II. L'éolienne

Les éoliennes sont les descendantes de nos anciens moulins à vent. Ceux-ci existent depuis l'Antiquité pour pomper l'eau ou moudre le grain grâce à l'énergie du vent. Depuis 1975, des éoliennes d'un nouveau type sont apparues: notamment pour fournir de l'électricité au moment du premier choc pétrolier. Moins coûteuses que les éoliennes "lentes" nées au 19ème siècle, produisant plus d'électricité, nous allons dans cette partie étudier ce second type d'éolienne dit "rapide".

Eolienne de type "rapide"

Parc éolien des Grandes Garrigues, Névian (Aude )

Eolienne de type "lente"

a) Comment fonctionne une éolienne?

Fig 2.

Composition d'une éolienne

Quand le vent se lève, l'automate (1), grâce à la girouette située à l'arrière de la nacelle (2) commande aux moteurs d'orientation (3) de placer l'éolienne face au vent. Les trois pales (4) sont mises en mouvement par la seule force du vent. Elles entraînent avec elles l'axe lent (5), le multiplicateur (6), l'axe rapide (7) et la génératrice (8).

Lorsque la vitesse du vent est suffisante ( 15 km/h soit 4 m/s ), l'éolienne peut être couplée au réseau électrique. Le rotor tourne alors à sa vitesse nominale ( environ 30 tours par minute ) et la génératrice à 1 500 tours par minute. Ces vitesses de rotation vont rester constantes tout au long de la période de production. La génératrice délivre alors un courant électrique alternatif à la tension de 690 volts dont l'intensité varie en fonction de la vitesse du vent. Ainsi, lorsque la vitesse du vent croît, la portance s'exerant sur le rotor augmente et la puissance délivrée par la génératrice s'accroît.

Quant la vitesse du vent atteint 50 km/h (soit 14 m/s), l'éolienne fournit sa puissance nominale. Cette puissance est alors maintenue constante en réduisant progressivement la portance sur les pales. L'unité hydraulique (9) régule la portance en modifiant l'angle de calage des pales qui pivotent sur leurs roulements (10).

Lorsque la vitesse du vent dépasse 90km/h (soit 25 m/s), les pales sont mises en drapeau (parallèles à la direction du vent) et leur portance devient quasiment nulle. L'éolienne ne produit plus d'électricité. Tant que la vitesse du vent reste supérieure à 90 km/h, le rotor tourne en roue libre (quelques tours par minute) et la génératrice est déconnectée du réseau. Dès que la vitesse du vent diminue, l'éolienne se remet en production.

Toutes ces opérations sont entièrement automatiques et gérées par ordinateur. En cas d'arrêt d'urgence, un frein à disque (11) placé sur l'axe rapide permet de mettre l'éolienne en sécurité.

Au pied de chaque éolienne, un transformateur convertit la tension de 690 volts en 20 000 volts, tension du réseau national d'Electricité de France, sur lequel toute l'électricité produite est déversée. En France, l'arrêté du 8 juin 2001 fixe à 8,38 centimes d'euro le prix du rachat de l'électricité éolienne pendant 5 ans (soit 83,8 euros/MWh), et ensuite à un prix variable suivant le site pendant 10 ans.

b) Maquette

Pour illustrer d'une manière la plus simple possible le fonctionnement de ces générateurs électriques, nous avons estimé utile de fabriquer une maquette d'éolienne tripale, associée un dispositif générateur d'électricité. Pierre MAGNAN s'est proposé, avec l'aide de son père et en dehors des deux heures hebdomadaires de TPE, de fabriquer cette maquette, dont voici le schéma légendé et commenté (les proportions de la maquette ont été conservées sur ce schéma).

Le modèle réduit fait une hauteur totale d'environ 45cm, une longueur de 32cm et une largeur de 10cm.

Matériel utilisé lors de la fabrication:

(1) un socle fait d'une boite en bois de dimension 32x10x9.5cm;

(2) deux pieds découpés dans un tuyau de PVC de longueur 21cm et de diamètre 1.5cm;

(3) deux raccords entre l'axe de rotation et les pieds en PVC;

(4) un axe de rotation en bois long de 29cm et de diamètre 1cm;

(5) une poulie en bois de diamètre 7cm fixé à l'axe de rotation;

(6) une hélice tripale en PVC de diamètre 36cm;

(7) une courroie (élastique) de longueur dépliée 30cm;

(8) un moteur industriel d'une puissance de 9V et son socle en bois;

(9) et une diode électroluminescente (DEL), reliée au moteur par deux fils.

Fonctionnement:

Lorsque l'on produit un important courant d'air sur la partie avant de l'éolienne, l'hélice (6) se met a tourner, entraînant l'axe de rotation (4) et la poulie multiplicatrice (5) qui y est fixé. Cette poulie transmet l'énergie mécanique produite par le vent au moteur (8). La poulie (5) sert a multiplier par 7 le nombre de tour de la petite poulie par rapport au nombre de tour de l'hélice. Le moteur est utilisé ici comme générateur d'électricité (à l'image, par exemple, de la dynamo sur un vélo); donc la petite poulie entraîne l'axe de rotation du moteur, et fait tourner l'aimant à l'intérieur de la bobine du moteur. Il produit donc de l'énergie électrique vers la DEL (9) qui s'allume, avec une intensité relative à la vitesse de rotation de l'hélice, et donc à la vitesse du vent.

De nombreuse photo de notre éolienne sont disponibles sur cette page.

c) Quelques chiffres

Fig 3.
Puissance d'une éolienne en fonction du diamètre de son rotor

D'après la figure 3, on constate que plus une éolienne a un diamètre de rotor important, plus celle-ci produira d'électricité. On voit donc que la puissance d'une éolienne est proportionnelle à la surface balayée par ces pales.

L'installation d'un mégawatt éolien nécessite un investissement d'un million d'euros environ. Cela explique qu' au début 2004, l'éolien installé en France était de 250 MW. Aujourd'hui, il est de 650 MW et sera d'environ 900 MW fin 2006.