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Eolienne

Collection: Energies

Résumé

Généralités, chiffres clés et description du fonctionnement des éoliennes. Les bases théoriques pour la compréhension des contraintes liées à l'exploitation du vent.


Généralités

 L'éolienne tire son énergie du vent, elle transforme l' énergie cinétique des molécules d'air en déplacement en énergie électrique. Les pales activent un générateur qui alimente un réseau local ou directement le réseau national. Cette technologie a été massivement développée (Espagne, Canada, Allemagne, Danemark,...) pour des applications à large échelle, parcs d'éoliennes sur terre et sur mer (offshore).

La taille des éoliennes et la technologie a progressé significativement et permet actuellement de construire des machines de quelques mégawatts de puissance.

Une éolienne standard aujourd'hui est équipée d'un générateur de 1000 kW (puissance nominale, maximale) une hauteur de 60 à 80 m et un diamètre de rotor de env. 60m.





Chiffres clés

 Facteur de capacité
Valeur standard moyenne: entre 25% et 30%

Coût du kWh produit
Eolien: 0.04 à 0.06 €





Quelques caractéristiques

 Puissance du vent

La puissance offerte par le vent (que l'éolienne va partiellement transformer en puissance électrique) dépend de trois facteurs: la vitesse du vent, la densité et la surface balayée par les pales.

Le paramètre qui a le plus de poids est la vitesse du vent, puisque qu'il intervient au cube dans la formule de puissance du vent.
Effets accélérateurs

La topologie du terrain détermine la vitesse du vent à une certaine hauteur au-dessus du sol. Deux type de terrains sont particulièrement intéressants par leur effets accélérateur: le sommet d'une colline et les zones encaissées en V. Ses deux topologies entraînent une accélération du vent.

Rugosité du terrain

La présence d'aspérités au niveau du terrain (constructions, arbres, rochers,...) va déterminer l'évolution de la vitesse du vent avec la distance au sol; et donc la hauteur de tour nécessaire pour utiliser efficacement le potentiel éolien d'une zone. Une surface lisse (mer, plateau avec végétation basse,...) permet de placer le rotor à une faible distance du sol contrairement à une région escarpée, avec des arbres ou des constructions.

Image ci-contre: Profil des vents, publié par W. A. Dalgliesh and D. W. Boyd en 1962

Description des variations de vitesse du vent

Le vent souffle à différentes vitesses en fonction de la météo, de la saison, de l'heure. Toutes ces variations sont modélisées à l'aide d'une distribution de Weibull. Elle possède un paramètre, facteur de forme, propre à chaque site. Cette courbe mathématique donne la probabilité que le vent souffle à une certaine vitesse. Il est nécessaire de tenir compte de cette distribution de probabilité pour calculer le potentiel énergétique éolien d'un site donné.





Vitesses de démarrage et de coupure

 Chaque éolienne est dimensionnée de manière à produire un maximum d'énergie dans les conditions locales. Il y a toujours une "vitesse de démarrage" correspondant au vent minimum nécessaire pour actionner le système. De même il y a une vitesse maximum de vent au-delà de laquelle l'éolienne est dimensionnée pour s'arrêter.

Différents procédés actifs (rotation des pales, freins mécaniques...) ou passifs (emploi de la turbulence et du "décrochage" des pales) sont utilisés pour stopper l'éolienne en cas de vents extrêmes.





Limite de Betz

 Il y a un maximum théorique dans la quantité d'énergie du vent qui pourra être transformée en énergie mécanique par le rotor de l' éolienne. La limite de Betz stipule que, au mieux, 59% de l'énergie cinétique du vent sera transformée en énergie mécanique.





Coefficient de puissance et facteur de capacité

 Le coefficient de puissance correspond à la proportion d'énergie du vent transformée en électricité. Ce n'est pas une constante, mais une fonction qui dépend de la force du vent. Cette valeur est nécessairement inférieure à la limite de Betz puisque en plus de la limitation sur la conversion d'énergie du vent en énergie mécanique (rotation des pales) il faut considérer la transformation d'énergie mécanique en énergie électrique (générateur).

Le facteur de capacité correspond à l'énergie électrique annuelle produite par une éolienne divisée par sa production théorique nominale (maximale) annuelle.





Carte des vents à 50m

 Voici la carte établie par Meteotest sur la base des données 2011 pour une altitude de 50m.
Source: wind-data.ch





Carte des vents à 100m

  Voici la carte établie par Meteotest sur la base des données 2011 pour une altitude de 100m.
Source: wind-data.ch









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