Principaux composants d'une éolienne
Une éolienne se compose de cinq éléments principaux et de nombreuses pièces mineures. Les principaux sont la fondation, le mât, le rotor et le moyeu (y compris les trois pales), la nacelle et le générateur. L'installation de tous ces éléments nécessite l'utilisation d'équipements spécifiques aux éoliennes.
1. Fondations de l'éolienne
Pour une éolienne terrestre, les fondations reposent sur le sol ; elles sont invisibles car recouvertes de terre. Il s'agit d'un gros bloc de béton lourd qui doit pouvoir supporter l'ensemble de l'éolienne et les forces qui s'exercent sur elle. Pour les éoliennes offshore, les fondations sont également invisibles sous l'eau. Pour les éoliennes offshore situées loin des côtes, les fondations sont flottantes, mais leur masse est suffisante pour supporter le poids de l'éolienne ainsi que les forces qui s'exercent sur elle.
2. Tour d'éolienne
La plupart des tours d'éoliennes modernes sont constituées de tubes d'acier ronds. En règle générale, leur hauteur est égale au diamètre du cercle formé par la rotation des pales de l'éolienne qu'elles portent. En général, plus l'éolienne est haute, plus il est facile de capter les vents violents. En effet, plus on s'éloigne du sol, plus le vent est fort (la vitesse du vent varie selon l'altitude).
3.Rotor et moyeu des éoliennes
Le rotor est la partie rotative de l'éolienne ; il est composé de trois pales et d'une partie centrale, le moyeu, sur laquelle sont fixées les pales. Les pales sont l'un des éléments les plus importants d'une éolienne et sont responsables de la conversion de l'énergie éolienne en énergie cinétique rotative. Généralement, les pales d'éoliennes sont fabriquées en fibre de verre et en fibres de carbone haute résistance pour résister aux vents violents et aux tempêtes. Si les éoliennes à trois pales sont les plus courantes, elles ne sont pas toujours obligatoires. Cependant, les rotors à trois pales offrent des avantages tels qu'un rendement optimal.
Les pales ne sont pas robustes ; elles sont creuses et fabriquées en matériaux composites à la fois légers et résistants. La tendance est de les rendre plus grandes (pour plus de puissance), plus légères et plus résistantes. Pour des raisons aérodynamiques, les pales ont la forme d'ailes (comme celles d'un avion). De plus, elles ne sont pas plates et sont conçues avec une torsion entre leur racine et leur extrémité. Les pales peuvent pivoter jusqu'à 90° autour de leur axe. Ce mouvement est appelé pas. Le moyeu a pour fonction de maintenir les pales et de leur permettre de tourner par rapport au reste du corps de l'éolienne.
4. Nacelle d'éolienne
La nacelle abrite tous les composants de l'éolienne qui doivent être montés sur le dessus. La nacelle d'une éolienne est un système électromécanique complexe composé d'un nombre considérable de composants fonctionnant avec précision et efficacité. Les composants importants de l'éolienne sont le générateur et l'arbre principal, qui transfère l'énergie du vent capté au générateur via un réducteur. Ce dernier est un autre composant essentiel d'une éolienne. Comme une éolienne doit fonctionner sous le vent et ajuster son orientation à la direction du vent, son rotor doit pouvoir tourner par rapport au mât, un mouvement de rotation appelé lacet.
5. Générateurs d'éoliennes
Un générateur est un composant qui convertit l'énergie mécanique du rotor (obtenue par le vent) en énergie électrique. Les générateurs ont la même structure que les moteurs électriques. Ils sont généralement constitués d'aimants permanents ou d'électroaimants. Les variations de vitesse du générateur affectent l'amplitude et la stabilité de la tension de sortie.
Bien qu’il existe de nombreux types d’éoliennes différents, on peut les résumer en deux catégories
Éoliennes à axe horizontal, où l'axe de rotation de l'éolienne est parallèle à la direction du vent.
Éoliennes à axe vertical, où l'axe de rotation de l'éolienne est perpendiculaire au sol ou à la direction du flux d'air.
Éoliennes à axe horizontal
Les éoliennes à axe horizontal sont classées en deux types : type de portance et type de traînée.
L'éolienne à portance tourne rapidement, tandis que l'éolienne à traînée tourne lentement. Pour la production d'énergie éolienne, on utilise principalement des éoliennes à axe horizontal à portance. La plupart d'entre elles sont équipées d'un système de régulation du vent, capable de suivre les changements de direction du vent. Pour les petites éoliennes, ce système utilise un gouvernail, tandis que pour les grandes, des capteurs de vent sont utilisés, ainsi qu'un mécanisme d'entraînement composé d'un servomoteur.
Les éoliennes dont la roue éolienne est placée devant le mât sont dites « au vent », tandis que celles dont la roue éolienne est placée derrière le mât sont dites « sous le vent ». Les éoliennes à axe horizontal sont de nombreux types : certaines sont à pales inversées, d'autres en installent plusieurs sur un même mât afin de réduire le coût de celui-ci sous certaines conditions de puissance, et d'autres encore sont à axe horizontal, produisant des tourbillons autour de l'éolienne pour concentrer le flux d'air et en augmenter la vitesse.
Éolienne à axe vertical
Les éoliennes à axe vertical n'ont pas besoin de s'enrouler lorsque la direction du vent change, à ce stade par rapport aux éoliennes à axe horizontal est un avantage majeur, cela simplifie non seulement la conception structurelle, mais réduit également la force gyroscopique de l'éolienne au vent.
Il existe plusieurs types d'éoliennes à axe vertical utilisant la rotation par traînée, notamment les roues éoliennes constituées de plaques plates et de matelassures, qui sont des dispositifs de traînée pure ; les éoliennes en S, qui offrent une portance partielle, mais restent principalement des dispositifs de traînée. Ces dispositifs offrent un couple de démarrage élevé, mais un faible rapport de vitesse de pointe et une faible puissance de sortie pour une taille, un poids et un coût donnés.
Générateur à induction à double alimentation
Avec le développement de l'électronique de puissance, le générateur à induction à double alimentation (Générateur à induction à double alimentation) est de plus en plus utilisé dans la production d'énergie éolienne. Cette technologie ne dépend pas exclusivement de la capacité de la batterie, mais plutôt du système d'excitation. Le courant d'excitation est régulé de manière appropriée afin de produire une énergie électrique à fréquence constante. Les générateurs à induction à double alimentation sont similaires aux générateurs asynchrones par leur structure, mais leur excitation utilise un courant alternatif.
Nous savons qu'un potentiel magnétique pulsé peut être décomposé en deux potentiels magnétiques rotatifs de sens opposés. Une disposition appropriée des enroulements triphasés peut dissiper l'effet de l'un des potentiels magnétiques, ce qui permet d'obtenir un potentiel magnétique rotatif dans l'espace, équivalent au rotor à excitation continue d'un générateur synchrone. L'avantage du générateur à double alimentation réside dans la possibilité de régler la fréquence de l'excitation alternative, ce qui implique que la fréquence du potentiel magnétique d'excitation rotatif est également réglable.
Ainsi, lorsque la vitesse de rotation du moteur principal n'est pas constante, la fréquence du courant d'excitation peut être ajustée de manière appropriée pour produire une puissance électrique à fréquence constante. Avec l'augmentation constante de la capacité des composants électroniques de puissance, la capacité de régulation du système d'excitation des groupes électrogènes à double alimentation s'améliore, ce qui permet d'accroître la capacité autonome de ces machines. Bien que certaines théories soient encore en cours de perfectionnement, la tendance à une large application des générateurs réactifs à double alimentation se confirme.
Une éolienne est un système complexe composé de plusieurs composants qui fonctionnent en étroite collaboration pour convertir l'énergie éolienne en énergie électrique. Outre les composants mentionnés ci-dessus, les éoliennes comprennent les composants importants suivants :
Système de contrôle : Le système de contrôle comprend des composants électroniques, des capteurs, des contrôleurs, des logiciels, etc., qui permettent de surveiller et de contrôler le fonctionnement de l'éolienne. Il permet d'ajuster en temps réel l'angle des pales de l'éolienne et la vitesse de rotation du générateur afin d'assurer un fonctionnement stable de l'éolienne.
Tour : La tour est la structure portante de l'éolienne, généralement construite en tubes d'acier ou en béton. Sa hauteur a un impact direct sur la puissance de l'éolienne, car la vitesse du vent augmente avec la hauteur.
Système de pas : Le système de pas est un dispositif qui contrôle l'angle des pales de l'éolienne et peut ajuster l'angle des pales en temps réel en fonction des changements de vitesse du vent afin de maximiser l'utilisation de l'énergie éolienne.
Capteur de vitesse du vent : Le capteur de vitesse du vent est utilisé pour mesurer la vitesse et la direction du vent afin que le système de contrôle puisse ajuster l'angle des pales de l'éolienne et la vitesse de rotation du générateur à temps.
Réducteur : Les éoliennes doivent convertir le mouvement de rotation à basse vitesse en mouvement à grande vitesse, ce qui nécessite un réducteur. Ce dernier est constitué d'une série d'engrenages et de roulements qui permettent une conversion énergétique efficace.
Système de freinage : Le système de freinage est un dispositif permettant d'arrêter l'éolienne en cas d'urgence. En cas d'urgence, le système de freinage peut immédiatement arrêter la rotation de l'éolienne pour garantir son fonctionnement en toute sécurité.
Système de refroidissement : Les éoliennes génèrent beaucoup de chaleur pendant leur fonctionnement, qui doit être dissipée par le système de refroidissement. Ce dernier comprend des ventilateurs, des radiateurs, des pompes et d'autres équipements pour assurer la stabilité de fonctionnement de l'éolienne sur le long terme.
Système de transport : le système de transport est l'ensemble des installations de production d'énergie éolienne qui acheminent l'électricité vers le réseau. Il comprend des transformateurs, des appareillages de commutation, des câbles, etc., permettant un transport efficace de l'électricité.
Installations conventionnelles : En plus des principaux composants mentionnés ci-dessus, les éoliennes nécessitent certaines installations conventionnelles telles que des lumières, des équipements de communication et des systèmes de surveillance pour assurer le fonctionnement et la maintenance de l'éolienne.
Charges : Les charges sont des matériaux utilisés dans les éoliennes pour réduire le bruit de rotation. Elles sont généralement constituées de matériaux souples comme la mousse ou la fibre de verre.
Système de lubrification : Le système de lubrification assure la lubrification entre les différents composants d'une éolienne afin de réduire les frottements et l'usure. Il comprend des équipements tels que les pompes à huile, les réservoirs et les lubrifiants.
Équipement anticorrosion : les éoliennes sont généralement installées en plein air, exposées à des environnements naturels difficiles et sensibles à la corrosion atmosphérique, marine et solaire. Par conséquent, des équipements anticorrosion tels que la peinture, les revêtements anticorrosion et les matériaux de protection de l'environnement sont essentiels pour garantir le fonctionnement à long terme des éoliennes.
Systèmes embarqués : Pour les éoliennes exploitées en mer ou sur le littoral, les systèmes embarqués constituent un équipement essentiel. Ils comprennent des chaînes d'ancre, des mâts, des gouvernails et des équipements de navigation, entre autres, qui garantissent le fonctionnement stable des éoliennes en mer.
Les composants d'une éolienne sont variés, et leurs différentes parties interagissent étroitement pour convertir l'énergie éolienne en électricité. Grâce au développement et aux progrès constants de la technologie éolienne, les futures éoliennes pourraient être dotées de composants plus complexes et de principes de fonctionnement plus efficaces, fournissant ainsi une énergie plus respectueuse de l'environnement et durable.
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