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Les éoliennes à axe vertical ne nécessitent pas de système d'orientation par rapport à la direction du vent, mais sont, en général, de conception assez compliquée.
Il existe deux modèles caractéristiques:
le type "Savonius" et le type "Darrieus".
Les éoliennes "Savonius" ne permettent pas de développer de grandes puissances et n'ont qu'un très faible rendement, ne dépassant pas 50% de la limite de Betz (pourcentage maximum théorique de l'énergie du vent pouvant être récupérée). De ce fait, elles ne connaissent pas un grand développement.
Les éoliennes "Darrieus" sont plus sophistiquées et, bien qu'elles puissent développer une puissance plus grande, elles ne sont guère répandues car elles ne peuvent pas démarrer toutes seules.
Les éoliennes à axe horizontal (ou à hélice) sont de conception plus simple et ont un rendement élevé. Elles sont dès lors plus répandues. Leurs caractéristiques communes sont d'être montées au sommet d'un pylône et d'être équipées d'un système d'orientation dans le vent. Sur base du nombre de pales que compte l'hélice, on peut distinguer deux groupes: à rotation lente "multipales" et à rotation rapide "aérogénérateurs".
Les éoliennes à rotation lente "multipales" qui, depuis longtemps, sont relativement répandues dans les campagnes, en France par exemple, servent quasi-exclusivement au pompage de l'eau.
Les éoliennes à rotation rapide, bi- ou tripales, en général constituent actuellement la catégorie des éoliennes en vogue, et sont essentiellement affectées à la production d'électricité, d'où leur nom plus courant "d'aérogénérateurs".
A partir d'une certaine puissance, ces éoliennes sont pourvues, en général, d'une hélice à pas variable.
Dans ce cas, l'inclinaison des pales par rapport à la direction du vent peut être modifiée, permettant de conserver un rendement élevé quelles que soient la vitesse du vent et la vitesse de rotation de l'éolienne.
- En général, il s'agit d'éolienne à axe horizontal et à hélice multipale car la mise en action de la pompe volumétrique nécessite un couple de démarrage élevé.
- La transmission s'effectue par un système bielle - manivelle
- La pompe est immergée si la profondeur de pompage dépasse 7 à 8 m.
- Un empennage permet l'orientation dans le vent.
- Pas de régulation :
=> en général, on s'arrange pour que le pompage ait lieu à partir d'un vent relativement faible
(~3 m/s).
=> le rendement de l'installation est optimum seulement pour une vitesse de vent donnée, ce
qui n'est pas tellement important car le pompage se fait sur des longues périodes.
=> quand le vent forcit, l'éolienne accélère.
=> il faut une protection contre les survitesses (en général = mise hors vent).
- Protection contre les tempêtes :
. soit mise hors vent,
. soit éolienne couchée sur le sol.
Transmission électrique ou pneumatique
L'avantage d'une transmission électrique ou pneumatique réside dans le fait que l'éolienne ne doit pas se trouver au-dessus du puits. L'éolienne, mieux disposée par rapport au vent, pourra être de moindre taille. Par contre, il faudra tenir compte des rendements des intermédiaires et de leurs coûts.
Groupe électrogène éolien
Deux types d'installations sont possibles:
- soit avec accumulation du courant dans des batteries,
- soit sans accumulation du courant dans des batteries.
S'il faut du courant continu, celui-ci peut être produit par une dynamo ou un alternateur suivi d'un redresseur.
Lorsqu'il y a beaucoup de vent, la génératrice alimente les utilisateurs et charge les batteries.
En cas de vent faible, la génératrice alimente une partie des utilisateurs, le reste étant fourni par les
batteries.
La vitesse de rotation de l'éolienne, et donc de la génératrice, varie en fonction de la vitesse du
vent. Dès lors, une régulation de tension est nécessaire afin de protéger les batteries et les
utilisateurs contre les surtensions. Cette régulation est réalisée par contrôle de l'excitation de la
génératrice.
Un système de contrôle de la puissance débitée par la génératrice est aussi nécessaire (protection
de celle-ci). Quand cette puissance dépasse la puissance nominale de la génératrice, certains
utilisateurs doivent être déconnectés.
En courant continu, il y a peu d'applications.
Les installations fournissent le plus souvent du courant alternatif .
L'alternateur de l'éolienne est couplé sur celui du groupe électrogène Diesel. Ce dernier
fonctionnant à fréquence constante, l'éolienne tourne inévitablement à vitesse constante.
Lorsqu'il y a beaucoup de vent, l'énergie est fournie principalement par l'alternateur de l'éolienne.
Si le vent est faible, la majeure partie de l'énergie est fournie par l'alternateur du groupe Diesel.
(fin page 78)
Si la puissance disponible à l'éolienne est supérieure à celle consommée par les utilisateurs,
l'alternateur du groupe Diesel va se transformer en moteur et la fréquence va augmenter. Dans ce
cas, il faut un dispositif de freinage de l'éolienne.
Remarques :
1) Quelle que soit la vitesse du vent, l'éolienne tourne à vitesse constante. Idéalement, il faut donc
une éolienne à pas variable de façon à conserver le meilleur rendement de celle-ci pour toutes les
vitesses du vent.
2) Un système de contrôle de la puissance débitée par la génératrice est aussi nécessaire
(protection de celle-ci). Quand cette puissance dépasse la puissance nominale de la génératrice, il faut réduire le rendement aérodynamique de l'éolienne en modifiant le calage des pales.
Couplage au réseau
Ce type d'utilisation de l'énergie éolienne ressemble fort au cas précédent lorsque la puissance de
l'éolienne est inférieure à la puissance demandée par les utilisateurs.
Les éoliennes offshore posent cependant plusieurs problèmes techniques particuliers.
En premier lieu, il y a le choix des fondations qui dépend de paramètres tels que le type de fonds marins, la profondeur, la force des vents, les intempéries et le nombre de fondations à réaliser.
La profondeur est une difficulté majeure. Parfois, elle est trop importante pour utiliser des méthodes de construction ordinaires. Dans d'autres cas, elle ne sera pas suffisante pour permettre l'accès aux bateaux spéciaux acheminant le matériel.
Les éoliennes offshore doivent aussi être équipées d'un embarcadère qui doit présenter toutes les garanties de sécurité et de solidité.
L'accès aux turbines étant difficile, les réglages et la maintenance doivent être les plus simples et les moins fréquents possibles. Pour cela, les turbines seront construites de manière à résister aux intempéries et à la corrosion et à pouvoir être réparées sans l'aide de matériel de manutention extérieur (grue, hélicoptère).
En général, chaque turbine est équipée de manière permanente d'une grue, d'une nacelle et d'un palan électrique.
Les câbles sous-marins, utilisés pour les commandes et le transport de l'électricité, posent également des problèmes spécifiques. Pour ce milieu particulier, ils sont entourés d'une enveloppe de plomb.
Lors de la mise en route des premiers projets pilotes, différents problèmes sont encore apparus.
Ainsi, il a été constaté que l'angle d'inclinaison idéal des hélices des aérogénérateurs en mer n'est pas le même que sur terre. Cela peut s'expliquer par des niveaux de turbulence différents.
Par ailleurs, les systèmes informatiques ont, à certaines périodes, montré des défaillances qui ont provoqué l'arrêt des machines.
Il semble que les fluctuations de température en soient responsables.
Il est également nécessaire de déshumidifier certaines parties des installations, mais cela consomme beaucoup d'énergie.
Enfin, il faut noter que le travail en mer (installation et entretien) n'est pas aisé. Il s'effectue lorsque les conditions météorologiques le permettent, et donc à toute heure du jour et de la nuit.
Toutes ces contraintes techniques sont heureusement compensées par une production énergétique plus importante en mer que sur terre.
Le bilan économique étant favorable, plusieurs nouvelles installations verront le jour dans un futur relativement proche.
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