2008.05.20 FR Technology WindPlant EnergyThic Technologie Des Eoliennes

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Une nergie en plein essor: Lnergie olienne

CUENOT BorisGRAFF Christophe

PTSI A

1997-1998

WindTechnologyPage 1 / 26

T.I.P.ESciences-Industrielles

Sujet: nergie olienne, fonctionnement, contraintes et

perspectives sur lavenir.


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



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



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%.



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 .


= U/V = R/V

Cp = Pm / 0,5 S V3

Cc = Cm / Ca = Cp /


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


hlice au vent

hlice sous le vent


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.



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



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.



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.



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


P = 0,37 S V3


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.



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



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



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.



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.



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



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.



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.



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.



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 :



. 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.



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



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.



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.



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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2008.05.20 FR Technology WindPlant EnergyThic Technologie Des Eoliennes