Table des matières

Conception d'une éolienne

Les aéromoteurs sont en général définis par l'orientation de leur axe de rotation par rapport à la direction du vent :

Les aéromoteurs à axe horizontal

Ce sont les aéromoteurs les plus répandus, toutes les éoliennes commerciales raccordées au réseau sont aujourd'hui construites avec un rotor du type hélice, monté sur un axe horizontal, ils offrent le meilleur rendement par rapport à l'énergie maximum récupérable sur un rotor.

Axe horizontal parallèle à la direction du vent

Ce sont les machines actuellement les plus répandues car leur rendement est supérieur à celui de toutes les autres machines. Elles comprennent des rotors à 1,2,3 ou 4 pales.

Parmi les machines à axe horizontal parallèle à la direction du vent, il faut encore différencier les aéromoteurs dont le rotor est en aval de la machine par rapport au vent, "hélice sous le vent" et les aéromoteurs dont le rotor est en amont de la machine par rapport au vent, "hélice face au vent"

Les éoliennes de pompage équipées de pompes à piston sont munies d'aéromoteurs multipales en raison du couple de démarrage élevé nécessaire au fonctionnement de la pompe, il est possible de coupler des aéromoteurs bi ou tripales à des pompes centrifuges à plusieurs étages dont le couple de démarrage est plus faible que celui des pompes à piston. Ces équipements constituent un progrès important pour le pompage à de plus grandes profondeurs et fonctionnement continu pour toutes les vitesses de vent supérieures à la vitesse de démarrage.

Les aérogénérateurs sont généralement équipes d'hélices bipales ou tripales "au vent" pour des diamètres inférieurs à 5-7 m et une hélice "sous le vent" pour des diamètres supérieurs à 5-7m. Les grandes machines de dernière génération fonctionnent "au vent" avec une orientation dynamique (sans gouvernail).

Axe horizontal perpendiculaire à la direction du vent

Les deux principaux aéromoteurs à axe horizontal perpendiculaire à la direction du vent sont le rotor de Savonius et le capteur à ailes battantes.

Ces systèmes sont restés à l'état de prototypes car ils présentent plus d'inconvénients que d'avantages, ils nécessitent tout comme les systèmes à axe horizontal parallèle au vent un dispositif d'orientation. La récupération de l'énergie produite est plus compliquée et se traduit par une perte sensible du rendement global. .

Éolienne à hélices contrarotatives

Cette éolienne à axe horizontal possède deux hélices multipales contrarotatives c'est a dire tournant à des vitesses égales et opposées.

Les aéromoteurs à axe vertical

On distingue 3 grandes familles d'aéromoteurs à axe vertical :

Les aéromoteurs Savonius (anémomètre)

Rotor de Savonius

Ces sont des aéromoteurs qui utilisent essentiellement la traînée différentielle créée par les aubes et peuvent avoir différentes formes. 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, il 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 éolien.

Aerogénérateur de type Savonius

Les aéromoteurs Darrieus

Éolienne à axe vertical de 5 Kilowatts

Les rotors Darrieus (du nom d'un ingénieur français), qui ont fait l’objet d’un brevet français en 1925, utilisent la portance des pales subi par un profil soumis à l’action d'un vent relatif (plusieurs configurations possibles 2,3… pales de profile symétrique biconvexe) effet qui s'exerce sur l'aile d'un avion. Ils sont caractérisés par un faible couple de démarrage et une vitesse de rotation élevée, donc une grande puissance récupérable. Pour améliorer le couple de démarrage on les associe à un autre type de rotor (Savonius par exemple), ce qui en diminue les autres propriétés (légèreté, vitesse maximum, coût…). Malgré ces avantages, ces machines restent difficiles à maîtriser.

On distingue plusieurs déclinaisons autour de ce principe :

Exemples d'utilisations

Éolienne de type Darrieus à rotor parabolique, Parc Le Nordais, Canada.

La plus grande éolienne de ce type au monde a fonctionné au Canada (au parc éolien Le Nordais) 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. Ces éoliennes de type Darrieus, de plus petites dimensions, sont à la base du projet Wind'It (superposition d'un réseau d’éoliennes au réseau existant de transport et de distribution).

Une éolienne Darrieus à axe horizontal a été installée à Equihen (France). C'est une éolienne urbaine constituée de 2 rotors de 5 m de long et 2,8 m de diamètre maximal.

Éoliennes à voilure tournante

Les éoliennes à voilure tournant (ou panémone) sont caractérisées par l'optimisation dynamique du calage des pales en temps réel, celles-ci se comportent de la même manière que la voile d'un voilier qui ferait un cercle dans l'eau avec un vent déterminé.

Les pales reproduisent ainsi fidèlement toutes les allures d'un voilier suivant leur cap tangentiel (angle) par rapport à la direction du vent. Il en résulte que la poussée tangentielle sur les bras du rotor supportant les pales est toujours optimisée. Cette technique de captation de l'énergie éolienne est très ancienne (Iran, Crète,…).

Avantages

Inconvénients

Éoliennes face au vent

Une éolienne face au vent (ou upwind) signifie que le rotor est orienté dans la direction du vent et est placé en amont de la tour, la grande majorité des éoliennes sont conçues de cette façon.

Avantages

Inconvénients

Éoliennes sous le vent

Dans le cas des éoliennes sous le vent (ou downwind), le rotor est placé en aval de la tour.

Avantages

Inconvénients

Le nombre de pales

La plupart des éoliennes modernes sont tripales. Le nombre de pales d'une éolienne est limité pour des questions de poids et de prix. Le rendement idéal considéré plus haut faisait l'hypothèse d'un nombre très important de pales. Dans la réalité, ce nombre ne sera jamais atteint. Cette limitation est source d'une troisième forme de pertes. D'un point de vue physique, ces pertes sont engendrées par la traînée induite. La traînée induite est d'autant plus faible que la portance est faible et le rapport entre envergure et corde moyenne de l'aile est important. Ainsi, une aile qui a une grande envergure par rapport à la corde aura une traînée plus faible. On peut s'en convaincre en comparant les ailes d'un planeur à celle d'un avion traditionnel : les ailes du planeur sont beaucoup plus allongées pour limiter la traînée, ce qui est souhaitable étant donné qu'il n'a pas de moteur. C'est une des raisons qui expliquent pourquoi une éolienne a des ailes allongées.

Équilibre du rotor

La vitesse du vent augmente avec l’altitude. De ce fait, la force du vent en haut d’une éolienne sera plus importante qu’en bas du rotor. Dans le cas d’une éolienne à une ou deux pales, la variation de la force sur le moyeu est alors importante car lorsqu’une pale est au plus haut (et donc produit le plus), l’autre pale est au plus bas (et produit le moins), obligeant alors la mise en place de systèmes spécifiques. En revanche, l’installation de trois pales (ou un nombre impair de pales) permet une compensation de ces différences et une moindre variation de puissance à chaque rotation du rotor.

Limitation de la force exercée sur la structure (tour)

La force exercée sur la structure (le mat) est proportionnelle au nombre de pales. En effet, le vent exerce une force parallèle à la direction du vent sur chacune des pales. Cette force est proportionnelle à la surface rencontrée par le vent, plus le nombre de pales sera important et plus cette surface sera grande. Un grand nombre de pales nécessite l'utilisation d'une structure plus robuste et par conséquence plus chère.

Aéromoteur à couple de démarrage élevé

Éolienne de pompage pour puiser de l'eau.

Les hélices multipales offrent un couple de démarrage important, souvent utilisées sur les éoliennes de pompage, le couple de démarrage est proportionnel au nombre de pales utilisé et au diamètre de l'hélice. Le rendement des aéromoteurs multipales par rapport à la limite de Betz est faible dû à la faible vitesse en bout de pale et sont peu efficaces par vents forts.

Vitesse de rotation du rotor

Un rotor tournant lentement va permettre au vent de s'écouler entre les pales sans être perturbé, par contre à une vitesse élevée, le rotor agira comme un "mur" par rapport au vent. Lors de la conception d'une éolienne il est important de prendre en compte la vitesse angulaire du rotor afin d'obtenir une efficacité optimale du rotor.

Le calcul de la vitesse angulaire optimale du rotor dépendra de plusieurs facteurs :

Par exemple pour une éolienne tri-pale connectée au réseau, la vitesse spécifique idéale est de 7 avec des valeurs pouvant être comprises entre 6 et 8.

Aéromoteurs dit rapides

Un aéromoteur est dit rapide lorsque sa vitesse spécifique est supérieure à 3 1).

Avantages

Inconvénients

Aéromoteurs dit lents

Avantages

Inconvénients

Vitesse spécifique optimale

La vitesse spécifique permettant l'extraction maximale de la puissance du vent est définie par le temps que met le vent perturbé à revenir à sa position initiale (non perturbé). Ce temps est noté $t_w$ et le temps que met une pale du rotor (de fréquence de rotation $\omega$) pour atteindre la position de celle qui la devance noté $t_s$.

Pour un rotor composé de $n$ pales nous avons :

$$t_s=\frac{2.\pi}{n.\omega}$$

$t_s$ : temps de positionnement de la pale (en s)
$n$ : nombre de pale du rotor (sans unité)
$\omega$ : fréquence de rotation du rotor (en Hz ou rad/s)

$$t_w=\frac{s}{V}$$

$t_w$ : temps de rétablissement du vent (en s)
$s$ : longueur de la colonne d'air fortement perturbé passant au travers du rotor (en m)
$V$ : vitesse du vent (en m/s)

Si $t_s$ > $t_w$, alors le vent n'est pas affecté, si $t_w$ > $t_s$ alors une partie du vent ne peut s'écouler dans le rotor. L'extraction maximale de puissance est atteinte lorsque $t_s \approx t_w$

fréquence de rotation optimale du rotor

$$\omega_{opt} \approx \frac{2.\pi.V}{n.s}$$

$\omega_{opt}$ : fréquence de rotation optimale du rotor (en Hz ou rad/s)

Par conséquence pour une extraction optimale de la puissance la fréquence de rotation du rotor dépend de la vitesse du vent. La fréquence de rotation diminue lorsque le rayon du rotor augmente. Nous avons donc la relation suivante :

vitesse spécifique optimale du rotor

$$\lambda_{opt} \approx \frac{\omega_{opt}.r}{V} \approx \frac{2.\pi}{n} $$

$\lambda_{opt}$ : vitesse spécifique du rotor (sans unité)
$r$ : rayon du rotor (en m)
$n$ : nombre de pale du rotor (sans unité)

Considérations fondamentales sur les charges

Il est très important de prendre en considération la résistance, le comportement dynamique et les propriétés de fatigue tant des matériaux utilisés que de la structure entière.

Charges extrêmes (forces)

Les éoliennes sont faites pour capter l'énergie cinétique du vent, cette puissance dépend essentiellement de la vitesse du vent, les éoliennes doivent donc être conçues pour pouvoir résister à des vent extrêmes. C'est pour cette raison que les constructeurs optent généralement pour un nombre limité de pales (en général 3) et très fines, ce qui permet aux éoliennes de fonctionner avec des vitesses de vent relativement élevées et compenser ainsi l'étroitesse des pales.

Charges de fatigue

La vitesse variable du vent expose les éoliennes à des forces variables, les composants comme les pales du rotor sont soumis à des flexions répétées qui peuvent engendrer des fissures et peuvent mener à terme à la destruction des pales. 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 maximale lorsqu'elle est verticale et minimale 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.

Le métal est particulièrement exposé à ces fatigues, c'est pour cela qu'on évite de construire des pales en métal. Il est donc extrêmement important pour la construction d'une éolienne de déterminer à l'avance la façon dont les composants vibreront et de calculer les forces impliquées dans chaque flexion ou étirement d'un composant suivant des modèles mathématiques numériques permettant d'analyser le comportement de l'ensemble de la structure d'une éolienne.

Dynamique des structures

Si l'on prend l'exemple d'une tour qui oscille a une certaine fréquence, cette fréquence dépendra de plusieurs paramètres comme la hauteur de la tour, l'épaisseur des parois, le type d'acier qui la compose ou encore le poids de la nacelle et du rotor. Cette fréquence dépendra aussi du passage du rotor devant la tour (zone d'ombre) ce qui aura pour effet soit d'atténuer soit de renforcer les oscillations de la tour, les vibrations des pales pourront aussi avoir une influence sur l'oscillation de la tour. Il sera très important de prendre en considération toutes les fréquences propres de chacun des composants afin de construire une éolienne sûre, qui n'oscillera pas de manière incontrôlée.

La poussée latérale

C'est la poussée horizontale maximale exercée au sommet de l'éolienne par l'effet du vent sur le rotor, cette poussée augmente en fonction de la surface balayée par le rotor. C'est une donnée importante qu'il faudra prendre en compte au moment de choisir la structure, le système de haubanage et la conception des ancrages de la tour.

Liens externes

Voir aussi

1)
Une énergie en plein essor : L’énergie éolienne