Éoliennes - Évolution, principes de base et potentiel de conversion

INTRODUCTION

1 - CONTEXTE ACTUEL

2 - CARACTÉRISATION DES DIFFÉRENTS TYPES D’ÉOLIENNES ET DE LEURS UTILISATIONS

• 2.1 - Évolution des éoliennes
  Figure 4 - Petite éolienne Rutland sur bateau (crédit : M. Rapin) Figure 5 - Centrale éolienne et photovoltaïque, équipée depuis 1993 d’une éolienne Vergnet 10 kW (∅ 7m), de 234 modules photovoltaïques de 40 Wc (watts crêtes) et d’un groupe Diesel de 40 kVA, assurant une totale autonomie à l’île Saint-Nicolas de Glénan (source : ADEME 2000, crédit : Olivier Sébart) Figure 6 - Alignement d’éoliennes Enertech 44, machine aval de 25 kW (source : Altamont Pass, Californie, crédit : M. Rapin) Figure 7 - Éolienne Jeumont 750 kW (site de Widehem, 1999, crédit : M. Rapin) Figure 8 - Premier prototype de l’Haliade 150 (site du Carnet, 2012, crédit : GE-Alstom)
• 2.2 - Machines à axe vertical
  Figure 9 - Effet du vent sur un corps creux Figure 10 - Rotor de Savonius Figure 11 - Exemple de combinaison de rotor pour l’éclairage publique (crédit : A. Placzek) Figure 12 - Principe de l’incidence variable Figure 13 - Prototype français tripale de machine Darrieus 5 kW (source : Centre National d’Essais Éoliens de Lannion, 1985, crédit : Onera) Figure 14 - Différents types de rotor Darrieus
• 2.3 - Machines à axe horizontal
  Figure 15 - Configurations à axe horizontal Figure 16 - Flexion des pales en fonctionnement sur une machine GE 1.5S (site de Sortosville-en-Beaumont, 2006, crédit : M. Rapin)
• 2.4 - Potentiel des machines
  Figure 17 - Représentation du tube de courant Figure 18 - Classement des types d’éolienne
• 2.5 - Architecture d’une éolienne à axe horizontal
  Figure 19 - Schéma d’une nacelle avec multiplicateur Figure 20 - Coupe d’une nacelle Jeumont J48 avec génératrice discoïde Figure 21 - Mise en forme et assemblage par soudage de sections en acier pour mât tubulaire chez FrancEole (site de Longvic, 2015, crédit : M. Rapin)

3 - PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

• 3.1 - Modélisation du vent
  Figure 22 - Différentes approches du vent
• 3.2 - Aérodynamique de la machine
  Figure 23 - Caractérisation d’un profil en 2D Figure 24 - Fonction aéromoteur d’un élément de pale Figure 25 - Évolution du triangle des vitesses de long de la pale Figure 26 - Visualisation du vrillage pour une pale à l’arrêt d’Enercon E70-E4 (site de St-Quentin-La-Motte, 2016, crédit : M. Rapin) Figure 27 - Implantation de quatre rangées de générateurs de vortex sur le pied de pale d’une Nordex N90 2,4 MW (site de Migny, 2009, crédit : M. Rapin) Figure 28 - Création de tourbillon Figure 29 - Modèle de sillage en trois domaines
• 3.3 - Aéroélasticité
  Figure 30 - Modélisation d’une éolienne Figure 31 - Angles caractéristiques Figure 32 - Exemple de deux premiers modes encastrés Figure 33 - Premier mode de flexion Figure 34 - Mouvement de battement Figure 35 - Mouvement de traînée Figure 36 - Mouvement de torsion Figure 37 - Composantes de la vitesse Figure 38 - Mouvements de battement Figure 39 - Décrochage dynamique Tableau 1 - Effets de la vitesse Tableau 2 - Sollicitations vues par le moyeu

4 - CONCEPTION DU ROTOR

• 4.1 - Type de moyeu
• 4.2 - Nombre de pales
• 4.3 - Régulation
  Figure 40 - Courbes de puissance caractéristiques Tableau 3 - Avantages et inconvénients des systèmes de régulation
• 4.4 - Sécurité
  Figure 41 - Descente au sol de l’ensemble moyeu/bipale du prototype Vergnet HP 1 MW (site de Guigonville, 2011, crédit : M. Rapin)

5 - PALES

• 5.1 - Dimensionnement
• 5.2 - Construction
  Figure 42 - Exemples de structures de pale Figure 43 - Moule de 52 m pour réalisation de la peau extrados (crédit : Siemens AG) Figure 44 - Fabrication en 2012 par Siemens (procédé IntegralBlade) de la pale Quantum de 75 m de l’éolienne offshore SWT6.0-154 (crédit : Siemens AG)
• 5.3 - Conditions d’utilisation

6 - IMPLANTATION SUR SITE

• 6.1 - Caractérisation du vent
  Figure 45 - Atlas européen (crédit : Danish Wind Industry Association) Figure 46 - Exemple de mât de mesure (source : Myres Hill, Écosse, 1993, crédit : M. Rapin) Figure 47 - Principe du sodar Doppler Figure 48 - Système compact lidar WindCube™ de Leosphère, développé en partenariat avec l’ONERA, en opération à côté d’un mât de mesure classique pour un parc espagnol d’EHN (crédit : Leosphère)
• 6.2 - Prévision du vent et du productible
  Figure 49 - Exemple d’histogramme des PDF du vent pour un site Figure 50 - Évolution du coefficient de puissance en fonction de la vitesse du vent et du calage des pales Tableau 4 - Prévision du productible pour une éolienne hypothétique de puissance [...] Tableau 5 - Performance de l’éolienne hypothétique de puissance 1,65 MW
• 6.3 - Impacts divers
• 6.4 - Logiciels
• 6.5 - Implantation offshore
  Figure 51 - Montage d’une éolienne REpower 5M, sur des fonds de 40 m pour l’alimentation de la station pétrolière offshore Beatrice (crédit : Senvion)

7 - CONCLUSION

8 - GLOSSAIRE

9 - SYMBOLES PRINCIPAUX