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Une nergie en plein essor: Lnergie olienne
CUENOT BorisGRAFF Christophe
PTSI A
1997-1998
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T.I.P.ESciences-Industrielles
Sujet: nergie olienne, fonctionnement, contraintes et
perspectives sur lavenir.
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Sommaire
0 Historique et Introduction
I Prsentation et caractristiques principales des diffrents
types de capteurs oliens I .1 Capteurs axe horizontal
I .2 Capteurs axe vertical
II Comment tirer profit de lnergie olienneII .1 Choix du
site
II .2 Caractristiques physiques des oliennes
II .3 Caractristiques technologiques des oliennes
III ApplicationsIII .1 Production dlectricit
III .2 Pompage de leau
IV Conclusion et avenir de lnergie olienne
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0 Lnergie olienne
On estime que chaque anne, le vent distribue entre 2.5 et 5.1015
kWh; une nergie trs importante mais difficilement rcuprable. Cest
ce potentiel norme que reprsente lnergie olienne qui a pouss les
hommes trouver un moyen toujours plus perfectionn pour sa
transformation en nergie mcanique ou lectrique. Ainsi, ds le V
sicle avant notre re, on voyait dj des oliennes axe vertical
galement appeles panmones dans les les grecques. Le premier moulin
vent a t fabriqu en Perse en 134 avant J.-C. et fonctionnait grce
un mur protgeant les pales du vent au cours de leur retour. Puis on
a beaucoup utilis lnergie olienne pour le pompage et lirrigation
des cultures. Lolienne a poursuivi sa lente volution au cours des
sicles, et les oliennes axe horizontal nont fait leur apparition
quau XIII sicle. L, les constructeurs et les utilisateurs se
proccupent plus des effets arodynamiques lis la forme des pales et
leur nombre pour ne citer que ces deux facteurs. Les premiers
arognrateurs ont vu le jour en 1850, mais lide de larognrateur date
de 1802 o Lord Kelvin, un physicien anglais, associa une gnratrice
dlectricit un moteur olien. Cette nouvelle application de lnergie
olienne a connu un certain succs et lon comptait en 1920 jusqu 300
constructeurs darognrateurs. Paralllement, les recherches dans le
domaine de larodynamique faites par laronautique ont permis une
volution des moteurs oliens. Cependant, dans les annes 60, le
faible cot des autres sources dnergie (notamment le ptrole) a
dissuad lexpansion de lexploitation de lnergie olienne. En effet,
pour que cette source dnergie cologique parce que non-polluante,
attractive car autonome puisse tre commercialise, il est ncessaire
quelle soit rentable par rapport aux autres sources dnergie, et la
mise en place dun rseau lectrique national trs important en France
est un des facteurs pouvant expliquer le faible nombre doliennes
implantes. Ainsi, dans quels cas est-il prfrable dopter pour
lnergie olienne? Principalement lorsquon se situe dans une rgion
loigne, lcart du rseau lectrique national, ou bien encore lorsque
lon na besoin que dune relativement faible quantit dnergie et dune
puissance fournie non rgulire pour alimenter une pompe eau par
exemple?(Le problme de la non-rgularit de la puissance fournie par
larognrateur peut tre remdi par la prsence dune batterie de
stockage et/ou dune source dnergie secondaire qui se met en marche
lorsque la batterie est vide).Tout ceci tait encore vrai au dbut
des annes 80 mais les progrs technologiques ont fait que depuis le
dbut des annes 90, les perspectives dexploitation de lnergie
olienne sont compltement diffrentes. En effet, mme si le cot actuel
de llectricit olienne dpasse encore dau moins 20% celui de lnergie
conventionnelle, en comptant avec
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une rosion continuelle du prix des machines (moins 20% dans les
trois dernires annes), de celui de linstallation, de la puissance
et de lefficacit sans cesse croissante des machines olienne, on
peut envisager un cot du kilowattheure comptitif dans peu de temps
(Cf. doc. 1). Pour donner une ide des normes progrs raliss, pour
des vents moyens de 23 km/h, le prix du kWh a chut de 50 29
centimes au Danemark depuis 1990 et la puissance moyenne des
machines est passe de 30 kW en 1983 600 kW en 1997. Tous ces
bouleversements techniques font que ce secteur est actuellement en
pleine expansion et que souvre lui une multitude de marchs mondiaux
(Cf. doc. 2). En effet, en cinq ans, le march annuel mondial a plus
que quadrupl pour atteindre 1566 mgawatts en 1997 (lEurope
reprsente 84% du march), et BTM Consult, socit dtudes spcialiste du
secteur, table sur une croissance de la demande mondiale de 18% par
an jusquen 2002.
Doc. 1 Doc. 2
Ainsi, lnergie olienne est voue un bel avenir puisque certains
spcialistes du secteur estiment que techniquement, le rseau
lectrique national peut squiper jusqu 20% en nergie olienne.
Cependant, toutes les oliennes ne ressemblent pas celles de
plusieurs centaines de kilowatts qui servent produire de lnergie
lectrique. Il existe une multitude doliennes dont beaucoup ont t
mises de ct du fait quelles ne satisfaisaient pas aux besoins
demands, et leur usage est aussi vari que leur forme.Nous allons
donc voir quels sont les diffrents types doliennes, quel est leur
fonctionnement, comment tirer profit de lnergie olienne et quelles
peuvent tre les diffrentes applications de cette nergie tout en
gardant en tte le facteur conomique du systme.
*Limite de Betz: nergie maximum rcuprable sur un rotor. Le
rendement maximum calcul partir de la limite de Betz est denviron
59%.
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I Prsentation et caractristiques des diffrents types de capteurs
oliens dynamiques parmi les plus courants. Tout dabord, il faut
noter quil existe un grand nombre de dispositifs permettant de
capter lnergie olienne pour la transformer en nergie mcanique de
rotation, seulement il est important de se poser certaines
questions essentielles telles que: quelle sera sa taille, son cot,
la puissance quil pourra fournir, sa rsistance lusure? Autant de
questions qui font quun grand nombre de capteurs oliens ont t mis
de ct et que seul un petit nombre dentre eux ont t largement
exploits. Une classification mthodique, universellement adopte fait
apparatre les groupes, les noms et les formes de ces capteurs.On
distingue trois principaux paramtres de fonctionnement pour
caractriser un capteur olien et notamment son efficacit.Le premier
paramtre de fonctionnement est relatif la vitesse priphrique (ou
vitesse en bout de pale) U=R (avec la vitesse de rotation de la
machine olienne et R le rayon dextrmit de la pale); ce paramtre de
rapidit ou vitesse spcifique not est le rapport de la vitesse U la
vitesse V du vent:
Les machines peuvent tre classe en fonction de ce paramtre: si
est infrieur 3, lolienne est dite lente; au-del, lolienne est dite
rapide. A titre dexemple, des oliennes bipales peuvent avoir un
paramtre gal 20. Cependant, une grande vitesse de rotation peut
entraner des nuisances telles que le bruit.
Le second paramtre qui caractrise le capteur olien est le
coefficient de puissance not Cp. Il est dfini par le rapport de la
puissance Pm recueillie sur larbre moteur du capteur la puissance
cintique qui passerait dans le disque du rotor en son absence:
(La valeur maximale du Cp dfinie par Betz, est gale 0.592.)
Le troisime paramtre important est le coefficient du couple:
cest le rapport du couple moteur Cm qui sexerce sur larbre de
sortie du capteur olien Cm = Pm / au couple arodynamique Ca .
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= U/V = R/V
Cp = Pm / 0,5 S V3
Cc = Cm / Ca = Cp /
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Les paramtres Cp et Cc caractrisent les performances du capteur
et sont habituellement reprsents en fonction de .
Cependant plus gnralement, on classifie les capteurs oliens par
lorientation de leur axe de rotation par rapport la direction du
vent. On distingue de cette manire:
- les capteurs axe horizontal- les capteurs axe vertical- les
capteurs qui utilisent le dplacement dun mobile (peu exploitable)-
les dispositifs statiques de rcupration de lnergie olienne
Faisons donc linventaire des diffrents types de capteurs oliens
selon leur catgorie et intressons-nous leurs caractristiques
gnrales.Il faut cependant savoir que la plupart de ces capteurs
oliens comme le rotor Savonius ou encore les machines clapets
battants par exemple nont pas vraiment douvertures sur lavenir et
quaujourdhui seuls les capteurs axe horizontal bi- et tripales sont
utiliss pour la production dlectricit chelle nationale.
I.1 Les capteurs axe horizontal Ce sont les machines
actuellement les plus rpandues car leur rendement est suprieur
celui de toutes les autres machines. Elles comportent gnralement
des hlices deux ou trois pales, ou des hlices multipales pour le
pompage de leau.On peut distinguer les capteurs oliens dont lhlice
est en amont par rapport au vent, hlice au vent , et ceux dont
lhlice est en aval par rapport au vent, hlice sous le vent .
vent vent
Gouvernail de direction
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hlice au vent
hlice sous le vent
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Les moulins hollandais : Bien que de conception ancienne; ils se
caractrisent par un assez bon coefficient de puissance de la
machine (Cp=0.3) pour des vitesses de voisines de 2 3, et par un
couple maximal pour ces deux vitesses.
Les moulins amricains : Construits aux Etats-Unis ds 1870, les
oliennes multipales peuvent comporter de 12 30 pales. Le
coefficient de puissance approche 0.3 pour des vitesses spcifiques
proches de 1 ( 1); le coefficient de couple est lev au dmarrage. Le
plus souvent, ces oliennes sont de petite taille; la roue
couramment un diamtre de 3 8 mtres. Ces oliennes fonctionnent bien
jusqu un vent de 7 8 m/s; au-del, il faut prvoir un dispositif
darrt et dclipsage qui doit mettre la machine en scurit. Ces
oliennes sont pourvues dun gouvernail de direction pour orienter le
disque normalement la direction du vent (cf schma ci-dessus).
Les oliennes rapides : la puissance nominale de ces capteurs est
trs tendue, de quelques dizaines de watts quelques mgawatts, de mme
que la taille du rotor (de 1 100 mtres de diamtre). Loptimisation
du rotor a grandement bnfici des travaux de recherche de
laronautique. Les coefficients de moment et de puissance sont
optimaux pour des valeurs de comprises entre 6 et 10. Les oliennes
rapides obtiennent des rendements levs (voisins de 85% par rapport
la limite de Betz).Le disque olien peut tre plac en amont (hlice au
vent) ou en aval (hlice sous le vent) du support. La tendance
actuelle est de situer le rotor en position aval.
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I.2 Les capteurs axe vertical Les principaux capteurs axe
vertical sont le rotor de Savonius, le rotor de Darrieus et le
capteur ailes battantes. Il existe galement les machines trane
diffrentielle comme le moulinet, les machines cran et les machines
clapets battants. Le rotor de Savonius est constitu de deux
demi-cylindres dont les axes sont dcals lun par rapport lautre.
Lcoulement interne favorise les caractristiques de performance de
la machine. Le coefficient Cp maximal atteint 0.3. Le rotor de
Savonius est caractris par un grand couple de dmarrage. A titre
dexemple, des machines de plusieurs kilowatts ont t ralises pour
assurer le pompage de leau dans les pays du Sahel; elles dmarrent
des vitesses de vent faible, voisines de 2 3 m/s. Ces systmes
prsentent cependant beaucoup plus dinconvnients que davantages dans
les ralisations actuelles, en particulier ils ncessitent comme les
systmes axe horizontal parallle au vent un dispositif dorientation.
La rcupration de lnergie produite est en gnral beaucoup plus
complique et se traduit souvent par une perte sensible du rendement
global. Le principe du rotor ou panmone de Darrieus invent par
lacadmicien franais Darrieus au cours des annes 1920-1935 repose
sur leffet de portance dun profil soumis laction dun vent relatif.
Il existe quatre sortes de rotors de Darrieus: le rotor
cylindrique, le rotor tronconique , le rotor variation cyclique et
le rotor parabolique.
Rotor de Darrieus: Rotor de Savonius :
Toutes ces machines ont besoin dtre haubanes, cest--dire
soutenues par des cbles ou des cordages. Le comportement dynamique
de la machine
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doit tenir compte des modes propres de vibration de tous les
organes structuraux, y compris celle des haubans. Le moulinet qui
est une machine trane diffrentielle est constitu de plusieures
demi-sphres ou de coquilles cylindriques (augets) montes sur des
bras relis un axe vertical tournant.La rotation est assure par la
trane arodynamique qui sexerce diffremment sur laube qui remonte
face au vent et sur celle qui s efface au vent. Le paramtre est
infrieur 1 ce qui dnote une assez faible vitesse de rotation. Le
coefficient de puissance maximal Cp max est voisin de 0.18 lorsque
vaut 0,6. Les anmomtres coupelles, papillon et du type Ailleret
fonctionnent suivant ce principe. Les vents de faible vitesse, 1 2
m/s, suffisent pour assurer leur dmarrage.Cependant, ce type de
capteur olien ne convient pas pour alimenter un gnrateur lectrique
car il ne produit quune trs faible puissance. Les machines cran:
Les aubages qui vont contre-courant du vent sont protgs par un cran
orientable grce la prsence dun gouvernail. Les aubes peuvent tre
rduites de simples plaques planes ou lgrement cambres. machine
cran: moulinet:
II Comment tirer profit de lnergie olienne II.1 Choix du site
Par suite de lirrgularit des vents, la rentabilit dune machine
olienne dpendra beaucoup du site sur lequel elle est installe et
sera lie aussi son utilisation. Les sites les plus intressants sont
situs au bord de la mer ou aux sommets de collines et de montagnes
bien dgages. Toutefois dans ces premiers lieux se posent des
problmes de corrosion et dans les seconds des risques de
givrage.
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Lnergie olienne est trs utilise pour alimenter en nergie
lectrique des sites trs isols dont les besoins nergtiques sont
rduits, ou pour pomper de leau peu de frais et de faon plus
silencieuse quavec un moteur thermique. Elle peut tre une solution
dans les pays o les lignes dinterconnexion ne parviendront pas du
fait de la faible densit de population. Dans le cas o toute autre
source dnergie peut tre envisage, lhydrolectricit par torrent ou
rivire dans le domaine priv, ligne de distribution E.D.F... une
petite tude conomique est ncessaire. La prospection des sites
possibles constitue donc le premier travail effectuer pour juger de
la possibilit dutiliser le vent. Des relevs mtorologiques complets
sur les sites prsums doivent tre effectus au moins pendant une
anne. Non seulement, il faut connatre la vitesse moyenne mais aussi
la quantit dnergie annuelle. Pour cela, des anmomtres spciaux
totalisateurs de lnergie par mtre carr ont t mis au point.Les vents
les plus intressants, qui donnent le maximum dnergie annuelle, sont
les vents rguliers, comme les alizs, ayant une vitesse moyenne de 6
8 m/s, voire jusqu 10 m/s.Outre ceux ayant une quantit dnergie
annuelle insuffisante, il faut liminer les sites soumis des
variations trs brutales de la vitesse du vent (type mistral par
exemple).Le relief local joue un rle trs important. Aussi, y a-t-il
lieu den tenir compte dans linterprtation des mesures effectues
souvent la hauteur standard de 10 m au-dessus du sol (hauteur
adopte par la Mtorologie nationale).Les constructeurs, en vue de la
conqute des mers, planchent sur des machines de plusieurs mgawatts.
En effet, installer des fermes de grande puissance quelques
kilomtres des ctes, o les ressources en vent sont bien plus leves
qu terre, permettrait de rduire encore le cot de llectricit. De
plus, limpact visuel sera attnu.
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Une haie joue le rle de brise-vent ; il en est de mme des
rideaux darbres ;ces obstacles savrent dfavorables limplantation
des oliennes de faible hauteur.Des phnomnes cycliques apparaissent
avec des priodes qui peuvent tre de lordre de la dizaine de
minutes, de quelques heures, de plusieurs jours ou de la dure des
saisons. La connaissance de la frquence de ces manifestations savre
utile pour la scurit des machines.Certaines rgions ont la rputation
de voir natre ou de voir passer un ou plusieurs cyclones par an, ou
encore des temptes ou des tornades. De ce fait, les pays riche
implantation de stations mtorologiques dictent des rgles destines
mieux cerner les hypothses de calcul pour donner aux constructions
un degr de scurit accrue. II.2 Caractristiques physiques des
oliennes II.2.1 La limite de Betz Lnergie rcuprable est celle quil
est possible de prlever de lnergie cintique du vent. Betz a montr
que, pour une machine axe horizontal, cette quantit avait une
limite.Aprs dmonstration, en prenant pour la masse volumique de
lair une valeur moyenne de 1,25 Kg/m^3, la puissance maximum
pratiquement rcuprable par un dispositif de surface S est gale
:
Cest la limite de Betz avec V la vitesse instantane du vent .
Toutes les grandeurs sont exprimes en unit SI.Cette puissance
rcuprable est celle que recueillerait une machine idale.Bien
qutablie pour une olienne axe horizontal, il est admis que cette
valeur limite sapplique la plupart des machines.Le rendement
maximal thorique dune olienne est de 59 %. Grce lamlioration du
profil et du revtement des pales, les machines actuelles peuvent
approcher les 50 %. Mais lutilisation de systmes de carnage permet
dlargir la surface balaye et donc de dpasser les fameux 59 %.
II.2.2 Les dispositifs de stockage de lnergie olienne Une
caractristique essentielle du vent tant la discontinuit dans le
temps, un certain nombre dtudes ont eu pour objet dtudier ou de
mettre au point des systmes permettant de stocker lnergie produite
par le vent et non
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utilise directement pendant les priodes de production afin den
restituer une partie, aussi grande que possible, pendant les
priodes de calme. Il existe diffrentes possibilits de stockage.
Pour la production dlectricit, le systme de loin le plus utilis est
celui par batterie daccumulateurs. Celles au plomb, bien que
lourdes et encombrantes, saccommodent bien des fluctuations propres
au vent. Les autres types sont mal adapts. Toutefois, ce type de
stockage ne convient que pour de petites puissances de quelques kW
tout au plus. Pour les stockages importants, on peut faire appel au
pompage de leau entre 2 rservoirs et une turbine si le terrain
fournit une possibilit intressante en dnivel. Le simple pompage de
leau dans un rservoir est aussi la solution pour stocker de leau
dans le cas, par exemple, de distribution deau alimentaire.Principe
: lnergie olienne sert remplir un rservoir de stockage dont leau
sera turbine pour restituer lnergie. Le stockage thermique commence
aussi se dvelopper, essentiellement pour le chauffage. Les
diffrents types de stockage thermique existant sont utiliss :
rservoir de fluides, chauffage de produits haute capacit thermique,
etc.Principe : lnergie produite est utilise pour chauffer le fluide
dun rservoir qui restituera pendant les priodes sans vent lnergie
stocke. II.3 Caractristiques technologiques des oliennes II.3.1 Le
supportage Les pylnes peuvent tre raliss en acier ou en bton arm.
Ils peuvent tre autoporteurs et autorsistants ou haubans. Si
l'haubanage permet de rduire les dimensions du mt, par contre il
pnalise lemprise au sol. Pour limiter loccupation au sol, le
supportage de plusieurs oliennes par une seule structure est
envisag ; dans ce cas, les pylnes constitus de structures
mtalliques en treillis sont intressants. Actuellement les mats en
caisson, souvent en acier et fortement ancrs au sol, sont trs
rpandus pour les oliennes de forte puissance.Les pylnes des
machines axe vertical sont courts, entre 0,1 et 0,5 fois la hauteur
du rotor. Ils sont le plus souvent du type hauban.Les problmes de
corrosion et de montage sont les paramtres principaux dans le choix
de la solution adopter.
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II.3.2 Lorientation Deux solutions sont encore en concurrence
:lolienne rotor face au vent et lolienne hlice sous le
vent.Lolienne rotor face au vent ncessite soit une drive, soit une
orientation actionne par un servomoteur recevant des informations
et commandes de la part dune girouette.Les capteurs axe horizontal
doivent toujours tre orients pour faire face au vent. Les
dispositifs le permettant sont donns dans le tableau ci-dessous.Les
systmes les plus simples sont ceux qui laissent lhlice sous le
vent. Le capteur, plac lamont du supportage, ncessite une gouverne
mais soustrait les pales au sillage de ce supportage. Par contre
sil est plac en aval, la gouverne nexiste plus et les efforts de
manoeuvre sont plus faibles. Cette dernire disposition est donc
plus simple et donne une stabilit suprieure. Il est cependant
utile, dans tous les cas, de monter un amortisseur.La disposition
roue aval est de loin maintenant la plus utilise, mme exclusivement
ds que la puissance dpasse quelques kilowatts.Les changements de
direction et les variations de frquence de rotation lis aux rafales
sont lorigine de vibrations nfastes au bon fonctionnement de la
machine. Le dispositif dorientation devra donc assurer le maintient
du rotor face au vent sans provoquer lors des changements brutaux
du vent des variations dorientation rapides de la machine.Les
grandes machines font appel la technologie lectrohydraulique et le
contrle de lorientation se fait par embrayage et valves
hydrauliques. Diffrent types dorientation des capteurs
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II.3.3 Les pales Les pales sont une partie trs importante des
oliennes. De leur nature dpendront le bon fonctionnement et la dure
de vie de la machine ainsi que le rendement du moteur
olien.Plusieurs lments caractrisent ces pales :- la longueur- la
largeur- le profil- les matriaux- le nombreParmi ces lments,
certains sont dtermins par les hypothses de calcul, puissance et
couple et dautres sont choisis en fonction de critres tel que :
cots, rsistance au climat ... II.3.3.1 Longueur Le diamtre de
lhlice est fonction de la puissance dsire. La dtermination de ce
diamtre fixe aussi la frquence de rotation maximum, que lhlice ne
devra pas dpasser pour limiter les contraintes en bout de pales
dues la force centrifuge. Il est essentiel de prendre en compte le
travail en fatigue des pales et les risques de vibrations, surtout
pour les trs longues pales.Pour les roues marche lente, ayant une
inertie importante, le diamtre reste limit 8 m cause de leur
comportement lors de rafales de vent.Pour les roues marche rapide,
la longueur des pales peut tre grande, suprieure 30 m. II.3.3.2
Largeur La largeur des pales intervient pour le couple de dmarrage
qui sera dautant meilleur que la pale sera plus large. Mais pour
obtenir des vitesses de rotation leves, on prfrera des pales fines
et lgres. Le rsultat sera donc un compromis. II.3.3.3 Le profilIl
est choisi en fonction du couple dsir.Pour la plupart des
arognrateurs de moyenne et de faible puissance, les pales ne sont
pas vrilles. Par contre, pour la plupart des machines de grande
puissance ( 100 kW), elles le sont, cest--dire quelles prennent la
forme dune hlice.Les caractristiques des diffrents profils sont
dtermines en soufflerie. Ils ont en gnral t tudis pour laviation
(ailes ou hlices). II.3.3.4 Les matriaux
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Les matriaux utiliss pour la ralisation des pales sont varis et
ont bnfici de nombreux progrs, particulirement ceux dus aux pales
dhlicoptre.Contrairement ce que lon croit frquemment, ce nest pas
dans le domaine de larodynamique que rside la difficult mais bien
dans celui de la construction et de la rsistance des matriaux. En
effet, cest dans le mode de ralisation des pales quil y a le plus
faire pour augmenter la scurit de marche.Les matriaux utiliss pour
la ralisation des pales sont donc essentiels et doivent rpondre
plusieurs exigences : ils doivent tre assez lgers, rsistants la
fatigue mcanique, lrosion et la corrosion, et de mise en oeuvre ou
dusinage simple.On rencontre plusieurs types de matriaux :
- le bois : il est simple, lger, facile travailler et il rsiste
bien la fatigue mais il est sensible lrosion, peut se dformer et
est rserv pour des pales assez petites.- le lamell-coll : cest un
matriau composite constitu dun empilement de lamelles de bois
colles ensemble. Il est possible de raliser des pales jusqu 5 6 m
de longueur ayant une bonne tenue en fatigue.- les alliages
daluminium pour des pales allant principalement jusqu 20 m de
longueur.- les matriaux composites : leur intrt est de permettre la
ralisation de toutes les formes et dimensions, ainsi que dobtenir
les caractristiques mcaniques exactes recherches : pale vrille,
corde volutive, changement de profil.
II.3.3.5 Nombre de pales
Les oliennes marche lente ont en gnral entre 20 et 40 ailettes
et ont un couple de dmarrage proportionnel au nombre de pales et au
diamtre ; leur rendement par rapport la limite de Betz est faible
car leur vitesse en bout de pale est limite.Les oliennes marche
rapide sont gnralement bipales ou tripales. La roue bipale est la
plus conomique et la plus simple mais elle est gnratrice de
vibrations qui peuvent tre importantes. La roue tripale prsente
moins de risques de vibrations, do fatigue et bruit plus faibles,
mais elle est plus complique et plus lourde. II.3.4 Systmes de
protection et de rgulation Quel que soit le type daromoteur, il est
ncessaire pour viter sa destruction lorsque les vents sont trop
violents quil soit quip dun systme permettant de diminuer les
contraintes mcaniques sur la machine.
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Les systmes peuvent agir de faons diffrentes et plus ou moins
fines avec un degr dautomatisme nul ou intgral. II.3.4.1 Systme de
freinage manuel
Cest le moyen le plus simple de prserver une machine de la
destruction. Lorsque le vent atteint une certaine force un oprateur
immobilise la machine soit laide dun frein, soit en plaant lhlice
parallle au vent (mise en drapeau), soit en modifiant le calage des
pales pour obtenir un couple moteur nul (systme le plus efficace).
II.3.4.2 Systme de freinage automatique Les deux moyens cits
prcdemment peuvent tre automatiques par action du vent sur une
palette de commande.La palette annexe est parallle et solidaire du
plan de rotation de lhlice. Lorsque la pression du vent sur cette
palette, proportionnelle au carr de la vitesse et la surface de la
palette,k SV2 , k 0,9 , atteint un certain seuil, elle peut
entraner la commande dun frein ou la mise en drapeau.Ce dispositif
peut tre associ un ressort qui replace lhlice dans sa position
normale lorsque laction du vent sur la palette annexe a cess.Ces
systmes ne peuvent tre utiliss quavec des aromoteurs dont la
vitesse de rotation na pas tre constante. Dautre part ils prsentent
linconvnient majeur dinterrompre le fonctionnement de laromoteur
au-del dune certaine vitesse de vent.
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II.3.4.3 Systme de rgulation par frein arodynamique centrifuge
Les pales principales sont fixes (calage constant).La rgulation
comporte 2 palettes P1 et P2 articules en O1 et O2 sur un support
normal laxe des pales principales. Ces palettes ont leur partie
avant un peu plus longue et plus lourde que la partie arrire. Elles
sont maintenues la position repos par les tiges t1 et t2 et les
ressorts tars x1 et x2 .Jusqu une certaine frquence de rotation f0
(cest--dire la vitesse de vent correspondante V0), les palettes
restent concentriques. En formant un volant
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dinertie, elles tendent maintenir la frquence de rotation stable
lorsque la vitesse du vent varie pendant de bref instants (petites
rafales).Les pales ayant un calage fixe, la frquence de rotation
augmente avec la vitesse du vent. Lorsque cette vitesse dpasse V0 ,
la frquence de rotation dpasse f0 , la force centrifuge et la
pression de lair sur les palettes deviennent prpondrantes. Les
palettes P1 et P2 pivotent autour de O1 et O2 et prennent la
position correspondant au freinage (voir figure ci-dessous).La
vitesse diminue alors et laction des ressorts x1 et x2 redevient
prpondrante, ramenant les palettes leur position initiale. Si le
vent est toujours suprieur V0 le processus recommence.En fait, le
mouvement rel ne prsente que de faibles variations de position
autour dune position dquilibre. En fonctionnement, les palettes
semblent conserver une position dquilibre fixe. Mais la vitesse de
rotation nest pas trs stable pour toute la plage dutilisation de
vitesse du vent.En plus de ce systme de rgulation, un frein peut
permettre dimmobiliser la machine en cas de tempte, darrt urgent ou
de non-utilisation.
II.3.4.4 Rgulation par variation du calage des pales (voir le
dessin en annexe).La rgulation consiste conserver une frquence de
rotation constante de lhlice pour toute une gamme de vitesses de
vent. Cette rgulation est obtenue en faisant varier langle de
calage , et par suite langle dincidence i qui est langle entre la
direction de la vitesse du vent relatif et laxe de la pale.
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Rgulation par mise en drapeauPrincipe : la pale est oriente en
incidence lgrement ngative et le profil ne porte plus.Avantage :
limiter les contraintes sur les pales par fort vent.Les machines
qui utilisent ce systme exigent dtre freines pour un vent suprieur
ou gal 36 m/s. Rgulation par dcrochage arodynamiquePrincipe : on
provoque une diminution de , ce qui entrane une augmentation de
langle dincidence i de sorte que la trane de la pale augmente
considrablement tandis que sa portance diminue (le systme charge la
machine et il est source de phnomnes de fatigue).Le systme garantit
une bonne rgulation pour des vents infrieurs ou gaux 60 m/s.
Rgulation par asservissement du calageLes 2 systmes prcdents
peuvent fonctionner par commande directe du calage, un vrin
hydraulique dans larbre porte-hlice creux par exemple.Le vrin
modifie le calage des pales en fonction de la vitesse de rotation
du rotor.Ce systme, plus souple mais techniquement plus complexe,
est rserv aux grandes machines. II.3.4.5 Freinage mcanique Les
dispositifs de commande sont galement nombreux : frein main, frein
air comprim, frein lectromcanique ou lectromagntique : le frein est
insr au plus prs du disque olien lorsquil y a une ligne darbre avec
multiplicateur incorpor ; il agit de faon progressive pour rduire
les contraintes leves apparaissant lors dun freinage brutal sur une
roue de plus grande inertie. Le freinage dune machine constitue un
lment de scurit si important que, bien souvent, on conjugue
diverses solutions qui participe la limitation en vitesse de
rotation puis larrt.
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II.3.4.6 Lclipsage Il sagit deffacer plus ou moins soit le
disque olien soit la totalit du systme.Soit on efface totalement ou
partiellement le rotor soit lensemble du pylne et de la machine
peut tre ramen terre grce un vrin hydraulique.
II.3.5 Le multiplicateur Les rotors dont le diamtre est suprieur
5 m ont des vitesses de rotation trop faibles pour pouvoir entraner
directement un alternateur classique. Il est donc indispensable
pour ces machines dinterposer entre laromoteur et lalternateur un
multiplicateur. 3 types de multiplicateurs peuvent tre utiliss avec
les aromoteurs : Le plus simple est le multiplicateur engrenages un
ou plusieurs trains de roues dentes cylindriques ; dune ralisation
conomique il est tout de mme encombrant pour un rapport de
multiplication lev. Lutilisation de trains plantaires permet de
raliser des multiplications leves sous un encombrement rduit. Leur
utilisation se gnralise ; cette technique permet de raliser des
rapports de multiplication levs sous un encombrement rduit et avec
un bon rendement de transmission. Les axes dentre et de sortie sont
colinaires voire coaxiaux. Le rducteur couple conique permet une
disposition de larbre de sortie perpendiculaire larbre dentre.
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III ApplicationsLnergie olienne est capte dans les rotors sous
forme mcanique, cest--dire sous la forme dun couple dans un arbre
en rotation. Du fait, le plus souvent, de lirrgularit de cette
nergie elle nest pas utilise sous cette forme mais convertie en
nergie mcanique potentielle (pompage deau), en nergie thermique et
souvent en nergie lectrique. La dtermination des organes de
conversion, gnrateurs lectriques ou pompes, se pose sous le double
aspect du choix du type et de la puissance nominale. Cette
dtermination est lie en particulier aux conditions mtorologiques du
site. Un paramtre important dans la conversion de lnergie mcanique
en une autre nergie est la vitesse de rotation du rotor. Cette
dernire est gnralement faible (quelques dizaines une centaine de
tours par minute). Or les gnrateurs lectriques, mais aussi les
pompes rapides ou les convertisseurs thermiques, doivent tourner
beaucoup plus vite, do la plupart du temps la ncessit daugmenter
cette vitesse soit par un artifice, soit par un multiplicateur. La
solution la plus rpandue utilise un multiplicateur de vitesse
courroies, si le rapport est infrieur 4 ou 5 et la puissance limite
quelques kilowatts, ou engrenages dont le rendement peut atteindre
jusqu 95 %. Le systme olien est constitu des lments suivants : un
capteur olien, un adaptateur mcanique compos des organes de
transmission de puissance avec multiplicateur ou rducteur de
vitesses, un transformateur dnergie qui peut tre lectrique,
hydraulique ou thermique, un accumulateur dnergie associ au
transformateur, un rseau de distribution alimentant le ou les
utilisateurs, enfin les organes de commande, de scurit et de
distribution. III.1 Production dlectricit Un arognrateur est
constitu par : Un aromoteur deux ou trois pales pourvu dun systme
de rgulation confrant lhlice une frquence (vitesse) de rotation
stable partir dune certaine vitesse de vent, et ventuellement un
systme de scurit destin arrter la machine en cas de tempte si le
systme de rgulation est inoprant au del de certaines vitesses du
vent.
Un gnrateur lectrique qui peut tre :
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. soit directement accoupl laromoteur : dans le cas le plus
simple, lhlice est monte directement sur laxe du gnrateur lectrique
;
. soit entran par un multiplicateur plac entre laromoteur et le
gnrateur lectrique. La frquence de rotation est lie au diamtre de
lhlice et elle diminue lorsque le diamtre augmente. Pour garder un
bon rendement du gnrateur lectrique, il est donc ncessaire
daugmenter la frquence de rotation obtenue avec laromoteur avant
dentraner le gnrateur lectrique. Ce gnrateur pourra tre soit une
dynamo fournissant un courant continu directement utilisable pour
charger une batterie, soit un alternateur. Pour des raisons de cot
et de rendement, les constructeurs darognrateurs sorientent de plus
en plus vers lutilisation des alternateurs. Un pivot dorientation
qui permet la machine de prsenter lhlice au vent quelle que soit sa
direction. Un carter ou bti qui enveloppe, protge et relie entre
elles lensemble des pices. Un gouvernail, dans le cas o lhlice de
la machine fonctionne au vent. Les arognrateurs actuels commencent
en gnral tourner lorsque la vitesse du vent est denviron 19 km/h,
ils atteignent leur puissance de croisire pour des vitesses du vent
comprises entre 40 et 50 km/h et sarrtent sous des vents soufflant
plus de 100 km/h. Les meilleurs sites pour implanter des
arognrateurs sont ceux o la vitesse moyenne du vent est dau moins
20 km/h.
III.2 Pompage de leau Les oliennes sont trs utilises pour le
pompage de leau.
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III.2.1 Les oliennes de pompage multipales La pompe est simple
et permet une hauteur de refoulement importante. Par contre, elle
demande un couple assez lev et surtout constant ; sa vitesse est
faible.Ce type de pompe saccommode donc bien avec les oliennes
lentes qui prsentent des caractristiques voisines des siennes.Etant
donn le mode dattaque par une tige descendante le long de la
conduite de refoulement, tige adapte surtout aux efforts de
traction, cest la pompe simple effet qui est la plus courante (voir
figure ci-dessous).La pompe est caractrise par son diamtre et sa
course. Ces 2 paramtres dterminent le volume maximum ject chaque
coup de piston.
Systmes dentranement de la pompeLhlice entrane directement un
systme bielle-manivelle qui permet dactionner le piston de la pompe
selon un mouvement de va-et-vient.La dimension de la manivelle
dfinit la course, donc le dbit, mais aussi le couple vaincre par la
roue pour assurer le mouvement du piston. Son inconvnient est
toutefois de prsenter une irrgularit de couple entre les deux
courses. Pour rgulariser le couple, on utilise des dispositifs
extrieurs : levier, poids, ressort. Ce dernier est intressant, car
il vite les articulations supplmentaires et rduit les
frottements.Pour des grandes profondeurs de pompage, il faut
minimiser les efforts dinertie et viter les phnomnes de rsonance
dans la tige de commande qui, par suite de sa grande longueur, se
comporte comme un ressort. On est alors souvent conduit rduire la
vitesse par lutilisation dun rducteur.Il est dangereux pour les
machines de dpasser une certaine hauteur manomtrique daspiration (7
m) cause des diffrentes pertes car le piston se spare de leau, ce
qui nest pas concevable dans un fonctionnement
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continu. La hauteur manomtrique totale ne dpasse gure 50 m pour
des hlices de 2,5 m de diamtre.La hauteur manomtrique est dfinie
daprs le schma suivant :
III.2.2 Les oliennes de pompage hlice rapide Le principal
inconvnient des oliennes multipales est de possder une rgulation
par tout ou rien. En effet, au-del de 10 m/s , le moteur olien se
place dans le lit du vent grce la palette de rgulation et le
dispositif ne pompe plus. Leur rendement est plus faible que celui
des hlices rapides.On a donc pens utiliser les oliennes hlice
rapide pour le pompage. Eoliennes rapides quipes de pompes pistonIl
existe des machines hlice rapide 3 ou 4 pales rgulation centrifuge,
ce qui permet de continuer pomper la vitesse nominale pour des
vents de 33 m/s (120 km/h). Ces machines sont quipes dun rducteur
entre lhlice et le dispositif bielle-manivelle. Aromoteurs rapides
quipes de pompes centrifugesLa pompe centrifuge sest substitue la
pompe piston, considrablement plus encombrante, plus coteuse, et ne
permettant gnralement pas laccouplement direct au moteur lectrique
ou tout mouvement de rotation.La pompe centrifuge, dont le couple
est assez faible aux basses vitesses, sadapte bien aux aromoteurs
rapides.Le couplage de la pompe peut se faire soit mcaniquement par
lintermdiaire dun multiplicateur sur la tige de commande qui
descend dans le tube de refoulement, soit lectriquement.
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IV Conclusion Bien quil existe de nombreuses sortes de capteurs
oliens, seuls les capteurs axe horizontal de type olienne rapide
sont vous un avenir pour la production dnergie lectrique grande
chelle. Les recherches effectues par laronautique dans le domaine
de larodynamique et les systmes de rgulation automatique des pales
pour obtenir une vitesse de rotation des pales peu prs constante
quelle que soit la vitesse du vent suprieure la vitesse de dmarrage
principalement ont permis daccrotre considrablement le rendement
des oliennes tel point que lon atteint aujourdhui des rendements
approchant les 50 %. Mais lutilisation de systmes de carnage permet
dlargir la surface balaye et donc dpasser le fameux 59 % dfini par
Betz. De plus les oliennes sont de plus en plus puissantes
(plusieurs mgawatts par oliennes). Jusqualors, les oliennes taient
attractives car cologiques, relativement silencieuses, et autonomes
mais le prix de revient du kilowattheure tait bien plus cher que
celui du rseau lectrique national. Aujourdhui, les progrs
techniques font que lnergie olienne est de moins en moins coteuse
et presque aussi comptitive que lnergie du rseau national en
prenant en compte le cot dinstallation des lignes lectriques. On
pense avoir une nergie olienne comptitive dans trois cinq ans. EdF
espre que le kilowattheure olien qui cotait en moyenne 50 centimes
il y a dix ans, va passer 35 centimes en 2001 et 28 centimes en
2005. Dans ce contexte, lnergie olienne sera devenue une nergie
comme les autres. On assiste actuellement de vastes programmes
dimplantation dnergie olienne en France et en Europe tel le
programme Eole 2005 lanc par EdF qui va mobiliser 620 millions de
francs dinvestissements privs et environ 700 millions de francs
supplmentaires pour aller jusqu 500 mgawatts. EdF pense pouvoir
aller sans hsiter jusqu 1 000 mgawatts dans lhexagone ce qui est
modeste compar aux 12 000 mgawatts qui doivent tre installs en
Europe dici 2002. Ali-Rza Laali, spcialiste du domaine la direction
des tudes de recherche dEdF pense quun rseau peut saccommoder de 10
20 % dnergie olienne. Lavenir de lnergie lectrique est donc trs
optimiste.
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Bibliographie
Encyclopdie des Sciences Industrielles Quillet, supplment,
Energie olienne, Paris, 1983.
THEMA Encyclopdie Larousse, Sciences et Techniques, Energie du
vent et de la mer, 1990.
Encyclopdie Techniques de lingnieur, Mcanique et chaleur,
Energie olienne, Jean MARTIN, 1996.
Energie olienne, Thorie, conception et calcul pratique des
installations, Dsir Le Gourires, Edition EYROLLES, 1980.
Vent et performances des oliennes, C.G. JUSTUS, Edition SCM,
1980.
Eoliennes et Arognrateurs - Guide de lnergie olienne, Edisud,
1979.
LUSINE NOUVELLE, Energie renouvelables : Le printemps du solaire
et de lolien, N 2638, 1998.
Encyclopdie Microsoft ENCARTA 97, Eolienne, Microsoft
Corporation, 1993-1996.
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