Les composants d’une éolienne
Le rotor tripale a pour fonction de capter l’énergie mécanique du vent et la transmettre à la génératrice. De diamètre allant actuellement de 110 à 150 mètres, il est composé de trois pales en matériaux composites réunies au niveau du moyeu (ou « hub »). Ce dernier se prolonge dans la nacelle pour constituer l’arbre lent relié au multiplicateur. La surface balayée par les pales est de 10 à 15000 m².
La nacelle, outre sa fonction de supporter le rotor, abrite le dispositif de conversion d’énergie :
- le multiplicateur (ou boîte de vitesse ou « gearbox ») qui permet de passer des 5 à 20 tours/min du rotor tripale à 1500 tours/min pour le rotor de la génératrice. Lorsque les turbines utilisent une technologie synchrone, elles exploitent directement la rotation du rotor tripale (« à attaque directe »), n’ont donc pas besoin de passer à 1500 tr/min. Le multiplicateur n’est par conséquent présent que dans les turbines asynchrones, technologie la plus répandue à l’heure actuelle.
- la génératrice qui transforme l’énergie cinétique de rotation en énergie électrique
ainsi que différents éléments de contrôle et de sécurité :
- les outils de mesure du vent (anémomètre, girouette),
- le système d’orientation de la nacelle qui place le rotor face au vent pour une production optimale d’énergie,
- le système de freinage mécanique,
- le balisage diurne et nocturne nécessaire à la sécurité aéronautique.
Le mât a pour fonction de supporter la nacelle. Il est composé de plusieurs tronçons cylindriques d’acier, généralement quatre à six. Sa hauteur courante pour une éolienne terrestre est actuellement de 80 à 100 mètres.
Le transformateur a pour fonction d’élever la tension de sortie de la génératrice (fréquence 50 Hz et de tension de 400 à 690 V) jusqu’à 20 000 V (20 kV) avant l’acheminement du courant électrique par le réseau. Il est situé à l’intérieur de la structure de l’éolienne dans la nacelle ou le mât.
Les fondations d’une éolienne ont pour fonction d’ancrer et stabiliser l’éolienne dans le sol.
Schéma extrait de « Analyse de données de surveillance et synthèse d’indicateurs de défauts et de dégradation pour l’aide à la maintenance prédictive de parcs de turbines éoliennes » – par Alexis LEBRANCHU, PhD thesis, Université Grenoble Alpes, 2016
Principes de fonctionnement d’un aérogénérateur
Les instruments de mesure de vent placés au-dessus de la nacelle permettent le pilotage de l’éolienne. Le rotor se positionne pour être continuellement face au vent, en fonction de sa direction relevée par la girouette.
L’anémomètre quant à lui enregistre en continu la vitesse du vent. Dès lors qu’elle dépasse 3 m/s (soit 10,8 km/h) les pales se mettent en mouvement et à partir de 4 m/s elle est couplée au réseau électrique national. Le rotor, par son arbre « lent », transmet alors l’énergie mécanique à basse vitesse (entre 5 et 20 tr/min) aux engrenages du multiplicateur, de façon à ce que l’arbre « rapide » tourne environ 100 fois plus vite que l’arbre lent.
Courbes de puissance
La puissance électrique produite varie en fonction de la vitesse de rotation du rotor. Chaque type de turbine a ses caractéristiques propres, sa « courbe de puissance ». Sur ce graphique concernant la gamme des turbines 2 MW du fabricant SIEMENS-GAMESA, on note que la puissance maximale de 2 MW, dite « nominale », est atteinte pour un vent soufflant de 10 à 12 m/s (soit 36 à 43 km/h) à hauteur de nacelle. Jusqu’à ces vitesses de vent, les pales sont orientées de telle façon que leur profil face au vent permet d’obtenir une portance maximale.
Puis, sur une plage allant à peu près de 11 à 23 m/s, les pales sont « moins bien orientées » face au vent, la portance est donc réduite et la puissance produite est ainsi stabilisée … à 2MW pour la gamme prise ici en exemple.
Lorsque le vent atteint des vitesses de 90 ou 100 km/h, l’éolienne cesse de fonctionner pour des raisons de sécurité. Il existe deux systèmes :
- freinage aérodynamique par la « mise en drapeau » des pales, celles-ci ayant alors une orientation parallèle au vent,
- freinage mécanique sur l’arbre de transmission à l’intérieur de la nacelle.
Exemples de caractéristiques dimensionnelles actuelles
| V110 | SG114 | N117 | M120 | |
| Constructeur | VESTAS | SIEMENS-GAMESA | NORDEX | SENVION |
| Type de génératrice | Asynchrone | Asynchrone | Asynchrone | Asynchrone |
| Diamètre du rotor | 110 m | 114 | 117 | 120 |
| Longueur de pale | 54 m | 56 | 57,3 | 58,7 |
| Diamètre base pale | 2 m | 2,4 | 2,4 | 2,4 |
| Hauteur moyeu | 95 m | 93 | 91 | 90 |
| Hauteur mât | 93,1 m | 91 | 89,01 | 88 |
| Diamètre base mât | 3,65 m | 4,5 | 4,04 | 4,3 |
| Hauteur totale machine | 150 m | 150 | 149,4 | 150 |
| Hauteur bas de pale | 40 m | 36 | 32,5 | 30 |
| Puissance nominale | 2,2 MW | 2,1 | 2,4 | 2,3 |
Commentaires récents