Eoliennes

Gisement éolien terrestre

Le vent doit son énergie au soleil, comme la majorité des énergies renouvelables. La Terre reçoit de la part du soleil environ 1,74 x 10¹⁷ Watts ce qui correspond à 100 millions de milliards de Watts et seulement 1 à 2 % de cette énergie est convertie en énergie éolienne. Les rayons du soleil arrivent perpendiculairement à la surface de la Terre au niveau de l'Équateur et tangentiellement au niveau des pôles. Si on fait le bilan thermique de la Terre, on remarque un surplus d'énergie au niveau de l'Équateur et un déficit au niveau des pôles ce qui entraîne nécessairement un transfert de chaleur de l'Équateur vers les pôles. En quelque sorte, les masses d’air plus chaudes au niveau de l'Équateur remontent en altitude et vont aller se refroidir sur les pôles. En fait, ce système est légèrement plus compliqué. Il existe plusieurs cellules dans chaque hémisphère qui sont d'ailleurs entraînées en rotation par la rotation de la Terre, c'est l’effet Coriolis. Pour résumer, les masses d'air se déplacent et créent le vent.

Variations de vent

On sait que la vitesse du vent est nulle au ras du sol et que, quand on monte en altitude, la vitesse reste pratiquement constante. Dans la couche limite, ce vent va être très fortement influencé par les aspérités du sol. On parlera de rugosité (figure ci-dessous).

Il existe une loi simple qui donne la vitesse V à l’altitude H, à condition de connaître la vitesse V0 à l'altitude H0, moyennant l’indice n qui est l'indice de rugosité qui dépend de l'état du sol. Dans le cas de terrain un peu rugueux, n est voisin de 0. Dans celui d’un terrain moyennement rugueux, le cas d'une plaine, on a une valeur de 0,16. Dans celui d'une zone plus rugueuse, forêt ou zones urbaines, cet indice augmente jusqu'à 0,4.

Le vent varie également en fonction de la topologie du terrain, donc il est conseillé de mettre les éoliennes dans un goulet, un rétrécissement ou en haut d'une colline.

Potentiel énergétique d'un site éolien

L’installation d’un mât de mesure permet d’étudier les régimes de vent présents sur le site (vitesse, direction, température) et de le comparer aux statistiques long termes issues de données Météo France et satellitaires. Ces informations permettront de définir le modèle d’éolienne du futur parc et d’affiner les précisions de production.

Le mât de mesure permet également l’installation de dispositif d’écoute et d’enregistrement de l’activité des chiroptères en altitude. Ces éléments enrichissent l’étude environnementale.

Mesurer la vitesse de vent à différentes hauteurs permet de déterminer la rugosité du site. L’anémomètre va mesurer la vitesse du vent, la girouette sa direction. On prend ainsi, à raison d'une mesure toutes les 10 minutes, sur un mois, plusieurs mois, voire une année, on pourra ainsi réaliser la rose des vents qui nous donnera les directions privilégiées du vent de façon à installer les alignements d'éoliennes. En comptabilisant les données de vent, on va pouvoir tracer ce qu'on appelle la distribution des vitesses de vent qui consiste à relever le nombre d'heures qu’un vent a soufflé pour une classe de vitesse.

Comparaison de deux sites éoliens

Nous avons représenté ci-dessous deux exemples de site éolien. L’un est peu venté. C'est le site autour de la région de Rennes où on voit que sur ce site-là, il y a beaucoup d’heures de vent de vitesse faible et peu d'heures de vent de vitesse élevée. Par contre, la région plutôt ventée autour de Perpignan, on voit que c'est plutôt l'inverse, on a beaucoup plus d'heures de vent, de vitesse de vent élevée. En calculant l'énergie comme précédemment, on va retrouver deux courbes : une courbe en bleu où on voit un site qui est plus énergétique que le site de Rennes.

Après avoir fait les calculs, qui consistent à sommer toutes ces énergies, on trouve dans le cas du site peu venté de Rennes une énergie de l'ordre de 470 kWh par mètre carré de vent, le calcul étant fait sur une année. Dans le cas de Perpignan, on trouvera quelque chose de plus élevé de l'ordre de 1800 kWh par mètre carré de vent, toujours sur une année. En se servant uniquement de la moyenne de ces valeurs, on va pouvoir établir des cartes que l’on trouve habituellement sur Internet. On voit ici en Europe que les endroits les plus ventés.

Puissance aérodynamique absorbée

Puissance du vent

donc $Équation en notation Latex : P= \frac{E}{t}$

L'éolienne exploite l'énergie cinétique du vent, elle s'exprime de la manière suivante :

$Équation en notation Latex : P= \frac{E_{c}}{t}$

La masse d'air mis en jeu

Puissance reçu par l'éolienne

$Équation en notation Latex : P= \frac{E_{c}}{t}=\frac{\frac{1}{2}.m.v^{2}}{t}=\frac{m.v^{2}}{2.t}=\frac{\rho.S.v.t.v^{2}}{2.t}$

$Équation en notation Latex : \boxed{P=\frac{1}{2}.\rho.S.v^{3}}$

Limite de BETZ

M. Betz a calculé qu'on obtient le maximum d'énergie d'une éolienne quand on a ralenti le flux d'air de 1/3.

La limite de Betz est coefficient de performance maximum Cp(max)= 16/27=60%.Ça signifie que quelle que soit la technologie et la performance de l'éolienne je ne pourrai pas récupérer plus de 60% de la puissance du vent.

$Équation en notation Latex : C_{p}=\frac{P_{vent}}{P_{méca}}<60\%$

$Équation en notation Latex : \boxed{P_{meca}=C_{p}.\frac{1}{2}.\rho.S.v^{3}}$

Pour une éolienne tripales Cp<50%

TSR Typ-Speed Ratio

Le rendement aérodynamique instantané, ou coefficient de performance, d’une éolienne dépend du rapport entre la vitesse en bout de pales et la vitesse du vent

tip-speed ratio (TSR) : le rapport entre la vitesse en bout de pale (induite par la rotation) et la vitesse du vent

$Équation en notation Latex : \boxed{\lambda=\frac{V_{t}}{V_{n}}= \frac{R.\omega}{V_{n}}}$

V_t, la vitesse en bout de pale (m/s)
w vitesse de rotation (rad/s)
V_n est la vitesse du vent en amont (m/s).
R est le rayon balayé par les pales de l’éolienne

Pour optimiser la conversion de la puissance du vent en puissance mécanique appliquée au rotor, il faut que ce rapport Lambda ne soit ni trop faible, ni trop élevé. Si la vitesse du vent change, la vitesse de rotation de l’éolienne devrait idéalement pouvoir s’adapter pour maintenir le TSR constant et donc toujours travailler avec les meilleurs rendements.

Les pertes

“pertes de sillage” : L’écart entre la vitesse de rotation du rotor / vitesse de vent.

“trainée du profil d’aile” : Pour un profil d’une pale d’éolienne, la force aérodynamique se décompose en une force de portance, mais aussi de trainée qui s’oppose dans la direction de rotation de l’éolienne. L’effet négatif sur le rendement aérodynamique est d’autant plus important que l’éolienne tourne vite. Les pertes augmentent avec le tip-speed ratio.

Exemple : Pour une éolienne à 3 pâles avec Cpmax =0.48 d’un rayon de 10 et un λ de 7 , et un vent de 10m/s soit 36km/h, la vitesse de rotation optimale sera de 1.11tr/s . Si la vitesse de rotation dépasse cette valeur, on va freiner l’éolienne. Les bouts de pales évoluent à 70 m/s (252 km/h !). Au-delà de 80 m/s, les pales ont tendance à s'éroder prématurément.

Aérodynamique des éoliennes

Mise en rotation du sillage

Les pales, de par leur rotation perpendiculaire au vent, créent des turbulences dans le flux d'air ainsi qu'une diminution de la vitesse du vent en aval du rotor. C'est ce qu'on appelle l'effet de sillage.

Le sillage créé par les premières rangées d'éoliennes réduit la production des rangées en aval du vent. Plus la distance entre les éoliennes est importante, plus l'effet de sillage sera faible.

Pour réduire l'impact de l'effet de sillage et optimiser la production électrique, il est recommandé d'espacer les éoliennes d'une distance minimale 5 fois le diamètre du rotor. Pour le projet éolien en mer les éoliennes Adwen de 8MW ont un diamètre de 180 mètres, elles seront dont espacée de 900m.

Système de contrôle

Pour s’adapter à la vitesse du vent et la direction du vent, un système de contrôle – commande surveille l’état de l’éolienne en permanence. il contrôle de manière continue le dispositif d’orientation de la nacelle de l’éolienne (Yaw) ainsi que le dispositif de calage des pales (Pitch).

Phases de fonctionnement de l’éolienne

Phase 0 : état éolienne parquée

En l’absence de vent suffisant (Vvent<Vvent mini), il est nécessaire d’arrêter complètement l’éolienne et de l’immobiliser. Dans cette phase, les freins de nacelle et les freins de pitch seront activés. Les pales sont mises en position extrême (à plat).

Phase 1 : état production puissance variable

Lorsque Vvent>Vvent mini, l’éolienne va alors se mettre dans le sens du vent grâce au système de rotation de la nacelle (Yaw) et les pales vont s’incliner grâce au système de calage d’angle des pales (Pitch), de sorte à optimiser la puissance reçue. Durant cette phase, le générateur est en production à puissance variable.

Phase 2 : état production puissance nominale

La vitesse du vent est supérieure à la vitesse nominale, l’éolienne se met alors en phase de production à puissance nominale.

Phase 3 : état freinage éolienne

Lorsque les conditions de vent sont trop importante l’asservissement de la nacelle fait en sorte que l’éolienne soit toujours face au vent. Les pales sont mises en position extrême (en drapeau

Chaine de production électrique

Les pales tournent à une vitesse relativement lente, de l’ordre de 5 à 15 tours par minute, d’autant plus lente que l’éolienne est grande. La plupart des générateurs ont besoin de tourner à très grande vitesse (de 1 000 à 2 000 tours par minute) pour produire de l’électricité. C’est pourquoi le mouvement lent du rotor est accéléré par un multiplicateur. Certains types d’éoliennes n’en sont pas équipés, leur générateur est alors beaucoup plus gros et beaucoup plus lourd.

Chaînes de conversion avec multiplicateur de vitesse :

Ce type est le plus courant. Le générateur est robuste (génératrice asynchrone), le courant est directement exploitable sur le réseau. Un multiplicateur est nécessaire pour « suivre » la fréquence du réseau (50Hz). rendement plus faible, besoin de maintenance.

Chaînes de conversion à entraînement direct :

La chaîne à entraînement direct présente plusieurs avantages, la fiabilité est améliorée, la maintenance est réduite, permet des performances accrues et une fatigue mécanique réduite. Ce type d’éolienne est plus couteux et nécessite une transformation complexe du courant.

Typologie des éoliennes

L’éolienne horizontale

L’éolienne horizontale car l’axe de rotation des pâles est horizontal

Le grand avantage de cette éolienne est son rendement.

Ces éoliennes sont également jugées plus solides et engendrent de faibles coûts d’entretien. L’inconvénient principal de ces éoliennes est le bruit qu’elles engendrent.

3 pales = bon compromis puissance, vitesse de rotation, limites de vibration, bruit et usure du rotor .

Éolienne

L’éolienne Darrieus est une éolienne qui se base sur un rotor en H, cylindrique ou hélicoïdale, qui tourne autour d’une tige fixe. Ce type d’éolienne verticale a de nombreux avantages dont celui de pouvoir être installé dans des endroits avec beaucoup de vent et de faire très peu de bruit.

Les inconvénients de ce type d’éolienne est d’avoir besoin d’un vent relativement fort pour commencer à tourner et donc à produire de l’énergie hors au sol les vents sont faibles

Les contraintes mécaniques sont fortes.