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Comment les éoliennes fonctionnent-elles vraiment: Découvrez leurs secrets. — Transcript

by Mentalité Ingénieur · 3,437 words · 554 segments · language en · Watch on YouTube

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0:00pourquoi ont-elles trois pâes pourquoi
0:02sont-elles si hautes pourquoi
0:04tournent-elles si lentement et comment
0:06génèret-elle de l'électricité prenez un
0:09papier et un stylo une gorgée de votre
0:11mug engineering mindset et regardons
0:13cela cette éolienne simplifié peut
0:16alimenter une petite
0:17d ce modèle peut alimenter une petite
0:21maison mais ces mégaurbines peuvent
0:23alimenter des villes entières une
0:25éolienne convertit simplement l'énergie
0:27cinétique du vent en énergie mécanique
0:31puis en énergie
0:33électrique on peut sentir l'énergie du
0:35vent sur notre main on sait qu'elle peut
0:38faire tourner un moulin avant on peut la
0:40transformer en mouvement comme ce truc
0:42qui avance grâce au vent
0:45ou alors on peut y brancher un
0:47générateur qui va alors produire de
0:49l'électricité essayez vous-même prenez
0:52un simple moteur à courant continu
0:54faites tourner la tige et vous pourrez
0:56voir une tension en sortie vous pouvez
0:58donc simplement y fixer une P qui
1:00tournera grâce au vent et générera de
1:03l'électricité la vitesse du vent
1:05augmente avec la hauteur tout comme sa
1:08stabilité plus les pâes sont grandes
1:10plus elles peuvent capturer l'énergie du
1:12vent des pâes plus grandes doivent être
1:14placées plus haut mais la vitesse du
1:16vent est la composante la plus
1:18importante pour la génération d'énergie
1:19de grandes turbines sont difficiles à
1:22transporter donc on retrouve souvent les
1:24turbines les plus grandes en mer où la
1:26taille n'est pas un
1:28problème l'installation est plus simple
1:30et bon marché sur terre mais les
1:32turbines marquent le paysage cré de
1:34longues ombres portées et peuvent
1:36générer du
1:38bruit les éoliennes nécessitent de
1:40profondes et solides fondations
1:43l'ancrage dans les fond marins est
1:44possible mais certaines eau sont si
1:46profondes qu'il est plus facile de
1:48placer les éoliennes sur des plateformes
1:50flottantes vous avez peut-être remarqué
1:52que les petites turbines ont un aileron
1:54à l'arrière mais pas les plus grandes
1:57j'expliquerai pourquoi plus loin dans la
1:59vidéo une éolienne doit toujours être
2:01face au vent mais le vent change de
2:03direction on peut toujours utiliser une
2:05éolienne verticale qui fonctionne quel
2:07que soit le sens du vent différentes
2:09conceptions existent mais elles ont
2:10généralement un rendement plus faible et
2:12sont difficilement utilisables à grande
2:13échelle l'éolienne peut être positionné
2:16face au vent ou dos au vent une éolienne
2:19face au vent est plus efficace car le
2:20vent touche les PES avant la tour et la
2:23nacelle mais les PES doivent être plus
2:26solides afin de ne pas plier et toucher
2:28la tour en cas de vent violent qu'est-ce
2:30que vous pensez des éoliennes est-ce que
2:32vous accepteriez d'en avoir dans votre
2:34voisinage dites-moi en commentaire quand
2:37on regarde une grosse éolienne on
2:39remarque d'abord une tour tubulaire en
2:41acier qui sort du
2:43sol on voit que le diamètre diminue vers
2:45le haut
2:47elle s'élève vers le ciel pour atteindre
2:49les vents les plus forts à l'intérieur
2:52de la tour une échelle d'accès permet
2:55aux ingénieurs de monter il y a aussi
2:57des câbles électriques et un
2:58transformateur à la base
3:00en haut de la tour on trouve un gros
3:01roulement et une couronne dentée le bâti
3:03de la nacelle est lié au roulement un
3:06jeu de moteur d'orientation est boulonné
3:07au bâti et les engrenages de ces moteurs
3:09sont imbriqués dans la couronne dentée
3:12ce système permet de contrôler la
3:13direction de la
3:15nacelle un petit encodeur mesure la
3:18rotation de la nacelle j'expliquerai
3:20cette partie plus loin dans la vidéo on
3:23trouve également un jeu de frein
3:24hydraulique et un grand disque de frein
3:27pour maintenir la nacelle en position
3:29à l'arrière du bâti de la nacelle on
3:31retrouve un générateur électrique on y
3:34trouve aussi généralement un panneau de
3:35contrôle et un tableau électrique le
3:38générateur est connecté à la boîte de
3:40vitesse via un arbre rapide un disque de
3:43frein hydraulique est aussi connecté à
3:44l'arbre rapide il est contrôlé par un
3:47système de commande
3:49hydraulique la boîte de vitesse est
3:52spécialement connectée à l'arbre
3:53principal ou arbre l qui repose sur le
3:55roulement principal et se connecte au
3:57moyux tout à l'avant de la nacelle les
4:00pâes sont ensuite boulonnées sur le
4:01moyeux via des roulements dentés le
4:03moyeux en métal est couvert par un nez
4:05qui le protège et améliore
4:08l'aérodynamisme à l'intérieur du moyeux
4:10on trouve trois moteurs fixés au moyeux
4:12et dont les engrenages sont reliés à ce
4:14des roulements des PES ils permettent
4:17d'incliner les
4:19PES le bâti de la nacelle et tous les
4:22composants principaux sont recouvert par
4:24un habillage en fibre de verre qui forme
4:25la nacelle cet habillage protège les
4:28composants contre le vent le soleil sole
4:30la pluie et cetera au sommet de la
4:31nacelle on trouve une girouette pour
4:33déterminer la direction du vent ainsi
4:35qu'un anémomètre pour mesurer la vitesse
4:38du
4:38vent la girouette détermine la direction
4:41du vent et le contrôleur relâche les
4:43freins cela permet au moteur de faire
4:46tourner la nacelle pour l'aligner avec
4:48le vent une fois qu'elle est alignée on
4:50serre les freins le vent pousse alors
4:52les PES et les forces à tourner cela
4:55fait tourner le moyeux qui fait tourner
4:57l'arbre lent cet arbre tourne lentement
5:00mais avec un grand couple le roulement
5:02soutient l'arbre et permet une rotation
5:04sans trop de friction l'arbre fait
5:06tourner les engrenages dans la
5:07transmission et l'arbre de sortie se
5:09connecte sur le rotor du générateur
5:11électrique le rotor tourne et induit une
5:14tension générant de
5:16l'électricité nous verrons cela en
5:17détail dans un instant l'électricité
5:20produite en sortie du générateur circule
5:22via un câble jusqu'à un transformateur
5:25en bas de la tour d'où elle sera ensuite
5:27envoyée dans le réseau électrique et
5:28distribué au ville et maison d're
5:31générateur d'énergie comme des fermes
5:32solaires ou des centrales nucléaires
5:34alimentent également le réseau
5:35électrique vous pouvez aussi regarder
5:37notre vidéo sur comment fonctionnent les
5:39panneaux solaires l'éolien et le solaire
5:41sont une bonne combinaison d'énergie
5:43renouvelable car il y a toujours du vent
5:45ou du soleil les pâes sont
5:47habituellement faites de fibres de verre
5:48renforcé ce qui les rend très solides et
5:52légères cela leur permet d'être plus
5:54grande et donc de capturer plus
5:56d'énergie des PES en métal ou en bois
5:59sont cher lourdes et ont plus de Chan de
6:02tomber des pâes plus lourdes sont aussi
6:05plus difficiles à lancer et à arrêter
6:07les pâes ont un profil aérodynamique ce
6:09profil évolue tout le long de la ple et
6:11s'incurve pour améliorer l'efficacité
6:15aérodynamique les pâes des petites
6:17éoliennes ont souvent un angle
6:19d'inclinaison fixe mais les grandes
6:21éoliennes peuvent changer l'inclinaison
6:22de leur pâes l'avant du profil est
6:25appelé le bord d'attaque l'arrière
6:27s'appelle le bord de
6:28fuite la droite qui relie ces deux
6:30points et la ligne de corde quand la
6:33pele change d'orientation l'angle formé
6:35par la différence entre la ligne de
6:37corde et la direction relative du vent
6:39est appelé l'angle d'attaque la pâle
6:41forme un obstacle pour l'écoulement du
6:43vent le forçant à passer en dessous et
6:45au-dessus du profil l'air est un fluide
6:48et quand un objet passe à travers un
6:49fluide cela crée des frottements sur la
6:51surface de l'objet et de la résistance
6:53suivant la forme de
6:54l'objet ces forces s'appellent la
6:57traînée et agissent parallèlement au
7:00ralentissant la p le profil de la p est
7:03conçu pour minimiser la force de traîner
7:05et maximiser la portance l'air doit
7:08parcourir une plus grande distance pour
7:10passer au-dessus à cause du profil
7:12incurvé cela veut dire que la vitesse
7:14augmente le long de l'extrados et
7:17ralenti le long de
7:18l'intrados créant deux écoulements
7:21arrivant à des moments différents comme
7:22la vitesse de l'air augmente la pression
7:25diminue une zone à plus faible pression
7:27se crée donc en haut et une zone à plus
7:29haute pression se crée en bas le côté
7:32avec la pression plus élevée pousse
7:34naturellement la pele dans la zone de
7:36basse pression créant ainsi une partie
7:38de la portance l'air qui passe en
7:41dessous de la ple crée aussi une force
7:43l'air passant en haut et en bas et
7:45redirigé vers le
7:47bas ce mouvement descendant crée une
7:50force ascendante égale et opposée qui
7:52aide à pousser la palle vers la zone de
7:54passepression ajoutant encore à la
7:58portance contrairement au moyeux
8:00l'extrémité de la pele possède une plus
8:02grande vitesse par rapport au vent donc
8:04la portance et la traînée y sont
8:06différentes la forme de la ple est
8:08incurvée pour essayer de compenser ce
8:10phénomène et d'améliorer l'angle
8:12d'attaque on incline l'ensemble de la
8:14ple pour modifier la portance lorsque
8:16l'angle d'attaque augmente on crée plus
8:19de portance mais à un certain point les
8:21écoulements se séparent et deviennent
8:23turbulant cela réduit la portance et
8:25augmente la traînée ce qui ralentit la
8:27rotation
8:29on peut voir sur ce modèle d'éolienne
8:31que si les pâes sont perpendiculaires au
8:33vent la traînée est maximale alors que
8:36la portance est inexistante les PES ne
8:39tourn pas donc on ne génère pas de
8:42tension mais la tour subit beaucoup de
8:45pression si les PES sont parallèles au
8:47vent alors on a très peu de portance la
8:50rotation est lente et seulle une faible
8:53tension est générée il est aussi facile
8:55de stopper la rotation mais si on
8:58incline Lespes jusqu' un angle optimal
9:00on génère une grande quantité de
9:02portance le moyeux tourne très vite et
9:04génère quelques
9:06volts suivant la conception des PES
9:08elles ont un angle d'attaque optimal que
9:11l'on peut retrouver sur un graphique on
9:13peut voir avec ce générateur de
9:14courantue que plus l'arbre tourne vite
9:17plus on génère de tension mais s'il
9:19tourne trop vite ou trop longtemps il
9:21devient très chaud et finira par être
9:23détruit notre générateur pourrait être
9:25donné pour disons 2
9:27MW nous devons donc incliner les PES
9:30pour contrôler la vitesse de rotation ce
9:32qui contrôle la puissance générée et
9:34nous aide à rester en dessous de la
9:35puissance nominale du
9:38générateur l'éolienne ne peut pas
9:40démarrer avant qu'une vitesse de vent
9:42minimale ne soit
9:44atteinte lorsque la vitesse de vent
9:46augmente la puissance augmente
9:48également puis à une certaine vitesse de
9:51vent les pales de léonienne s'incline
9:53pour arrêter de générer de l'énergie et
9:55les freins sont activés pour protéger
9:57l'éolienne il s'agit de la vitesse deent
10:01maximal l'anémomètre mesure la vitesse
10:05deent et le contrôleur change les angles
10:07des PES mais de combien de pâes
10:10avons-nous besoin les PES génèent toutes
10:13de la portance ce qui provoque la
10:14rotation mais elle génère aussi de la
10:17traîner ce qu' est ralenti en utilisant
10:20ce modèle d'éolienne on peut changer le
10:22nombre de PES pour le savoir avec une
10:25seule palle c'est très lent la structure
10:27est aussi très instable elle ne produit
10:30pas beaucoup de tension et est très
10:31facile à arrêter de plus elle n'a pas
10:34démarré toute seule donc ce n'est pas
10:36une très bonne conception avec deux PES
10:39on voit que le démarrage se fait tout
10:40seul elle est bien plus stable et peut
10:42produire une tension bien plus élevée
10:45avec trois pâes elle génère un peu plus
10:47de tension mais elle est plus difficile
10:49à arrêter car elle capte plus d'énergie
10:53éolienne avec qu PES elle génère encore
10:56un peu plus de tension mais avec 5 la
10:59tension commence à diminuer légèrement
11:02et à si PAL on produit encore moins de
11:04tension mais elle est très dure à
11:07arrêter donc les versions 3 4 et 5 PES
11:11sont celles qui produisent le plus
11:13d'énergie la version à 3 PES est très
11:15stable et également la moins chère à
11:17construire c'est donc le choix le plus
11:19évident on retrouve également les
11:21versions à deux pales dans les turbines
11:23de taille moyenne car elles sont plus
11:25abordables et relativement stables les
11:27microéoliennes peuvent avoir de
11:28nombreuses car elles sont installées
11:30plus bas et rencontrent donc des
11:32vitesses de vent plus faibles les
11:35grandes éoliennes tournent plutôt
11:37lentement les PES sont très longues donc
11:40les extrémités des PES vont bien plus
11:42vite que le moyeux à un moment les
11:44extrémités iront si vite qu'elles
11:46passeront le mur du son cela créera une
11:49onde sonique et les forces commenceront
11:51à démeler la palle même à basse vitesse
11:54une grande force centrifuge agit sur les
11:57PES
11:59de plus le générateur a besoin de
12:01tourner à une certaine vitesse pour
12:02produire de l'électricité à une
12:04fréquence de 50 ou 60 Hz utilisable chez
12:08nous la boîte de vitesse augmente la
12:10vitesse de rotation donc le rotor n'a
12:12pas besoin de tourner très vite pour y
12:14arriver les petites éoliennes sont
12:16équipées d'un grand aileron arrière qui
12:18leur permet d'aligner les PES dans le
12:20vent sans cela elle tourneraiit dans le
12:22vent et l'énergie du vent toucherait la
12:24nacelle et la tour en premier ce qui
12:26réduit l'efficacité les éoliennes ver
12:29n'ont pas besoin d'un système
12:30d'orientation et peuvent fonctionner
12:32quelle que soit la direction du vent
12:34mais les grandes turbines n'utilisent
12:36pas d'il Ron arrière car il devrait être
12:38démesurément grand pour fonctionner et
12:40cela ajouterait un poids mobile
12:42considérable de plus les vent turbulant
12:44exerceraiit des forces incontrôlées sur
12:46l'aileron mettant à Rud d'épreuve la
12:48structure les roulements et les PES donc
12:50les ingénieurs ont opté pour une
12:52girouette qui indique la direction du
12:54vent et un ordinateur qui contrôle
12:55quelques moteurs qui peuvent ainsi faire
12:57tourler la nacelle autour d'un gros
12:59engrenage sur la
13:01tour la direction de la nacelle est
13:04ajustée afin qu'elle soit en permanence
13:06face au vent pour des performances
13:08optimales des freins maintiennent la
13:10turbine en place une fois que la nacelle
13:12est alignée avec le vent un petit
13:14encodeur contrôle la rotation de la
13:16nacelle pour les grandes turbines comme
13:19les câbles électriques sont tirés entre
13:20les générateurs et le bas de la tour si
13:23la nacelle pivote trop loin les câbles
13:25pourraient se tordre et se
13:27casser la C tourne d'un côté pour se
13:30mettre face au vent puis de l'autre
13:32quand le vent change de
13:34direction la torsion des câbles est
13:36alors corrigés quand ils sont tordus
13:38dans l'autre
13:39sens les câbles sont suspendus pour
13:41réduire la torsion et l'ordinateur
13:43vérifie jusqu'où la nacelle peut pivoter
13:45pour éviter de les tordre il arrête la
13:48rotation et l'inverse si nécessaire les
13:51petites turbines utilisent de simple
13:53bague collectrice pour éviter cela mais
13:55les grandes turbines produisent beaucoup
13:57de puissance ce qui rend utilisation de
13:59câble et le contrôle de rotation plus
14:01sûr moins cher et plus simple les
14:04petites turbines sont souvent à
14:06entraînement direct elles utilisent des
14:07aimants permanents comme celui-ci les
14:10grandes éoliennes tournent plus
14:11lentement on utilise donc des engrenages
14:14pour augmenter la vitesse du rotor pour
14:15produire une puissance suffisante et une
14:17fréquence correcte au niveau du
14:19générateur on trouve habituellement une
14:22boîte de vitesse à tro étages composé
14:23d'un engrenage planétaire et de deux
14:25étages à engrenage droit l'arbre
14:27d'entrée possède un fort couple met une
14:29faible vitesse une boîte de vitesse l'
14:32convertie en haute vitesse et faible
14:33couple la vitesse de rotation est
14:35contrôlée par l'orientation des PAL donc
14:38la vitesse d'entrée pourrait être de 18
14:40RPM et la vitesse de sortie de 1800 RPM
14:44nous avons besoin de cette vitesse pour
14:46contrôler la sortie du
14:48générateur les disques de frein
14:50hydraulique sont aussi placés après la
14:52boîte de vitesse car le couple de
14:54l'arbre est plus faible et donc plus
14:55facile à arrêter pour interrompre la
14:58rotation on utilise d'abord les PES puis
15:00les freins les maintiennent en place par
15:01exemple pour la maintenance le
15:03générateur le plus utilisé pour les
15:05éoliennes est le générateur asynchrone à
15:07double alimentation des éoliennes
15:10domestiques plus petites utilisent
15:11plutôt un générateur à triphasé s'emb
15:13baller comme celui-ci ou simplement un
15:15générateur à courant continu comme
15:17celui-là les éoliennes miniatur
15:19utilisent un simple moteur à courant
15:22continu quand on fait passer un courant
15:24continu à travers une bobine elle
15:25produit un champ électromagnétique mais
15:27quand on fait passer un cour alternatif
15:29à travers cette bobine elle produit un
15:31champ magnétique donc la polarité change
15:34la fréquence de changement dépend de la
15:36fréquence du courant alternatif appliqué
15:38à la
15:40bobine un générateur standard possède un
15:42aimant sur le rotor au centre et une
15:44bobine sur le
15:46stator quand le rotor tourne le champ
15:49magnétique interagit avec les électrons
15:51dans le fil les faisant bouger d'un côté
15:54puis de l'autre lorsque les mens tourn
15:57cela crée un courant alternatif avec une
15:59forme sinusoïdale qui se répète à chaque
16:02fois que les pôles de lément tournent et
16:04passent devant la bobine les prises
16:06électriqu de nos habitations fournissent
16:08du 50 ou du 60 Hz ce qui veut dire que
16:11la sinusoïde se répète 50 ou 60 fois par
16:15seconde pour arriver à ce résultat
16:17l'ément devrait tourner plusieurs
16:19milliers de fois par seconde mais si
16:21l'on ajoute un autre ament et une autre
16:23bobine on peut réduire la distance et le
16:25temps entre chaque passage des pô de
16:27l'ément devant la bobine la vitesse de
16:29rotation diminue alors à 1800
16:32RPM la boîte de vitesse multiplie la
16:35vitesse par environ 100 donc on a
16:38seulement besoin de 18 RPM au moyeux
16:40pour que les PES y parviennent on peut
16:43vérifier avec ce simple générateur
16:44alternatif que la fréquence produite
16:46dépend de la vitesse de rotation du
16:49rotor dans une éolienne le rotor se
16:52connecte Opal plus la vitesse de vent
16:55est élevée plus l'arbre tourne vite nous
16:57avons un peu de contrôle sur la vitesse
16:59de rotation de l'arbre grâce à
17:00l'orientation des PES qui change la
17:02quantité de traîné et de portance
17:04produite mais si la vitesse du vent est
17:06trop élevé la turbine s'arrête c'est la
17:09vitesse de vent maximale un générateur
17:11tourne facilement et produit une tension
17:13mais quand on connecte une charge sur le
17:16générateur la rotation est plus
17:18difficile cela ajoute une charge
17:20mécanique opale ce qu'il est ralenti
17:23donc les éoliennes ne peuvent pas
17:24démarrer tant qu'il n'y a pas un minimum
17:26de vent c'est la vitesse de vent minimal
17:30un générateur asynchrone à double
17:31alimentation est formé d'un rotor
17:33attaché à l'arbre rapide issu de la
17:35boîte de
17:37vitesse trois jeux de bobines sont
17:39attachés au rotor et sont connectés à
17:41des bagues
17:43collectrices le stator entoure le rotor
17:46qui est également équipé de trois jeux
17:48de bobines quand les pales tournent
17:51l'arbre est donc le rotor entrre en
17:53rotation mais le stator reste immobile
17:56le rotor est relié à une alimentation
17:58électrique triphasé via les bagues
18:01collectrices chaque bobine produit un
18:03champ magnétique alternatif à des
18:04moments légèrement décalés en fonction
18:07de la fréquence du courant alternatif
18:08qu'on lui fournit
18:10es sont placées autour du rotor afin de
18:12combiner et créer un champ
18:14électromagnétique rotatif
18:17équivalent la direction de la rotation
18:19dépend du timing des
18:21phases un contrôleur détermine la
18:24fréquence ainsi que la direction du
18:26champ électromagnétique rotatif
18:29lorsque le champ électromagnétique
18:31tourne il induit une tension dans les
18:33bobines du
18:35stator cela génère un courant alternatif
18:38que l'on exporte ensuite vers le
18:40réseau si l'on fournit du 60 Hz pour
18:43alimenter le rotor on génère et exporte
18:45du 60 Hz vers le réseau électrique comme
18:48le vent contrôle la vitesse du rotor il
18:50peut tourner à 1800 RPM mais il peut
18:53aussi tourner plus lentement ou plus
18:55vite ce champ magnétique est en rotation
18:59il est lié à l'arbre qui est aussi en
19:02rotation ils vont donc se combiner si la
19:06vitesse du rotor descend à disons 1600
19:09RPM cela équivaut à 53,33 Hz on aurait
19:14besoin d'une fréquence de rotation de
19:166,67 Hz sur les bobines du rotor pour
19:19compenser la différence et arriver à 60
19:22Hz les deux vitesses se combineraient et
19:24produiraient l'équivalent d'un champ
19:25magnétique rotatif de 60 Hz qui
19:29produirait 60 Hz au niveau du
19:31stator si la vitesse de l'arbre monte à
19:33disons 2000 RPM cela équivaut à
19:3766,67 Hz et c'est bien trop rapide donc
19:42on doit enlever 6,67 Hz et on y arrive
19:47en faisant tourner le champ
19:48électromagnétique dans la direction
19:50opposée au rotor si le rotor va
19:53exactement à 1800
19:55RPM nous avons besoin de 0 Hz
19:59soit du courant continu on applique donc
20:02un courant constant au rotor et le champ
20:04magnétique tourne uniquement avec
20:05l'arbre à la même vitesse que
20:08l'arbre on a donc 60 Hz sur le rotor et
20:1260 Hz sur le stator le contrôleur ajuste
20:15en permanence la fréquence du courant du
20:17rotor pour s'assurer qu'une fréquence de
20:1960 Hz en sortie est
20:21maintenue cliquez sur une de ces vidéos
20:24pour continuer à en apprendre plus sur
20:25les ingénieurs électriques et je vous y
20:27retrouve pour la leçon suivante nous
20:28sommes aussi présents sur TikTok
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20:32theengineeringmindset.com

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