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Domotique
Généralités sur les éoliennes
Composants d’une éolienne
Nomenclature
Avantages / inconvénients
Ressources
Ph. Calvisi / 4ème / Confort & domotique / eolienne
Généralité sur les éoliennes : EOLIENNE A AXE HORIZONTAL OU A AXE VERTICAL
Etude :
Domotique
1. Principe
Eolienne
énergie
énergie
Pâles
&
Rotor
Alternateur
Il existe différents profils d'éolienne. On distingue deux grands types d'éolienne : les éoliennes à axe vertical et les éoliennes à axe horizontal. Que l'éolienne soit à axe vertical ou horizontal, il s'agit de générer un
couple moteur pour entraîner la génératrice.
2. Eolienne à axe vertical
Eolienne de …………………………...
Eolienne de …………………………...
3. Eolienne à axe horizontal
Ferme ……………….
Ferme ………………..
Les éoliennes à axe horizontal sont les plus employées car leur rendement aérodynamique est supérieur à celui des éoliennes à axe vertical, elles sont moins exposées aux contraintes mécaniques et ont
un coût moins important.
Les éoliennes à axe horizontal sont basées sur le principe des moulins à
vent. Elles sont constituées d' une à trois pales profilées aérodynamiquement. Le plus souvent le rotor de ces éoliennes est tripale, car trois pales
constituent un bon compromis entre le coefficient de puissance, le coût et la
vitesse de rotation du capteur éolien ainsi que l'aspect esthétique par rapport aux bipales.
Etude :
Domotique
1. Principe
Eolienne
énergie
Énergie
Mécani-
Vent
Pâles
&
Rotor
stockage
Réseau de distribution
Alternateur
Utilisation directe
Il existe différents profils d'éolienne. On distingue deux grands types d'éolienne : les éoliennes à axe vertical et les éoliennes à axe horizontal. Que l'éolienne soit à axe vertical ou horizontal, il s'agit de générer un
couple moteur pour entraîner la génératrice.
2. Eolienne à axe vertical
Eolienne de Savonius
Eolienne de Darrieus
3. Eolienne à axe horizontal
Ferme éolienne
Ferme éolienne offshore
Les éoliennes à axe horizontal sont les plus employées car leur rendement aérodynamique est supérieur à celui des éoliennes à axe vertical, elles sont moins exposées aux contraintes mécaniques et ont
un coût moins important.
Les éoliennes à axe horizontal sont basées sur le principe des moulins à
vent. Elles sont constituées d' une à trois pales profilées aérodynamiquement. Le plus souvent le rotor de ces éoliennes est tripale, car trois pales
constituent un bon compromis entre le coefficient de puissance, le coût et la
vitesse de rotation du capteur éolien ainsi que l'aspect esthétique par rapport aux bipales.
Eoliennes à axe horizontal
Etude :
Domotique
Toutes les éoliennes commerciales raccordées au réseau sont aujourd'hui construites
avec un rotor du type hélice, monté sur un
axe horizontal. La finalité du rotor est de
convertir le mouvement linéaire du vent en
énergie rotative susceptible d'entraîner une
génératrice.
10
permet de transformer une vitesse lente en une vitesse rapide
9
assure la production électrique
7
permet d'orienter l'éolienne et de la « verrouiller » dans l'axe
du vent
pour en évaluer la direction du vent.
6
pour en mesurer la vitesse du vent.
5
C’est la boite qui contient l’ensemble des composants en haut
du mat
4
entraine des machines (alternateur)
3
c'est l'arbre du rotor de la turbine éolienne. Il est dit arbre
lent
2
capter l'énergie du vent et de la transférer ensuite au rotor
1
Il supporte le rotor et la nacelle
8
Re
désignations
fonctions
Fonctionnement :
Le système d’orientation place l’éolienne face
au vent, entraînant la rotation du rotor.
Le mouvement des pales est distribué à l’axe
lent, au multiplicateur, à l’axe rapide et enfin
au générateur.
Pour que l’éolienne puisse produire de l’électricité, le vent doit atteindre une vitesse d’au
moins 15km/h. C’est avec un vent de 50 km/h que l’éolienne atteint sa meilleure efficacité énergétique. Mais comme la force du vent varie beaucoup, le système d'orientation doit réguler la portance des pales en les faisant pivoter, assurant ainsi une puissance constante. Au-delà de 90 km/h,
les pales sont mises parallèles au vent (si besoin est, un frein à disque procède à l’arrêt d’urgence).
Le générateur transforme l'énergie mécanique en courant alternatif d'une tension de 690 Volts qui
est transformé en 20 000 Volts afin d'être transporté vers le consommateur par le réseau électrique.
Avantages / inconvénients
Etude :
Domotique
En vous aidant des documents ressources, répondre sur une feuille de classeur aux questions suivantes
Eoliennes à axe vertical
Avantages
Inconvénients
Pourquoi la plupart des éoliennes commercialisées ont-elles un axe horizontal ?
Quelles sont les critères de choix pour un site éolien ?
Quel est le diamètre de rotor d’une éolienne de 2000 kW ?
Quelle est la hauteur d’une éolienne de 1500 kW ?
Pourquoi faut-il un multiplicateur entre le rotor de l’éolienne et la génératrice ?
Etude :
Domotique
Toutes les éoliennes commerciales raccordées au réseau sont aujourd'hui construites
avec un rotor du type hélice, monté sur un
axe horizontal. La finalité du rotor est de
convertir le mouvement linéaire du vent en
énergie rotative susceptible d'entraîner une
génératrice.
10
multiplicateur
permet de transformer une vitesse lente en une vitesse rapide
9
génératrice
7
Système d’orientation
girouette
permet d'orienter l'éolienne et de la « verrouiller » dans l'axe
du vent
pour en évaluer la direction du vent.
6
anémomètre
pour en mesurer la vitesse du vent.
5
Nacelle
C’est la boite qui contient l’ensemble des composants en haut
du mat
4
Arbre secondaire
3
Arbre primaire
c'est l'arbre du rotor de la turbine éolienne. Il est dit arbre
lent
2
pales
1
Mât
8
Re
désignations
fonctions
Fonctionnement :
Le système d’orientation place l’éolienne face
au vent, entraînant la rotation du rotor.
Le mouvement des pales est distribué à l’axe
lent, au multiplicateur, à l’axe rapide et enfin
au générateur.
Pour que l’éolienne puisse produire de l’électricité, le vent doit atteindre une vitesse d’au
moins 15km/h. C’est avec un vent de 50 km/h que l’éolienne atteint sa meilleure efficacité énergétique. Mais comme la force du vent varie beaucoup, le système d'orientation doit réguler la portance des pales en les faisant pivoter, assurant ainsi une puissance constante. Au-delà de 90 km/h,
les pales sont mises parallèles au vent (si besoin est, un frein à disque procède à l’arrêt d’urgence).
Le générateur transforme l'énergie mécanique en courant alternatif d'une tension de 690 Volts qui
est transformé en 20 000 Volts afin d'être transporté vers le consommateur par le réseau électrique.
Etude :
Nomenclature
Domotique
En vous aidant des documents ressources, répondre sur une feuille de classeur aux questions suivantes
Avantages
1)
Inconvénients
Elle vous permet de placer la génératrice, le
1) Les vents sont assez faibles à proximité de la
multiplicateur, etc. à terre, et vous n'avez
surface du sol.
pas besoin de munir la machine d'une tour.
2) L'efficacité globale des éoliennes à axe vertical
2)
Un mécanisme d'orientation n'est pas né-
n'est pas impressionnante.
cessaire pour orienter le rotor dans la direc3)
tion du vent.
3) L'éolienne ne démarre pas automatiquement.
Pylône plus petit donc moins chers
(Ainsi, il faut p.ex. pousser les éoliennes de Darrieus pour qu'elles démarrent.
4) Pour faire tenir l'éolienne, on utilise souvent
des haubans ce qui est peu pratique dans des zones agricoles exploitées intensivement.
Elles ont un meilleur rendement
Pour produire plus d’électricité
En recherche d'une vue dégagée
Raccordement au réseau
Infrastructure
Quelle est la hauteur d’une éolienne de 1500 kW ?
Généralité sur les éoliennes
EOLIENNE A AXE HORIZONTAL OU A AXE VERTICAL
Domotique
Toutes les éoliennes commerciales raccordées au réseau sont aujourd'hui construites avec un rotor
du type hélice, monté sur un axe horizontal.
La finalité du rotor est évidemment de convertir le mouvement linéaire du vent en énergie rotative
susceptible d'entraîner une génératrice.
La seule éolienne à axe vertical qui n’ait jamais été fabriquée commercialement est l'éolienne de Darrieus, nommée d'après l'ingénieur français Georges Darrieus qui breveta la conception en 1931. La compagnie américaine FloWind fabriqua l'éolienne jusqu'à son faillite en 1997. L'éolienne de Darrieus est
caractérisée par ses pales de rotor en forme de C qui la font ressembler un peu à un fouet à œufs. Elle
est normalement construite avec deux ou trois pales.
Les avantages théoriques d'une machine à axe vertical sont les suivantes :
1) Elle vous permet de placer la génératrice, le multiplicateur, etc. à terre, et vous n'avez pas besoin de
munir la machine d'une tour.
2) Un mécanisme d'orientation n'est pas nécessaire pour orienter le rotor dans la direction du vent.
Les inconvénients principaux sont les suivants :
1) Les vents sont assez faibles à proximité de la surface du sol. Le prix d'omettre une tour est donc des
vents très faibles sur la partie inférieure du rotor.
2) L'efficacité globale des éoliennes à axe vertical n'est pas impressionnante.
3) L'éolienne ne démarre pas automatiquement. (Ainsi, il faut p.ex. pousser les éoliennes de Darrieus
pour qu'elles démarrent. Cependant, ceci ne constitue qu'un inconvénient mineur dans le cas d'une éolienne raccordée au réseau, étant donné qu'il est alors possible d'utiliser la génératrice comme un moteur absorbant du courant du réseau pour démarrer l'éolienne).
4) Pour faire tenir l'éolienne, on utilise souvent des haubans ce qui est peu pratique dans des zones agriPh. Calvisi / 4ème / Confort & domotique / eolienne
coles exploitées intensivement.
Domotique
LE MULTIPLICATEUR
La puissance produite par la rotation du rotor d'une éolienne est transmise à la génératrice par toute une chaîne dynamique, c.-à-d. par l'arbre lent, le multiplicateur et l'arbre rapide.
Mais pourquoi, en fait, utiliser un multiplicateur ? N'est-ce pas possible d'entraîner la génératrice directement par la puissance produite par
l'arbre lent ?
Si nous utilisions une génératrice ordinaire, raccordée directement au réseau électrique il nous faudrait une turbine à une vitesse extrême variant entre 1.000 et 3.000 tours par minute. Avec un diamètre de rotor de 43 mètres, cela impliquera une vitesse des pales du rotor à leur extrémité de plus de
deux fois la vitesse du son, il vaut donc mieux laisser tomber cette idée tout de suite.
CHOIX D’UN SITE EOLIEN
La ressource éolienne
Normalement, le seul fait
d'observer la nature constitue une aide excellente lors
de l'identification d'un bon
Ainsi, comme vous pouvez
Raccordement au réseau
Les grandes éoliennes doivent
le voir sur l’image, les arbres
évidemment être raccordées
et les buissons peuvent servir
au réseau électrique.
Infrastructure
d'un bon indicateur de la di-
Lorsqu'il s'agit de projets
rection des vents dominants
éoliens de moindre envergure,
Lors de l'élaboration d'un pro-
dans la zone en question.
il est donc primordial que l'éo-
jet éolien, il faut toujours tenir
lienne soit installée relative-
compte des coûts liés à l'éta-
ment près d'une ligne électri-
blissement des fondations des
que de 10 à 30 kilovolts (kV)
éoliennes et à la construction
afin d'éviter que les coûts de
d'un chemin permettant aux
pose de nouveaux câbles ne
camions lourds de gagner le
soient exorbitants.
site.
En recherche d'une vue dégagée
Il faut de préférence avoir
une vue aussi dégagée que
possible dans la direction des
vents dominants.
site éolien.
Domotique
TAILLE DE LA TOUR
Il est évident que la production d'énergie d'une grande
génératrice est supérieure à celle d'une petite, mais si
vous regardez les trois éoliennes ci-dessous de 225
kW, 600 kW et 1,500 kW ayant des diamètres de rotor
de 27, 43 et 60 mètres respectivement, vous verrez
que la hauteur des tours diffère également.
Il va de soi que, pour des raisons de faisabilité, il est impossible d'installer un rotor de 60 m de diamètre
sur une tour de moins de 30 m de haut. Mais également si nous considérions le coût d'un grand rotor,
d'une grande génératrice et d'un multiplicateur, une telle idée s'avérerait tout à fait folle : ce serait une
pure perte d'argent d'installer un si grand rotor sur une petite tour, pour la simple raison qu'une plus
grande tour nous permet d'obtenir des vitesses du vent beaucoup plus fortes, et donc d'extraire une capacité énergétique bien supérieure. Chaque mètre de tour coûtant évidemment de l'argent, la hauteur
optimale d'une tour est donc fonction de :
le coût de la tour par mètre (10 m de tour supplémentaires s'élèvent à environ 12.000 €).
combien la vitesse du vent varie avec l'altitude au-dessus du sol sur le site en question
le prix que le propriétaire de l'éolienne obtiendra par kWh d'électricité produite en plus.
Les constructeurs d'éoliennes vendent souvent des éoliennes dont la hauteur de la tour correspond au
diamètre du rotor. D’un point de vue esthétique, beaucoup de monde trouve en fait que les éoliennes
sont plus harmonieuses à regarder si la hauteur de la tour et le diamètre du rotor sont plus ou moins
égaux.
TAILLE DES PALES
La surface de disque balayée par le rotor (ainsi que la
vitesse du vent, évidemment) détermine la quantité
en une année.
L'image peut vous donner une idée des diamètres
généraux du rotor, valables pour les différentes tailles
d'éoliennes. Une éolienne, dont la puissance de la
génératrice est de 600 kW, aura typiquement un diamètre de rotor de 44 mètres.
d'énergie que l'éolienne est susceptible de récolter
Etude :
Domotique
Intérieur d’une nacelle
Nomenclature
Etude :
Domotique
Travail demandé
11
Outils de mesure
10
contrôleur
9
génératrice
8
7
Refroidisseur
6
Arbre secondaire
5
multiplicateur
4
Arbre primaire
3
Mât
2
Moyeu
1
pales
Rep
désignations
Se connecter sur le site : http://www.lei.ucl.ac.be/multimedia/eLEE/FR/realisations/index.htm
Cliquer sur Energies renouvelables, filière éolienne, généralités, composants d’une éolienne
1.
Compléter la colonne fonctions du document Nomenclature
2.
Replacer les repères sur le document Composants d’une éolienne
3.
Colorier en rouge les pales, en bleu le mât et repasser en vert la nacelle
fonctions
Domotique
4
12
5
6
10
11
9
7
1
2
8
3
4
5
6
11
1
12
3
8
9
Photo éolienne
Intérieur d’une nacelle
Nomenclature
Domotique
Travail demandé
Se connecter sur le site : http://www.lei.ucl.ac.be/multimedia/eLEE/FR/realisations/index.htm
Cliquer sur Energies renouvelables, filière éolienne, généralités, composants d’une éolienne
1.
Compléter la colonne fonctions du document Nomenclature
2.
Replacer les repères sur le document Composants d’une éolienne
3.
Colorier en rouge les pales, en bleu le mât et repasser en vert la nacelle
4.
Replacer les repères sur le document Photo d’une éolienne et intérieur d’une nacelle
5.
Colorier en rouge les pales, en bleu le mât et en vert la nacelle
En vous aidant des documents ressources, répondre sur une feuille de classeur aux questions suivantes :
1.
2.
3.
4.
5.
Quelle est la hauteur d’une éolienne de 1500 kW ? Compréhe ntion
11
Outils de mesure
une girouette pour en évaluer la direction et un anémomètre pour en mesurer la vitesse.
10
contrôleur
Surveille le fonctionnement de l’éolienne (vitesse, orientation…..)
9
génératrice
8
permet d'orienter l'éolienne et de la « verrouiller » dans
l'axe du vent
7
Refroidisseur
Refroidir
6
Arbre secondaire
5
multiplicateur
permet de transformer une vitesse lente en une vitesse
rapide
4
Arbre primaire
c'est l'arbre du rotor de la turbine éolienne. Il est dit arbre lent
3
Mât
2
Moyeu
permet d'orienter les pales pour réguler la vitesse de rotation (prise de vent).
1
pales
Rep
désignations
fonctions
Domotique

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