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CENTRALES HYDRAULIQUES Les pays du nord, notamment le Canada, sont bien pourvus en ressources hydrauliques. La plus grande partie de leur énergie électrique provient des centrales hydroélectriques par l'exploitation des chutes d'eau. Les centrales hydro-électriques convertissent l'énergie de l'eau en mouvement en énergie électrique. L'énergie provenant de la chute d'une masse d'eau est tout d'abord transformée dans une turbine hydraulique en énergie mécanique. Cette turbine entraîne un alternateur dans lequel l'énergie mécanique est transformée en énergie électrique.

1. Puissance disponible D'une façon générale, la puissance que l'on peut tirer d'une chute dépend non seulement de la hauteur de la chute, mais aussi du débit du cours d'eau. Le choix de l'emplacement d'une centrale hydro-électrique dépend donc de ces deux facteurs. La puissance disponible est donnée par l'équation :

P= 9,8 q.h

(1)

P = puissance hydraulique, en kilowatts [kW] q= débit en mètres cubes par seconde [m 3/s] h = hauteur de la chute, en mètres [m] 9,8 = coefficient tenant compte des unités À cause des pertes, la puissance mécanique que l'on peut recueillir sur l'arbre de la turbine est inférieure à la puissance fournie par l'eau. Cependant, le rendement des turbines hydrauliques est élevé : de l'ordre de 80 à 94 % pour les grosses unités. Dans les alternateurs, la transformation de la puissance se fait à un rendement de 97 à 98,5 %. Exemple

Soit une station hydroélectrique. Les chutes ont une hauteur de 324 m et un débit moyen de 1370 m3/s. Le réservoir comprend une série de lacs ayant une superficie de 6400 km2. Calculer : a) la puissance hydraulique disponible b) le temps (en jours) pendant lequel cette puissance sera disponible avant que le niveau du réservoir baisse d'un mètre. Solution

a) La puissance hydraulique est :

P = 9,8 q.h =9,8 x 1370 x 324 =4 350 000 kW =4350 MW 6

b) Une baisse de niveau de 1 m correspond à un écoulement de 6400 x 10 m3 d'eau. Comme le débit est de 1370 m3/s, le temps requis pour écouler ce volume d'eau vaut :

Remarquer que ce débit (1370 m3/s) représente quasiment la consommation d’un pays moyen.

2. Types de centrales hydrauliques : Suivant la hauteur de chute, on distingue : 1) les centrales de haute chute 2) les centrales de moyenne chute 3) les centrales de basse chute

Les centrales de haute chute ont des hauteurs de chute supérieures à 300 m; elles utilisent des turbines Pelton. Ces centrales se trouvent dans les Alpes et dans d'autres régions très montagneuses. La capacité du réservoir est relativement faible. Les centrales de moyenne chute ont des hauteurs comprises entre 30 m et 300 m ; elles utilisent des turbines Francis. Ces centrales sont alimentées par l'eau retenue derrière un barrage construit dans le lit d'une rivière de région montagneuse. Elles comportent un réservoir de grande capacité (Exemple de centrale : hauteur de chute 155 m, puissance de 1528 MW). Les centrales de basse chute, ou centrales au fil de l'eau, ont des hauteurs de chute inférieures à 30 m ; elles utilisent des turbines Kaplan ou Francis. Ces centrales sont établies sur les fleuves ou les rivières à fort débit (Exemple de centrale : hauteur de chute 25 m, puissance de 1575 MW). Les centrales importantes appartiennent à ces deux dernières catégories. Les ouvrages d'aménagement, la vitesse et le type des turbines et des alternateurs varient suivant la hauteur de chute et le débit du cours d'eau.

3. Parties principales d'une centrale Hydraulique Une centrale hydro-électrique comporte essentiellement: 1 . Le barrage de retenue et le déversoir 2. la conduite d'amenée 3. la conduite d'échappement 4. l'usine proprement dite . 3.1. Barrage. Les barrages de retenue sont établis en travers du lit des rivières ; ils servent à concentrer les chutes près des usines et à former des réservoirs d'emmagasinage. On peut ainsi créer des réserves d'eau pour compenser l'insuffisance de débit pendant les périodes de sécheresse et assurer à l'usine une alimentation en eau plus uniforme. Les barrages peuvent être en béton, en enrochement ou en terre. Les barrages du type poids sont les plus utilisés; ils s'opposent à la poussée des eaux par leur masse même. Les déversoirs (ou évacuateurs de crue), installés près des barrages sont destinés à laisser passer l'eau lorsque son niveau dépasse une certaine hauteur. Ils permettent d'évacuer sans dégâts les débits considérables résultant de la fonte des neiges ou provoqués par des pluies de longue durée. La charge d'un réseau varie considérablement au cours d'une journée ; elle est très faible la nuit. Il en résulte que, durant la période des fortes crues du printemps, le débit d'une rivière ne peut être entièrement employé pour produire de l'énergie à certaines heures du jour, car la demande est trop basse. Si le bassin d'emmagasinage du barrage est insuffisant, ou encore à peu près inexistant (cas des centrales au fil de l'eau), on est obligé de laisser passer l'eau par-dessus le déversoir, sans l'utiliser.

Figure 1. Vue en coupe d'une centrale hydro-électrique de moyenne chute.

3.2. Conduite d'amenée. La conduite d'amenée conduit l'eau du barrage jusqu'aux turbines. À l'extérieur de l'usine, elle est constituée par un canal, un tunnel ou un tuyau. La partie intérieure, appelée conduite forcée, est en béton, en acier ou en fonte. On dispose, à l'entrée de la conduite forcée, des vannes qui permettent de contrôler l'admission de l'eau. À la sortie de la conduite forcée des aménagements à moyenne et à basse chute, l'eau arrive dans la chambre de mise en charge d'où elle est distribuée aux différentes turbines. Une couronne fixe (bâche spirale) entoure chaque turbine et assure une répartition uniforme de l'eau sur son pourtour. Une série de portes, ou vannes mobiles, disposées autour de la turbine permettent de régler l'admission de l'eau dans celle-ci. Ces vannes sont actionnées par des vérins hydrauliques commandés par le régulateur de vitesse.

3.3. Conduite d'échappement. Après être passée dans les turbines, l'eau retourne dans la rivière par la conduite d'échappement. La conduite d'échappement comporte une cheminée de succion et un canal de fuite qui peut être le lit même de la rivière.

3.4. Salle de commande. Les appareils de commande et de contrôle sont groupés ensemble dans une salle d'où le personnel peut surveiller la marche des groupes générateurs. Les appareils de signalisation et les appareils de commande à distance de l'excitatrice, du régulateur de vitesse et du disjoncteur de chaque groupe générateur sont montés sur un pupitre. Les instruments de mesures, indicateurs et enregistreurs (voltmètres, ampèremètres, wattmètres, varmètres, wattheuremètres, fréquencemètres, synchronoscopes, etc .), les régulateurs de tension ainsi que les relais de protection et les différents systèmes d'alarme sont réunis dans des armoires et panneaux de commande.

4. Centrales à réserve pompée On a vu que la variation de l'appel de puissance d'un réseau nécessite l'installation de centrales de pointe. Considérons un réseau simple dont l'appel de puissance varie entre 100 MW et 160 MW selon la courbe de la Fig. 2. On pourrait installer une centrale hydraulique ou thermique de base de 100 MW et une centrale de pointe de 60 MW utilisant une turbine à gaz. Cependant, on peut envisager une deuxième solution : elle consiste à installer une centrale de base de 130 MW et une centrale de pointe spéciale de 30 MW. Cette centrale de pointe aura la propriété, non seulement de débiter de l'énergie électrique, mais aussi d'en recevoir. Pendant les périodes creuses (identifiées par un signe (-) sur la Fig . 3), la centrale de pointe reçoit et emmagasine de l'énergie de la centrale de base. Ensuite, lors des heures de pointe (identifiées par un signe (+)) la centrale de pointe restitue au réseau l'énergie qu'elle avait emmagasinée. Ce système possède plusieurs avantages : 1) on peut utiliser une plus grande centrale de base, ce qui augmente le rendement et 2) la capacité de la centrale de pointe est réduite de beaucoup, ce qui diminue son coût. Ces quantités énormes d'énergie ne peuvent être emmagasinées que par des méthodes mécaniques. C'est ainsi qu'on emploie des centrales à réserve pompée. Pendant les heures de pointe, ces centrales fonctionnent comme des centrales hydrauliques classiques, utilisant l'énergie de l'eau qui s'écoule d'un réservoir supérieur dans un réservoir inférieur. Pendant les périodes creuses, le processus est renversé. Les alternateurs fonctionnent alors comme des moteurs synchrones et entraînent les turbines qui deviennent d'énormes pompes prenant l'eau dans le réservoir inférieur pour la renvoyer dans le réservoir supérieur. Le cycle se répète une ou deux fois par jour, selon la nature du réseau et de la charge. Les machines ont une puissance comprise entre 50 MW et 500 MW et elles doivent être réversibles, car on doit changer le sens de rotation lorsque la turbine fonctionne comme pompe. Le démarrage de ces gros moteurs synchrones impose une forte charge sur la ligne d’alimentation et l'on utilise parfois des méthodes spéciales pour éviter une surcharge excessive. Les centrales à réserve pompée complètent bien les centrales nucléaires qui atteignent leur rendement maximal lorsqu'elles fonctionnent à débit constant.

Figure 2 Centrale de base et centrale de pointe conventionnelle alimentant une charge maximale de 160 MW.

Figure 3 Centrale de base et centrale à réserve pompée alimentant une charge maximale de 160 MW.

LES CENTRALES THERMIQUES Les centrales thermiques produisent l'électricité à partir de la chaleur qui se dégage de la combustion du charbon, du mazout ou du gaz naturel. La plupart ont une capacité comprise entre 200 MW et 2000 MW afin de réaliser les économies d'une grosse installation. Il suffit de visiter une telle centrale pour se rendre compte de sa complexité et de ses dimensions imposantes. On la trouve souvent près d'une rivière ou d'un lac, car d'énormes quantités d'eau sont requises pour refroidir et condenser la vapeur sortant des turbines. Comme dans la plupart des pays modernes les ressources hydrauliques sont déjà exploitées, on doit se fier sur les centrales thermiques pour produire l'énergie électrique supplémentaire requise, parallèlement à la croissance des centrales nucléaires.

1. La combustion Lors d'une réaction chimique, les molécules de deux substances se combinent pour former une nouvelle substance. Ainsi, la combinaison d'un atome de sodium (Na) et d'un atome de chlore (Cl) donne une molécule de sel de table (NaCl). Certaines réactions chimiques, notamment celles impliquant des atomes d'oxygène, produisent non seulement une nouvelle substance, mais dégagent, en même temps, de l'énergie sous forme de chaleur. Dans certaines réactions, la chaleur dégagée est tellement grande que l'augmentation de température qui en résulte porte les éléments à l'incandescence et produit ce qu'on appelle un feu. Ce type de réaction est une réaction de combustion. L'oxygène de l'air réagit vivement avec les atomes de carbone (C), d'hydrogène (H), de soufre (S) et toutes les substances contenant ces atomes, ce qui explique la combustion du charbon, du bois, du mazout et du gaz naturel.

2. Les éléments combustibles L'union des atomes d'oxygène avec les atomes de carbone, d'hydrogène, de soufre, etc., se fait dans des proportions précises et connues. La chaleur dégagée et les nouvelles substances créées peuvent donc être déterminées d'avance lorsque l'on connaît la nature du combustible. Le tableau 1 en donne les détails.

Ainsi, la combustion complète de 1 kg de carbone nécessite 2,67 kg d'oxygène et il en résulte 33,8 MJ de chaleur. La réaction produit du gaz carbonique, gaz non toxique qui est le même que celui qu'on expire des poumons. Comme l'air sec contient 23,2 % d'oxygène par unité de masse, il faut multiplier la masse d'oxygène par 4,3 pour obtenir la masse d'air (11,5 kg) requise pour la combustion complète de 1 kg de carbone. À partir des valeurs données dans le tableau 1, on peut calculer la valeur calorifique de n'importe quel combustible dont on connaît la composition. Les tableaux 2 et 3 donnent une idée de l'énergie dégagée par divers types de charbon, de pétrole et de gaz. Par exemple, lorsqu'on prend le charbon dont la composition est affichée sur la colonne gauche du tableau 2, on obtient : énergie = 55 % x 33,8 + 2 % x 120+ 1 %x9,3+42 % x 0 = 21 MJ/kg

3. Produits de la combustion Le gaz carbonique C02 n'a pas d'effet néfaste direct sur l'environnement*, mais le dioxyde de soufre S02 crée des substances qui irritent les voies respiratoires. Les particules poussiéreuses sont une autre source de pollution qu'on essaie d'enrayer. La combustion du gaz naturel produit seulement de l'eau et du C02, c'est pourquoi on utilise ce gaz lorsqu'il faut à tout prix éviter la pollution.

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4. Organisation d'une centrale thermique La Fig. 4 montre les parties principales d'une centrale thermique identifiées comme suit :

4.1. Immense chaudière construite en hauteur dans laquelle on brûle le combustible. La chaleur est absorbée par l'eau circulant dans une série de tubes Si qui entourent les flammes. La circulation est forcée par la pompe P1.

4.2. Ballon, ou réservoir, contenant de l'eau et de la vapeur à haute pression. Il constitue à la fois le point de départ de la vapeur vers les turbines et le récepteur de l'eau d'alimentation de retour. La vapeur se dirige vers la turbine haute pression (HP) en passant par un surchauffeur S 2. Ce dernier, formé d'une série de tubes entourant le feu, provoque une forte augmentation de la température de la vapeur (200 °C environ) . Cela assure une vapeur qui est absolument sèche et donne un meilleur rendement thermique.

4.3. Turbine haute pression (HP) qui permet une première expansion de la vapeur durant laquelle une partie de l'énergie thermique est convertie en énergie mécanique. La pression et la température à la sortie de la turbine HP sont donc plus basses qu'à l'entrée. Afin d'augmenter le rendement thermique et pour éviter une condensation prématurée de la vapeur, on la fait passer par un réchauffeur S3 composé d'une troisième série de tubes.

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Figure 4. Éléments d'une centrale thermique. 4.4. Turbine moyenne pression (MP) semblable à la turbine HP sauf qu'elle est plus grosse pour permettre à la vapeur de se détendre davantage.

4.5. Turbine basse pression (BP) à double carter qui enlève le reste de l'énergie thermique disponible dans la vapeur, permettant à cette dernière de se détendre dans un vide presque complet à l'intérieur du condenseur.

4.6. Condenseur qui provoque la condensation de la vapeur, grâce à la circulation d'eau froide venant de l'extérieur et circulant dans des tubes S4. Une pompe d'extraction P2 enlève l'eau tiède condensée et la pousse à travers le réchauffeur (7) vers la pompe P3 alimentant la chaudière.

4.7. Réchauffeur. Dans cet échangeur de chaleur, une partie de la vapeur qui est passée par la turbine HP réchauffe l'eau d'alimentation, après quoi, la vapeur se condense aussi dans le condenseur. Les analyses thermodynamiques prouvent que le rendement ainsi obtenu est meilleur que si la vapeur dérivée dans le réchauffeur allait aux turbines MP et BP en passant par le réchauffeur S3.

4.8. Pompe d'alimentation P3 qui refoule l'eau d'alimentation contre la forte pression régnant à l'intérieur du ballon (2) et complète ainsi le cycle thermique.

4.9. Brûleurs provoquant la combustion du gaz, du mazout ou du charbon pulvérisé projeté à l'intérieur de la chaudière. Avant d'être projeté dans la chaudière, le charbon est réduit en poudre. De la même façon, l'huile lourde est préchauffée et soufflée en jet vaporisé afin d'augmenter sa surface de contact avec l'air environnant.

4.10. Ventilateur soufflant l'air requis pour la combustion. 4.11. Ventilateur aspirant les gaz brûlés qui s'échappent par la cheminée. En pratique, une centrale contient bien d'autres appareils et accessoires essentiels pour assurer un bon rendement et des conditions sécuritaires. Ainsi, des vannes de réglage permettent de contrôler l'admission de la vapeur dans les turbines, un système d'épuration maintient la propreté de l'eau d'alimentation, des pompes gardent les paliers en bon état de lubrification, etc. Cependant, les composants que nous venons de décrire suffisent à expliquer le fonctionnement et les problèmes de base d'une centrale thermique.

5. Turbines Les turbines HP, MP et BP contiennent une série d'aubes disposées autour d'une roue solidaire de l'arbre. La vapeur déviée par ces aubes crée ainsi un couple mécanique puissant. Les aubes sont faites d'un acier particulièrement dur pour résister à la haute température et aux forces centrifuges intenses. Bien que les turbines soient généralement couplées ensemble pour entraîner un seul alternateur, dans certaines centrales de grande puissance la turbine HP entraîne un alternateur tandis que les turbines MP et BP sont couplées pour entraîner un deuxième alternateur de même puissance.

6. Condenseur Environ la moitié de la chaleur dégagée dans la chaudière doit être extraite de la vapeur qui arrive au condenseur. Il faut donc d'énormes quantités d'eau pour refroidir celui-ci. L'eau venant d'une source extérieure circule à travers les tubes du condenseur qui agit effectivement comme échangeur de chaleur. La température de l'eau de refroidissement augmente de 5 °C à 10 °C lors de son passage à travers le condenseur. L'eau provenant de la condensation de la vapeur a une température comprise entre 27 °C et 33 °C ; la température de l'eau de refroidissement est de quelques degrés plus basse. La présence du condenseur est essentielle afin de maximiser le rendement des turbines.

8. Tours de refroidissement Si la centrale est située dans une région aride ou éloignée d'un lac ou d'une rivière, on doit quand même trouver un moyen pour refroidir le condenseur. On utilise alors le phénomène d'évaporation pour obtenir le refroidissement requis. Par exemple, lorsque l'eau s'évapore de la surface d'un lac, ce dernier perd une quantité de chaleur importante. Des expériences ont démontré qu'une quantité de chaleur de 2,4 MJ est perdue pour chaque kilogramme d'eau évaporée, de sorte que l'eau du lac se refroidit. Le même refroidissement se produit pour toute masse d'eau qui s'évapore. . Considérons, par exemple, un réservoir contenant 100 kg d'eau, à une température quelconque. Si l'on en fait évaporer 1 kg seulement, la température des 99 kg qui restent baisse de 5 °C. La température de l'eau baisse donc de 5 °C chaque fois que l'on fait évaporer 1 % de sa masse. Comment peut-on provoquer l'évaporation? Il suffit de présenter une surface d'eau aussi grande que possible à l'air environnant. La meilleure façon de le faire est de fractionner la masse d'eau en gouttelettes (au moyen d'un arrosoir) et de souffler de l'air à travers la pluie ainsi créée. Dans les centrales thermiques et nucléaires, l'évaporation de l'eau est assurée par d'énormes tours de refroidissement. Elles évaporent environ 2 % de l'eau de refroidissement requise, si bien que cette perte doit être compensée par une source souterraine, un ruisseau ou un petit lac.

9. Pompe d'alimentation en eau La pompe d'alimentation en eau prend la vapeur condensée du condenseur et la renvoie dans le ballon de la chaudière. Dans une centrale moderne, la puissance de la pompe est environ 1 % de celle débitée par la

génératrice. Bien que cela semble représenter une perte importante, on doit réaliser qu'elle sert à augmenter la pression de l'eau. L'énergie est donc récupérée lors de son passage (sous forme de vapeur) à travers les turbines, de sorte que la perte est effectivement nulle.

10. Diagramme énergétique d'une centrale thermique Les centrales thermiques modernes se ressemblent beaucoup et la plupart fonctionnent à une température de 550 °C et une pression de 16,5 MPa; elles donnent un rendement global de l'ordre de 40 %. Les quantités d'énergie, les débits de vapeur, etc., ne changent pas beaucoup, même pour des températures et des pressions différentes. Cela nous a permis de tracer le schéma de répartition de l'énergie pour un modèle réduit ayant une puissance calorifique de 30 MW et un débit électrique de 12 MW, soit un rendement global de 40 % (Fig. 5) . Par exemple, une centrale de 480 MW (40 fois plus puissante que notre modèle) aurait les caractéristiques approximatives suivantes :

Si l'on doit installer une tour de refroidissement, elle doit évaporer une quantité d'eau égale à : 3 2 % x 14,4 = 0,288 m /s

Figure 5. Modèle réduit d'une centrale thermique de 12 MW.

PARCS D'ÉOLIENNES L'énergie que l'on peut extraire du vent et transformer en électricité constitue un supplément intéressant à l'énergie de base fournie par les centrales thermiques et hydrauliques. Les sections suivantes décrivent les propriétés du vent ainsi que les technologies utilisées pour la génération d'électricité à partir de l'énergie éolienne.

1. Propriétés du vent À cause de la masse et de la vitesse de l'air en mouvement, le vent possède une énergie cinétique. Considérons par exemple un mètre cube d'air se déplaçant à une vitesse de 10 m/s. Comme un mètre cube d'air possède une masse d'environ 1,2 kg, l'énergie cinétique emmagasinée est :

Ek = 1 /2 mv 2

(1)

= 1/2 x 1,2 x 102 = 60 J Si l'on réussit à ralentir cette masse d'air à l'aide d'un dispositif quelconque et à l'amener à l'arrêt complet, on pourra récupérer cette énergie cinétique. C'est justement le rôle d'une turbine éolienne de capter cette énergie mécanique. Cette énergie est transformée en énergie électrique par la génératrice couplée à l'arbre de la turbine. Considérons maintenant une surface verticale de 1 m 2, traversée par un vent soufflant à 10 m/s. Cette surface est traversée par un volume d'air de 10 m 3 à chaque seconde. Par conséquent, la puissance disponible par mètre carré de surface, perpendiculaire au vent est : P = 60 J/m3 x 10 m3/s = 600 J/s = 600 W Si l'on généralise ce raisonnement, on arrive à la formule suivante qui donne la puissance approximative du vent en fonction de sa vitesse P = 0,6 v3

(2)

où

P = puissance par mètre carré faisant face au vent [W/m 2] v = vitesse du vent [m/s] L'équation 2 suppose que le dispositif utilisé pour exploiter cette énergie éolienne réussit à stopper continuellement le vent. En pratique, une turbine éolienne ne peut pas arrêter complètement le vent, si bien que la puissance maximale que l'on peut extraire du vent est d'environ 30 % à 40 % de la puissance donnée par l'équation 2. Afin de donner une idée de la vitesse et de la puissance de différents types de vents, on peut établir la classification grossière suivante :

Les vitesses de vent utilisables par les éoliennes sont comprises entre 5 m/s et 15 m/s. L'énergie éolienne ne coûte absolument rien et ne produit aucune pollution. Cependant, pour exploiter cette énergie, on doit prendre en compte les contraintes suivantes : 1) La vitesse du vent peut fluctuer de ± 25 % sur une période de quelques minutes. 2) La direction du vent n'est pas constante ; par conséquent, on doit continuellement réorienter la turbine pour qu'elle reste face au vent, de façon à optimiser la puissance disponible. 3) La régularité du vent en direction et en vitesse dépend du site. Pour déterminer les meilleurs gisements éoliens, on doit procéder à des relevés de vitesse et de direction des vents sur une période d'au moins un an . 4) Lorsque la puissance du vent excède la puissance de l'éolienne, on doit agir pour limiter la puissance mécanique de la turbine et la puissance électrique de la génératrice. 5) Lors de vents violents, on doit réduire le pas des hélices de la turbine ou même arrêter complètement l'éolienne afin d'éviter d'endommager la turbine et la tour qui la supporte. 6) En raison de leur grande hauteur, les pales de la turbine constituent une cible naturelle pour la foudre. 7) Pendant l'hiver, on doit surveiller l'accumulation de neige et de verglas. 8) Pour exploiter la puissance générée par un parc d'éoliennes, celui-ci doit être raccordé à un réseau électrique existant suffisamment « fort » pour maintenir une tension et une fréquence constantes. Dans les paragraphes qui suivent nous limiterons notre propos aux éoliennes à axe horizontal dont l'hélice est composée de trois pales et dont la puissance nominale est comprise entre 100 kW et 1,5 MW. Cependant, la puissance de certaines éoliennes peut atteindre 5 MW. Les éoliennes sont généralement regroupées sur un même site pour constituer ce que l'on appelle un parc d'éoliennes pouvant comprendre jusqu'à une centaine d'unités. Pour extraire le maximum d'énergie du vent, la vitesse de rotation de la turbine doit être dans un rapport spécifique avec la vitesse du vent. Comme règle de base, mentionnons que la vitesse de l'extrémité des pales doit être comprise entre 4 et 8 fois la vitesse du vent. Comme le vent utilisable peut varier dans une large gamme (5 m/s à 15 m/s), la vitesse de rotation de la turbine devrait idéalement être variable. Cependant, nous verrons que le type de technologie utilisé pour la génération de l'électricité impose parfois une vitesse de rotation constante.

Exemple Une turbine éolienne de 400 kW à 3 pales est conçue pour fournir sa puissance nominale pour un vent de 15 m/s. Les pales ont une longueur de 14 m et la vitesse nominale de la turbine est de 48 tr/min. Calculer : a) la surface balayée par les pales b) la puissance du vent disponible pour actionner la turbine c) le rapport. en %, entre la puissance électrique et la puissance du vent d) la vitesse de l'extrémité des pales e) le rapport entre la vitesse de l'extrémité des pales et la vitesse du vent

Solution a) Surface balayée par les pales : A = π.r2 = π x 142 = 616 m2 b) Puissance du vent disponible par mètre carré P = 0,6 v3 éq. 2 = 0,6 x 153 = 2025 W/m 2 Puissance disponible pour faire tourner la turbine P = 2025 x 616 = 1 247 400 W = 1247 kW

d) Circonférence du cercle décrit par l'extrémité des pales :

C=2πr=2xπ x14m=88m Vitesse de l'extrémité des pales : v=C x r/min=88x48 = 4224 m/min = 70,4 m/s ou 253 km/h e) D'où le rapport

2. Technologies de production d'électricité à partir de l'énergie éolienne Cinq méthodes sont utilisées pour produire de l'électricité à partir du vent 1) Turbine entraînant une génératrice à c.c. (Fig .6) 2) Turbine entraînant une génératrice asynchrone à vitesse constante (Fig . 7) 3) Turbine entraînant une génératrice asynchrone à vitesse variable (Fig . 8) 4) Turbine entraînant une génératrice asynchrone à double alimentation à vitesse variable 5) Turbine entraînant une génératrice synchrone à aimants permanents à vitesse variable Dans les sections qui suivent, nous présentons les principes de base utilisés dans ces cinq technologies.

3. Turbine éolienne entraînant une génératrice à c.c. La Fig. 6 montre les pales (1) de la turbine couplée à la génératrice à c .c (4) à travers une boîte de vitesses (3). La génératrice et la boîte de vitesses sont logées dans une nacelle supportée par une tour (2). La boîte de vitesses augmente la vitesse de la turbine par un facteur de 20 à 30, ce qui permet d'utiliser une génératrice commerciale à haute vitesse, donc de dimensions réduites.

Fig . 6 Turbine éolienne entraînant une petite génératrice à c .c .

L'énergie produite par la génératrice est stockée dans une batterie (5) qui régularise la tension et fournit une alimentation stable à la charge à c .c . (6), même lorsque le vent tombe. Ce type d'éolienne qui a généralement une puissance limitée à quelques kilowatts est utilisée dans les régions éloignées où l'électricité n'est pas disponible. Elle permet d'alimenter, par exemple, quelques lampes de 12 volts et un téléviseur branché sur un convertisseur c .c ./c .a .

4. Turbine éolienne entraînant une génératrice asynchrone à vitesse constante La Fig. 7 montre une grande turbine éolienne (1) entraînant une génératrice asynchrone à cage d'écureuil (4) à travers une boîte de vitesses (3). Le stator de la machine asynchrone est branché au réseau d'électricité public (7) à travers un transformateur (6) qui augmente la tension. Comme la fréquence de la tension appliquée au stator est imposée (50 Hz ou 60 Hz), le flux magnétique créé par le stator tourne à vitesse constante. Le faible glissement requis pour que la machine fonctionne en génératrice implique que le rotor tourne à une vitesse légèrement supérieure à la vitesse synchrone.

Fig . 7 Turbine éolienne entraînant une génératrice asynchrone à travers une boîte de vitesses. La vitesse de la génératrice reste pratiquement constante, quelle que soit la vitesse du vent. Cette technologie ne peut pas extraire la puissance maximale disponible pour toutes les vitesses du vent.

La turbine tourne donc à une vitesse pratiquement constante. Comme la vitesse de la turbine n'est pas toujours adaptée à la vitesse du vent, cela implique qu'on ne peut pas toujours extraire la puissance maximale du vent. La puissance réactive absorbée par la génératrice est fournie par un banc de condensateurs (5), si bien que la puissance est fournie au réseau à un facteur de puissance pratiquement unitaire. La puissance transmise au réseau est la puissance mécanique P T développée par la turbine moins les pertes dans la boîte de vitesses, la génératrice et le transformateur. La puissance de la machine asynchrone est généralement comprise entre 100 kW et 800 kW. Dans certains types de génératrices asynchrones, le stator comprend deux enroulements ayant chacun un nombre de pôles différent. Lorsque le vent souffle à haute vitesse, on utilise l'enroulement ayant le plus petit nombre de pôles, correspondant à la plus haute vitesse synchrone. Inversement, pour les vents faibles, on utilise l'enroulement ayant le plus grand nombre

de pôles. Le changement d'enroulement est effectué par un interrupteur de transfert automatique, programmé pour optimiser la puissance extraite du vent.

5. Turbine éolienne entraînant une génératrice asynchrone à vitesse variable La Fig. 8 est semblable à la Fig. 7, sauf que le stator de la machine asynchrone à cage d'écureuil est relié à un convertisseur (5) qui impose une fréquence variable. On peut donc maintenant faire varier à volonté la vitesse synchrone de la génératrice. La vitesse du vent est constamment mesurée par un anémomètre et, lorsque celle-ci varie, on change la fréquence du convertisseur de façon à extraire le maximum d'énergie du vent. La génération à fréquence variable permet en effet de faire fonctionner la turbine à la vitesse optimale permettant de développer la plus grande puissance mécanique pour une vitesse de vent donnée. Le convertisseur (5) transforme en c.c. la puissance PT à fréquence variable qu'il reçoit de la génératrice. En même temps, il fournit la puissance réactive Q absorbée par la génératrice. Le lien à c.c. entre les convertisseurs (5) et (6) transporte la puissance active PT qui est alors convertie en puissance triphasée par le convertisseur (6) avant d'être envoyée dans le réseau. On remarquera que chaque convertisseur doit transporter la totalité de la puissance produite par la génératrice. Les deux convertisseurs utilisent la technique de la modulation de la largeur d'impulsion (MLI) pour produire une tension c.a. sinusoïdale, tout en minimisant les courants harmoniques injectés dans le réseau.

Fig . 8 Turbine éolienne couplée à une génératrice asynchrone à vitesse variable. La génératrice est reliée au réseau à travers un convertisseur à fréquence variable, ce qui permet d'extraire en tout temps la puissance maximale du vent.