Fonctionnement des éoliennes - Partie 3

Partie 1

Partie 2

Partie 3

Partie 4

Modélisation d'une éolienne

Une éolienne se modélise principalement à partir de ses caractéristiques aérodynamique, mécanique et électrotechnique. En pratique, on distingue aussi le "grand éolien", qui concerne les machines de plus de 500 kW, de l'éolien de moyenne puissance (entre 6 kW et 300 kW) et du petit éolien (entre 100 watts et 20 kW).

Axe horizontal

Une éolienne à axe horizontal est une hélice perpendiculaire au vent, montée sur un mât. La hauteur est généralement de 20 m pour les petites éoliennes, et supérieure au double de la longueur d'une pale pour les modèles de grande envergure.

Puissance récupérable

La puissance du vent contenue dans un cylindre de section S est :

Pcinétique = rho . S . V^3 , avec :
- rho : masse volumique de l'air (environ 1,23 kg/m3 à 15 °C)
- V : vitesse du vent en m/s

La puissance récupérable est inférieure, puisque l'air doit conserver une énergie cinétique résiduelle pour qu'il subsiste un écoulement. Albert Betz a démontré que l'énergie récupérable était maximale lorsque :

Vsortie = (1/3) . Vincidente

Ceci a pour conséquence que la puissance maximale récupérable est :

Pmax = (16/27) . Pcinétique = (8/27) . rho . S . V^3

Le rendement maximal théorique d'une éolienne est ainsi fixé à 16/27, soit 59,3 %. Ce chiffre ne prend pas en compte les pertes d'énergie occasionnées lors de la conversion de l'énergie mécanique du vent en énergie électrique.

Autres caractéristiques techniques

Pour des raisons de sécurité, il est nécessaire d'immobiliser les pales lorsque le vent est très fort. Pour une vitesse de vent donnée, la masse de la turbine est environ proportionnelle au cube de la longueur de ses pales, alors que l'air intercepté par l'éolienne est proportionnel au carré de cette longueur. Les pressions exercées sur une éolienne augmentent donc très rapidement à mesure que sa taille augmente. Ainsi, la longueur maximale d'une pale est-elle limitée par la résistance de ses matériaux.

Les coûts de construction et de maintenance d'une éolienne augmentent peu en fonction de sa taille, donc en limitant tous les coûts, on reste seulement contraint par la résistance des matériaux et de sa fondation. Pour la réalisation des pales, l'un des meilleurs matériaux disponibles actuellement est l'époxy. Le graphite composite permet de construire des éoliennes de 60 m de rayon, suffisantes pour obtenir quelques mégawatts. Les éoliennes plus petites peuvent être construites en des matériaux plus légers, tels que la fibre de verre, l'aluminium ou le bois laminé.

Les petites éoliennes sont dirigées vers le vent par un aileron arrière, à la manière d'une girouette. Les grandes éoliennes possèdent des capteurs qui enregistrent la direction du vent et actionnent un moteur qui fait pivoter le rotor.

Quand elle tourne face au vent, l'éolienne agit comme un gyroscope, et la précession essaie de faire faire volte-face en avant ou en arrière à la turbine. Chaque pale est soumise à une force de précession maximum lorsqu'elle est verticale et minimum lorsqu'elle est horizontale. Ces changements cycliques de pression sur les pales peuvent vite fatiguer et casser la base des pales ou fausser l'axe de la turbine.

Dans l'optique de réduire les contraintes dues à la précession, les éoliennes modernes ont trois pales, de sorte qu'une seule pale est soumise à une précession maximale à la fois. Le défaut historique majeur des éoliennes était d'avoir un nombre pair de pales, de sorte que deux pales étaient verticales en même temps. Le modèle à deux pales est celui qui reçoit le plus de contraintes.

La plupart des éoliennes artisanales possèdent deux pales, car elles sont fabriquées à partir d'une seule longue pièce courbée de bois ou de métal, montée sur un générateur de récupération, tel qu'un aternateur de voiture ou un moteur de machine à laver.

Les rotors à nombre pair de pales ne nécessitent pas obligatoirement de fixer individuellement chaque pale sur un moyeu. Aussi, beaucoup d'éoliennes commercialisées ont elles deux pales, car il est plus facile et plus économique d'usiner celles-ci d'un seul tenant. Les éoliennes à trois pales, bien plus efficaces et silencieuses, doivent généralement être montées sur place.

Quand une éolienne puissante possède plus de trois pales, celles-ci sont perturbées par l'air déplacé par la pale précédente. Le rendement s'en trouve réduit.

Les vibrations diminuent quand le nombre de pales augmente. En plus de fatiguer les mécanismes, certaines vibrations sont audibles et provoquent donc des nuisances sonores. Cependant, les éoliennes possédant moins de pales, plus grandes, fonctionnent à un nombre de Reynolds plus élevé, et sont par conséquent plus efficaces. De plus, le prix d'une éolienne augmente avec le nombre de pales, donc leur nombre optimal semble être de trois.

Comme le mât produit des turbulences derrière lui, le rotor est généralement placé devant celui-ci. Dans ce cas, le rotor est placé assez loin en avant, et son axe est parfois incliné par rapport à l'horizontale, afin d'éviter que les pales ne viennent heurter le mât. On construit parfois des éoliennes dont le rotor est placé en aval du mât, malgré les problèmes de turbulences, car les pales peuvent ainsi être plus souples et se courber sans risquer de heurter le mât en cas de grand vent, réduisant ainsi leur résistance à l'air.

Les anciens moulins à vent étaient équipés de voilures en guise de pales, mais celles-ci ont une espérance de vie très limitée. De plus, leur résistance à l'air est relativement élevée par rapport à la puissance qu'elles reçoivent, et elles font tourner le générateur trop lentement. Elles gaspillent trop de l'énergie potentielle du vent, et la poussée de celui-ci implique qu'elles soient montées sur un mât particulièrement solide. C'est pourquoi on leur préfère aujourd'hui des pales profilées rigides.

Quand une pale est en rotation, la vitesse relative du vent par rapport à la pale est supérieure à sa vitesse propre, et dépend de l'éloignement du point considéré de la pale avec son axe de rotation. Cela explique que le profil et l'orientation de la pale varient dans sa longueur. La composition des forces s'exerçant sur les pales se résume en un couple utile permettant la production d'électricité par l'alternateur, et une force de poussée axiale, répercutée sur le mât par l'intermédiaire d'une butée. Cette poussée peut devenir excessive par vent trop fort ; c'est pourquoi les éoliennes sont alors arrêtées et orientées pour offrir la moindre prise au vent. Des essais sont effectués (2004) pour utiliser des pales cylindriques afin de bénéficier de l'effet Magnus.

Axe horizontal et pales horizontales

Un essai d'un nouveau type d'éolienne est en cours (2006) sur un bâtiment d'habitation en France à Équihen, dans le Pas-de-Calais : deux groupes de lames fixées sur un axe qui entraîne le générateur.

Axe vertical

Plusieurs solutions d’éoliennes à axe vertical ont été expérimentées :
- le type Darrieus repose sur l’effet de portance subi par un profil soumis à l’action d'un vent relatif ; c'est similaire aux forces qui s'exercent sur l'aile d'un avion. On distingue plusieurs déclinaisons autour de ce principe, depuis le simple rotor cylindrique - deux profils disposés de part et d'autre de l'axe - jusqu’au rotor parabolique où les profils sont recourbés en troposkine et fixés au sommet et à la base de l'axe vertical. Une éolienne de ce type a fonctionné au Canada (au Parc Éole) de 1983 à 1992. De grandes dimensions (110 m de haut), le prototype s'est détérioré lors d'un coup de vent, il était conçu pour fournir 4 MW avec un générateur au sol ;
- le type Savonius, constitué schématiquement de deux ou plusieurs godets demi-cylindriques légèrement désaxés présente un grand nombre d'avantages. Outre son faible encombrement, qui permet d’intégrer l’éolienne aux bâtiments sans en dénaturer l’esthétique, est peu bruyant. Il démarre à de faibles vitesses de vent et présente un couple élevé quoique variant de façon sinusoïdale au cours de la rotation. Une déclinaison de ce type d'éolienne est le Moulinet dont l’anémomètre constitue une bonne illustration. Citons aussi les modèles à écran où on masque le côté « contre-productif » de l’engin. Ce modèle utilise un système d’orientation de l’écran par rapport au vent, supprimant de fait un avantage essentiel des éoliennes à axe vertical. Ajoutons finalement que l’accroissement important de la masse en fonction de la dimension rend l’éolienne de type Savonius peu adaptée à la production de masse dans un parc à éoliennes ;

D'autres modèles sont construits aujourd'hui par diverses entreprises pour s'affranchir des limites introduites par la taille des pales, par leur vitesse de rotation et par le bruit. Le principe est celui d'un rotor d'axe vertical qui tourne au centre d'un stator à ailettes. Ce type de solution réduit considérablement le bruit tout en autorisant le fonctionnement avec des vents supérieurs à 220 km/h et quelle que soit leur direction. L'encombrement total est plus faible aussi bien pour l'espace au sol que pour la hauteur. Pour une éolienne de 3 m de diamètre et 2 m de haut une production de 8 000 kWh/an est annoncée (2004).

Selon : Wikipedia