Éolienne

Une page de Vikidia, l’encyclopédie junior
(Redirigé depuis Énergie éolienne)
Aller à la navigation Aller à la recherche
Schéma d'une éolienne.

Une éolienne est un dispositif composé d'une hélice métallique et en plastique à hélices située au sommet d'un pylône. Elle est employée pour capter l'énergie motrice du vent et l'utiliser de différentes manières. Elle peut servir par exemple à faire tourner un moulin ou à pomper de l'eau. Aujourd'hui, elle est surtout importante pour produire de l'électricité, grâce à un générateur électrique alternateur qui transforme l'énergie du vent en une énergie électrique..

Le nom « éolienne » vient du nom du dieu du vent grec Éole.

L'avantage de l'énergie éolienne est qu'elle est une énergie renouvelable (inépuisable qui vient du soleil qui chauffe la Terre). Mais cette production est gratuite une fois installée (son prix est fonction de la durée de vie de l'éolienne pour amortir le prix de la construction) , encombrante, et la quantité d'énergie électrique qu'elle peut produire dépend de la vitesse du vent qui doit être suffisante ni trop excessive et n'est pas très régulière.

  • La transformation en énergie mécanique : le vent est utilisé pour faire avancer un véhicule (voilier ou char à voile), pour pomper de l’eau (éoliennes de pompage pour irriguer ou abreuver le bétail) ou pour faire tourner la meule d’un moulin ou produire de l'électricité ;
  • La production d'énergie électrique : l’éolienne est couplée à un générateur électrique pour fabriquer du courant continu ou alternatif. Le générateur est relié à un réseau électrique ou bien fonctionne au sein d'un système « autonome » avec un générateur d’appoint (par exemple un groupe électrogène), un parc de batteries ou un autre dispositif de stockage d'énergie. Une éolienne est parfois qualifiée d’aérogénérateur dès lors qu'elle produit de l'électricité.
Un champ d'éoliennes au large de Copenhague, au Danemark. Le vent n'y est pas très fort, mais est constant tout au long de l'année.

Puissance du vent et énergie produite[modifier | modifier le wikicode]

La puissance des éoliennes est variable. Il existe des petites éoliennes pour alimenter un site non relié au réseau électrique ou un voilier, dont la puissance est de 100 à 500 watts.

La puissance est déterminée par celle du vent disponible par m2, la taille de l'éolienne et de son rendement.

La puissance de l'éolienne dans le vent est celle de la force Fu du vent dans le sens de rotation multipliée par la vitesse V des pales en mouvement.

Pour des anciens moulins à vent très lents avec des voiles cette méthode est assez simple car le vent est stoppé quasiment et la vitesse des pales est lente, ce qui donne un faible rendement, même si la force F est élevée, car la puissance est le produit de la force par vitesse. Si la vitesse augmente la force diminue car le vent n'est plus stoppé.

Pour une éolienne moderne le vent n'est pas stoppé, mais dévié comme sur une aile d'avion avec des forces de portance Fp et trainée Ft, mais pas stoppé, ce qui diminue la force Fu utile fortement. On cherche à profiter de la portance Fp très élevée sur une aile pour augmenter cette force Fu utile dans la direction de la vitesse V.

En contrepartie la vitesse de la pale est élevée, même il est possible qu'elle dépasse la vitesse du vent en bout de pale et donc il faut prendre la composante Fu de la force F dans le sens de déplacement de la pale avec vitesse V, ce qui assez compliqué .

Donc la force Fu dans la direction de la vitesse est bien plus faible, mais en contrepartie la vitesse des pales est bien plus élevée, en cherchant à avoir un compromis pour un bon rendement.

Force et puissance du vent[modifier | modifier le wikicode]

Si le vent est entièrement stoppé comme contre un mur ou dans un vieux moulin, la force pour arrêter le vent à 100Km/h en tempête est d'environ 94Kgp ( arrondi à 100Kgp/m2 ), qui varie comme le carré de la vitesse du vent.

Une éolienne fonctionne avec un vent plus faible et moins exceptionnel comme avec une vitesse de 36km/h égal à 10m/s.

Donc pour un vent de 36Km/h régulier usuel la force du vent contre un mur est divisée par le carré du rapport des vitesses, 94x(36/100)^2=12,18kgp/m2=12,18x9,81=120 Newtons/m2, (9,81m/s^2 accélération terrestre pour passer de Kgp=Kgpoids en Newtons).

Cette force obtenue pour stopper le vent n'est pas utilisable car le mur qui stoppe est immobile, et il faut que la force se déplace pour obtenir un travail et une énergie mécanique.

En effet la force diminue beaucoup si la vitesse augmente, car le vent n'est plus du tout arrêté ou stoppé.

La puissance du vent est son énergie cinétique par seconde pour le stopper comme pour l'énergie cinétique d'une voiture à vitesse V qu'on freine progressivement. L'énergie cinétique est égale au travail de la force de freinage (force multipliée par son déplacement).

Pour cela faut insérer une plaque ou un mur imaginaire à la vitesse V du vent, qui ensuite freine le vent progressivement en réduisant sa vitesse jusqu'à l'arrêt complet. Le travail de la force de freinage sur la distance d'arrêt donne cette énergie cinétique du vent.

Une éolienne ne fait cela que très partiellement en déviant sans stopper complètement. Si on le stoppe l'air s'accumule sans pouvoir sortir bloqué à la vitesse nulle.

On trouve ainsi l'énergie cinétique du vent avec la masse M du vent de vitesse V à stopper sur une seconde.

Le facteur 1/2 essentiel pour le travail de la force qui donne l'énergie cinétique correspond à la distance d'arrêt progressive en diminuant la vitesse sur la distance d'arrêt, moitié de la distance parcourue à la vitesse constante V.

Par exemple c'est pareil, en sens inverse, à la distance de chute en une seconde sur Terre sur 5m de distance verticale, moitié du chiffre 10 des 10m/s avec l'accélération terrestre 10m/s^2 pour la vitesse finale 10m/s, vitesse passée en une seconde de 0m/s à 10m/s en ne parcourant que la moitié 5m de 10m.

La masse M est le débit par seconde d'air qui arrive par m2 sur le mur avec la densité d=1,2Kg/m3 à la vitesse V égale à

La puissance Pv du vent par m2 stoppé est donc avec ce M égale

Pv puissance du vent croit comme le cube de la vitesse V car c'est l'énergie cinétique en V^2 multipliée par le débit d'air à vitesse V .

Pour un vent doux V de 36km/h soit 10m/s Pv est 0,5x1,2x10^3= 600W/m2

Pour un vent fort à la double V de 72km/h soit 20m/s Pv est de 2^3=8 fois plus forte soit 4,8KW/m2

Un vent faible n'a presque pas de puissance disponible, 10 fois moins transporte ou fournit 10^3=1000 fois moins en énergie.

Puissance utile d'une éolienne performante[modifier | modifier le wikicode]

Il est impossible de stopper complètement le vent, car alors devenu immobile, bloqué, il s'accumule sans fin, exactement comme un flot continu de voitures qui se tamponnent et s'empilent dans une première voiture bloquée en panne sur une route. Il faut pouvoir évacuer l'air et donc le rendement est bien inférieur.

L'ingénieur allemand Albert Betz a calculé cette limitation en 1920, avec un modèle similaire à un péage d'autoroute qui s'élargit car la vitesse des voitures diminue et prend beaucoup plus de place en largeur. Il a calculé l'optimum de puissance obtenue égal à 16/27=59,3%, en fonction du rapport entre la vitesse Vs de sortie et celle d'entrée V. Cet optimum est obtenu pour 1/3 Vs/V=1/3. La vitesse de sortie Vs est un tiers de celle d'entrée V, la section en surface de sortie du vent ralenti est 3 fois celle en entrée.

Une éolienne obtient d'autant plus d'énergie qu'elle freine plus le vent, mais elle en obtient d'autant moins que le débit est plus faible, or le ralentissement réduit le débit et donc il existe un optimum égal à 16/27=59,3% fixé par la conservation de l'énergie ( théorème de Bernoulli ) et les forces sur l'éolienne. Cet optimum maximum idéal n'est jamais atteint mais approché à environ 1:3.

Ainsi la puissance Pe pour une éolienne réelle à bon rendement est environ un tiers de la puissance du vent.

Pour le vent V à 10m/s avec Pv=600W/m2 l'éolienne a une puissance Pe=Pv/3=200W/m2

Donc pour de très grandes puissance 2MW il faut une très grande surface de 2MW/200=10mille m2 avec d'immense pales très rapides.

Les éoliennes ont plusieurs vitesses pour différents vents comme à 20m/s=72Km/h de vent la puissance par m2 est 8 fois plus élevée soit 1,6KW/m2 et pour 2MW la surface nécessaire 1250m2, soit un rayon de 20m pour la longueur des pales dans une éolienne à 3 pales très étudiée pour avoir un très bon rendement.

Ces éoliennes puissantes sont donc immenses et elles sont placées aux endroits avec un vent fort, régulier très souvent, sommets de collines ou en mer.

Les éoliennes performantes freinent fortement le vent derrière elles et donc les autres éoliennes doivent être fortement éloignées pour avoir un vent régulier fort et sans tourbillons.

Les éoliennes produisant pour vendre l'électricité sont beaucoup plus puissantes : une éolienne terrestre des années 2010 a une puissance maximale d'environ 2 000 000 watts soit 2 mégawatts (MW). Les plus récentes, et en particulier celles qui sont implantées en mer atteignent 6 mégawatts. Néanmoins, leur puissance moyenne au cours de l'année n'est que de 15 à 25 % de leur puissance maximale, parce qu’il n'y a pas toujours un vent suffisant pour les faire tourner ou pour leur faire produire à pleine puissance.

Une éolienne de 2 mégawatts produisant 20 % de sa puissance maximale au cours de l'année (c'est son facteur de charge ou taux de charge) produit une énergie annuelle de 3 500 000 kilowatts-heures par an (soit 3 500 mégawatts-heures).

Le vent provoqué par la chaleur solaire inégale est la ressource de départ utilisée.


Pour en savoir plus, lis les articles : Puissance (physique) et Énergie.

Les éoliennes en France[modifier | modifier le wikicode]

Les éoliennes ne sont pas beaucoup utilisées en France : au début de l'année 2005, ce pays comptait six cent vingt-neuf éoliennes. Cependant, l'énergie éolienne est en pleine expansion.

L'inconvénient de l'énergie éolienne est que cette énergie n'est pas souple d'emploi. Aux grands froids en France, donc lorsque la demande d'énergie est plus forte, les vents sont relativement faibles. L'usage important de l'énergie éolienne demande d'avoir d'autres systèmes de production d'énergie disponibles sur demande pour prendre le relais quand le vent est insuffisant1.

En France et en 2023, les éoliennes représentaient 10,2% de la production électrique annuelle. 2

Physique de fonctionnement des éoliennes pour un bon rendement[modifier | modifier le wikicode]

Une éolienne utilise la force du,vent sur les pales pour les faire tourner.

Les vieux moulins à vent étaient simples, avec des pales comme des voiles qui coupent beaucoup le passage du vent presque perpendiculaires au vent.

Pour un bon rendement il faut une grande force sur les pales multipliée par une grande vitesse des pales même plus rapides que la vitesse du vent.

Les vieux moulins à vent ne tournaient pas vite et donc leur rendement était faible, tout en étant très fragiles lors des tempêtes.

Cependant lorsqu'il y avait une tempête il fallait tout démonter, sinon toutes les pales étaient emportées par le vent.

Aussi les éoliennes modernes ont très peu de prise au vent avec des pales très fines et très étudiées qui néanmoins tournent très vite et qui sont très efficaces sans bloquer le passage du vent lors des tempêtes.

Pour cette raison les pales ont un profil d'aile d'avion avec une grande portance et une faible traînée, avec une finesse d'aile très élevée (longueur très grande par rapport à leur largeur très faible qui diminue la prise au vent des tempêtes et assure une finesse élevée avec un rapport grand de la portance sur la traînée). La forme d'aile d'avion est très étudiée fonction de la vitesse de déplacement des pales qui augmente en s'éloignant de l'axe de rotation et change l'angle d'incidence du vent sur les pales en mouvement, ce qui oblige à vriller les pales fines des éoliennes, pour conserver un angle d'incidence d'environ 10° de l'air sur toute la longueur de la pale. La compositions des vitesses du vent avec celle des pales détermine cette orientation en vrille et la forme des profil des ailes.

Dans une tempête l'aile de la pale décroche et n'a que peu de prise au vent, pas plus que la surface faible de la pale, A 100km/h de vent tempête la force est de 100Kgp/m2, à 140 km/h la force est de 200Kgp par rm2 et donc les pales doivent être très fines de faible surface et très solides.

Ainsi les pales résistent aux tempêtes sans être détruites ou bonnes à changer et ont un rendement très bon, comme si elles coupaient le vent sur toute leur surface de rotation lorsque le vent a la bonne vitesse (environ 36km/h ou 72Km/h avec des vitesses en bout de pales voisines de celles d'un avion, vitesse supérieure à celle du vent, ce qui améliore le rendement, si l'aile ne décroche pas avec le bon profil et la bonne orientation), avec leur forme d'aile d'avion ou de planeur très fine et très performante.

  1. Article du figaro du 11 février 2008
  2. Rapport d'activité 2023 RTE

Vidéos[modifier | modifier le wikicode]

{{#evt: service=youtube |id=https://www.youtube-nocookie.com/embed/watch?v=v6ZNDQ80ELE&modestbranding=1&loop=1&rel=0 }}

Plus d'informations sur les vidéos
Images sur les éoliennes Vikidia possède une catégorie d’images sur les éoliennes.
Portail des techniques — Tous les articles sur les moyens de transport, l'informatique, les outils et les matériaux…