Electricité
Les éoliennes et moulins à eau
Asynchrone

Les éoliennes et les moulins à eau fonctionnenet normalement de façon asynchrone, pour utiliser au mieux l'énergie disponible. Les panneaux solairtes sont de toute façon asynchrones. Nous expliquons comment les connecter au réseau ou comment réaliser un micro-réseau.


Tous les générateurs ne fonctionnent pas nécessairement en mode synchrone. Il existe plusieurs types de générateurs qui ne doivent pas tourner en synchronisme avec le réseau.

Les moteurs asynchrones à cage d'écureuil (qui sont les moteurs les plus utilisés) peuvent également fonctionner en générateur hypersynchrone tournant plus vite que la vitesse de synchronisme.


Déjà dans les années 1970 on parlait d'éoliennes...

La tension produite par le générateur est souvent de 690V triphasé, qui est transformé à la bonne tension du réseau moyenne tension.

Les panneaux solaires sont par définition asynchrones puisqu'ils produisent du continu. Le courant doit nécessairement passer par un convertisseur qui en fait de l'alternatif à la bonne fréquence et tension.

Les différents types de générateurs asynchrones sont décrits ici.

Eoliennes

On en voit de plus en plus, mais quel type de générateur utilise-t-on à l'intérieur?

Générateur synchrone et convertisseur électronique

Il y a tout d'abord les éoliennes utilisant un générateur synchrone (alternateur). Le prix des aimants permanents ayant fortement augmenté (matières premières), ce type n'est plus utilisé que pour les faibles et moyennes puissances. De plus, le montage des gros aimants très puissant n'est pas aisé et ces aimants se démagnétisent à la longue, diminuant le rendement du générateur. Pour les puissance plus élevées, on utilise une roue polaire (excitation statique) comme sur les alternateurs classiques. La transmission du courant pas balais sur anneaux n'est pas utilisée à cause de l'entretien: on utilise un système à double étage.

Ces éoliennes doivent nécessairement travailler avec un convertisseur électronique par où doit passer toute l'énergie pour transformer la fréquence très variable en fréquence du réseau. On les reconnait à leur forme assez trapue. Comme la vitesse de rotation est relativement libre, ces éoliennes n'ont pas besoin de changement de vitesse (on augmente le nombre de pôles pour avoir une vitesse de rotation compatible avec la vitesse moyenne des pales). Les générateurs avec aimant permanent ont besoin d'une vitesse de vent minimale pour démarrer, puisque les aimants ont tendance à bloquer le rotor dans une certaine position.

Machine asynchrone à double alimentation

Un type très utilisé travaille avec le principe MADA (machine asynchrone à double alimentation) qui permet une grande variation de vitesse. Un convertisseur produit un champ rotorique, mais celui ci n'est pas fixe comme dans un alternateur classique, mais rotatif et permet de compenser la vitesse de rotation instantanée du rotor. Ces éoliennes sont souvent utilisées dans les grandes installations terrestres. Un multiplicateur de vitesse est nécessaire. C'est l'éolienne haut de gamme pour les puissances élevées à terre quand la vitesse du vent peut varier dans de grandes limites.

Générateur à cage d'écureuil

Le type à moteur asynchrone tend à disparaitre. Il ne peut être utilisé que là où la vitesse du vent est relativement constante. Il nécessite également un multiplicateur de vitesse. C'est le type de générateur le plus simple et qui demande peu d'entretien (hormi le changement de vitesse) et il a été utilisé en mer.

Eoliennes résidentielles

Une petite éolienne à axe vertical (le modèle le plus facile à placer car il ne nécessire pas d'espace dégagé) produit 500W pour une force de vent de 5 à 9 BF. La puissance est moindre quand le vent est moins fort et quand le vent devient trop fort l'éolienne est mise en cours-circuit pour un freinage énergique. L'éolienne fait 1m. de hauteur environ pour un diamètre de 80cm. Contrairement àun panneau solaire, la production est plus régulière dans le temps et correspond à un panneau solaire de 2kW.

L'éolienne se compose d'un alternateur triphasé à aimants permanents travaillant en mode asynchrone (déterminé par la vitesse du vent et la charge). La tension produite dépend de la vitesse du vent, puisque le champ magnétique est constant. La tension est redressée et alimente un convertisseur couplé au réseau électrique. Quand il y a du vent, le convertisseur injecte la puissance générée par l'éolienne dans le réseau. C'est le même système qu'avec les panneaux solaires, mais le convertisseur est différent.

Une telle éolienne peut facilement être placée sur un toit, la hauteur totale fait environ 2m (mat et hélice). Un modèle plus puissant de 2kW nécessite un toit plat. Une éolienne pour une puissance annuelle donnée est environ 5× moins chère qu'un panneau solaire, mais les demandes de permi de batir sont souvent refusées, même si l'éolienne est minuscule (elle ne se voit plus à 100m, alors que les voisins situés à une telle distance peuvent refuser le permi de batir. Il y a donc de nombreuses éoliennes non déclarées en fonction.

Gridformer

Les petites éoliennes et les panneaux solaires sont normalement utilisées connectés au réseau où ils permettent de réduire la facture énergétique des ménages. La puissance qui n'est pas utilisée est envoyée au réseau (qui se comporte en réseau infini et permet d'absorber toute la puissance qui n'est pas consommée localement).

Pour pouvoir être certifiés, les panneaux solaires et les éoliennes ne peuvent pas démarrer automatiquement sans la présence d'un réseau existant et doivent immédiatement se déclencher en cas de coupure du réseau de distribution. Il ne peut pas se former d'îlots de production (un habitant fournit grâce à ses panneaux solaires du courant à toute la rue) car cela empècherait la reconnection au réseau électrique.

Un réseau local (ou micro-réseau) a besoin d'un générateur de réseau (gridformer). Il s'agit génératement d'un convertisseur alimenté par batteries et qui produit un réseau électrique, auquel peuvent se synchroniser les producteurs locaux (panneaux solaires, éoliennes et moulins à eau). Les batteries permettent d'absorber les pics de production et fournissent du courant quand la production locale est insuffisante pour couvrir les besoins.

On utilise généralement des batteries acide-plomb de type "solaire" qui permettent une décharge plus poussée. La capacité minimale des batteries doit être suffisante pour couvrir deux jours sans apport extérieur. On est ainsi sûr que les batteries ne seront pas déchargées trop fort.

Comme générateur de réseau, on peut également utiliser un groupe électrogène, mais il faut que la production locale des éoliennes et des panneaux solaires puisse être absorbée par les consommateurs. Si la consommation est trop faible, la tension du réseau augmente et les éoliennes et panneeux solaires sont automatiquement mises hors service.

Image ci-dessus: production d'une éolienne de 3.5kW qui est connectée au réseau de distribution (bleu) ou fournit son énergie à des batteries (rouge). Quand les batteries sont totalement chargées, l'éolienne est mise hors service. Cela se produit principalement de nuit.

L'algoritme MPPT de l'éolienne chargeant des batteries est meilleur que celui de l'éolienne connectée au réseau et la première éolienne permet de tirer un meilleur parti du vent (pour autant que les batteries ne sont pas totalement chargées). MPPT: Maximum Power Point Tracking: le générateur est chargé de telle façon qu'il tire le plus d'énergie possible du vent instantané.

Production éolienne comparée à la production par panneaux solaires. La production éolienne est très variable, mais assez constante pendant toutes les heures de la journée (moyenne horaire). Les panneaux solaires ont une production plus constante (quand il y a du soleil), mais ne produisent pas la nuit. Les panneaux solaires seuls nécessitent des batteries plus puissantes pour pouvoir fournir un minimum d'énergie pendant la nuit.

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