DE L'ENERGIE CINETIQUE A L'ENERGIE MECANIQUE

L'énergie éolienne est dîtes « propre » de part son respect de l'environnement. Son but est ainsi de produire une énergie renouvelable et écologique. Nous verrons dans cette partie comment l'éolienne utilise la force du vent, en utilisant l'énergie cinétique qu'il possède afin de la transformer en énergie mécanique

 

 

I) La réception du vent

 

Pour nous aider à voir comment le vent est réceptionné, utilisons ce schéma :

 

 

Schéma d’une éolienne

        

           L'éolienne est d'abord formée du mat, qui a pour fonction de placer le rotor à une certaine hauteur du sol pour pouvoir être en contact avec un vent plus fort et plus régulier par rapport au sol. Il est fabriqué en acier pour être protéger de la corrosion.
L'éolienne réceptionne le vent grâce à une nacelle montée au sommet du mât qui abrite la plupart des composants nécessaires au fonctionnement de l'éolienne tel le multiplicateur ou le générateur. La nacelle permet à l'éolienne de s'orienter face au vent grâce à un système d'orientation. Ce système d'orientation est composé de moteurs hydraulique ou électrique entraînant une couronne dentée par le biais d'un pignon et d'un système de freinage à disques qui permet de maintenir le rotor face au vent.

Moteur d'orientation avec son pignon d'entraînement

 

L'éolienne réceptionne le vent grâce au rotor, constitué de plusieurs pales (une, deux ou trois) généralement trois et du moyeu. Le rotor est la pièce maîtresse de la réception du vent, c'est lui qui transformera l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique. Les pales de l'éolienne sont réalisées de manière à être aérodynamique et pouvoir facilement réceptionner le vent. Elles sont fabriquées avec des fibres de verre qui ont comme particularité d'être légères et résistantes aux chocs.
L'éolienne est constituée d'un paratonnerre qui est un dispositif conçu afin d' empêcher la foudre de tomber, mais aussi de girouettes et anénomètres qui mesurent la direction et la force du vent et qui les communiquent ensuite à l'informatique de commande qui effectue les réglages de l'éolienne automatiquement.
L'éolienne repose sur des fondations qui sont constitués de 400 tonnes de ciment et de fer d'armature, c'est un élément important d'une grande éolienne. La forme est ronde ou carrée mais peut aussi être en étoile pour réduire l'usage du ciment.

 

 

II) L'énergie cinétique :

 

 

L'énergie cinétique est l'énergie que possède un solide du fait de son mouvement. L'éolienne utilise l'énergie cinétique du vent en la captant avec ses pâles. Cette énergie cinétique est transformé en énergie mécanique par l'éolienne ou plus précisément par le rotor. L'énergie cinétique est proportionnelle à la masse de ce corps ainsi qu'au carré de sa vitesse. Sa formule est :

 

Avec Ec l'énergie cinétique en joules (J), m masse de solide en kilogramme (kg) et VG vitesse du centre d'inertie du solide en m.s-1.
Le corps utilisé ici est l'air, on considère que l'air a une masse constante donc seul la vitesse changera et aura une influence sur le résultat. Plus la vitesse sera élevée et plus l'énergie cinétique sera grande.
Mais l'énergie cinétique a une limite, la limite de Betz. Betz est un physicien Allemand, pionnier de l'énergie éolienne, qui en 1919 formula cette loi qu'il publie dans son livre « Wind-Energie »  (« Energie Eolienne ») en 1926 où il démontre que seuls 16/27 (environ 59%) de l'énergie cinétique du vent peuvent être transformés en énergie mécanique.

 

 

Pour mieux comprendre ce qu'il affirme,  démontrons cette loi :

 

Cliquez ici pour voir la démonstration


Cette démonstration nous permet de comprendre la limite des éoliennes car un rendement de 100% signifierai d'arrêter complètement le vent ce que semble invraisemblable.

 

 

 

 

III) La Transmission de l'énergie :

 

Une fois l'énergie cinétique transformée en énergie mécanique, elle est transmise au générateur par un système d'engrenage :

 

 

 

 

- La force du vent fait tourner les pales du rotor de l'éolienne (environ 20 tr/min).


- Cette force est transmise à l'arbre principal (appelé aussi arbre lent) qui est connecté au multiplicateur.


- Le multiplicateur décuple la vitesse angulaire de l'arbre principal en la multipliant par 75 (de 20 tr/min à 1500 tr/min).


- Le multiplicateur est relié à l'arbre rapide qui transmet cette vitesse à la génératrice.

 

 

 

 

On constate que le multiplicateur a un rôle important dans la transmission de l'énergie mécanique dans l'éolienne. Mais qu'est ce que c'est ?

 

Même avec un vent très fort, la vitesse de rotation des pales est trop faible pour produire de l'électricité, c'est pourquoi on place entre la génératrice et le moyeu un multiplicateur. Il multiplie la vitesse d'entrée (rotor de l'éolienne) pour atteindre la vitesse de sortie exigée par la génératrice électrique, en multipliant par environ 70 la vitesse de rotation initiale. Il est constitué d'un assemblage d'engrenages comme celui-ci :

 

 

J6 représente le premier engrenage qui est relié à l'arbre lent et au rotor et J1 est le dernier engrenage qui a la vitesse la plus rapide.
Le multiplicateur a donc un rôle essentiel dans le fonctionnement de l'éolienne.

 

Nous avons vu que l'éolienne est composé de trois parties principales : un mat, un rotor et une nacelle. Sans ces trois parties de l'éolienne celle-ci ne peut pas fonctionner. L'énergie éolienne réside dans la réception de l'énergie cinétique du vent, afin de la rendre en énergie mécanique. Nous avons vu aussi que cette énergie cinétique a une limite.
Nous avons aussi étudier les pièces essentiels de l'éolienne : les pales du rotor et le multiplicateur. Sans les pales du rotor l'énergie cinétique ne peux pas être réceptionné, et sans le multiplicateur la vitesse de rotation de l'arbre serait trop faible pour produire de l'électricité.