Pourquoi les éoliennes tournent-elles si lentement ?

Une rotation qui paraît lente

Les éoliennes sont conçues pour capter le vent. Pourquoi ces pales semblent-elles si lentes? Tourner plus vite ne produirait-il pas plus d'électricité? Surprise: une rotation qui paraît lente peut faire filer le bout des pales dans l'air.

Mais accélérer n'est pas toujours mieux. La vitesse utile dépend du vent, de la conception des pales et de ce que la machine supporte sans risque.

Un bout de pale rapide sur un rotor lent

Regardez deux points d'une même pale: l'un près du moyeu, l'autre au bout. Ils bouclent chaque tour ensemble, mais le bout parcourt alors une distance bien plus longue. Prenons l'éolienne de référence I E A de quinze mégawatts, un modèle de recherche publié en deux mille vingt. Son rotor fait deux cent quarante mètres de diamètre, et sa rotation nominale est d'environ sept tours et demi par minute.

Avec cent vingt mètres de rayon, le bout de pale fend l'air à environ quatre-vingt-quinze mètres par seconde. Ce faible nombre de tours masque la vitesse du bout de pale, qui parcourt un cercle immense. Plaçons-nous à côté d'une petite section de pale pour observer l'air qu'elle rencontre. Cet écoulement relatif combine le vent et le mouvement de la pale: l'air aborde donc la section en biais.

Le profil crée une portance perpendiculaire à ce flux, et une traînée le long du flux. Une partie de la force aérodynamique résultante agit dans le sens de rotation, entraînant la pale et le moyeu. Une autre composante exerce une poussée suivant l'axe du rotor, que la structure doit supporter. Changer la vitesse ou l'angle de la pale change le flux qu'elle rencontre, donc la force de rotation et les charges.

Trouver la vitesse utile

Les ingénieurs appellent vitesse spécifique le rapport entre vitesse du bout de pale et vitesse du vent. Si le bout va neuf fois plus vite que le vent, le rapport vaut neuf, quelles que soient les unités. Pour une pale et un calage donnés, une plage de fonctionnement permet de bien capter l'énergie de l'air. Accélérer peut rapprocher le rotor de cette plage, mais accélérer encore peut l'en éloigner.

Ce rapport seul ne fixe pas le meilleur réglage pour toutes les éoliennes. Le modèle de référence I E A distingue le point de fonctionnement retenu du réglage donnant le meilleur coefficient de puissance aérodynamique, car il doit aussi respecter ses limites de charge. Dans sa plage principale sous la vitesse nominale du vent, ce modèle règle le couple du générateur pour viser la vitesse spécifique choisie.

Le générateur oppose une résistance réglable à la rotation, permettant au régulateur d'ajuster la vitesse du rotor. Par vent plus faible, ce modèle maintient aussi une vitesse minimale du rotor, ce qui change sa stratégie de commande. Même avant d'atteindre sa puissance nominale, une éolienne réelle ne peut pas toujours suivre un rapport idéal: elle a ses limites. Aux conditions nominales, le modèle de référence règle l'angle des pales pour maintenir la rotation près de sa vitesse nominale.

Faire pivoter les pales sur leur axe longitudinal change leur angle face au flux et permet de limiter la puissance captée. Les pales et le mât doivent résister aux charges, et les pales doivent rester à distance du mât même lorsqu'elles fléchissent. La régulation respecte ces limites: un vent plus fort ne doit pas faire croître indéfiniment la vitesse et la production électrique.

Échanger du couple contre de la vitesse

Observons un multiplicateur sur une autre machine: la transmission de sept cent cinquante kilowatts du programme G R C du N R E L sur la fiabilité des multiplicateurs. Cette ancienne référence a deux régimes nominaux de générateur. Elle diffère donc du modèle I E A à vitesse variable. Suivez l'arbre principal du moyeu au multiplicateur: un étage planétaire entraîne deux étages à axes parallèles. Dans l'essai retenu, l'arbre principal fait environ vingt-deux tours par minute, et l'arbre du générateur environ mille huit cents.

Le multiplicateur produit environ quatre-vingt-un tours et demi en sortie pour chaque tour en entrée. La dernière paire quadruple la vitesse: une roue de quatre-vingt-huit dents entraîne un pignon de vingt-deux dents. Lorsque leurs dents s'engrènent, la petite roue doit tourner plus vite pour suivre la grande. Cela fixe leur rapport de vitesse, et les étages reliés multiplient leurs rapports jusqu'au générateur.

La puissance mécanique est le couple multiplié par la vitesse angulaire: un arbre plus rapide ne signifie donc pas que le multiplicateur crée de la puissance. Dans un transfert idéal et stable, plus de vitesse veut dire proportionnellement moins de couple, et la puissance transmise est conservée. Un multiplicateur réel perd de l'énergie par frottement: la puissance mécanique en sortie est inférieure à celle en entrée. La hausse de vitesse adapte le rotor à un générateur rapide, qui peut être plus petit qu'un générateur lent.

Nous avons ralenti ce mécanisme pour l'observer, en appliquant le même ralentissement à tous les arbres reliés. Le rapport d'engrenage explique leurs vitesses différentes; reste à voir comment le générateur convertit cette puissance mécanique en puissance électrique.

Le passage à l'électricité

Prenons un modèle simplifié de générateur, avec une source magnétique tournante et des bobines fixes. Ce modèle illustre l'induction électromagnétique, sans reproduire la construction du générateur du G R C. Observez le champ magnétique dans une bobine quand la source passe devant elle. Le flux magnétique dans la bobine change, et la loi de Faraday relie ce rythme de variation à la tension induite.

Dans ce modèle simple, le flux monte et descend à chaque tour, et la tension induite change de sens. La tension suit la vitesse de variation du flux, donc ses pics ne coïncident pas avec ceux du flux. Même en circuit ouvert, le flux variable peut induire une tension aux bornes. Dans notre circuit ouvert idéal, aucun courant n'alimente la charge: cette tension seule ne prouve donc pas qu'une puissance électrique utile est transférée.

Fermez le circuit sur une charge: un courant peut circuler et le générateur lui transfère de l'énergie. Ce courant crée une réaction magnétique opposée au changement qui l'a produit, d'où une résistance électromagnétique à la rotation du générateur. L'arbre doit continuer à fournir un travail mécanique contre cette résistance pour maintenir le transfert d'énergie électrique. Voilà le lien entre couple et production: la force de rotation du rotor fournit l'énergie,

tandis que le générateur et le circuit déterminent comment elle est prélevée.

Du générateur au réseau

Pour le raccordement électrique, passons à un modèle documenté à conversion intégrale, fondé sur CART trois du N R E L, une éolienne de recherche sur les systèmes de commande avancés. Ici, l'électronique de puissance fait l'interface entre le fonctionnement variable du générateur et le réseau alternatif. Dans le modèle publié, un redresseur transforme le courant alternatif du générateur en courant continu, qui passe par un bus continu. Un onduleur transforme ensuite ce courant continu en courant alternatif contrôlé, à la fréquence du réseau.

Ainsi, la vitesse du générateur et sa fréquence électrique peuvent varier sans faire varier la fréquence du réseau. Dans le schéma de base, le convertisseur côté réseau gère la tension du bus continu et la puissance échangée avec le réseau. Un transformateur fait un autre travail: il change la tension du courant alternatif. Augmenter la tension de transport réduit le courant nécessaire à puissance égale et aide à limiter les pertes des lignes qui évacuent l'électricité du parc.

Le réseau électrique du parc recueille la production des éoliennes et la transmet au réseau général par un poste électrique. Générateur, convertisseur et transformateur gèrent chacun une partie de ce transfert, une fois que le vent a fourni l'énergie mécanique.

Supprimer le multiplicateur

Revenons au modèle de référence I E A de quinze mégawatts, à entraînement direct. Son rotor est relié au générateur sans multiplicateur, donc le générateur tourne à la faible vitesse du rotor lui-même. Ce générateur porte un anneau d'aimants permanents sur sa partie extérieure tournante, autour d'une structure fixe à bobines. Ses nombreux pôles magnétiques passent devant les bobines: même en tournant lentement, ils produisent des variations magnétiques répétées.

Sans multiplicateur, la liaison entre rotor et générateur change, mais les pales gardent leur rôle aérodynamique. Ce modèle règle toujours le couple et l'angle des pales pour capter l'énergie dans les limites du rotor. L'agencement du multiplicateur décrit la liaison mécanique, celui du convertisseur la liaison électrique. Ils répondent à des questions différentes, et un rotor lent ne dit pas à lui seul quelle chaîne de transmission et quel système électrique se cachent derrière.

Relire le rotor

Regardez de nouveau le bout de pale parcourir ce vaste cercle. Un rotor peut faire quelques tours par minute alors que le bout des pales file, car chaque tour représente une grande distance. Tourner plus vite n'aide que si cela rapproche la machine d'un fonctionnement utile, dans ses limites. La puissance dépend aussi du couple et de la façon dont le générateur et le système électrique transfèrent cette énergie.

Ces rotations apparemment lentes participent à un échange contrôlé entre l'air en mouvement et le réseau électrique. Quand le vent change, le régulateur peut ajuster le calage des pales et le couple du générateur pour garder le rotor dans sa plage prévue.