Éolienne

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Contexte

Une éolienne est une machine qui convertit l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique rotative, qui est ensuite utilisée pour effectuer un travail. Dans les modèles plus avancés, l'énergie de rotation est convertie en électricité, la forme d'énergie la plus polyvalente, à l'aide d'un générateur.

Pendant des milliers d'années, les gens ont utilisé des moulins à vent pour pomper de l'eau ou moudre le grain. Même au vingtième siècle, des éoliennes hautes, minces et à plusieurs pales entièrement en métal étaient utilisées dans les maisons et les ranchs américains pour pomper de l'eau dans le système de plomberie de la maison ou dans l'abreuvoir du bétail. Après la Première Guerre mondiale, des travaux ont été entrepris pour développer des éoliennes capables de produire de l'électricité. Marcellus Jacobs a inventé un prototype en 1927 qui pouvait alimenter une radio et quelques lampes, mais pas grand-chose d'autre. Lorsque la demande d'électricité a augmenté plus tard, les petites éoliennes inadéquates de Jacobs sont tombées en panne.

La première éolienne à grande échelle construite aux États-Unis a été conçue par Palmer Cosslett Putnam en 1934; il l'a achevé en 1941. La machine était énorme. La tour mesurait 36,6 yards (33,5 mètres) de haut, et ses deux acier inoxydable les lames avaient des diamètres de 58 yards (53 mètres). L'éolienne de Putnam pourrait produire 1 250 kilowatts d'électricité, soit assez pour répondre aux besoins d'une petite ville. Il fut cependant abandonné en 1945 à cause d'une panne mécanique.

Avec l'embargo pétrolier des années 1970, les États-Unis ont recommencé à envisager la possibilité de produire de l'électricité bon marché à partir d'éoliennes. En 1975, le prototype Mod-O était en service. Il s'agissait d'une turbine de 100 kilowatts avec deux pales de 21 mètres (19 mètres). D'autres prototypes ont suivi (Mod-OA, Mod-1, Mod-2, etc.), chacun plus grand et plus puissant que le précédent. Actuellement, le département américain de l'Énergie vise à dépasser les 3 200 kilowatts par machine.

Il existe de nombreux modèles différents d'éoliennes, le plus frappant étant le Darrieus à axe vertical, qui a la forme d'un batteur à œufs. Le modèle le plus pris en charge par les fabricants commerciaux, cependant, est une turbine à axe horizontal, d'une capacité d'environ 100 kilowatts et trois pales ne dépassant pas 30 mètres de long. Les éoliennes à trois pales tournent plus facilement et sont plus faciles à équilibrer que celles à deux pales. De plus, alors que les plus grandes éoliennes produisent plus d'énergie, les modèles plus petits sont moins susceptibles de subir des défaillances mécaniques majeures et sont donc plus économiques à entretenir.

Des parcs éoliens ont vu le jour partout aux États-Unis, notamment en Californie. Les parcs éoliens sont d'énormes réseaux d'éoliennes installés dans des zones de production éolienne favorable. Le grand nombre d'éoliennes interconnectées est nécessaire pour produire suffisamment d'électricité pour répondre aux besoins d'une population importante. Actuellement, 17 000 éoliennes sur des parcs éoliens appartenant à plusieurs sociétés d'énergie éolienne produisent 3,7 milliards de kilowattheures d'électricité par an, suffisamment pour répondre aux besoins énergétiques de 500 000 foyers.

Matières premières

Une éolienne se compose de trois parties de base :la tour, la nacelle et les pales du rotor. La tour est soit une tour en treillis d'acier semblable aux tours électriques, soit une tour tubulaire en acier avec une échelle intérieure menant à la nacelle. La première étape de la construction d'une éolienne consiste à ériger la tour. Bien que les pièces en acier de la tour soient fabriquées hors site dans une usine, elles sont généralement assemblées sur place. Les pièces sont boulonnées ensemble avant le montage et la tour est maintenue horizontale jusqu'à son placement. Une grue soulève la tour en position, tous les boulons sont serrés et la stabilité est testée à la fin.
Ensuite, la nacelle en fibre de verre est installée. Ses mécanismes internes (arbre d'entraînement principal, boîte de vitesses et commandes de pas et de lacet des pales) sont assemblés et montés sur un châssis de base en usine. La nacelle est ensuite boulonnée autour de l'équipement. Sur le site, la nacelle est soulevée sur la tour terminée et boulonnée en place. La plupart des tours n'ont pas de haubans, qui sont des câbles utilisés pour le support, et la plupart sont en acier recouvert d'un alliage de zinc pour la protection, bien que certains soient peints à la place. La tour d'une turbine américaine typique mesure environ 80 pieds de haut et pèse environ 19 000 livres.

La nacelle est une coque creuse et solide qui contient le fonctionnement interne de l'éolienne. Généralement en fibre de verre, la nacelle contient l'arbre d'entraînement principal et la boîte de vitesses. Il contient également le contrôle du pas des pales, un système hydraulique qui contrôle l'angle des pales, et l'entraînement en lacet, qui contrôle la position de la turbine par rapport au vent. Le générateur et les commandes électroniques sont des équipements standard dont les principaux composants sont l'acier et le cuivre. Une nacelle typique pour une turbine actuelle pèse environ 22 000 livres.

L'utilisation la plus diversifiée des matériaux et la plus grande expérimentation de nouveaux matériaux se produisent avec les lames. Bien que le matériau le plus utilisé pour les pales des éoliennes commerciales soit la fibre de verre avec un noyau creux, les autres matériaux utilisés incluent le bois léger et l'aluminium. Les lames en bois sont solides, mais la plupart des lames sont constituées d'une peau entourant un noyau creux ou rempli d'une substance légère telle que de la mousse plastique ou du nid d'abeilles, ou du bois de balsa. Une lame typique en fibre de verre mesure environ 15 mètres de long et pèse environ 2 500 livres.

Les éoliennes comprennent également un coffret électrique, qui convertit l'énergie éolienne en électricité et qui est situé à la base de la tour. Divers câbles relient le coffret électrique à la nacelle, tandis que d'autres relient l'ensemble de la turbine aux turbines voisines et à un transformateur.

Le processus de fabrication

Avant d'envisager la construction d'éoliennes individuelles, les fabricants doivent déterminer une zone appropriée pour l'implantation des parcs éoliens. Les vents doivent être constants et leur vitesse doit être régulièrement supérieure à 15,5 milles à l'heure (25 kilomètres à l'heure). Si les vents sont plus forts pendant certaines saisons, il est préférable qu'ils soient plus forts pendant les périodes de consommation électrique maximale. Dans le col d'Altamont en Californie, par exemple, où se trouve le plus grand parc éolien du monde, la vitesse du vent culmine en été lorsque la demande est élevée. Dans certaines régions de la Nouvelle-Angleterre où des parcs éoliens sont envisagés, les vents sont les plus forts en hiver, lorsque le besoin de La nacelle est une coque creuse et solide qui contient le fonctionnement interne de l'éolienne, comme l'entraînement principal arbre et la boîte de vitesses. Il contient également le contrôle du pas des pales, un système hydraulique qui contrôle l'angle des pales, et l'entraînement en lacet, qui contrôle la position de la turbine par rapport au vent. Une nacelle typique pour une turbine actuelle pèse environ 22 000 livres. le chauffage augmente la consommation d'énergie électrique. Les parcs éoliens fonctionnent mieux dans les zones ouvertes de terres légèrement vallonnées entourées de montagnes. Ces zones sont privilégiées car les éoliennes peuvent être placées sur des crêtes et ne pas être obstruées par des arbres et des bâtiments, et les montagnes concentrent le flux d'air, créant une soufflerie naturelle de vents plus forts et plus rapides. Les parcs éoliens doivent également être placés à proximité des lignes de services publics pour faciliter le transfert de l'électricité vers la centrale électrique locale.

Préparation du site

• 1 Partout où un parc éolien doit être construit, les routes sont coupées pour faire place au transport de pièces. À chaque emplacement d'éolienne, le terrain est nivelé et la zone de la plate-forme est nivelée. Un béton les fondations sont ensuite posées dans le sol, suivies de l'installation des câbles souterrains. Ces câbles relient les éoliennes les unes aux autres en série, et les connectent également toutes au centre de contrôle à distance, où le parc éolien est surveillé et l'électricité est envoyée à la compagnie d'électricité.

Érection de la tour

• 2 Bien que les pièces en acier de la tour soient fabriquées hors site dans une usine, elles sont généralement assemblées sur place. Les pièces sont boulonnées ensemble avant le montage et la tour est maintenue horizontale jusqu'à son placement. Une grue soulève la tour en position, tous les boulons sont serrés et la stabilité est testée à la fin.

Nacelle

• 3 La nacelle en fibre de verre, comme la tour, est fabriquée hors site dans une usine. Contrairement à la tour, cependant, il est également assemblé en usine. Ses mécanismes internes (arbre d'entraînement principal, boîte de vitesses et commandes de pas et de lacet des pales) sont assemblés puis montés sur un châssis de base. La nacelle est ensuite boulonnée Le coffret électrique pour chaque éolienne et le système de communication électrique pour le parc éolien sont installés simultanément avec le placement de la nacelle et les pales. Les câbles vont de la nacelle au boîtier utilitaire et du boîtier utilitaire au centre de contrôle à distance. autour de l'équipement. Sur le site, la nacelle est soulevée sur la tour terminée et boulonnée en place.

Pales rotatives

• 4 pales en aluminium sont créées en boulonnant des feuilles d'aluminium ensemble, tandis que les pales en bois sont sculptées pour former une hélice aérodynamique de section similaire à une aile d'avion.
• 5 Cependant, le plus grand nombre de pales sont de loin en fibre de verre. La fabrication de la fibre de verre est une opération minutieuse. Tout d'abord, un moule qui est en deux moitiés comme une coquille de palourde, mais en forme de lame, est préparé. Ensuite, un mélange composite fibre de verre-résine est appliqué sur les surfaces internes du moule, qui est ensuite fermé. Le mélange de fibres de verre doit alors sécher pendant plusieurs heures; Pendant ce temps, une vessie remplie d'air dans le moule aide la lame à garder sa forme. Une fois la fibre de verre sèche, le moule est ensuite ouvert et la vessie est retirée. La préparation finale de la lame comprend le nettoyage, le ponçage, le scellement des deux moitiés et la peinture.
• 6 Les pales sont généralement boulonnées sur la nacelle après sa mise en place sur la tour. Parce que l'assemblage est plus facile à réaliser au sol, une pale à trois dents a parfois deux pales boulonnées sur la nacelle avant qu'elle ne soit soulevée, et la troisième pale est boulonnée après la mise en place de la nacelle.

Installation des systèmes de contrôle

• 7 Le coffret électrique de chaque éolienne et le système de communication électrique du parc éolien sont installés simultanément au placement de la nacelle et des pales. Les câbles vont de la nacelle au boîtier utilitaire et du boîtier utilitaire au centre de contrôle à distance.

Contrôle qualité

Contrairement à la plupart des procédés de fabrication, la production d'éoliennes implique très peu de soucis de contrôle de la qualité. La production de masse d'éoliennes étant relativement récente, aucune norme n'a été fixée. Des efforts sont actuellement déployés dans ce domaine tant de la part du gouvernement que des fabricants.

Alors que les éoliennes en service sont censées fonctionner 90 pour cent du temps, de nombreux défauts structurels sont toujours rencontrés, en particulier avec les pales. Des fissures apparaissent parfois peu après la fabrication. Les défaillances mécaniques dues à des erreurs d'alignement et d'assemblage sont courantes. Les capteurs électriques tombent souvent en panne en raison de surtensions. Les freins non hydrauliques ont tendance à être fiables, mais les systèmes de freinage hydrauliques causent souvent des problèmes. Des plans sont en cours d'élaboration pour utiliser la technologie existante pour résoudre ces difficultés.

Les éoliennes ont des programmes d'entretien réguliers afin de minimiser les pannes. Tous les trois mois, ils subissent une inspection et tous les six mois, un contrôle de maintenance majeur est programmé. Cela implique généralement de lubrifier les pièces mobiles et de vérifier le niveau d'huile dans la boîte de vitesses. Il est également possible pour un travailleur de tester le système électrique sur place et de noter tout problème avec le générateur ou les branchements.

Avantages environnementaux
et inconvénients

Une éolienne qui produit de l'électricité à partir de vents inépuisables ne crée aucune pollution. Par comparaison, le charbon, le pétrole et le gaz naturel produisent une à deux livres de dioxyde de carbone (une émission qui contribue à l'effet de serre et au réchauffement climatique) par kilowattheure produit. Lorsque l'énergie éolienne est utilisée pour les besoins électriques, la dépendance aux combustibles fossiles à cette fin est réduite. La production annuelle actuelle d'électricité par les éoliennes (3,7 milliards de kilowattheures) équivaut à quatre millions de barils de pétrole ou à un million de tonnes de charbon.

Les éoliennes ne sont pas totalement exemptes d'inconvénients environnementaux. Beaucoup de gens les considèrent comme inesthétiques, surtout lorsque d'énormes parcs éoliens sont construits à proximité de zones sauvages vierges. La mort d'oiseaux a été documentée et les lames vrombissantes produisent pas mal de bruit. Les efforts pour réduire ces effets comprennent la sélection de sites qui ne coïncident pas avec des zones de nature sauvage ou des routes de migration des oiseaux et la recherche de moyens de réduire le bruit.

Le futur

L'avenir ne peut que s'améliorer pour les éoliennes. Le potentiel de l'énergie éolienne est largement inexploité. Le département de l'Énergie des États-Unis estime que dix fois la quantité d'électricité actuellement produite peut être atteinte d'ici 1995. D'ici 2005, soixante-dix fois la production actuelle est possible. Si cela est accompli, les éoliennes représenteraient 10 pour cent de la production d'électricité des États-Unis.

Des recherches sont en cours pour accroître la connaissance des ressources éoliennes. Cela implique de tester de plus en plus de zones pour la possibilité de placer des parcs éoliens là où le vent est fiable et fort. Des plans sont en vigueur pour augmenter la durée de vie de la machine de cinq ans à 20 à 30 ans, améliorer l'efficacité des lames, fournir de meilleurs contrôles, développer des transmissions qui durent plus longtemps et permettre une meilleure protection contre les surtensions et la mise à la terre. Le ministère de l'Énergie des États-Unis a récemment établi un calendrier pour mettre en œuvre les dernières recherches afin de construire des éoliennes avec un rendement plus élevé que ce qui est actuellement possible. (L'efficacité d'une éolienne idéale est de 59,3 pour cent. C'est-à-dire que 59,3 pour cent de l'énergie éolienne peut être captée. Les turbines en usage réel sont d'environ 30 pour cent efficaces.) Le département américain de l'Énergie a également passé un contrat avec trois sociétés pour effectuer des recherches moyens de réduire les défaillances mécaniques. Ce projet a débuté au printemps 1992 et s'étendra jusqu'à la fin du siècle.

Les éoliennes deviendront de plus en plus répandues dans les années à venir. Le plus grand fabricant d'éoliennes au monde, US Windpower, prévoit d'étendre sa capacité de 420 mégawatts (4 200 machines) à 800 mégawatts (8 000 machines) d'ici 1995. Ils prévoient d'avoir 2 000 mégawatts (20 000 machines) d'ici l'an 2000. Autre les fabricants d'éoliennes prévoient également d'augmenter les nombres produits. Des comités internationaux composés de plusieurs pays industrialisés se sont formés pour discuter du potentiel des éoliennes. Des efforts sont également déployés pour doter les pays en développement de petites éoliennes similaires à celles que Marcellus Jacobs a construites dans les années 1920. Le Danemark, qui produit déjà 70 à 80 % de l'énergie éolienne en Europe, élabore des plans pour étendre la fabrication d'éoliennes. Le tournant du siècle devrait voir des éoliennes bien placées, efficaces, durables et nombreuses.