Mécanismes d'une hydrolienne

On peut qualifier l'hydrolienne d' "éolienne sous-marine", car elle fonctionne sur le même principe que sur l'éolienne. Elle transforme l'énergie cinétique des courants marins en énergie mécanique lorsque le courant traverse l'hélice et la fait tourner, et enfin le mouvement des pales transforme cette énergie en électricité, grâce à l'alternateur.

1. Principaux constituants d'une hydrolienne

Le flotteur: 

Cet élément permet de lester plus ou moins l'hydrolienne en y ajoutant de l'eau. Pour obtenir un rendement optimal, il faut que le niveau d'eau emprisonné soit dans la continuité du niveau des vagues.

Le rotor:

C'est l'élément qui est entraîné par la turbine. Il est constitué d'un aimant et il tourne à l'intérieur du stator qui lui est fixe. Il représente l'inducteur, ayant comme fonction d'induire un champ électromagnétique dans un induit (stator).

Le stator:  C'est un élément fixe constitué d'une bobine présentant des enroulements. Elle doit être placée de telle sorte qu'elle soit autour du rotor, pour que ce dernier tourne à l'intérieur. Il représente l'induit, chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité.

Le stabilisateur :

C’est le mécanisme qui permet aux pales de toujours être en opposition au courant, pour que l'hydrolienne soit en rotation par rapport au sens du courant.

Le générateur d'électricité: il s'agit d'une génératrice électrique de courant continu ou alternatif selon le générateur utilisé, qui transforme l’énergie mécanique en énergie électrique.

2. Comment un courant d'eau peut-il produire de l'énergie ?

Outre leur durée illimitée, les courants permettent à l'hydrolienne de lui donner une meilleure productivité face à l'éolienne. Cette énergie des courants, appelée énergie cinétique, dépend de la masse du volume du fluide et de la vitesse du courant de ce fluide. Algébriquement, elle s'écrit:

Ec=1/2*m*V² 

Ec <=> Energie Cinétique (Joules)

m <=> masse du volume de fluide (Kg)

V <=> Vitesse du fluide (mètres/seconde)

L'eau a une masse volumique 832 fois plus importante que l'air. Par conséquent, un courant d'eau, même faible, aura une force plus importante contre l'hélice de l'hydrolienne, que le vent contre l'hélice d'une éolienne.

3. L'élément essentiel : l'hélice de l'hydrolienne

L'hélice d'une hydrolienne est constituée d'un axe central appelé moyeu, autour duquel sont fixées au minimum deux pales.

Le profil des pales est un élément important qui différencie les différentes hélices, et qui leur donne une fonction précise : pour les avions, on parle d'hélice motrice car celle-ci transfère de l'énergie vers un fluide. Dans le cas d'une hydrolienne, c'est une hélice réceptrice qui à l'inverse récupère de l'énergie grâce au fluide.

Lors de la fabrication de l'hydrolienne, plusieurs critères doivent êtres étudiés au niveau des pales, pour que celles-ci offrent un rendement optimal :

• La longueur des pales, qui doit être assez élevée pour obtenir la puissance voulue
• La largeur des pales, qui contrairement à ce que l'on peut penser, ne doit pas être trop grande pour permettre une plus grande vitesse de rotation de l'hélice, et aussi par un souci de légèreté
• Le nombre de pales, qui varie pour actuellement de 2 à 6 (Sabella "D03" et "D10"). Une hélice bipale permet une vitesse de rotation plus élevée, un poids moins lourd et un coût moins important. Tout comme les hélices de bateaux, l'inconvénient d'avoir seulement deux pales se situe au niveau des vibrations beaucoup plus importantes, les rendant plus fragiles.
• Le profil des pales, qui consiste à vriller les pales afin de ne pas créer un "mur" lors du contact de l'eau contre celles-ci. Malgré tout, plus le vrillage est important, moins la force exercée par l'eau sur les pales sera élevée, et le rendement en subira les conséquences. La difficulté reste donc de trouver un juste milieu.
• La composition des pales, qui doivent être fabriquées avec un matériau très résistant à ce que l'on appelle la fatigue mécanique : c'est un processus qui, sous l'action d'une contrainte (ici l'action des courants), a pour conséquences de déformer voire de fissurer et modifier la structure de ce matériau. De plus, le matériau utilisé doit être suffisamment résistant à l'érosion (accentuée sous l'action de l'eau salée), et avoir l'avantage d'être assez léger. Aujourd'hui, les seuls matériaux répondants à ces contraintes sont les matériaux composites comme la fibre de verre ou la fibre de carbone, recouvert d'un produit antirouille étudié pour résister à l'eau salée

Ainsi, la difficulté rencontrée par un ingénieur chargé de concevoir une hélice d'hydrolienne, est de trouver le bon compromis entre solidité, poids, prix et performances, et ceci en faisant varier les différentes caractéristiques d'une hélice.

Les différents générateurs d'électricité d'une hydrolienne

• La machine asynchrone, ou machine à induction dont le nom signifie que le rotor ne tourne pas à la même vitesse que le flux magnétique du stator. Souvent utilisée comme moteur (80% des applications), c'est un système peu cher et robuste qui crée un courant électrique alternatif.  En fonctionnement moteur, son stator est traversé d'un courant continu, ce qui fait "tourner" le flux magnétique dans un sens donné. Ainsi, celui-ci fait tourner le rotor, qui est un aimant. Elle est de plus en plus présente sous forme de génératrice et l'avantage de ce système reste son prix raisonnable.

Source : Wikipédia

• La machine synchrone, ou alternateur : elle produit de l'électricité à courant alternatif, et fonctionne sur le même principe que la machine asynchrone. Son rotor tourne par contre à la même vitesse que le flux magnétique du stator, d'où son appellation. En effet, la composition du rotor en tôles feuilletées permet cette différence, mais son prix est plus élevé. 

Les hydroliennes, qui doivent être constituées d'un générateur suffisamment puissant, possèdent des alternateurs dits triphasés (voir image). Ce système permet un meilleur rendement et moins de pertes lors du transport de l'électricité. 

• La dynamo ou génératrice de courant continu, constituée du stator et du rotor. Le stator est soit un bobinage de cuivre, soit constitué d'aimants permanents, qui créent un flux magnétique. Le rotor est une bobine magnétisante qui tourne sur lui-même à l'intérieur du stator. L'inconvénient de la dynamo se situe au niveau des balais. Ceux-ci doivent rester en contact avec le collecteur (qui tourne en même temps que le rotor) lorsque la dynamo tourne. Ainsi, lorsque le collecteur tourne à vitesse élevée, les balais doivent augmenter leur pression sur celui-ci pour rester en contact, ce qui entraine une usure rapide de ces balais à cause des frottements. De plus, une génératrice de courant continu coûte cher pour être utilisée à grande échelle, et elle est plus lourde qu'une machine (a)synchrone.

Tous ces générateurs d'électricité sont équipés de multiplicateurs qui permettent d'augmenter la vitesse de rotation de ces générateurs avec une faible vitesse de rotation des pales. Sans lui, la vitesse de rotation du rotor serait beaucoup trop faible pour espérer produire une quantité significative d'électricité.