses de vent plus faibles.
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1.2 Types d’installations – Les éoliennes à axe vertical
1.2.1 Eolienne Type Darrieus, Principe de fonctionnement : Le rotor tourne au centre d’un stator à ailettes.
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Avantages:
Peu d’encombrement
Intégrable au bâtiment
Multiplicateur, génératrice, etc…peuvent être placés à terre
Pas de mécanisme d’orientation
Inconvénients:
Faible rendement
Démarrage difficile à cause des frottements.
1.2.2 Eolienne Type Savonius Principe de fonctionnement: Le rotor est composé d’au moins deux demi-cylindres désaxés.
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Avantages:
Pas de contraintes sur la direction du vent
Démarrage à vitesses faibles
Inconvénient: Faible rendement
1.3 Types d’installations – pourquoi une éolienne à axe horizontal
Rendement aérodynamique meilleur que pour une éolienne à axe vertical. Elles sont moins exposées aux contraintes mécaniques. Elles ont un coût moins important.
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Problème de stabilité en cas de nombre pair de pales. Une éolienne monopale est déséquilibrée. Une éolienne bipale est équilibrée mais les conditions de vent en position haute et en position basse sont différentes. Meilleure esthétique pour une tripale. Le rendement d’une tripale est meilleur que pour un nombre de pales supérieur. Bon compromis entre:
Coefficient de puissance
Coût
Esthétique
1.4 Etude théorique d’une éolienne – le coefficient de puissance
🔲 Le Cp indique l’efficacité avec laquelle une éolienne convertit l’énergie mécanique du vent en énergie électrique.
🔲 Le Cp tient compte de la limite de Betz, il est toujours inférieur.
🔲 Environ 35% pour une éolienne horizontale.
🔲 Ne dépasse 10% pour une éolienne verticale
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Courbe de puissance d’une éolienne en fonction du vent
1.5 Etude théorique d’une éolienne –coefficient de puissance de différents rotors
Cette courbe change de forme selon le type d’éolienne (axe horizontal ou vertical) et le nombre de pales.
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1.6 Etude théorique d’une éolienne à axe horizontal
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1.Pales en composite 2.Moyeu du rotor; 3.Structure de la turbine en fonte ou en acier; 4.Paliers du rotor; 5.Arbre lent; 6.Multiplicateur ;7.Frein à disque; 8.Accouplement avec la génératrice; 9.Génératrice (asynchrone); 10.Radiateur de refroidissement; 11.Anémomètre et girouette; 12.Système de contrôle de la turbine; 13.Système hydraulique d’orientation; 14.Orientation de la tourelle; 15.Paliers du système d’orientation; 16.Capot de la nacelle; 17.Tour en acier.
1.7 Etude théorique d’une éolienne – Energie cinétique du vent
Le vent est de l’air en mouvement. On considère la quantité d’air qui traverse la surface balayée par les pales à un instant t. L’énergie cinétique du vent vaut: Ec = ½ m.v2 ,Avec m: masse du volume d’air et v vitesse du vent en m/s
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En effet, on récupère pas toute la vitesse du vent, car l’écoulement ne peut avoir une vitesse nulle après l’éolienne. Celle-ci n’arrête pas le vent
1.8 Etude théorique d’une éolienne – Puissance théorique
La puissance disponible brute peut se calculer grâce à la formule suivante: Pv = 1/2. ρ.S.V3 Avec, ρ: masse volumique de l’air: 1.23 kg/m3, V: vitesse du vent en m/s, S:surface balayée par les pales
1.9 Etude théorique d’une éolienne –formule de Betz
La puissance récupérable est donc inférieure à la puissance théorique. Betz démontre en 1919 qu’elle l’est d’un facteur au maximum égal à 16/27. C’est le coefficient de puissance Cp. Ainsi: Pmax = 1/2.Cp. ρ.S.V3 Avec, ρ: masse volumique de l’air V: vitesse du vent en m/s
1.10 Etude théorique d’une éolienne –la vitesse spécifique
On définit λ, la vitesse spécifique comme étant le rapport de la vitesse d’extrémité des pales sur la vitesse du vent : λ = R×Ω/V Avec, R: rayon de la pale en m, Ω: vitesse de la pale en tr/min, V: vitesse du vent en m/s
N.B: Si λ est <3, l’éolienne est dite lente et Si λ est >3, l’éolienne est dite rapide. On ne récupère pas toute la vitesse du vent, car l’écoulement ne peut avoir une vitesse nulle après l’éolienne. Celle-ci n’arrête pas le vent
