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 vertical
• les aéromoteurs à axe horizontal
  • axe horizontal parallèle à la direction du vent
  • axe horizontal perpendiculaire à la direction du vent
• les aéromoteurs qui utilisent le déplacement d'un mobile
• les dispositifs statiques de récupération de l'énergie éolienne

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.

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).

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. .

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

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

• Les aéromoteurs dérivés du rotor de Savonius
• Les aéromoteurs dérivés du rotor de Darrieus
• Les aéromoteurs dérivés des machines à clapets ou ailes battantes

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

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 :

• simple rotor cylindrique - deux profils disposés de part et d'autre de l'axe
• rotor parabolique où les profils sont recourbés en troposkine et fixés au sommet et à la base de l'axe vertical.
• rotor hélicoïdale
• rotor Darrieus H
• statoéolienne - un stator fixe qui canalise de manière optimale le vent sur un rotor mobile

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.

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,…).

• de conception plus simple que les machines à axe horizontal
• facilité d’accès (ne nécessite pas de nacelle et la génératrice, le multiplicateur etc. peuvent être place au sol)
• les aéromoteurs à axe vertical ne nécessitent pas de système d'orientation par rapport à la direction du vent, ce qui constitue un avantage de construction non négligeable
• en fonctionnement elle ne sont pas soumises aux contraintes importantes sur les Pales, les roulements et les axes dues aux changements d'orientation
• légèreté
• vitesse de rotation lente
• structure peu élevée
• bonne intégration au bâtiment
• installation facile (poser la structure sur des plots en béton installés sur une toiture plane de type immeuble

• elles offrent un rendement médiocre (20% pour le rotor de Savonius, 35% pour la Darrieus, ce qui reste inférieur à la limite théorique des 59.5% "la limite de Betz" ) et c'est pour cette raison qu'elles n'ont pas connu un grand développement.
• le rotor se situe en général très prés du sol, les vent sont donc très faibles dans la partie inférieure du rotor
• l'éolienne Darrieus ne démarre pas automatiquement pour de faibles vents, il faut utiliser la génératrice comme moteur pour permettre le démarrage de l'éolienne ou bien l'accoupler à un rotor Savonius
• l'utilisation de haubans augmente fortement la surface utilisée par l'éolienne
• il faut pratiquer un démontage complet de l'éolienne pour procéder au remplacement du palier principal du rotor
• pas de système d'orientation au vent (pour l'éolienne Darrieus à axe horizontal)
• l’éolienne de type Darrieus possède un faible couple au démarrage

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.

• Évite que l'abri créé derrière le pylône support n'influence le fonctionnement du rotor

• Il persiste un effet d'abri situé devant la tour (le vent est dévié avant d'atteindre la tour) même lorsque celle-ci est ronde et lisse, à chaque passage d'une pale devant la tour on constatera une diminution de la production de l'éolienne.
• Les pales du rotor doivent être non flexibles (collision avec la tour en cas de vent fort)
• Le rotor doit être placé à une bonne distance de la tour
• Il est primordial de munir une éolienne face au vent d'un mécanisme d'orientation de manière à maintenir le rotor dans la direction du vent

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

• théoriquement la machine ne nécessite pas de mécanisme d'orientation (si la nacelle et le rotor ont été conçus de telle manière à ce que la nacelle puisse s'orienter passivement dans la direction du vent)
• possibilité d'utiliser un rotor moins rigide : poids moins important et une meilleure dynamique du rotor
• la flexibilité des pales évitent une partie de la charge subie par la structure à des vitesses de vent élevées
• possibilité d'alléger la structure

• difficile d'assurer la détorsion des câbles si l'éolienne s'est orientée dans la même direction pendant une longue période. Mais faisable à peu de frais.
• augmentation des charges de fatigue au passage du rotor dans l'abri du pylône? Mais soluble.
• variation de la production d'électricité au passage du rotor dans l'abri du pylône. Incorrect.

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.

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.

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.

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.

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.

• si le rotor tourne trop lentement, le vent passera de façon non-répartie entre les pales, la puissance récupérée sera minimisée.
• si le rotor tourne trop rapidement, celui-ci ne permettra pas au vent de passer au-travers, réduisant là aussi la puissance récupérée.

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

• le profil des pales utilisé
• le nombre de pales constituant le rotor

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.

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

• Grande fréquence de rotation permettant d'obtenir un rendement optimal
• Simplicité de la machine plus particulièrement pour le système de régulation
• Légèreté de la machine en particulier pour la taille plus petite du multiplicateur
• Coûts moins importants

• Sensible aux vibrations
• Plus bruyante. Sons audibles et sons inaudibles dus à une vitesse en bout de pale plus importante.
• Les pales sont plus exposée à l'érosion (usure de la pale plus rapide)
• Génération importante de vibrations, en particulier pour les rotors bi-pales
• pertes de rendement possibles liée aux turbulences générées
• Une vitesse trop importante peut être destructive pour un rotor mal conçu.

• Moins sensible aux vibrations
• Couple de démarrage plus important
• Moins bruyante

• Rendement moins bon (fréquence de rotation plus faible)
• Machine plus lourde
• Machine plus complexe, surtout au niveau du système de régulation

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 et le temps que met une pale du rotor (de fréquence de rotation ) pour atteindre la position de celle qui la devance noté .

Pour un rotor composé de pales nous avons :

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

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 :

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.

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.

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.

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.

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.

• Vidéo : Eolienne à voilure tournante inspirée du rotor de Lipp

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• étude théorique d'une éolienne
• conduite d'un projet éolien