Énergie Eolienne [PDF]

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ÉNERGIE EOLIENNE 1/GENERALITES : L'énergie éolienne est l'énergie du vent et plus spécifiquement, l'énergie directement tirée du vent au moyen d'un dispositif aérogénérateur comme une éolienne ou un moulin à vent. L'énergie éolienne est une des formes d'énergie renouvelable. Elle tire son nom d'Eole, le maître des Vents dans la Grèce antique. L'énergie éolienne peut être utilisée de trois manières : • Conservation de l'énergie mécanique: le vent est utilisé pour faire avancer un véhicule (Navire à voile ou char à voile), pour pomper de l'eau (éoliennes de pompage pour irriguer ou abreuver le bétail) ou pour faire tourner la meule d'un moulin. • Transformation en force motrice (pompage de liquides, compression de fluides...) • Production d'énergie électrique ; l'éolienne est alors couplée à un générateur électrique pour fabriquer du courant électrique. Le générateur est relié à un réseau électrique ou bien fonctionne au sein d'un système « autonome » avec un générateur d'appoint (par exemple un groupe électrogène) et/ou un parc de batteries ou un autre dispositif de stockage d'énergie.

Ferme éolienne à Tehachapi Pass, Californie L'utilisation de l'énergie éolienne par l'homme est ancienne. Moulins dans la région de La Mancha, Espagne. Depuis les années 1990, l'amélioration technologique des éoliennes a permis de construire des aéro générateurs de plus de 5 MW et le développement d'éoliennes de 10 MW est en cours. Ces unités se sont démocratisées et on en retrouve aujourd'hui dans plusieurs pays. Ces éoliennes servent aujourd'hui à produire du courant alternatif pour les réseaux électriques, au même titre qu'un réacteur nucléaire, un barrage hydro-électrique ou une centrale thermique au charbon. Cependant, les puissances générées et les impacts sur l'environnement ne sont pas les mêmes. 1

II-/. EOLIENNE Une éolienne est un dispositif qui transforme l'énergie du vent en énergie électrique ou mécanique. Les éoliennes produisant directement de l'électricité sont appelées aéro générateurs. On parle de parc éolien ou de ferme éolienne pour décrire les unités de productions groupées (installées à terre ou en mer). Les États dans le monde où les champs éoliens sont les plus nombreux sont la Chine, l'Allemagne, l'Espagne, les États-Unis d'Amérique et le Danemark. En France, les centrales éoliennes de production d'électricité sont en pleine expansion sur une grande partie du territoire. L'Aude et la Bretagne sont des zones géographiques pionnières en la matière.

Parc éolien offshore en Belgique

Éolienne BEST-Romani à Nogent-le-Roi (Eure-et-Loir) 1955-1966.

a-/Historique : Depuis l'Antiquité, des moulins à vent convertissent l'énergie éolienne en énergie mécanique (généralement utilisée pour moudre du grain, presser des produits oléifères, battre le fer, le cuivre, le feutre ou les fibres du papier... ou relever de l'eau). De nos jours, on trouve encore des éoliennes couplées à des pompes à eau, généralement utilisées pour assécher des zones humides ou au contraire irriguer des zones sèches ou abreuver du bétail. En 1888, Charles F. Brush construit une grande éolienne pour alimenter sa maison en électricité, avec un stockage par batterie d'accumulateurs. La première éolienne « industrielle » génératrice d'électricité est mise au point par le Danois Poul La Cour en 1890, pour fabriquer de l'hydrogène par électrolyse. Dans les années suivantes, il crée f éolienne Lykkegard, dont il vend soixante-douze exemplaires en 1908. Une éolienne expérimentale de 800 kVA fonctionne de 1955 à 1963 en France, à Nogent-leRoi dans la Beauce. Elle avait été conçue par le Bureau d'études scientifiques et techniques de Lucien Romani et exploitée pour le compte d'EDF. Simultanément, deux éoliennes Neyrpic

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de 130 et 1 000 kW furent testées par EDF à Saint-Rémy-des-Landes (Manche). Il y eut également une éolienne raccordée au secteur sur les hauteurs d'Alger (Dély-Ibrahim) en 1957. Cette technologie ayant été quelque peu délaissée par la suite, il faudra attendre les années 1970 et le premier choc pétrolier pour que le Danemark reprenne les installations d'éoliennes.

Article de Scientific American sur l'inventionde Brush(1890). b-/ Critères de choix de sites éoliens : Les critères de choix d'une implantation éolienne dépendent de la taille, puissance et du nombre d'unités. Ils nécessitent la présence d'un vent régulier (cf atlas éolien) et diverses conditions telles que : présence d'un réseau électrique pour recueillir le courant, absence de zones d'exclusion (dont périmètre de monuments historiques, sites classés...), terrain approprié, etc. Le vent : L'efficacité d'une éolienne dépend notamment de son emplacement. En effet, la puissance fournie augmente avec le cube de la vitesse du vent, raison pour laquelle les sites sont d'abord choisis en fonction de la vitesse et de la fréquence des vents présents. Un site avec des vents d'environ 30 km/h de moyenne sera environ huit fois plus productif qu'un autre site avec des vents de 15 km/h de moyenne. Une éolienne fonctionne d'autant mieux que les vents sont réguliers et fréquents.

Éolienne Bollée de relevage d'eau sur son château d'eau, lieu-dit "Le Clone", Région de Pons - Ingénieur : E. Lebert, 1902 - Charente-Maritime, France.

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m Un autre critère important pour le choix du site est la constance de la vitesse et de la direction du vent, autrement dit la turbulence du vent. En effet, en règle générale, les éoliennes sont utilisables quand la vitesse du vent est supérieure à une valeur comprise entre 10 et 20 km/h, sans toutefois atteindre des valeurs excessives qui conduiraient à la destruction de l'éolienne ou à la nécessité de la « débrayer » pour en limiter l'usure. La vitesse du vent doit donc être comprise le plus souvent possible entre ces deux valeurs pour un fonctionnement optimal de l'éolienne. De même, l'axe de rotation de l'éolienne doit rester la majeure partie du temps parallèle à la direction du vent. Même avec un système d'orientation de la nacelle performant, il est donc préférable d'avoir une direction de vent la plus stable possible pour obtenir un rendement optimal Certains sites proches de grands obstacles sont ainsi à proscrire car le vent y est trop turbulent (arbres, bâtiments, escarpements complexes, etc.). De manière empirique, on trouve les sites propices à l'installation d'éoliennes en observant les arbres et la végétation. Les sites sont intéressants s'ils sont constamment courbés par les vents. Les implantations industrielles utilisent des cartes de la vitesse des vents des atlas éoliens (là où ils existent) ou des données accumulées par une station météorologique proche. En France, un projet est considéré économiquement rentable si la vitesse moyenne annuelle du site est supérieure à 6 ou 7 m/s, soit 21 à 25 km/h. Cette rentabilité dépend de nombreux autres facteurs, dont les plus importants sont le coût de connexion au réseau et le coût des fondations (déterminant dans le cas d'un projet offshore) ainsi que les coûts de rachat de l'électricité. Certains sites bien spécifiques augmentent la vitesse du vent et sont donc plus propices à une installation éolienne : • L'effet Venturi : lorsque l'air s'engouffre entre deux obstacles comme deux montagnes ou deux grands bâtiments, il est accéléré par effet venturi. De même, lorsqu'il rencontre une colline, l'air est accéléré au niveau du sommet. Ces lieux sont donc très appropriés pour les éoliennes. Ils sont cependant le plus souvent de surface restreinte et peuvent être soumis à des turbulences si la forme des obstacles est irrégulière. • La mer et les lacs sont aussi des emplacements de choix : il n'y a aucun obstacle au vent, et donc, même à basse altitude, les vents ont une vitesse plus importante et sont moins turbulents. La proximité d'une côte escarpée, en revanche, créera également des turbulences, usant prématurément certains composants mécaniques de l'éolienne. Autres critères : D'autres critères sont pris en compte pour le choix du site. • La nature du sol : il doit être suffisamment résistant pour supporter les fondations de l'éolienne. Ce critère n'est pas déterminant car dans le cas d'un sol meuble, des pieux seront alors enfoncés sous les fondations de l'éolienne. Il existe aussi des éoliennes haubanées. • L'accessibilité du site (virages, pente, passage de ponts) doit permettre le transport des gros éléments de l'éolienne (pales, tour, nacelle) et des grues nécessaires au montage. Cette contrainte peut limiter la puissance maximale installable par machine. • La connexion au réseau électrique. Pour cela, les petites fermes d'éoliennes sont le plus souvent situées à proximité d'un poste de transformation haute tension afin de diminuer te coût de raccordement qui est directement fonction de la distance à ce poste. Pour les grosses fermes éoliennes, le réseau doit être en mesure de supporter l'énergie produite, et son renforcement est parfois nécessaire (renforcement ou création de poste de transformation). Le raccordement est plus coûteux dans le cas des projets offshores, mais les sites sont beaucoup plus ventés et les contraintes beaucoup plus faibles. • Les éoliennes, selon leur taille, vitesse de rotation et positionnement, peuvent avoir un impact sur les oiseaux ou chauve-souris (collision, dégradation de l'habitat, etc.) 4

notamment si elles sont éclairées de nuit ou disposées sur un corridor de migration aviaire. Aussi, Birdlife International a fait un certain nombre de recommandations au Conseil de l'Europe à ce sujet4 : les réserves naturelles, les routes migratoires importantes, etc. sont des lieux à éviter pour la sauvegarde des oiseaux Des études sont également en cours pour mieux apprécier et réduire l'impact des éoliennes sur les chauve-souris. • Même si les éoliennes de dernière génération sont relativement silencieuses, une étude de l'impact sonore sur les habitations est effectuée avant l'implantation des parcs éoliens. En fonction du résultat, cette implantation peut être modifiée afin de respecter la réglementation (émergence maximale de 5 dB le jour et 3 dB la nuit en France). La distance entre les éoliennes et les habitations est généralement de 300 m. A environ 500 m, elles sont inaudibles ou très peu audibles et leur bruit est généralement couvert par le bruit du vent.

Parc éolien à Calenzana, Fondation en béton, avant la Haute-Corse, France. construction d'une éolienne Sur la terre ferme : Dans une installation éolienne, il est préférable de placer la génératrice sur un mât à une hauteur de plus de 10 m jusqu'à environ 100 m, de façon à capter des vents plus forts et moins perturbés par la «rugosité » du sol. Dans les zones où le relief est très complexe, il est possible de doubler la quantité d'énergie produite en déplaçant l'installation de seulement quelques dizaines de mètres. Des mesures in situ et des modèles mathématiques permettent d'optimiser le positionnement d'éoliennes. Pour les zones isolées et exposées aux cyclones : Pour ces zones, des éoliennes spéciales ont été conçues : elles sont haubanées pour pouvoir être couchées au sol en 45 minutes et sont de plus allégées. Elles peuvent aussi résister aux tremblements de terre les plus courants. Elles ne nécessitent pas de fondations aussi profondes que les autres et se transportent en pièces détachées. Par exemple, 7 éoliennes de 275 kW unitaires rendent Terre-de-Bas excédentaire en électricité, lui permettant d'en fournir à la Guadeloupe. De 1990 à 2007, 20 MW de puissance éolienne ont ainsi pu être installés en Guadeloupe. Toutes peuvent être couchées au sol et arrimées, comme ce fut le cas lors des passages des ouragans Ivan et José. Mi-2007, il y avait environ 500 de ces éoliennes installées dans le monde, pour une puissance totale de 80 MW. La puissance des aéro générateurs qui les équipent est passée de 30 kW à 275 kW en 10 ans. Pleine mer : À la condition qu'elles soient implantées assez loin de la côte, les éoliennes en pleine mer (offshore) entraînent moins d'impact sur le paysage terrestre. L'installation d'éoliennes en mer 5

est beaucoup plus coûteuse qu'à terre : les mâts doivent être étudiés pour résister à laforcedes vagues et du courant, la protection contre la corrosion (particulièrement importante du fait des embruns) doit être renforcée, l'implantation en mer nécessite des engins spécialisés, le raccordement électrique implique des câbles sous-marins coûteux et fragiles, et la moindre opération de maintenance peut nécessiter de gros moyens. En revanche, une éolienne offshore peut fournir jusqu'à 5 MW (à comparer aux éoliennes terrestres limitées à 3 MW dans des sites bien ventés). Dans les zones où la mer est peu profonde (par exemple au Danemark), il est assez simple de les installer, et elles ont un bon rendement. L'ensemble des éoliennes (en pleine mer ou terrestres) du Danemark produit, début 2006, 23 % de l'électricité nécessaire au pays. Ce pays est un leader et précurseur dans la construction et l'utilisation de l'énergie éolienne, avec un projet lancé dans les années 1970. Aujourd'hui de grands parcs offshore sont en construction au large de l'Angleterre8 dans la baie de la Tamise, ainsi qu'en Ecosse pour une puissance d'environ 4 000 MW au total. La France ne possède pas de parcs offshore, mais quelques sociétés ont des projets en cours : Parc éolien de la Côte d'Albâtre, Parc éolien de la baie de Seine.

Éoliennes en pleine mer, près de Copenhague.

Altitude : De nouvelles éoliennes sont capables de s'élever dans le ciel pour aller chercher les vents d'altitude, plus puissants et plus réguliers. Pour l'instant, au stade expérimental, elles sont de trois types: 1. les ballons éoliens gonflés d'un mélange d'hélium et d'hydrogène emportent leur alternateur à une altitude de 300m et l'actionnent en tournant sur eux-mêmes. D'après leur constructeur, la puissance de chaque unité pourra atteindre 1MW. 2. les voiles souples de type "Kite" actionnent un alternateur au sol en s'élevant à une altitude de 800 à 1200m. Une fois l'altitude atteinte, la voile redescend. Chaque unité pourrait atteindre une puissance de 3MW. 3. des structures s'élèvent à une altitude entre 5000 et 10000m où le vent fait tourner leurs hélices. La puissance de celles-ci pourrait atteindre les 100MW mais leur implantation nécessite des accords avec l'aviation pour éviter toute collision. Villes : En environnement urbain, où il est difficile d'obtenir de puissants flux d'air, de plus petits équipements peuvent être utilisés pour faire tourner des systèmes basse tension. Des éoliennes sur un toit fonctionnant dans un système d'énergie distribuée permettent d'alléger les problèmes d'acheminement de l'énergie et de pallier les pannes de courant. De petites installations telles que des routeurs wi-fi peuvent être alimentées par une éolienne portative qui recharge une petite batterie. Solutions expérimentales : En ville, on pourra envisager l'implantation d'éoliennes à axe vertical, hélicoïdales, à effet Venturi ou un mélange de ces différentes techniques qui ont un rendement inférieur mais qui 6

produisent de l'électricité même par vent faible et ne font pas de bruit. Depuis le printemps 2010, sont installées à titre expérimental sur les toits de la "Maison de l'air" à Paris, des éoliennes de petite taille, elles sont capables de produire de l'électricité pour environ six familles. Elles ont une production moyenne continue d'environ 50 kW/h, soit une production annuelle de 15 000 kWh. Il est aussi possible d'installer des éoliennes sur le toit des tours comme dans un projet pour le quartier de la Défense près de Paris.

Eolienne urbaine de 2m de diamètre, puissance 1,75 Kwhà 14 m/s, Donostia, Espagne, 2010. Spécialement développée pour obtenir un très faible niveau sonore. Hauteur du mat : 5,5 m, vitesse de démarrage : 2,5 m/s, durée de vie : 20 ans, conforme au code de l'urbanisme espagnol Les éoliennes dans le monde : Au début de l'année 2009, on estimait à près de 121 gigawatts la puissance totale installée de l'ensemble des éoliennes à travers le monde. Le pays possédant la plus grande puissance éolienne installée était les États-Unis (25 388 MW début 2009) suivi de l'Allemagne (23 903), l'Espagne (16 740), la Chine (12 200), l'Inde (9 645) et, loin derrière, l'Italie (3 736) et la France (3 387). La Belgique arrivait en 22 e position (384 MW). En puissance éolienne installée par tête, le Danemark arrivait en tête (600 watts par habitant), suivi de l'Espagne (425 W), l'Allemagne (292), l'Irlande (284) et le Portugal (283), devançant largement les Pays-Bas (140), l'Autriche (124), la Nouvelle-Zélande (117) et la Suède (114). Les États-Unis arrivaient en 12e position (89 W/hab), la France en 18e position (56 W/hab), la Belgique en 20 e (38 W/hab) et la Chine à la 33 e place (9,5 W/hab) ). Le développement de l'énergie éolienne est extrêmement rapide dans certains pays. La puissance installée mondiale a augmenté de 28,5 % entre 2008 et 2009, avec des taux de croissance supérieurs à 100 % dans cinq pays (Tunisie: + 170 % ; Chine : + 107 %). III-/MODELISATION Une éolienne se compose des éléments suivants : 7

• Un mât permet de placer le rotor à une hauteur suffisante pour permettre son mouvement (nécessaire pour les éoliennes à axe horizontal) ou placer ce rotor à une hauteur lui permettant d'être entraîné par un vent plus fort et régulier qu'au niveau du sol. Le mât abrite généralement une partie des composants électriques et électroniques (modulateur, commande, multiplicateur, générateur, etc.). • Une nacelle montée au sommet du mât, abritant les composants mécaniques, pneumatiques, certains composants électriques et électroniques, nécessaires au fonctionnement de la machine. La nacelle peut tourner pour orienter la machine dans la bonne direction. • Un rotor, composé de plusieurs pales (en général trois) et du nez de l'éolienne, fixé à la nacelle. Le rotor est entraîné par Ténergie du vent, il est branché directement ou indirectement (via un système de boite de vitesse) au système mécanique qui utilisera l'énergie recueillie (pompe, générateur électrique...). Des éléments annexes, comme par exemple un poste de livraison pour injecter Fénergie électrique produite au réseau électrique, complètent l'installation. 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 250 kW, de l'éolien de moyenne puissance (entre 36 kW et 250 kW) et du petit éolien (inférieur à 36 kW).

Schéma d'une éolienne de type aérogénérateur. A-/ 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. Aujourd'hui les plus grandes éoliennes mesurent jusqu'à 180 m en bout de pale avec un moyeu à 120 m pour une puissance de 6 MW. Puissance récupérable : La puissance du vent contenue dans un cylindre de section S est : ^cinétique ~ ~Z P-S-V

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avec : p: masse volumique de l'air (air atmosphérique sec, environ : 1,23 kg/m3 à 15 °C et à pression atmosphérique 1,0132 bar) V : vitesse du vent en m/s Une éolienne ne permet de récupérer qu'une partie de cette puissance, car l'écoulement ne peut pas avoir une vitesse nulle après son passage à travers la turbine (dans le cas contraire, cela reviendrait à « arrêter le vent »). La puissance récupérable par une éolienne est donc : ^cinétique

~ ^ P-S^

-Cp

avec Cp coefficient de performance qui est toujours inférieur à la limite de Betz. Formule de Betz L'énergie récupérable est inférieure à l'énergie cinétique de l'air situé en amont de l'éolienne, puisque l'air doit conserver une énergie cinétique résiduelle pour qu'il subsiste un écoulement. Albert Betz a démontré que la puissance maximale récupérable est : P -— P . =*-pS.V3 Le rendement maximal théorique d'une éolienne est ainsifixéà 16/27, soit environ 59,3 %. Il faut en outre déduire les pertes d'énergie dans la machine (frottements, conversion de l'énergie mécanique du vent en énergie électrique, ...). cinétique

'

Production d'énergie électrique : Les éoliennes sont caractérisées par leur puissance électrique. Ainsi une éolienne de 2 MW signifie qu'elle est capable de fournir une puissance électrique maximale de 2 millions de watts. Les conditions optimales permettant d'atteindre cette puissance maximale correspondent souvent à une vitesse de vent de l'ordre de 15 m/s, soit environ 55 km/h : en dessous de cette vitesse, l'éolienne produit moins d'énergie ; au-dessus, la production n'est pas plus importante, et quand la vitesse du vent atteint le seuil de sécurité (souvent aux alentours de 25 m/s ou 90 km/h) l'éolienne est mise à l'arrêt. La production réelle d'énergie électrique est fonction de la distribution statistique de la vitesse du vent du site. Le facteur de charge est le rapport entre la puissance électrique moyenne (calculée sur un an) produite par l'éolienne et sa puissance électrique maximale. En théorie, ce facteur de capacité peut varier de 0 % à 100 %. En pratique, il est compris entre 20 % et 70 % selon les sites, et le plus souvent entre 25 % et 30 %. En moyenne sur un an pour une éolienne bien placée, l'énergie produite correspond à environ 2000 heures de fonctionnement par an à pleine puissance). Les premières installations étant faites dans les endroits les plus favorables, pour les installations plus récentes dans les pays déjà bien équipés ce coefficient baisse progressivement. Les sites favorables sont essentiellement en bord de mer et en hauteur, donc ils sont rares. De plus la production électrique décroît rapidement dès que l'éolienne n'est plus dans la zone favorable. Un coefficient moyen « raisonnable » est de 1 500 heures à pleine charge (qui reste supérieur à celui constaté en Belgique). Lorsque que les zones les plus favorables seront entièrement équipées en éoliennes, les nouvelles éoliennes devront être installées dans des zones moins favorables et devront donc produire moins d'électricité. Ainsi, une éolienne de 2 MW produira le plus souvent une puissance moyenne de 600 kW, et dans les cas les plus favorables, 1 400 kW. Cette puissance est donc la puissance moyenne électrique annuelle maximale que peut fournir l'éolienne sur le réseau. 9

Par comparaison, une centrale électrique de capacité moyenne (environ 1 300 MW électrique pour une tranche nucléaire ou charbon) peut fonctionner pendant 8 000 heures par an et ainsi produire, à la demande, 4 fois plus d'énergie électrique (kWh) par unité de puissance (W) qu'une éolienne de 2 MW installée sur un bon site, qui ne produira qu'en fonction du vent (et non selon la demande). Concrètement, il faut 5 000 éoliennes alignées sur 250 km pour une centrale nucléaire. Compte tenu de la quantité annuelle de vent en France, la production électrique par l'éolienne ne peut représenter qu'une faible partie de l'électricité totale produite. A titre de référence en 2009 en France, la production électrique via l'éolien représentait 1,5 % de la production totale d'électricité. Au Danemark, où le pays est saturé d'éoliennes, soit un parc de 3 160 MW en 2008, la production éolienne représentait environ 19 % de la production totale d'électricité (soit 2% de la production totale d'énergie.) Autres caractéristiques techniques : Pour des raisons de sécurité, il est nécessaire d'immobiliser les pales lorsque le vent est très fort. L'inertie de la turbine est à peu près proportionnelle au cube de la longueur de ses pales alors que la surface résistante au vent est proportionnelle 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

Pales de remplacement mesurant environ 15 m de long. Les coûts de construction et de maintenance d'une éolienne augmentent peu en fonction de sa taille. En limitant tous les coûts, on reste seulement contraint par la résistance des matériaux et par les dimensions de ses fondations. Pour la réalisâttondes pales, l'un des meilleurs matériaux disponibles actuellement est l'époxy. Le carbone composite permet de construire des éoliennes de 60 m de rayon, suffisantes pour obtenir quelques mégawatts. Les éoliennes plus petites peuvent être construites dans des matériaux moins chers, tels que la fibre de verre, l'aluminium ou le bois lamelle. 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.

Éoliennes au Texas (États-Unis).

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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.

Éolienne de pompage pour puiser de l'eau. Quand une éolienne puissante possède plus d'une pale, celles-ci sont perturbées par Fair 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 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. Le prix d'une éolienne augmentant avec le nombre de pales, leur nombre optimal semble donc être de trois onshore peut être deux offshore (plus de bruit autorisé). 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 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. La plupart des éoliennes artisanales possèdent deux pales, car elles sont fabriquées à partir d'une seule bngue pièce courbée de bois ou de métal, montée sur un générateur de récupération, tel qu'un alternateur de voiture ou un moteur de machine à laver. 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 sont 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. Elles font tourner le générateur trop lentement et gaspillent l'énergie potentielle du vent dont la poussée 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 pourquoiteséoliennes sont alors arrêtées et orientées pour offrir la moindre prise au vent. 11

Des essais furent effectués (2004) pour utiliser des pales cylindriques et bénéficier de l'effet Magnus. B-/Axe vertical Plusieurs solutions d'éoliennes à axe vertical ont été expérimentées :

12 m Culjak rotor à Osijek • Le type Darrieus repose sur l'effet de portance subi par un profil soumis à l'action d'un vent relatif ; effet qui s'exerce 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 12

fixés au sommet et à la base de l'axe vertical. Une éolienne de ce type a fonctionné au Québec (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. Ces éoliennes de type Darrieus, de plus petites dimensions, sont à la base du projet Wind'It. • Le type Savonius, constitué schématiquement de deux ou plusieurs godets demicylindriques 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 à éoliennes. • Le type à voilure tournante (ou panémone) est caractérisé 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 Feau 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 tes pales est toujours optimisée. Cette forme de captation de l'énergie éolienne paraît très ancienne (Iran, Crète,...). Ce procédé, qui a reçu la médaille d'argent au salon international des inventions de Genève en 2006, en est encore au stade expérimental. 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 te 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 te 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 (2007). Ce dispositif est installé seulement sur de petites éoliennes ; il modifie les efforts de l'air sur les pales. Il agit de façon à sortir le rotor du lit du vent de façon à diminuer ses effets sur les pales. La force du vent comprime un ressort qui maintient, en temps normal, la tête de l'éolienne verticale. Régulation aérodynamique sur les pales • Le pas variable permet de modifier l'orientation des pales sur te moyeu et permet ainsi de modifier l'énergie récupérée par l'éolienne. Entre autres, il permet d'arrêter l'éolienne afin de la protéger des vents violents (en plaçant les pales en drapeau et en réduisant donc la prise au vent) ou à maximiser te couple transmis au rotor pour la faire démarrer. • Le pas fixe empêche les pales d'accélérer en utilisant l'effet Stall qui agit comme un frein par te décrochage aérodynamique au niveau de la pale du rotor. • Les volets (aérofrein ou flaps) s'ouvrent automatiquement, si la vitesse du vent devient excessive ou si un problème est décelé, et ralentissent les pales ou diminuent leur portance en provoquant un décrochage aérodynamique. • Les spoilers, encastrés dans le bord d'attaque des pales (freinage aérodynamique). Chaque spoiler est maintenu dans son logement par un ressort de rappel et une masse tarés individuellement en fonction de la position du spoiler sur le bord d'attaque de la pale. À partir d'une certaine vitesse linéaire, la force centrifuge provoque l'éjection de tous tes spoilers au même moment modifiant ainsi le profil aérodynamique de la pale. 13

Arrêt par frein à disque automatique Il ne s'agit plus d'un système de ralentissement, mais d'arrêt complet de l'éolienne. Ce mécanisme se déclenche automatiquement lorsque la vitesse atteint un certain seuil par l'intermédiaire d'un détecteur de vitesse. En cas de ralentissement du vent, le frein est relâché et l'éolienne fonctionne de nouveau librement. Ce dispositif peut aussi se déclencher lorsqu'un problème de réseau électrique est détecté. Les éoliennes à pas fixe et régulation Stall comportent souvent, par sécurité, deux freins à disques. Poids économique des acteurs de l'industrie éolienne Une éolienne utilisée pour fournir de l'électricité aux réseaux délivre des puissances importantes, de Tordre de 2 MW à l'intérieur des terres et de 5 MW en mer. Cependant, des modèles plus petits sont également disponibles. C'est ainsi que certains navires sont maintenant équipés d'éoliennes pour fairefonctionnerdes équipements tels que le conditionnement d'air. Typiquement, il s'agit alors de modèles à axe vertical prévus pour fournir de l'énergie quelle que soit la direction du vent. Une éolienne de ce type délivrant 3 kW tient dans un cube de 2,5 m de côté. Certaines éoliennes produisent directement de l'énergie mécanique sans passer par la production d'électricité, notamment pour le pompage de Teau dans des lieux isolés. Ce mode de fonctionnement correspond à celui des moulins à vent d'autrefois, qui entraînaient le plus souvent des meules de pierre ; en effet, la plupart des 20 000 moulins à vent à lafindu XVIIIe siècle en France servaient à la minoterie.

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