Generalites sur les eoliennes

Depuis quelques années, beaucoup de chercheurs et scientifiques sonnent l’alarme sur la dégradation de l’environnement à cause de la pollution et aussi sur la diminution du pétrole qui est la source d’énergie la plus utilisée depuis le vingtième siècle jusqu’à aujourd’hui. Chaque jour, nous brûlons une énergie qu’il a fallu des millions d’années pour produire. C’est le temps qu’ont mis des milliards de plantes et d’organismes à se décomposer et à se transformer, par la chaleur et la pression, en pétrole, en gaz et en charbon qui partent en fumée. Et la quasi-totalité de ces transformations ont eu lieu il y a plus de 285 millions d’années durant le Carbonifère, bien avant l’apparition des dinosaures sur Terre. Les experts considèrent que dans quelques décennies, voire quelques années, la production pétrolière atteindra un pic, mettant un terme aux 145 années de croissance fondée sur son utilisation. A ce moment-là, les réserves toujours plus abondantes et généralement bon marché commenceront à se raréfier et à se faire de plus en plus chères. Si le monde ne s’y prépare pas, les économies s’effondreront et les conflits se multiplieront, les nations se disputant les dernières réserves pétrolières. Afin de remédier à ces fléaux, les dirigeants des pays développés font appels à l’utilisation de l’énergie renouvelable .

Dans le contexte actuel, où penser en termes de durabilité devient nécessaire pour ne pas mettre en péril le développement des générations futures, les énergies renouvelables ont trouvé leur place. Réputées non polluantes, elles sont de plus en plus répandues de nos jours. Parmi elles, il y a l’énergie éolienne. Les éoliennes permettent de transformer l’énergie d’une ressource infiniment renouvelable, le vent, en énergie électrique. Le concept parait très simple. Une hélice tourne lorsque le vent souffle dessus. Derrière cette étonnante simplicité, nous allons, au cours de ce projet, découvrir et analyser l’ensemble des technologies intervenant dans le fonctionnement d’une éolienne basé sur le thème de ce mémoire de fin d’étude : « Les pales, le gouvernail et mise en drapeau ».

GENERALITES SUR LES EOLIENNES

Étymologie et définition

Le mot « éolienne » vient du grec Αἴολος (Éole), qui signifie le dieu des vents. Le terme signifie également « rapide », « vif » ou « inconstant », « qui est relatif au vent ». On pourrait aussi définir l’éolienne comme étant un ensemble de composantes qui transforment l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique ou électrique. Cette énergie peut donc avoir différentes applications comme actionner des moulins ou des stations de pompage d’eau ou, encore, produire de l’électricité.

L’énergie électrique d’origine éolienne

Depuis des siècles, les hommes exploitaient déjà le vent. Le nom d’éolienne a été donné au moteur transformant l’énergie cinétique acquise par l’air propulsé à une certaine vitesse par le vent en énergie mécanique utilisable sur un arbre tournant. Cette énergie mécanique était utilisée par les anciens moulins pour faire tourner la meule à moudre le grain ou autre denrée ou encore à pomper l’eau du sous-sol pour l’irrigation. Actuellement on transforme cette énergie mécanique en énergie électrique destinée à tout usage, l’éolienne électrique est parfois désignée sous le terme d’aérogénérateur.

L’énergie électrique d’origine éolienne est parfois considérée comme la plus prometteuse des énergies renouvelables à développer pour remplacer le charbon, le pétrole, le gaz et même le nucléaire. Tout procédé de transformation d’une forme d’énergie en une autre forme plus utilisable est complexe. Il doit intégrer une série d’avantages et d’inconvénients de nature différente, techniques, économiques et environnementaux.

Historiques

Histoire de l’éolienne
Depuis l’antiquité, les moulins à vents convertissent l’énergie éolienne en énergie mécanique. De nos jours, on trouve encore des éoliennes couplées à des pompes à eau, soit pour irriguer des zones sèches, soit pour assécher des zones humides. C’est l’une des sources d’énergie les plus connues, car les perses, par exemple, utilisaient des formes rudimentaires d’éoliennes à axe verticale dès la plus haute antiquité (environ 200 ans avant Jésus Christ).

Les moulins à vent ne font leurs apparitions qu’au moyen âge, en Italie, en France, en Espagne et au Portugal. Ces machines sont du type à axe horizontal, et comportent quatre ailes placées en croix.

Elles servaient à l’irrigation des terres cultivées et principalement à moudre le grain, surtout le blé. L’éolienne lente du type multipale n’apparaît qu’au dix-neuvième siècle en Amérique, et en 1876 elle s’implante en Europe sous le nom de « moulin américain » .

En 1888, Charles F. Brush construit une petite éolienne pour alimenter sa maison en électricité, avec un stockage par batteries.

La première éolienne « industrielle » génératrice d’électricité a été développée par le danois Poul La Cour en 1890, pour fabriquer de l’hydrogène par électrolyse. Dans les années suivantes, il créa l’éolienne Lykkegard, dont il avait vendu 72 exemplaires en 1908. Une éolienne expérimentale de 800 KVA a fonctionné de 1955 à 1963 en France, dans la Beauce. Elle avait été conçue par le Bureau d’Etudes Scientifiques et Techniques de Lucien Romani et exploitée pour le compte d’EDF : L’aérogénérateur 800 KVA BEST – Romani.

Cette technologie a été quelque peu délaissée par la suite. Il y eut une éolienne raccordée au secteur sur les hauteurs d’Alger (Dély-Ibrahim) en 1957. Ce n’est que dans les années 1970 qu’elle sera relancée, en particulier au Danemark. Le parc éolien de Vindeby, le premier parc éolien en mer au monde, a été construit en 1991 par le fabricant danois Bonus (devenu Siemens Windpower). Le parc de Nysted, un des projets les plus récents, est aujourd’hui le plus puissant parc éolien offshore avec 72 éoliennes et une puissance maximale de 165,6 MW. A l’aube du vingtième siècle, les premières éoliennes rapides entraînant des générateurs électriques font leurs apparitions en France puis se répandent dans le monde. Les premières éoliennes des temps modernes étaient beaucoup plus grandes que celles construites au début du siècle. Des parcs éoliens ont été constitués pour la production d’électricité, notamment au Danemark et en Californie. La capacité moyenne de ces éoliennes était de 100 kW. Aujourd’hui, les éoliennes sont vingt fois plus puissantes. Les petites éoliennes, c’est-à-dire celles qui produisent300 kW ou moins, suffisent à générer l’énergie nécessaire pouralimenter en électricité certaines fermes et entreprises. Une ou deux éoliennes installées sur le terrain répondent aux besoins et permettent à ces agriculteurs et entrepreneurs de moins dépendre du réseau de distributioncourant.Les petites éoliennes mesurentà peine plusde 15 m de haut,tandisque les grandes éoliennes s’élèvent à 90 m.

Elles fournissent assez d’énergie pour alimenter un ilôt de maisons ou, plus simplement, pour suppléer en partie aux besoins d’une maison ou d’une petite entreprise.

Histoires de l’hélice 
L’hélice n’a longtemps connu que des applications loin des domaines de la sustentation et de la propulsion d’un mobile, par exemple la vis d’Archimède pour élever l’eau, vis « sans fin » inventée par Archimède au IIIe siècle avant J-C, lors de son séjour en Égypte et encore en usage de nos jours.

Là, l’hélice ne sert pas à la propulsion d’un engin par déplacement de matière, mais à la propulsion de matière, en l’occurrence de l’eau, par rotation dans un engin fixe.

L’intérêt de son application à des machines volantes a été également perçu assez tôt.

Les célèbres esquisses de Léonard de Vinci en témoignent, du moins pour la sustentation. De nombreux projets de modèles volants (aérostats et avions) apparus aux XVIIIe et XIXe siècles furent équipés d’hélices. L’hélice fut proposée pour la première fois comme moteur des navires, en 1752, par le Suisse Daniel Bernoulli. Il projetait de faire tourner rapidement au milieu de l’eau une sorte d’aube de moulin-à-vent. L’idée de Bernoulli ne fut suivie d’aucune application pratique très concluante, pas plus que celle de l’ingénieur français Paucton qui proposa, en 1768, de remplacer les rames par des hélices. L’Américain David Bushnell fut aussi l’un de ces précurseurs. En 1777, il adaptait une hélice au bateau-plongeur qu’il venait d’inventer. En 1785, l’Anglais Joseph Bramah breveta une hélice à seize pales pour propulser les bateaux. Mais la première expérience fut faite par l’Américain John Stevens et l’Anglais d’origine française, sir Marc Isambard Brunel, qui accouplèrent deux hélices quadripales à leur chaudière monocylindre pour remonter la Passaïc River (la machine et ses hélices se trouvent au Science Museum de Londres). Charles Dallery d’Amiens, en 1803, proposa l’emploi de l’hélice et fit même quelques essais. Il est même intéressant de noter que les essais de Dallery coïncidèrent avec ceux de Fulton sur l’emploi des roues à aubes. Ils ne réussirent pas à attirer l’attention et à valoir à son auteur la subvention qu’il sollicitait pour les continuer. On objectait, en outre, que l’eau n’offrirait pas assez de résistance au mouvement de l’hélice pour faire avancer le navire : Elle devait, disait-on, fuir sous le navire, bien loin de le faire avancer. Le capitaine du génie, Delisle, eut beau démontrer par le calcul, qu’il n’en serait pas ainsi, il ne put obtenir du ministère de la marine que son projet fût soumis à des essais réguliers.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 :GENERALITES SUR LES EOLIENNES
1.1. Etymologie et définition
1.2. L’énergie électrique d’origine éolienne
1.3. Historiques
1.3.1.Histoire de l’éolienne
1.3.2.Histoire de l’hélice
CHAPITRE 2 :ETUDE DU VENT
2.1. Origines du vent
2.2. Mesure du vent
2.2.1.Méthode de mesure
2.2.2.Interprétation de la mesure de la vitesse du vent sur un site
2.2.3.Instrument de mesure
2.3. Variation de la vitesse du vent
2.3.1.Gradient du vent
CHAPITRE 3 :ETUDE THEORIQUE
3.1. Types d’installations
3.1.1.Orientation de l’axe
3.1.1.1.Eolienne à axe vertical
3.1.1.2.Eolienne à axe horizontal
3.1.2.Eoliennes en réseau ou hors réseau
3.1.3.Eolienne en mer
3.2. Sites d’implantations
3.3. Principe de fonctionnement d’un aérogénérateur
3.3.1.Principe de base
3.3.2.Chaîne cinématique
CHAPITRE 4 :LES PALES
4.1. Lexique de l’aérodynamique d’une pale
4.2. Description d’une aile ou d’une pale d’éolienne
4.3. Fonctionnement d’une pale d’éolienne
4.3.1.Portance et traînée d’un profil aérodynamique
4.4. Principe du décrochage aérodynamique
4.5. Vent relatif et triangle des vitesses sur une pale d’éolienne
4.6. Rappel de mécanique des fluides
4.6.1.Définition
4.7. Equation permettant de régir le mouvement des fluides
4.7.1.La conservation de masse
4.7.2.Equation de la quantité de mouvement
4.7.3.Energie fournie par le vent
4.8. Puissance disponible ou puissance incidente
4.8.1.Théorème d’EULER
4.8.2.Théorie de BETZ
4.8.3.Couple produit par l’éolienne
4.9. Conception d’une pale d’éolienne
4.9.1.La surface balayée par le vent
4.9.2.La longueur de la pale
4.9.3.La largeur de la pale
4.9.4.Le profil aérodynamique de la pale
4.9.5.Le calage initial et le gauchissement de la pale
4.9.6.Les matériaux de fabrication
4.9.7.Nombre de pales
4.9.8.Réalisation
4.9.8.1.Calcul de la masse M de la partie supérieure au pylône
4.9.8.2.Calcul du diamètre de l’arbre moteur
4.9.9.Calcul de boulonnerie
4.9.10.Conception d’une éolienne par approche dynamique
4.10.Conclusions
CHAPITRE 5 :GOUVERNAIL ET MISE EN DRAPEAU
5.1. Orientation
5.1.1.Le gouvernail
5.2. Freinage
5.2.1.La régulation
5.2.1.1.Dispositif de régulation de la puissance et de contrôle d’une éolienne
a) Frein aérodynamique
b) Frein électrique
c) Calage variable des pales
5.2.1.2.Rotor à vitesse variable et rotor à vitesse fixe
5.2.1.2.1.Vitesse fixe du rotor et calage fixe pour les pales
5.2.1.2.2.Vitesse fixe du rotor et calage variable pour les pales
5.2.1.2.3.Vitesse variable du rotor et calage fixe pour les pales
5.2.1.2.4.Vitesse variable du rotor et calage variable pour les pales
CHAPITRE 6 :EVALUATION DE L’UTILISATION DE L’EOLIENNE
6.1. Avantages et inconvénients de l’utilisation de l’éolienne
6.1.1.Avantages
6.1.2.Inconvénients
6.2. Rentabilité
CHAPITRE 7 :ENVIRONNEMENT
7.1. Production d’énergie et pollution
7.2. Les émissions polluantes atmosphériques
7.3. L’énergie éolienne et l’environnement
7.3.1.Le bruit
7.3.2.Effet stroboscopique
7.3.3.Conclusion
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
WEBOGRAPHIE
ANNEXES

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