L'éolienne, relais de la force du vent
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Le vent est porteur d'une force motrice que l'homme utilise depuis longtemps. Pour la transformer en , il fait appel à l' . Grâce à ses composants de haute technologie, celle-ci se comporte comme une véritable centrale.
© - L'éolienne : une centrale électrique miniature
Le vent provient d'un réchauffement inégal de la surface de la Terre qui crée des zones de températures et de pressions différentes : les anticyclones et les dépressions. La pression cherchant naturellement à se rééquilibrer, des masses d'air se déplacent depuis les anticyclones vers les zones de dépression. Plus la dépression est importante, plus le vent est fort.
Cette force, l'homme l'a utilisée depuis longtemps pour pousser ses bateaux ou actionner des moulins. Aujourd'hui, grâce aux éoliennes, il la transforme en électricité.
Energie du vent, vitesse et surface balayée
Quelques principes régissent la conception des éoliennes :
- La énergétique que peut fournir une éolienne est proportionnelle à la vitesse du vent. Il convient donc de chercher un vent constant et fort, en hauteur, afin d'éviter toute perturbation due aux obstacles naturels (relief, végétation) ou artificiels (bâtiments…), et des espaces dégagés. C’est pourquoi on construit des éoliennes de grande taille (parfois plus de 120 mètres de haut) et on recherche des espaces libres, en pleine mer par exemple avec l'éolien . Les installations offshore, au large des côtes (généralement à plus de 10 km), accueillent des éoliennes beaucoup plus grandes et puissantes. Elles sont souvent équipées de rotors autour de 180 mètres de diamètre et ont des puissances supérieures à 10 MW. En mai 2020, Siemens Gamesa Renewable Energy (SGRE) a même présenté une éolienne offshore avec un rotor de 222 mètres et d'une puissance allant jusqu'à 15 MW.
- La puissance est proportionnelle à la surface balayée par les pales de l'éolienne, qui sont généralement au nombre de 3 et forment une hélice, ou rotor. Aujourd'hui, les éoliennes terrestres les plus courantes en Europe ont des rotors de l'ordre de 100 mètres de diamètre. Leur puissance est généralement entre 2 et 4 MW.
Composition d'une éolienne : mât, rotor et nacelle
Les éoliennes se composent de trois pièces principales :
- le : son rôle est de supporter les autres éléments (nacelle et rotor). Généralement fait de métal, il est fixé sur une fondation de béton arrimée au sol par de longs pieux. Les éoliennes en mer sont installées dans les fonds marins selon le même principe ;
- le rotor : son rôle consiste à transformer l' (mouvements) du vent en . Il se compose du nez et de l'hélice, elle-même formée de trois pales (plus rarement deux). Les pales dérivent des technologies de l'aéronautique et sont fabriquées à l'aide de matériaux composites (polyester renforcé de fibre de verre et / ou fibre de carbone) à la fois légers, rigides et résistants ;
- la nacelle : située en haut du mât, derrière le rotor, elle abrite le générateur produisant l'électricité à partir de la force mécanique du rotor en mouvement. Le transport de l'énergie jusqu'au sol est assuré par des câbles électriques descendant à l'intérieur du mât de l'éolienne. La (capacité de production électrique) dans une nacelle peut atteindre 5 mégawatts.
Les éoliennes sont par ailleurs dotées d'un système qui permet de :
- Orienter le rotor de l'éolienne perpendiculairement à la direction du vent de façon à capter le maximum de sa force motrice ;
- Modifier l'angle d'incidence des pales par rapport au vent afin de maximiser la récupération d'énergie.
Grâce à ce système de supervision et de contrôle, l'éolienne peut être arrêtée automatiquement et très rapidement en cas de nécessité. La sécurité du fonctionnement est ainsi assurée en continu.
L’éolienne, une centrale électrique miniature
Pour démarrer, une éolienne a besoin d'une vitesse de vent minimale, de l'ordre de 10-15 kilomètres/heure. Mais l'éolienne a aussi une limite supérieure : 90 kilomètres/heure, parfois plus sur certains modèles récents. Cette limite répond à des objectifs de sécurité mais aussi de rentabilité : en tournant très vite, les pièces s'usent et se fragilisent alors que la production d'électricité ne connaît qu'un gain minime.
La vitesse de rotation du rotor (de 12 à 15 tours/minute) doit être augmentée par un système mécanique interne, le multiplicateur, qui permet d'atteindre environ 1 500 tours/minute, vitesse nécessaire au bon fonctionnement de l'alternateur.
Des convertisseurs électroniques de puissance ajustent la fréquence du courant produit par l'éolienne à celle du réseau électrique auquel elle est raccordée (50 hertz en Europe), tout en permettant au rotor de l'éolienne de tourner à vitesse variable en fonction du vent.
Le raccordement au réseau d’une éolienne
La tension de l'électricité produite par l'alternateur – de l'ordre de 600 à 1 000 volts – est élevée à travers un transformateur de puissance, situé dans la nacelle ou à l'intérieur du mât, jusqu'à un niveau de 20 000 ou 30 000 volts. Un tel niveau permet de véhiculer l'électricité jusqu'au point de raccordement au réseau électrique. Pour les centrales éoliennes de 10-15 mégawatts de capacité, le niveau de tension de raccordement est, en France, généralement de 20 000 volts. Pour les centrales de capacité plus importante, le niveau de tension de raccordement peut aller de 60 000 à 90 000 volts, voire 225 000 volts.
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