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LE VENT: RESSOURCE DE L’ENERGIE EOLIENNE
Définition
Le vent, d’après l’encyclopédie, c’est de l’air en mouvement. Le terme est généralement appliqué aux déplacements naturels horizontaux de l’atmosphère ; les mouvements de direction verticale ou presque verticale sont des courants.
Origine
Les régions autour de l’équateur (latitude 0° à approximativement 38°) subissent une insolation plus importante que le reste des régions du globe. L’air s’élève donc dans l’atmosphère suite à sa plus faible densité, pour atteindre une altitude d’environ 10km. Ensuite, il s’étend sur la surface du globe par un mouvement de l’équateur vers les pôles. Ce phénomène porte le nom de circulation Hadley. Cependant, dû à la rotation de la planète, apparait une composante transversale au mouvement vers les pôles des vents. C’est la force de Coriolis. Les vents centrés autour d’une dépression, dans l’hémisphère Nord, auront ainsi toujours un mouvement dans le sens trigonométrique. Cet effet se fera sentir surtout lorsque le vent atteint une latitude approximativement de 30°. En effet, la force de Coriolis empêche les vents d’aller beaucoup plus loin. Il en résulte donc que ces régions sont soumises à des hautes pressions (les vents refroidis commencent à redescendre). [7] Les vents s’organiseront ainsi en deux parties : la première, à haute altitude, de l’équateur vers les pôles (vents géostrophiques). La seconde, dans le sens inverse mais au niveau du sol (vents de surface). La force de Coriolis se fera toujours sentir. [5] Sans la force de Coriolis, les échanges thermiques nord sud seraient directs et les vents seront violents. L’influence de la force de Coriolis engendre des perturbations dans l’écoulement des masses d’air sur l’axe nord-sud. Le « cisaillement » des vents régule les échanges de température.
Mesure du vent
Mesure de la vitesse du vent
Le vent est une grandeur vectorielle tridimensionnelle. On peut représenter ses trois composantes dans les différents systèmes de repères (cartésien, cylindrique, sphérique). Sa vitesse peut être exprimée en (m/s), en (Km/h) ou en nœud (kt). (1m/s = 3,6 Km/h =1,85kt). Pour ce faire, les capteurs les plus fréquemment utilisés pour mesurer la composante horizontale du vent sont les anémomètres à moulinet (coupelle ou hélice et les girouettes). Mais pour mesurer à la fois la composante horizontale et verticale du vent, on utilise l’anémomètre à trois hélices, appelés anémomètres tridimensionnels ou bien les anémogirouettes à deux directions.
Les constituants mécaniques de l’éolienne et leurs fonctions respectives
❖ Le rotor, avec des pales montées sur un moyeu ;
❖ la transmission mécanique, qui transforme le mouvement de rotation du rotor en un mouvement utilisable par la charge ;
❖ une génératrice électrique, qui transforme l’énergie mécanique en énergie électrique ;
❖ une nacelle, qui supporte le rotor, la transmission et la génératrice ;
❖ un système d’orientation, qui oriente la nacelle face au vent ;
❖ un mât, qui supporte la nacelle ;
❖ un système électrique, qui gère la connexion au réseau et le fonctionnement de l’éolienne.
Voyons en détail les caractéristiques de chaque constituant.
Rotor
Une éolienne est constituée d’une partie tournante, le rotor, qui transforme l’énergie cinétique en énergie mécanique, en utilisant des profils aérodynamiques. Le flux d’air crée autour du profil une poussée qui entraîne le rotor et une traînée qui constitue une force parasite. La puissance mécanique est ensuite transformée soit en puissance hydraulique par une pompe, soit en puissance électrique par une génératrice. Le système éolien est constitué des éléments suivants : un capteur éolien, un adaptateur mécanique composé des organes de transmission de puissance avec multiplicateur ou réducteur de vitesses, un transformateur d’énergie qui peut être électrique, hydraulique ou thermique. Le diamètre du rotor va conditionner la puissance de vent récupérable.
La transformation de l’énergie mécanique : les pales
Les pales vont permettre une transformation de l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique. Si l’on peut compter de 2 à 24 pales sur une éolienne, ce nombre va être fonction de l’usage de la machine, du potentiel éolien et de son budget. Pour un aérogénérateur, on utilise en général 2 à 3 pales.
La création de l’électricité
La génératrice va permettre la transformation de l’énergie mécanique de rotation en énergie électrique.
On en distingue deux types :
❖ la génératrice asynchrone
❖ la génératrice synchrone
Chacune présentant ses avantages et ses inconvénients.
L’augmentation de la vitesse de rotation : le multiplicateur
Le multiplicateur va comme son nom l’indique permettre de multiplier la vitesse de rotation pour générer du courant. Ce système est de moins en moins utilisé par les constructeurs au profit des systèmes à attaque directe avec des génératrices à faible vitesse de rotation.
Limitation de la puissance : système de régulation
Le système de régulation permet de contrôler la puissance captée par l’éolienne pour notamment limiter les efforts sur le matériel.
On distingue différents types de système de régulation :
❖ régulation par variation du pas ou pales à pas variable/ pitch control, les pales sont mobiles autour de leur axe longitudinal quand le vent augmente, le pas augmente, la portance et le couple moteur sont alors réduits ;
❖ régulation par effacement du rotor, l’ensemble des pales tourne autour du mât ;
❖ régulation par décrochage aérodynamique ou pales à pas fixe. Les pales sont fixes, leur géométrie permet un décrochement aérodynamique.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE I. LE VENT : RESSOURCE DE L’ENERGIE EOLIENNE
I. 1 Définition
I.2 Origine
I.3 Mesure du vent
I.3.1 Mesure de la vitesse du vent
I.3.2 Echelle de Beaufort
I.3.3 La variation de la vitesse du vent avec la hauteur
CHAPITRE II. L’ENERGIE EOLIENNE
II.1 Définition de l’énergie éolienne
II.2 Présentation et caractéristiques principales des différents types de capteur éolien
II.2.1 Les capteurs à axe horizontal
II.2.2 Les capteurs à axe vertical
II.3 Les constituants mécaniques de l’éolienne et leurs fonctions respectives
II.3.1 Rotor
II.3.2 La transformation de l’énergie mécanique : les pales
II.3.3 La création de l’électricité
II.3.4 L’augmentation de la vitesse de rotation : le multiplicateur
II.3.5 Limitation de la puissance : système de régulation
II.4 Aérodynamisme
II.4.1 La vitesse périphérique
II.4.2 Théorie de Betz
II.4.3 Le coefficient de puissance
II.4.4 Diamètre du rotor
II.4.5 Le coefficient du couple
II.4.6 Aérodynamique de l’aile de l’éolienne
II.4.7 Action de l’air sur l’aile en mouvement
II.4.8 Aérodynamique de l’hélice : définition et caractéristiques géométriques
II.4.9 Action de l’air sur l’élément de pale
II.4.10 La poussée du vent sur l’hélice et le couple moteur produit
CHAPITRE III.PRODUCTION DU FROID ET CLIMATISATION
III.1 Production du froid
III.2 Climatisation
III.2.1 Les différents systèmes de climatisation
III.2.2 Présentation de l’unité de production du froid
CONCLUSION
