Nous traiterons dans l’ordre de construction les différentes parties d’une éolienne :
- Tout d’abord, on distingue les fondations :
Les fondations sont composées d’épais blocs de béton armé (béton renforcé par une structure métallique visible sur la photo) d'environ 100 tonnes voire plus, enterrés à 5 à 6 mètres de profondeur. Au-dessus de ces fondations, une autre dalle est coulée afin de fixer la première partie du mat.
Les fondations sont coulées en deux étapes :
- Ensuite, le mât composé de trois parties vient se fixer sur la partie supérieure des fondations prévues à cet effet :
En général, le mât est composé de trois parties permettant un transport plus simple. Il est fixé aux fondations part des boulons, partiellement serrés, permettant ainsi une certaine extension de la structure soumise en permanence à de nombreuses forces.
Le mât sert également à protéger les immenses câbles électriques qui passent à l’intérieur, ainsi l'électricité produite est acheminée peu à peu vers le réseau principal d’EDF. Dans le mât se trouve un passage permettant l’accès des agents d’entretien à la nacelle.
Il existe d'autres types de mâts :
Mât en béton Mât en métal Mât haubané Mât en treillit
- Enfin la nacelle vient se placer sur le mât :
La nacelle contient tous les éléments mécaniques qui permettent de transformer l'énergie mécanique produite par les pales en énergie électrique : les pales, l'anémomètre et le rotor sont fixés sur la nacelle. A l'intérieur, se trouvent :
- La boîte de vitesse
- La génératrice
- Les systèmes de contrôles
- Le capteur de température (huile de la boite de vitesse afin de distinguer une usure prématurée)
- Le capteur de vibration et le capteur de vitesse (une éolienne commence à tourner à partir de 20km/h, est à sa pleine puissance à 60km/h, et les pales arrêtent de tourner lorsque le vent dépasse 90km/h).
La nacelle se situe à environ 60 mètres au-dessus du sol et les pales mesurent (sur une éolienne de 100 mètres) environ 32 mètres.
Les principaux éléments de la nacelle sont :
Il est constitué des pales et du nez (ou moyeu), ainsi que les nombreux dispositifs de commande situés dans le nez.
De nombreuses études en souffleries ont été réalisées afin de déterminer le nombre optimal de pales pour le fonctionnement de l'éolienne.
On a démontré que:
- Moins les pales sont nombreuses, plus l'éolienne met du temps pour démarrer et inversement.
- De plus, lorsque l'éolienne a deux pales, les vibrations sont très fortes et rendent ainsi l'éolienne fragile. Lorsqu'elle en possède plus de trois, les pales sont perturbées par l'air déplacé par la pale précédente. Le rendement s'en trouve ainsi réduit.
Ainsi le nombre optimal de pales pour le fonctionnement d'une éolienne est de trois. Les pales sont torsadées afin d'offrir plus de surface au vent et peuvent aussi s'orienter.
L’ensemble des éléments du rotor qui est reliée au multiplicateur par l'arbre principal est toujours orientée de façon à être face au vent grâce à la girouette et à l'anémomètre.
La girouette et l’anémomètre permettent de connaitre la direction et la vitesse du vent. Ils participent ainsi à l’autonomie presque complète des éoliennes.
Ils sont souvent associés à un dispositif d’orientation de l’éolienne.
Le dispositif d’orientation de l’éolienne est situé sous la nacelle, il permet d’orienter les pales face au vent d’après les données recueillies par la girouette et l’anémomètre. Il est principalement composé d’un puissant moteur capable de faire pivoter toute la partie supérieur de l’éolienne.
Un système de freinage est très important dans une éolienne le disfonctionnement des freins peut être fatal à l’éolienne. Le freinage a d’ailleurs été l’un des premiers problèmes rencontrés par les ingénieurs lors des débuts des éoliennes.
Pour des vents trop forts le générateur « s’emballe » et peut alors détruire de nombreux composants de la nacelle. Ainsi le système de freinage s’impose pour des vents dépassant les 90km/h il permet alors d’empêcher le rotor de tourner.
Cet axe est directement entrainé par le rotor (principalement par les pales), il tourne à basse vitesse mais avec beaucoup de force (couple fort). Il est relié ensuite à un multiplicateur.
L’arbre principal entraine le multiplicateur qui par un système complexe d’engrenages va transformer le mouvement lent et puissant de l’axe principal en un mouvement très rapide mais de force plus faible.
Le principe est identique à celui d’un vélo doté de pignon et de plateau. Lorsque l’on met un grand plateau pour un petit pignon, la force exercée sur les pédales directement reliées au plateau va devoir être très puissante le mouvement sera par conséquent assez lent, en revanche le mouvement transmis grâce à la chaine a l’engrenage des pignons sera beaucoup plus rapide mais moins fort.
Schémas
L’arbre rapide est relié en sortie du multiplicateur, il fait la liaison entre le multiplicateur et la génératrice. Sa rotation est donc beaucoup plus rapide (environ 1500tr/min), mais sa force est bien plus faible.
La génératrice est un élément indispensable pour une éolienne, c’est elle qui permet la transformation de l'énergie mécanique en énergie électrique. Elle est soit directement sur l'axe de l'aéromoteur, soit entraînée par un multiplicateur.
Il existe 2 types de génératrice (ou générateur) :
- La dynamo qui permet de fournir un courant continu directement utilisable.
- L’alternateur qui permet de fournir une fréquence variable en fonction de la vitesse de rotation. L'alternateur crée un courant en faisant tourner des bobines ou des aimants, placés sur le rotor et qui créent ainsi un champ magnétique. Il nécessite donc un convertisseur et est utilisé plus particulièrement par les éoliennes domestiques.
Nous pouvons préciser afin d’éviter les confusions que sur un vélo, le système appelé dynamo par abus de langage est en réalité un alternateur et non une dynamo (dans son sens défini ci-dessus).
L’éolienne finale se présente alors ainsi :
