L’éolienne, relais de la force du vent

Mis à jour le 19/8/2011, mis en ligne le 29/11/2010

Le vent est porteur d'une force motrice que l'homme utilise depuis longtemps.
Pour la transformer en électricité, il fait appel à l'éolienne. Grâce à ses composants
de haute technologie, celle-ci se comporte comme une véritable centrale.

L'éolienne, un capteur d'énergie sophistiqué

Le vent provient d'un réchauffement inégal de la surface de la Terre. Celui-ci crée des zones de températures et de pressions différentes : anticyclones (zones de l'atmosphère où la pression est élevée par rapport au voisinage) et dépressions (zones où la baisse de la pression provoque des vents rotatifs).





La pression cherchant naturellement à se rééquilibrer, des masses d'air se déplacent
depuis les anticyclones vers les zones de dépression. Et plus la dépression est importante,
plus le vent est fort.

Cette force, l'homme l'utilise depuis longtemps pour pousser des embarcations nautiques ou actionner des moulins. Aujourd'hui, il la récupère pour la transformer en électricité. Pour cela, il a recours à des éoliennes.

Quelques principes régissent la conception des éoliennes actuelles :

   •    la puissance fournie par une éolienne est proportionnelle au cube de la vitesse du vent : plus le vent est fort, plus on multiplie la puissance dégagée. Or, pour profiter d'un vent aussi constant et fort que possible, il convient de le chercher en hauteur afin d'éviter toute perturbation due aux obstacles naturels (relief, végétation) ou artificiels (bâtiments…). Voilà pourquoi les éoliennes sont des ouvrages de grande taille (parfois plus de 120 mètres de haut). On peut également  aller chercher le vent là où il n'y a pas d'obstacle : en pleine mer, c'est l'éolien offshore ;

   •    la puissance d'une éolienne est proportionnelle à la surface balayée par ses pales (formant un cercle). La longueur des pales va de 15 à plus de 60 mètres. Le rotor peut ainsi atteindre un diamètre de près de 120 mètres qui couvrirait entièrement un terrain de football.

Les éoliennes se composent de trois pièces principales :

   •    le mât : son rôle est de supporter les autres éléments (nacelle et rotor). Généralement fait de métal, il est fixé sur une fondation de béton arrimée au sol par de longs pieux. Les éoliennes en mer sont installées dans les fonds marins selon le même principe ;

   •    le rotor : son rôle consiste à transformer l'énergie cinétique (mouvements) du vent en énergie mécanique. Il se compose du nez et de l'hélice, elle-même formée de trois pales (plus rarement deux). Les pales dérivent des technologies de l'aéronautique et sont fabriquées à l'aide de matériaux composites (polyester renforcé de fibre de verre et / ou fibre de carbone) à la fois légers, rigides et résistants ;

   •    la nacelle : située en haut du mât, derrière le rotor, elle abrite le générateur produisant l'électricité à partir de la force mécanique du rotor en mouvement. Le transport de l'énergie jusqu'au sol est assuré par des câbles électriques descendant à l'intérieur du mât de l'éolienne.
La puissance installée (capacité de production électrique) dans une nacelle peut atteindre
5 mégawatts.

Les éoliennes sont par ailleurs dotées d'un système de supervision et de contrôle qui permet notamment :

   •    d'orienter le rotor de l'éolienne perpendiculairement à la direction du vent de façon à capter le maximum de sa force motrice ;

   •    de modifier l'angle d'incidence des pales par rapport au vent afin de maximiser la récupération d'énergie.

Grâce à ce système de supervision et de contrôle, l'éolienne peut être arrêtée automatiquement et très rapidement en cas de nécessité. La sécurité du fonctionnement des éoliennes est ainsi assurée en continu.

L'éolienne, une centrale électrique miniature

Pour démarrer, une éolienne
a besoin d'une vitesse de vent minimale, de l'ordre
de 10-15 kilomètres/heure.
Mais l'éolienne a aussi
une limite supérieure :
90 kilomètres/heure, parfois plus sur certains modèles récents. Cette limite répond à des objectifs de sécurité mais aussi de rentabilité : en tournant très vite, les pièces s'usent et se fragilisent alors que la production d'électricité ne connaît qu'un gain minime.

La vitesse de rotation du rotor (de 12 à 15 tours/minute) doit être augmentée par un système mécanique interne, le multiplicateur, qui permet d'atteindre environ 1 500 tours/minute, vitesse nécessaire au bon fonctionnement de l'alternateur.

Des convertisseurs électroniques de puissance ajustent la fréquence du courant produit par l'éolienne à celle du réseau électrique auquel elle est raccordée (50 hertz en Europe), tout en permettant au rotor de l'éolienne de tourner à vitesse variable en fonction du vent.

La tension de l'électricité produite par l'alternateur – de l'ordre de 600 à 1 000 volts –
est élevée à travers un transformateur de puissance, situé dans la nacelle ou à l'intérieur du mât, jusqu'à un niveau de 20 000 ou 30 000 volts. Un tel niveau permet de véhiculer l'électricité jusqu'au point de raccordement au réseau électrique. Pour les centrales éoliennes de 10-15 mégawatts de capacité, le niveau de tension de raccordement est, en France, généralement de 20 000 volts. Pour les centrales de capacité plus importante, le niveau de tension de raccordement peut aller de 60 000 à 90 000 volts, voire 225 000 volts. [1]Source EWEA / AIE