Introduction
L'éolienne (CNR Officiel)(1'28") https://youtu.be/zqc1GfOn1a8?si=BuYPYFu7jWCJmZkB
L'amélioration de l'efficacité énergétique et l'exploitation croissante des sources d'énergie renouvelables constituent les deux axes principaux de la transition énergétique que la France met en œuvre pour faire face à la demande en énergie. Un des objectifs du Grenelle de l'environnement est de porter à 23 % la part des énergies renouvelables dans la consommation d'énergie finale d'ici à 2020.
La production d'électricité à partir de l'énergie éolienne, encouragée par la politique énergétique des différents gouvernements, ne cesse de croître depuis ces dix dernières années comme en témoigne le graphique suivant
Attach:SA.EnergieProductionEolien/guide-tout-comprendre-eolien.pdf
Principes
Le fonctionnement d'une éolienne peut être décomposé selon les étapes suivantes :
| Étape | Remarques |
| Conversion de l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique de rotation par l'intermédiaire des pales (1) de la turbine | La plupart des éoliennes possèdent un mécanisme d'orientation des pales (« pitch control ») permettant de modifier la force de portance créée par le vent et donc le couple transmis sur l'arbre. Ce dispositif est utilisé soit pour optimiser le rendement, soit pour limiter la puissance convertie lorsque le vent devient trop fort. |
| Adaptation de la vitesse de l'arbre dit lent de la turbine à l'arbre rapide de la génératrice(2). | Les éoliennes de grand diamètre tournent à des vitesses faibles qui nécessitent un multiplicateur mécanique lorsque la génératrice associée est de type asynchrone. Une attaque directe sans multiplicateur est possible avec les génératrices de type synchrone. |
| Conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique par la génératrice (3). | Les génératrices utilisées sont soit de type synchrone soit de type asynchrone. Des convertisseurs électriques de puissance peuvent être utilisés pour contrôler la vitesse de l'éolienne afin d'optimiser le transfert de puissance. |
| Adaptation de l'énergie électrique par le transformateur de raccordement au réseau (4). | Les valeurs efficaces nominales des tensions des génératrices sont généralement de 690 V. Un transformateur est donc nécessaire pour les raccorder au réseau de distribution HTA (20 kV). |
Description du fonctionnement d'une éolienne
Description du fonctionnement d'une éolienne (J'apprends l'énergie)(3'38") https://youtu.be/YN4Kf4hOwSI?si=IKw7prTwob1jUERZ
Contrôle de puissance
Le contrôle de la puissance qui transite dans le rotor via les convertisseurs permet le contrôle du point de fonctionnement de l'éolienne afin d'optimiser la récupération de la puissance du vent. L'algorithme de recherche du point de fonctionnement optimal est communément appelé MPPT (Maximum Power Point Tracking), il diffère selon la technologie des éoliennes et les méthodes des fabricants. Les performances des éoliennes G90 sont synthétisées par leur courbe de puissance
Courbe de puissance de l'aérogénérateur AEG G90 2.0 MW pour une densité de l'air égale à 1,225 [kg/m3]
Eolienne MADA (MADA = Machine Asynchrone à Double Alimentation)
La structure de la génératrice asynchrone à double alimentation (MADA) mise en œuvre dans l'éolienne G90 correspond au synoptique suivant :
Structure d'une génératrice de type MADA
Physique de l'éolienne
Les faibles vitesses de déplacement d'air mises en jeu sont telles que sa masse volumique peut être considérée comme constante. Dans ces conditions, le théorème de Bernoulli reste applicable sous sa forme classique :
\( {E_B} = {E_A} - {E_{\'e olienne}} - \sum {pertes} \)
\( E = p + \rho \times g \times z + \frac{1}{2} \times \rho \times {v^2} \)
Conventions et applications numériques :
- tous les calculs seront effectués avec pair = 1,225 kg•m-3 et g = 9,81 m s-2;
- la base du mât de l'éolienne, de hauteur d'axe h, sera prise comme origine des altitudes ;
- toutes les pertes associées au frottement de l'air seront négligées ;
- si nécessaire, la pression atmosphérique. (patm) sera prise égale à 1,013 x 105Pa.
\( {P_{\'e olienne}} = \frac{1}{2} \times {\rho _{air}} \times S \times \left( {v_{amont}^2 - v_{aval}^2} \right) \times \left( {\frac{{{v_{amont}} + {v_{aval}}}}{2}} \right) \)
Courbes Cp
Une éolienne est caractérisée par sa courbe \( C_P=f(\lambda) \), \( \lambda \) étant le coefficient d'avance (« Tip Speed Ratio ») défini par le rapport :
\( \lambda = \frac{{R \times \Omega }}{{{v_{vent}}}} \)
avec :
- \( R \), le rayon du disque balayé par les pales de l'éolienne en m ;
- \( \Omega \), la vitesse angulaire de rotation des pales en rad.s-1 ;
- \( V_{vent} \), la vitesse du vent en amont de l'éolienne en m.s-1,
Vitesse fixe ou variable
Le choix des éoliennes (puissance nominale, diamètre, technologie, prix, etc.) est l'élément clé de la conception du parc. La plupart des fabricants proposent différentes technologies adaptées à la topologie du terrain et à la variabilité du vent. L'objectif de cette partie est de comparer l'efficacité des éoliennes fonctionnant à « vitesse fixe » par rapport à celles fonctionnant à « vitesse variable ». On définit ainsi le coefficient de performance CP d'une éolienne par le rapport :
\( {C_p} = \frac{{{\rm{Puissance \'e lectrique g\'e n\'e r\'e e}}}}{{{\rm{Puissance du vent}}}} \)
Le CP d'une éolienne a une valeur théorique maximale \( {C_{pMAX}} = \frac{{\rm{9}}}{{{\rm{16}}}} \) , appelée limite de Betz, indépendante des rendements de transmission mécanique et de conversion électrique : l'énergie cinétique du vent ne peut en effet être intégralement convertie en énergie électrique puisque la vitesse du vent en aval de l'éolienne n'est jamais nulle. On montre que cette énergie résiduelle dépend directement de la vitesse de rotation des pales : le Cp d'une éolienne dépend donc de la vitesse de rotation de son rotor.
\( {P_{vent}} = \frac{1}{2} \times {\rho _{air}} \times S \times v_{vent}^3 \)
Exercices
Attach:SA.EnergieProductionEolien/Quinzaine dexercices sur les eoliennes.pdf
