Organes d'une éolienne

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Le moyeu

Il supporte les pales. Lorsqu'elles sont à pas variable, il comporte un mécanisme complexe pour faire varier l'angle d'attaque simultanément. En réalité, les fabricants peuvent également devoir ajuster l'angle des pales fixes, aussi on prévoit toujours une façon de corriger l'installation des pales.

Le rotor et ses pales

Composante cruciale de l'éolienne. Il existe très peu de fabricants dans le monde capables de construire ces pales qui sont maintenant en fibre de verre et en fibre de carbone. Elles sont tellement longues (30 à 40 mètres ) qu'il faut des convois exceptionnels pour transporter ces ailes géantes. Le nombre de pales est plutôt fonction de l'apparence visuelle : on préfère les tripales. Mais une éolienne monopale est tout à fait performante.

 

 

 

 

 

Les rotors multipales procurent un couple élevé au démarrage mais sont peu efficaces par vent forts.

Le pas variable est le système le plus efficace car il permet une régulation constante et presque parfaite de la rotation du générateur en bout de ligne. Mais c'est un dispositif complexe, qui exige davantage d'entretien.

On préfère donc souvent ne pas avoir à modifier l'angle des pales, quitte à perdre un peu en efficacité, au démarrage et dans les grandes vitesses de vent. La conception de ces pales est très particulière car elles doivent « décrocher » quand le vent atteint une certaine vitesse. C'est l'« effet Stall ». Grâce à sa forme, la pale ne peut plus accélérer même si le vent augmente.

Contrairement à une première impression souvent répandue, une pale s'use dans le vent à cause du frottement avec les particules de poussière, de sable ou de glace. Il est rare que la durée de vie d'un jeu de pales dépasse une quinzaine d'années pour une éolienne régulièrement en fonction. Mais ceci varie évidemment avec la hauteur de l'éolienne et son environnement.

 

L'arbre

Pièce imposante car elle subit des efforts élevés. Entre le rotor et la boîte de vitesse, c'est l'arbre lent. L'arbre rapide rejoint le multiplicateur à la génératrice. Pour les éoliennes sans engrenage, il n'y a qu'un arbre unique.

Le châssis et la coquille de la nacelle

 

 

 

Véritable salle des machines perchée en hauteur. Elle renferme tous les instruments qui permettent à l'éolienne de fonctionner automatiquement. Sur les grandes éoliennes, la nacelle est trop lourde pour être orientée dans le vent par une dérive. C'est donc l'automate qui ordonne à un servomoteur de modifier la direction de la nacelle en fonction de l'indication du vent reçue de l'anémomètre situé sur le toit de l'éolienne.

 

 

 

 

 

 

La boîte de vitesse ou multiplicateur

Un mal nécessaire car beaucoup voudraient l'éliminer. C'est qu'il s'agit d'une composante lourde et coûteuse. Elle permet toutefois d'avoir un rotor tournant lentement (30 à 40 tours/min) et de se coupler à un générateur de série, donc peu cher, qui tourne lui 40 à 50 fois plus vite ! Dans les pays froids on doit réchauffer ces grosses boîtes d'engrenages.

 

 

Dans les grandes éoliennes, deux fabricants seulement, l'allemand Enercon et le français Jeumont Industrie, réalisent des turbines « à attaque directe », c'est-à-dire que le rotor entraîne directement une génératrice spéciale. La taille de cet alternateur est énorme.

La plupart des petites éoliennes de moins de 15 kW n'ont pas de boîte de vitesse.

 

Freinage et sécurité

C'est un élément essentiel de la survie d'une éolienne. La plupart des accidents sont venus d'un sous-freinage de ces machines. On cherche donc à installer sur une éolienne au moins deux systèmes de freinage, parmi les suivants :

- Système de contrôle par force centrifuge

On le retrouve, par exemple, dans les éoliennes de Vergnet ou celles d' Électro Vent . Lorsque la vitesse augmente, deux masses tendent à s'écarter du centre et orientent des freins aérodynamiques qui ralentissent considérablement la rotation. Un tel dispositif doit néanmoins être bien calibré pour être efficace et devrait sans doute se limiter à des usages dans des régions (ou à des saisons) tempérées/chaudes.

 

- Régulation et freinage par gouvernail articulé

  À partir d'un certain niveau de vent, jugé excessif pour la sécurité mécanique de l'éolienne, le gouvernail se replie progressivement et automatiquement en travers de l'axe du vent. Non seulement il freine l'écoulement, ralentissant la vitesse, mais il détourne l'éolienne de la perpendiculaire au vent. Celle-ci devient alors de moins en moins efficace et sa vitesse ne peut augmenter même si le vent force.

 

- Régulation et freinage âr basculement de l'éolienne sur le dos

Variante du précédent puisqu'il consiste à sortir le rotor du lit du vent. Plus le vent force sur le rotor, plus il comprime un ressort qui tenait la tête de l'éolienne verticale. Par très grands vents, la nacelle se couche. Ce mécanisme n'est possible que sur de petites éoliennes et il crée, comme l'autre, des efforts irréguliers sur les pales.

 

- Régulation aérodynamique sur les pales

  Le pas variable permet de mettre les pales en drapeau, ce qui arrête l'éolienne et la protège des grands vents. Le pas fixe utilise l'effet Stall pour empêcher la pale d'accélérer, ce qui revient à agir comme un frein. Enfin on peut installer des « flaps » ou aérofreins sur les pales qui sont des volets ouvrant automatiquement si quelque chose ne va pas (vitesse excessive, problème décelé sur l'éolienne).

 

- Arrêt par frein à disque automatique

Un détecteur de vitesse déclenche, à un certain seuil prédéterminé, un mécanisme automatique d'arrêt complet de l'éolienne. Il ne s'agit plus d'un système de ralentissement, mais bien d'un stoppage complet. Lorsque le vent baisse d'intensité, le frein est relâché et l'éolienne est de nouveau libérée. Ces arrêts peuvent aussi être déclenchés lorsque l'automate détecte un problème de réseau.

Les éoliennes à pas fixe et régulation Stall comportent souvent deux freins à disque…par sécurité.

 

 

 

 

 

Le générateur

 

C'est un alternateur. Les plus simples et robustes sont des générateurs à induction, mais il faut alors contrôler leur excitation par des condensateurs ou les relier au réseau, ce qui n'est pas facile. On doit essayer de stabiliser la vitesse de ces moteurs asynchrones près de leur puissance nominale (vers 1 800 tours) pour avoir en bout de ligne une fréquence et une tension régulières. Voilà pourquoi certains fabricants installent 2 génératrices, l'une exploitant les basses vitesses de vent, l'autre pour les hautes vitesses.

 

 

 

 

On peut utiliser une génératrice auto excitée : un moteur synchrone à aimants permanents. Plus facile à gérer, ce type d'alternateur est plus cher et comporte de nombreuses pièces mécaniques.

Enfin, l'avenir pourrait bien se situer dans les génératrices à basse vitesse car elles suppriment tout recours à un multiplicateur. La nouvelle génératrice discoïde de Jeumont Industrie est une innovation majeure car elle réduit la taille, normalement imposante, de ces alternateurs multipôles. Toutefois, le courant produit doit passer par un onduleur de grande puissance. Il s'agit là aussi d'une technologie de pointe.

Ces équipements peuvent nécessiter un système de refroidissement liquide, ce qui leur permet d'avoir une taille plus réduite.

 

Le mât ou tour

 

Pour les petites éoliennes, la solution la moins coûteuse est un tuyau en sections qui se trouve amplement haubané. La dimension du tuyau d'acier est surtout fonction du poids de l'éolienne, car ce sont les haubans qui assurent la stabilité de l'ensemble. Plus il y a de haubans et de structure porteuse, plus le bruit est élevé dans les grands vents.

Les tours en treillis sont les moins chères, mais souvent mal acceptées. Attention aux enfants qui ont tendance à y grimper.

L'autre alternative est une tour autoportante , tubulaire et conique. Aucun hauban n'est alors nécessaire, c'est beaucoup plus élégant, mais le prix d'une telle tour peut atteindre trois ou quatre fois celui d'un pylône haubané. La solidité de la fondation deviendra un élément important. C'est la solution pour les grandes éoliennes.

 

La fondation

Avec ses 400 tonnes de ciment et de fer d'armature, c'est un élément important d'une grande éolienne. La forme est ronde ou carrée mais peut aussi être en étoile pour réduire l'usage du ciment.

La mise à la terre doit être très bien faite. Dans certains parcs d'éoliennes on les relie toutes par des câbles de masse souterrains.

Le transformateur est situé dans le pied de tour ou juste à côté.

 

 

 

Pour les électriciens

 

Le cœur de l'éolienne est une génératrice, souvent composée d'éléments de moteur standard, mais disposée dans un carter totalement étanche et sans ventilation, sinon la poussière, l'eau et la glace vont rapidement en détériorer le dispositif. Les roulements sont de type « sans entretien ». L'alternateur est de type « à aimants permanents ». Les fabricants sérieux ont aussi trouvé des moyens pour réduire la résistance magnétique, permettant ainsi à l'éolienne de démarrer, même avec de faibles vents.

Ces éoliennes disposent souvent d'un axe baladeur muni de balais, permettant une rotation libre autour du mât, quelle que soit la direction du vent, transmettant ainsi le courant produit dans un câble.

La plupart de ces éoliennes doivent être reliées à un régulateur de charge pour ne pas risquer de surcharger et d'endommager les batteries lorsque le vent continue de souffler. Le surplus d'énergie produit par l'éolienne est dérivé par une résistance de délestage et se trouve perdu ou récupéré par un dispositif permettant, par exemple, de réchauffer de l'eau. Toutes ces opérations alternatives peuvent être commandées automatiquement, en tenant compte de l'état de charge ou de décharge des batteries, de la vitesse du vent et de la consommation demandée par l'utilisateur.

Plus votre installation est automatisée et complexe, plus, évidemment, l'ensemble du système est coûteux. Il est aussi possible de ne pas stocker l'énergie produite et de prévoir un système qui accepte le courant du réseau lorsque le vent est insuffisant.

On peut considérer qu'en dessous de 10 kW, la plupart des éoliennes sont de type « direct drive » c'est-à-dire que l'alternateur est en lien direct avec le rotor. Les premières boîtes de vitesses (multiplicateurs) apparaissent pour de puissances supérieures (par ex. : 50 kW), comme chez le fabricant français Vergnet.