L'énergie éolienne
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Membres du groupe: Darry Boris, Lemaitre Florian, Van Boxsom Emile
établissement: Citée scolaire Emile-Zola, Wattrelos
Classe: première scientifique 2
année: 2005-2006
Thème: Modéle et modélisation


TPE: L'énergie éolienne


 

Intro

L’éolienne est un outils moderne de production électrique. On voit de plus en plus les éoliennes peupler nos paysages. Depuis les côtes jusqu’aux massifs montagneux, il est courant de croiser leurs immenses structures. Certains pays ont même installé les éoliennes directement dans la mer, c’est le cas du Danemark notamment. Cependant, on connaît bien peu de choses sur ces constructions ailées. Nous nous sommes intéressé à leur fonctionnement, mais avant tout nous nous sommes posé la question suivante ; Quels sont les différents moyens misent en place pour facilité le voyage de l’énergie et sa transformation ?
Dans une première partie nous verrons la route empruntée par l’énergie depuis le vent jusqu’au particulier, ainsi que les différents éléments qui la composent. Dans une seconde partie, nous nous intéresserons à la génératrice d’une éolienne à travers la mise en place d’expériences personnelles.

  1. partie: La route empruntée par l’énergie depuis le vent jusqu’au particulier, ainsi que les différents éléments qui la composent

    1. Le vents, les différentes façons d’en profiter un maximum

      Le choix de l'emplacement des éoliennes n'est pas effectué selon la place disponible mais selon des critères bien précis. Certains lieux sont extrêmement recherchés par les sociétés. La mer en fait partie à cause de son exposition aux vents. Les montagnes sont tout aussi recherchées. Il est vrai que les monts et montagnes freinent et cassent les vents mais ils créent aussi des effets avec ce dernier.

      Premièrement l'effet de tunnel.
      l'effet tunnel
      Comme on peut le voir sur le schéma le vent est compressé dans le tunnel, cela augmente considérablement sa vitesse. Le vent va plus vite donc l'éolienne tournera plus vite, plus longtemps et plus d'énergie électrique sera produite. Mais cela ne fonctionne que si les pentes des monts, ou montagnes, sont douces. Cela signifie que si les pentes sont rugueuses ou accidentées, le vent sera plein de turbulences et il changera de vitesse ainsi que de direction sans cesse et très rapidement. Tout cela risque d'annuler l'avantage de la rapidité du vent ainsi que d'augmenter l'usure de l'éolienne.

      Deuxièmement, l'effet de colline.
      l'effet colline
      Comme on peut le voir sur le schéma, l'éolienne est installée en haut d'un mont, d'une colline. Sur les collines, il existe deux zones de pressions, les hautes et les basses pressions.
      La zone de haute pression se trouve sur la face de la colline exposée au vent. Elle fait monter le vent jusqu'au sommet de la colline où se trouve l'éolienne qui est donc accélérée par la rapidité du vent, déplacé par la haute pression. Puis le vent termine sa course juste derrière l'éolienne stoppé par la basse pression. Mais le même problème se pose tout comme pour l'effet de tunnel, une colline ou un mont accidenté à pentes raides peuvent augmenter l'usure de l'éolienne ainsi qu'à perdre l'avantage de la vitesse du vent.

      Donc, les effets de tunnel et de colline sont les effets accélérateurs du vent, ils sont créés grâce à la nature et permettent de multiplier la production de l'éolienne.

    2. Les pales, les systèmes misent en place pour les freiner

      Les pales du rotor captent le vent et transfèrent sa puissance au moyeu du rotor. La conception des pales ressemble beaucoup à celle des ailes d'un avion. Le moyeu du rotor est fixé à l'arbre lent de l'éolienne. Une éolienne est construite dans le but de faire le plus d’économie possible. La puissance maximale est en général atteinte lorsque le vent est de 15 mètres par seconde. Si la vitesse du vent devient trop importante, il faut mettre en place un moyen pour réguler la puissance, afin d’éviter tout endommagement de l’éolienne. Pour se faire il existe plusieurs méthodes.

      • La première méthode est appelée « contrôle à calage variable de pale ». Les éoliennes à pas variables sont régulées grâce à un système électronique qui, si le vent est trop fort, fait pivoter les pales dans le sens du vent pour ne pas les briser. Si le vent n’est pas assez fort, les pales pivote évidemment face au vent.

      • La seconde méthode est appelée « régulation par décrochage aérodynamique ». Contrairement aux éoliennes à pas variable, les pales des éoliennes à régulation par décrochage aérodynamique sont fixées au moyeu. Pour effectuer le décrochage aérodynamique, les éoliennes sont vrillé sur leurs axe longitudinal ainsi le décrochage se fait a partir du moyeu jusqu’à l’extrémité des pales graduellement suivant la forte vitesse du vent.

      • Une dernière méthode est d’additionner les deux précédentes. C'est-à-dire une éolienne a pas variable avec décrochage aérodynamique. Ce procédé est de plus en plus utilisé sur les grandes éoliennes.

    3. Le multiplicateur

      L'arbre lent, appelé aussi « arbre primaire » est une pièce en acier sur lequel est placée à une extrémité le moyeu (qui supporte les pales) et est connecté à son autre extrémité au multiplicateur. Même avec un vent très fort, la vitesse de rotation des pales est trop faible pour produire de l'électricité, c'est pourquoi on place entre la génératrice et le moyeu un multiplicateur.
      Le multiplicateur est un convertisseur de puissance : il multiplie la vitesse d'entrée (rotor de l'éolienne) pour atteindre la vitesse de sortie exigée par la génératrice électrique, en multipliant parfois par 70 la vitesse de rotation initiale. Il est constitué d'un assemblage d'engrenages comme celui-ci.
      multiplicateur
      La vitesse de rotation d'une roue à une autre est multipliée par nombre de dents de la plus grande roue sur le nombre de dents de la plus petite : calcul multiplicateur
      Le rendement est variable suivant la puissance transmise, mais tourne autour de 97%. La lubrification peut se faire par barbotage ou par injection d'huile forcée. Le refroidissement est souvent à air. Le multiplicateur est monté sur plots élastiques (plots de caoutchouc) pour amortir les vibrations et limiter la transmission du bruit à la structure porteuse.

    4. La génératrice

      La génératrice convertit l'énergie mécanique en énergie électrique.
      Les génératrices des éoliennes doivent pouvoir fonctionner avec une source de puissance (c.-à-d. le rotor de l'éolienne) qui fournit une puissance mécanique (un couple) très fluctuante.
      Sur les grandes éoliennes (supérieures à 100 à 150 kW), la tension générée par l'éolienne est le plus souvent un courant alternatif triphasé de 690 V (CA) (voir définition).
      Il faut refroidir les génératrices lorsqu'elles travaillent. Sur la plupart des éoliennes, on assure ce refroidissement en enrobant la génératrice dans un conduit et en installant dans celui-ci un grand ventilateur qui refroidit l'air. Il y a cependant un petit nombre de constructeurs d'éoliennes qui à la place utilisent des génératrices refroidies par eau. Ces génératrices peuvent être construites de façon plus compacte ce qui comporte quelques avantages au niveau du rendement électrique, mais elles requièrent en même temps l'installation d'un radiateur dans la nacelle afin de se débarrasser de la chaleur provenant du système de refroidissement par liquide. La génératrice peut être comparé à ce qu’on appelle « dynamo ». Le fonctionnement est à peu près le même : une bobine métallique entoure un aimant qui tourne et créait un champ magnétique qui se traduit par la création d’un courant électrique.

      Déf : La puissance d'un courant alternatif (CA) est oscillante. Ce fait ne constitue pas un problème majeur pour l'usage domestique (pour les ampoules notamment, mais aussi les moteurs qui nécessitent un courant dont la puissance est constante). Il est pourtant possible d'obtenir une puissance constante dans un système CA. Il faut pour cela disposer de trois lignes de courants alternatifs parallèles, mais séparées, où les phases du courant des différentes lignes sont décalées d'un tiers de cycle les unes des autres. Ainsi, la courbe rouge se déplace un tiers de cycle derrière la courbe bleue, alors que la courbe jaune est deux tiers de cycle derrière la courbe bleue. Ce qui permet d’avoir une tension Dont la valeur varie peu :
      tension

    5. Le système de contrôle de l’énergie

      L’éolienne est contrôlée par des ordinateurs puissants, appelés le système contrôle-commande. Son rôle est de surveiller 24heures sur 24 les conditions de l’éolienne ainsi qu’à recueillir des statistiques relatifs sur le fonctionnement de celle-ci. Il veille à ce que le fonctionnement de l’éolienne soit fiable à tout moment. Le système contrôle-commande est en général situé en bas de la tour et à l’intérieur de la nacelle. Les ordinateurs du système contrôle-commande surveillent et règlent entre 100 et 500 paramètres différents dans une éolienne moderne. Le système vérifie, entre autres, la vitesse de rotation du rotor, la génératrice, la tension ainsi que l’intensité du courant de cette dernière. Mais il est possible d’enregistrer les foudres et leurs charges, d’obtenir des informations sur la température de l’air en dehors de l’éolienne, celle de l’huile du multiplicateur. On peut aussi surveiller l’angle de pas de chaque pale du rotor, l’angle d’orientation, la direction ainsi que la vitesse du vent, la force et les fréquences des vibrations dans la nacelle et les pales du rotor, si la porte de la tour est ouverte ou fermé…
      Donc on voit que, pour tout surveiller, les ordinateurs des systèmes sont très puissants et ils sont surtout très utiles pour éviter un grand nombre de problèmes liés aux différentes parties de l’éolienne. Une dernière utilité de ce système est de contrôler la puissance de l’éolienne, en cas de vitesse de vent supérieur à 15m.s-1 (vitesse maximal pour la quasi-totalité des éoliennes), il est nécessaire de perdre une partie de l’énergie supplémentaire contenue dans le vent afin d’éviter un endommagement possible de l’éolienne.

    Conclusion première partie

    La plupart des éoliennes sont raccordées au réseau public. La nuit le vent souffle moins fortement que la journée, hors nous savons que c'est la journée que l'on consomme le plus d'électricité On peux donc dire que les éoliennes sont parfaitement adapté a la consommation électrique.
    Il est préférable d'avoir un courant alternatif d'une forme sinusoïdale constante. C'est pour cela que lorsque le vent est trop faible les compagnies électriques déconnectent l'éolienne du réseau et la reconnecte lorsque l'éolienne tourne à sa puissance nominale.
    Si l'on branchait une éolienne directement sur le réseau électrique, il y aurait des problèmes sur le réseau du a la consommation d'électricité pour magnétisé la génératrice et ensuite la surcharge lorsqu'elle se met en route. Pour éviter ceci des thyristors sont placé pour réguler ces variations.

  2. partie: Le lieu de la transformation d’énergie mécanique en énergie électrique, la Génératrice. Expérience et analyses

    1. Expérience et résultats.

      L’expérience que nous avons voulu réaliser est la suivante ; nous voulions voir la quantité d’électricité produite par une éolienne en fonction du vent. Nous avons donc conçu, avec l’aide de notre professeur de Physique Chimie, un montage comprenant une source de vent (nous avons utilisé pour cela un ventilateur domestique), une génératrice, qui par câblage était relié à un ordinateur et au programme « Généris ». Des pales ont été ajoutées à cette génératrice, nous avions donc une mini éolienne.
      le montage

      le montage
      Nous avons ensuite lancés différentes acquisitions, concernant la tension essentiellement. Nous aurions voulu tracer des courbes de puissance (W) cependant nous n’avons pas réussi à les imprimer.
      Les courbes obtenues sont les suivantes :
      1->courbe 1
      2->courbe 2
      3->courbe 3

    2. Analyses des résultats

      Pour la première courbe nous avions placé notre ventilateur à 50 cm environ de notre « éolienne ». La courbe nous montre un production croissante jusqu’à un palier d’environ (1.2V). La tension dès lors stagne ; nous n’arriverons pas à augmenter la tension plus avec le ventilateur à cette distance.
      Pour la seconde courbe, nous avons placé le ventilateur à une distance de moins de 5cm de l’éolienne. Nous constatons alors que la courbe prend la même forme mais stagne à une tension plus élevée, environs 1.3V. Ce qui montre que la vitesse du vent a une importance sur la tension produite.
      Pour la troisième courbe, nous avons placé le ventilateur à quelques centimètres de l’éolienne jusqu’à ce qu’elle atteigne sa production maximal (1.3V) puis avons reculé le ventilateur peu à peu (pour avoir un vent de moins en moins intense). Comme prouvé au dessus nous nous rendons donc compte que le vent a une importance sur la tension produite. A la fin quand le vent n’est plus suffisant, l’éolienne ne tourne plus et la production s’arrête.

      On remarque que sur chacune des courbes on semble atteindre un palier. Ce palier de production électrique est en fait la production électrique maximale pour un vent constant. Si l’on pouvait souffler plus fort sur l’éolienne on attendrait alors un autre palier ; le palier de production maximale pour la génératrice. En effet la génératrice ne peut, en fonction de ses caractéristiques, fournir qu’une quantité donnée d’énergie.

    Conclusion

    Nous avons donc vu que l’énergie mécanique (le vent, la rotation du rotor…) devient grâce à l’éolienne une énergie électrique. Que cette transformation n’est pas simple et qu’il faut à l’énergie emprunter un chemin déterminé dont tous les composants favorisent la production électrique. Nous avons aussi vu que le lieu de la transformation d’énergie est la génératrice, et que cette génératrice atteint des paliers de production en fonction de la force du vent.


Intro Première partie second partie conclusion
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