L`homme et la nature – Énergies « propres » Les éoliennes

L'homme et la nature – Énergies « propres »
Les éoliennes
Problématique :
Comment passe-t-on de l'énergie éolienne à l'énergie électrique ?
Sommaire :
Introduction
➢
Passage de l'énergie cinétique du vent à l'énergie mécanique
 Forme des pales
 Calcul de l'énergie cinétique du vent et de la puissance théorique récupérable
 La masse volumique de l'air
 La vitesse du vent
 La surface balayée
 Limite de Betz
 Loi de Betz et puissance maximale récupérable
 Graphique
➢
Passage de l'énergie mécanique à l'énergie électrique
 Le phénomène d'induction
 Générateurs synchrone et asynchrone
Conclusion
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Introduction
Aujourd'hui, l'offre d'énergie est principalement dominée par les énergies fossiles (pétrole,
gaz etc.). Mais les experts prévoient leur tarissement pour les années 2060. De plus, nous assistons à
une prise de conscience des risques environnementaux, ainsi, de nombreux gouvernements
accordent désormais la priorité aux énergies propres et renouvelables.
Les énergies propres ne représentent qu'1% de la production d'électricité en France contre 4%
dans l'Union Européenne, mais le but de l’Union Européenne (aujourd'hui 25 pays) est de couvrir
en 2010 une part de 12% de la consommation totale d’énergie par des énergies propres.
Production d'électricité en France
■ Nucléaire : 77%
■ Hydro : 13%
■ Charbon : 5%
■ Gaz : 4%
■ Energies propres : 1%
L'énergie éolienne devrait connaître et connait déjà la progression la plus forte dans la
catégorie des énergies propres et renouvelables produisant de l'électricité.
D'un point de vue physique et mathématique, comment peut-on expliquer le passage de
l'énergie éolienne à l'énergie électrique ?
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Il existe deux types d'éoliennes : les éoliennes à axe vertical et les éoliennes à axe horizontal.
Nous allons nous intéresser aux éoliennes à axe horizontal, qui sont les plus courantes.
Une éolienne à axe horizontal
Une éolienne à axe vertical
Une éolienne à axe horizontal comporte trois grandes parties :
•
Le rotor, constitué des pales et du moyeu
•
La nacelle
•
Le mât, de 40 à 80 mètres de haut, qui renferme les cables assurant la liaison au réseau
électrique
Rotor
Nacelle
Mât
Construction d'une éolienne
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Passage de l'énergie cinétique du vent à l'énergie mécanique
Dans cette première partie, nous allons énumérer les facteurs qui interviennent dans la
transformation de l'énergie cinétique cédée par le vent au rotor (énergie éolienne), en énergie
mécanique rotative.
Forme des pales d'une éolienne
La plupart des pales modernes des grandes éoliennes
sont fabriquées en plastique (polyester ou époxy) renforcé
par des fibres de verre, ce qui constitue une solution
économique et assez résistante.
Extrados
L'écoulement des filets d'air créent une zone de
surpression sur la face intrados, et de dépression sur la face
extrados. Cette différence de pression donne naissance à la
force de protance FP dirigée de l'intrados vers l'extrados.
Intrados
La coupe d'une pale d'éolienne
Energie cinétique du vent, puissance théorique récupérable
La formule qui permet de calculer l'énergie cinétique et la puissance du vent théoriquement
récupérable dépend de trois facteurs :
La masse volumique de l'air, notée ρ et exprimée en kg/m3
La masse volumique de l'air peut être calculée d'après la formule des gaz parfaits (loi de
Mariotte) :
•
p
RT
p étant la pression exprimée en hPa
R étant la constante des gaz parfaits
T la température en Kelvin (T = θ + 273,16, θ en °C)
=
Elle est environ égale à 1,23 kg/m3 à 15 °C.
La vitesse du vent, notée v et exprimée en m/s
La vitesse du vent dépend de la rugosité du terrain et de l'altitude. La classe de rugosité est
définie dans l'Atlas Éolien Européen à partir de la longueur de rugosité en mètres z0, à savoir la
hauteur au-dessus du sol où la vitesse du vent en théorie est égale à zéro.
•
Classe de rugosité
Indice d'énergie
Type de paysage
0
100%
Surface d'eau
0,5
73%
Terrain complètement dégagé, surface lisse
1
52%
Terrain dégagé, sans constructions, clotures ou haies vives
2
39%
Terrain dégagé, quelques constructions, quelques haies espacées de plus de 500m
3
24%
Terrain accidenté ou villages/villes
4
13%
Grandes villes, hauts bâtiments
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Au voisinage du sol, la vitesse du vent est quasiment nulle. Elle va croître en fonction de
l'altitude z.
Gradient de vent
Pour commencer à produire de l'énergie, une éolienne exige une vitesse de vent minimale,
dite vitesse de démarrage. Pour la plupart des éoliennes modernes, cette vitesse est de 4 m/s (14,4
km/h). Quand le vent augmente, les éoliennes disposent d'une vitesse de vent dite nominale, pour
laquelle la puissance maximale du générateur est atteinte. Elle s'élève à 12 m/s (43 km/h) pour les
éoliennes modernes. Quand le vent est trop violent (par exemple, en cas de tempête), les éoliennes
doivent être arrêtées par un frein à disque pour éviter d'être endommagées : c'est la vitesse d'arrêt,
en général de 25 m/s (90 km/h).
» Remarque : Il serait possible de produire de l'énergie dans des vents plus élevés,
mais les coûts de production seraient trop élevés par rapport au gain (seulement
quelques heures de production d'électricité par an).
La surface balayée par le rotor, notée S et exprimée
en m²
C'est l'aire du disque balayé par les pales, donc
calculé par la formule :
•
Aire = π R²
Ci-contre, un schéma illustrant la puissance générée par
des éoliennes aux pales de différentes dimensions.
Soit un disque D, v1 la vitesse du vent en amont du disque et v2 sa vitesse en aval. Supposons
que lors de son passage à travers D, le vent cède (dans un court laps de temps) une certaine quantité
d'énergie E telle que :
1
 m v1 ² −v 2 ²
2
m étant la masse du volume d'air traversant le disque, exprimée en kg
E=
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Le débit massique d'air q vaut :
 m
=  S v 1−v 2 
 t 
q est exprimé en kg/s
q=
Ce qui donne, pour la puissance P récupérable (en Watts) :
1/2  m v 1 ² −v 2 ² 
E
=
 t
 t 
1
P =  S v 1−v 2  v 1 ² −v 2 ²
2
P=
Si v2 = 0 (la vitesse en aval du disque est nulle), cette puissance est maximale, soit :
P MAX THEORIQUE =
1
3
 S v1
2
Mais cette valeur de puissance maximale est purement théorique, car dans la réalité, il faut
respecter la condition de conservation du débit massique du fluide (dans le cas d'une éolienne, c'est
l'air) :
S1.v1 = S2.v2
Ce qui impose que v2 ne soit pas nul.
Loi de Betz
Le physicien Albert Betz a démontré que l'énergie récupérable est maximale lorsque :
v2 =
1
v
3 1
Selon cette même démonstration, cela implique que la puissance maximale récupérable est :
P MAX =
16
8
3
P
=
 S v1
27 MAX THEORIQUE 27
» Remarque : La puissance variant avec le cube de la vitesse du vent, il est évident
qu'un site sera d'autant plus intéressant si la vitesse moyenne annuelle du vent est la
plus élevée possible.
La puissance pratique d'une éolienne est inférieure à la puissance maximale théorique. Ceci
est dû au fait que, du vent au transformateur, il y a plusieurs étapes de conversion d'énergie,
chacune avec un rendement inférieur à 100% : rotor, multiplicateur, générateur, transformateur...
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Voici un diagramme qui résume bien ces concepts de puissance théorique, de limite de Betz
et de puissance pratique.
Puissance
Puissance totale
théoriquement
récupérable
Limite de Betz
Rendement moyen des
machines
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
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Passage de l'énergie mécanique à l'énergie électrique
Après avoir transformé l'énergie éolienne en
énergie mécanique par son rotor, l'éolienne
transforme l'énergie mécanique rotative en
courant alternatif à la fréquence du réseau
électrique, à l'intérieur de la nacelle.
Nous allons étudier dans cette seconde partie
les différents systèmes qui permettent cette
conversion d'énergie.
Schéma d'une nacelle
Le phénomène d'induction
Il existe deux types de générateurs que l'on peut trouver dans les éoliennes. Ils utilisent le
phénomène d'induction.
Lors d'une expérience, on fait entrer un aimant dans une bobine de cuivre et on remarque qu'il
y a production de courant électrique dans un court laps de temps. Lorsque l'on insère un noyau de
fer dans cette même bobine et que l'on fait tourner un aimant à proximité de ce noyau, il y a
production de courant alternatif. Ce phénomène est utilisé dans les générateurs à induction des
éoliennes.
Générateurs synchrone et asynchrone
Avant d'entrer dans le générateur, la vitesse du rotor est accélérée dans un multiplicateur. En
effet, la vitesse de rotation des pales est trop lente pour entraîner directement le générateur. Grâce à
un jeu d'engrenages, le multiplicateur de vitesse fait passer la fréquence de rotation de 19-30
révolutions par minute à environ 1500 rév./min.
Le premier type de générateur est dit asynchrone. Le rotor
(partie mobile dans le générateur) à « cage d'écureuil » comporte
un certain nombre de barreaux en cuivre et en aluminium reliés
électriquement entre eux par deux cercles en aluminium situés
aux deux extrémités. Le rotor tourne à l'intérieur du stator (partie
fixe dans le générateur) à une vitesse adaptée au réseau électrique,
le stator est donc directement relié au réseau électrique. Il est
utilisé dans les éoliennes à vitesse « quasi-fixe ».
"Cage d'écureuil" d'un
générateur asynchrone
» Remarque : les éoliennes à vitesse « quasi-fixe » gardent une vitesse de rotation
quasi-constante grâce au système d'orientation du rotor qui modifie l'angle des pales.
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Le deuxième type de générateur est dit synchrone. Le rotor est un aimant permanent qui
tourne entre plusieurs électroaimants reliés au réseau électrique. Il est utilisé dans les éoliennes à
vitesse variable. Le courant alternatif qui est produit a donc une fréquence variable. Il est converti
dans un premier temps en courant continu, puis reconverti en courant alternatif à ondes carrées par
des systèmes de thysistors et transistors. Le courant obtenu est filtré, et on obtient un courant
alternatif à ondes sinusoïdales à la fréquence du réseau électrique.
» Remarque : la fréquence du réseau électrique en France est de 50Hz, alors qu'il
est de 60Hz en Amérique du Nord.
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Conclusion
La transformation de l'énergie électrique en énergie éolienne
se décompose en deux temps. La force exercée par le vent sur les
pales fait tourner le rotor : on obtient de l'énergie mécanique. Cette
énergie, amplifiée par un multiplicateur, est transformée en énergie
électrique par un générateur à induction qui produit du courant
alternatif qui alimente le réseau.
Même si les éoliennes provoquent des polémiques (nuisances
sonores, esthétique), elles restent une source d'énergie électrique
propre et renouvelable.
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