La mise en sécurité automatique de l`éolienne

II/ Les énergies solaires indirectes
L’ENERGIE EOLIENNE
INTRODUCTION
Les vents sur Terre sont dus à des différences de température mais également à la
force de Coriolis. L’énergie éolienne générée par ces vents est utilisée depuis longtemps
déjà : les moulins à vent (essentiellement pour moudre le grain). Tout comme les moulins à
vents, une éolienne transforme l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique. Soit cette
énergie est utilisée directement comme dans les éoliennes de pompage, soit elle est
transformée en électricité via une génératrice. Dans ce cas, on parle d'aérogénérateurs.
PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
D’une éolienne de pompage
Vue d'ensemble d’une éolienne de pompage
Commençons par dire que l'éolienne de pompage utilise l'énergie du vent pour
remonter l'eau d'un puits creusé exactement sous la machine.
Voyons les différentes parties de la machine de haut en bas.
Tout d’abord le rotor, constitué de deux roues parallèles -le déflecteur fixe et l'hélice
tournante- munies toutes les deux de pales.
L’hélice tournante entraîne l’arbre de l’éolienne par un système de roues dentées
perpendiculaires.
Cet arbre entraîne à son tour un vilebrequin situé à la hauteur du sol.
C’est alors que ce vilebrequin actionne les pompes qui ramènent l’eau à la surface.

La construction mécanique est essentiellement réalisée à partir de pièces de fonderie, parfois
de très forte taille (plus de 1,5 m de diamètre pour la roue d'inertie, plus de 3 mètres pour les
tronçons formant le mât) et en pièce forgées (les haubans, par exemple, sont de longues tiges
d'acier forgées aux extrémités pour leurs raccordements). Des témoignages d'anciens de
Bassens affirment que les pompes ont été un temps actionnées par un moteur électrique, la
partie aérienne étant alors désaccouplée. En effet, la construction originale de l'éolienne
prévoit de pouvoir entraîner les pompes par une autre source d'énergie, et ce très facilement.
Pour un vent de 36 km/h, la puissance estimée disponible est de 1250 W avec une vitesse de
rotation du rotor de 106 tr/min pour un débit de pompage de 3,52 m3/h.
C'est un vilebrequin composé de 3 attelages mobiles qui permet, à partir du niveau du sol, de
transformer le mouvement de rotation donné par la turbine en un mouvement de translation
transmis au piston de chaque corps de pompe situé au fond du puits.
Le système d'orientation et de régulation
Le système d'orientation de l'éolienne se
compose d'une chaîne cinématique dont la
pièce principale est le papillon, petite hélice
repérée 3 sur le schéma ci-contre. La rotation
de ce papillon entraîne celle du pignon 6 qui,
en roulant sur la roue dentée fixe 8, impose la
rotation du châssis de l'ensemble mobile
repéré 5. Il est important de comprendre que
ce mouvement tend à placer automatiquement
le plan du papillon parallèlement au vent. On
dit alors qu'il est en drapeau et, dans ce cas, il
est arrêté car le couple moteur exercé par le
vent est nul.
La rotation, autour de l'axe V, de la pièce
verte repérée 2, permet de maintenir la turbine
face au vent ou en drapeau. Ces deux
situations sont décrites ci-après.
Le maintien face au vent
Pour garder son efficacité, l'éolienne doit placer son rotor face au vent. Le système
d'orientation permet de le maintenir automatiquement dans cette position relative quelle que
soit la direction du vent représentée par une flèche.

Fonctionnement stabilisé
La turbine est correctement orientée, elle présente
sa surface maximale au vent. Le papillon ne tourne
pas car il est en drapeau.
Le vent change de direction
La turbine n'est plus face au vent. Le papillon n'est
plus en drapeau, il voit du vent, il se met donc à
tourner.
L'ensemble mobile s'oriente
La chaîne cinématique rouge étant mise en
mouvement par le papillon, le pignon 1 roule sur la
roue fixe 2. L'ensemble mobile bleu pivote alors en
direction du vent.
Fonctionnement stabilisé
Dès que le papillon se retrouve en drapeau le
mouvement s'arrête. La turbine se retrouve donc
face au vent. Le système est de nouveau en
équilibre et la turbine se trouve correctement
orientée.
Remarque : Lors de cette évolution, le papillon reste constamment perpendiculaire à la
turbine.
La mise en sécurité automatique de l'éolienne
Cette fonction, assurée par le mécanisme imaginé par Bollée, est la plus remarquable. En cas
de vent excessif, la turbine est mise en drapeau, préservant le mécanisme qu'elle entraîne.
Dans ce cas, la force du vent appliquée sur le profil du papillon est suffisante pour le faire
basculer autour de l'axe V en entraînant la montée du contrepoids.

Fonctionnement stabilisé
La turbine est face au vent, la vitesse du vent
n'est pas excessive. L'énergie du vent est
transmise aux pompes.
Le vent forcit
Le contrepoids n'est plus suffisant pour
maintenir le papillon en position. Il pivote et
n'est donc plus en drapeau. Il se met alors à
tourner.
L'ensemble mobile s'oriente
L'ensemble mobile tourne, cherchant à
remettre le papillon en drapeau. Mais celui-
ci, constamment repoussé par le vent, ne
trouve pas sa position d'équilibre. Il continue
donc à tourner en entraînant l'ensemble
mobile.
La turbine en sécurité
Le pivotement du papillon est stoppé par une
butée lorsque celui-ci est parallèle à la
turbine. La position d'équilibre est donc
atteinte (papillon en drapeau) lorsque la
turbine est elle-même en drapeau.
Remarque : Lors de cette évolution, le papillon est passé de la position perpendiculaire à la
position parallèle à la turbine.
D’un aérogénérateur
Lorsque le vent devient suffisant (3 à 5 m/s), l’automate, renseigné par l’anémomètre et la
girouette fixés au sommet de la nacelle, commande au moteur d’orientation de placer
l’éolienne face au vent.
Le vent entraîne les pales qui font tourner un arbre lent. Le multiplicateur augmente la vitesse
de rotation et imprime cette accélération à l'arbre rapide. Celui-ci transmet le mouvement
rotatif au générateur qui produit l'électricité.
Le courant ainsi produit descend au sol par des câbles situés dans le fût de l'éolienne. Il est
alors transformé pour être injecté au réseau électrique existant.
Les éoliennes de puissance ne fonctionnent et ne produisent pas en permanence. Elles ont
besoin d'une vitesse de vent minimale pour commencer à produire de l'électricité.
Inversement, elles se freinent puis s'arrêtent automatiquement lorsque la vitesse du vent est
trop élevée (environ 100 km/h). Ainsi, les aérogénérateurs ne produisent de l'électricité
qu'entre 2 vitesses de vent appelées vitesse de démarrage et vitesse de coupure.
Pour freiner la rotation des éoliennes, on utilise souvent le principe de pales à pas variable ou

pitch control : les pales sont mobiles autour de leur axe longitudinal et s'orientent
automatiquement de façon à diminuer la portance au vent. Lorsque la vitesse du vent est trop
importante et que ce mécanisme ne suffit plus à freiner le mouvement rotatif, l'éolienne se
place perpendiculairement au vent (on dit qu'elle se met en drapeau, comme les voiles d'un
bateau). Le rotor devient ainsi immobile.
Un autre système de régulation, appelé stall control est également parfois utilisé : c’est alors
le profil aérodynamique de la pale qui permet à l’éolienne de réguler.
Les éoliennes disposent en outre d’un frein mécanique, dit frein d’urgence. Celui-ci, placé sur
l’arbre rapide, permet de suppléer le freinage par les pales en cas de défaillance, ou bien de
maintenir l’éolienne en position arrêtée en période de maintenance.
Les générateurs éoliens sont arrivés à maturité d'un point de vue technologique. La période de
tâtonnement est désormais révolue et les machines mises au point actuellement sont fiables et
à la pointe de la technologie. Ceci se traduit par une croissance de la puissance unitaire et de
la taille des éoliennes qui atteignent aujourd'hui 2500 kW (soit 2,5 MW) pour plus de 100 m
de haut.
Que devient l'électricité produite ?
L'électricité produite est injectée dans le réseau électrique.
Les parcs éoliens d’une puissance supérieure ou égale à 10 MW se raccordent au réseau haute
tension, 63 000 Volts, réseau public de transport, géré par RTE (Réseau de Transport de
l’Electricité).
Les parcs éoliens d’une puissance inférieure à 10 MW se raccordent au réseau moyenne
tension, 20 000 Volts, réseau public de distribution, géré par EDF-GDF Services, agence
régionale d’Accès au réseau de Distribution (ARD).
La compagnie publique d'électricité achète le courant électrique au prix fixé par le Ministère
de l'Industrie. Depuis peu, le contexte tarifaire est devenu plus favorable à l'énergie éolienne.
Légende du schéma de l’éolienne :
1. pale
2. rotor
3. multiplicateur
4. frein
5. génératrice
6. groupe hydraulique (servant à la giration et au changement d'angle des pales)
7. nacelle
8. mât
QUELQUES CHIFFRES
Exemple ci-dessous pour une éolienne de 175 kW de puissance nominale :
Vitesse (m/s) 8 10 12 14 16 18 20 22
Vitesse (km/h) 28,8 36 43,2 50,4 57,6 64,8 72
Vitesse (nœuds) 15,6 19,4 23,4 27,2 31,1 35 38,9 42,8
Vitesse (Beaufort) 4 5 6 7 7 8 8 9
Puissance (kW) 30 60 115 175 180 172 168 165