Un article de Savoir.

Pour les îles du même nom près de la Sicile, voir Îles Éoliennes

Une éolienne est un dispositif permettant d'utiliser l'énergie du vent. C'est une forme d'énergie renouvelable.

Sommaire 1 Fonctionnement 1.1 Puissance récupérable 1.1.1 Formule de Betz 2 Étymologie 3 Sites éoliens 3.1 Critères de choix 3.2 Sur la terre ferme 3.3 Pleine mer 3.4 Altitude 3.5 Villes 4 Modélisation d'une éolienne 4.1 Axe horizontal 4.2 Axe horizontal et pales horizontales 4.3 Axe vertical 5 Modalités de freinage et d'arrêt 5.1 Régulation et freinage par basculement de l’éolienne 5.2 Régulation aérodynamique sur les pales 5.3 Arrêt par frein à disque automatique 6 Aspects économiques et environnementaux 7 Voir aussi 8 Liens externes

Fonctionnement

Une éolienne permet de récupérer l'énergie cinétique du vent, le plus souvent pour produire de l'électricité, grâce aux éléments suivants qui la composent :

• Le mât qui permet de placer l'éolienne à une hauteur où la vitesse du vent est plus élevée et plus régulière qu'au sol.
• Une hélice, montée sur l'axe du rotor de l'alternateur, qui est composée généralement de trois pales.
• Une nacelle montée au sommet du mât et abritant les composants électriques, pneumatiques et électroniques nécessaires pour convertir le mouvement de rotation du rotor en énergie électrique à la sortie de l'alternateur synchrone ou asynchrone.
• Une cabine de dispersion à la base de l'éolienne et permettant de se connecter au réseau d'électricité existant, afin de pouvoir y injecter l'énergie produite et non consommée directement.

Puissance récupérable

La puissance du vent contenue dans un cylindre de section <math> S \, </math> est :

<math> P_{cin} = \frac{1}{2} . \rho . S . V^3 \, </math> avec :

<math>\rho \, </math> : masse volumique de l'air (environ 1,23 kg/m³ à 15 °C)

<math> V \, </math> : vitesse du vent en m/s

Formule de Betz

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 :

<math> V_{sortie} = \frac{1}{3} V_{incidente} \, </math>

Ceci a pour conséquence que la puissance maximale récupérable est

<math> P_{max} = \frac{16}{27} . P_{cinetique} = \frac{8}{27} \rho . S . V^3 \, </math>.

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.

Étymologie

Le mot éolienne vient du grec Éole qui est le nom du dieux des vent.

Sites éoliens

Critères de choix

L'efficacité d'une éolienne dépend grandement de son emplacement. En effet, la puissance fournie augmente avec le cube de la vitesse du vent, et les sites seront d'abord choisis en fonction de la permanence de vents de force suffisante. Un site avec des vents d'environ 30 km par heure en moyenne sera toujours bien meilleur (de l'ordre de 8 fois) qu'un autre site avec des vents de 15 km par heure en moyenne.

En règle générale, les éoliennes sont utilisables quand la vitesse du vent est supérieure à une valeur comprise entre 10 et 20 km par heure, sans toutefois atteindre des valeurs excessives qui conduiraient soit à la destruction de l'éolienne, soit à des coûts de construction et de maintenance prohibitifs.

On recherche habituellement les sites propices à l'installation d'éoliennes en observant les arbres et la végétation. Le site est intéressant s'ils sont constamment courbés par les vents. Une autre façon de procéder est d'utiliser une carte de la vitesse des vents, ou des données accumulées par une station météorologique proche.

Sur la terre ferme

Dans une installation classique en plaine, une tour d'environ 100 mètres est généralement nécessaire pour placer l'éolienne à une hauteur convenable de façon à obtenir un bon rendement. Dans les zones où le relief est très complexe, il est parfois possible de doubler la puissance de sortie en la déplaçant de 30 m. C'est pour cela que l'on étudie et modélise bien souvent les vents avant l'installation d'éoliennes.

L'énergie éolienne est aisément exploitable dans les Grandes Plaines nord-américaines, dans les plaines centrales eurasiennes, ainsi que sur la cime de certaines chaînes de montagnes. Les sites soumis aux tempêtes sont également propices aux éoliennes. Le plus gros « réservoir » d'énergie éolienne se situe dans les océans, et particulièrement au 40^e parallèle sud.

Pleine mer

À condition qu'elles soient implantées assez loin de la côte, les éoliennes en pleine mer (offshore) entraînent moins d'impacts sur le paysage. L'installation d'éoliennes en mer est beaucoup plus coûteuse qu'à terre : les mâts doivent être étudiés pour résister à la force des 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. Par contre, une éolienne offshore peut fournir jusqu'à 5MW (à comparer aux éoliennes terrestres limitées à 3MW dans des sites bien ventés). Dans les zones où la mer est peu profonde (comme par exemple au Danemark), il est assez simple de les installer, et elles ont un bon rendement. L'ensemble des éoliennes (offshore ou pas) du Danemark produit environ 10 à 15 % de l'électricité nécessaire au pays. Le Danemark est un leader et précurseur dans la construction et l'utilisation de l'énergie éolienne, avec un projet lancé dans les années 1970 pour produire la moitié de l'énergie du pays de cette manière. Alors que les États-Unis ont perdu tout intérêt dans les éoliennes lors de la chute des cours du baril après la crise des années 1970, le Danemark a poursuivi ses efforts, et est finalement devenu le premier exportateur mondial de grandes turbines, qui produisent entre 0.66 et 3 MW chacune. Une éolienne mesure entre 30 et 100 mètres de hauteur

Altitude

Le vent est engendré par une différence de température ou de pression. Il est ralenti par les obstacles, et la rugosité du sol, et est généralement plus fort en altitude. Les plaines ont des vents forts parce qu'il y a peu d'obstacles. Les cols de montagne ont eux aussi des vents forts, parce qu'ils canalisent les vents de haute altitude. Dans certains cols, les vents proviennent de l'écart de température entre les deux versants. Les éoliennes installées sur les côtes ou en bordure de mer bénéficient de vents puissants et réguliers, car la surface de l'eau ne constitue pas un obstacle (faible rugosité), et parce que la différence de température mer/terre favorise des vents thermiques.

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 à bas voltage. 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 qui recharge une petite batterie.

Modélisation d'une éolienne

Axe horizontal

Une éolienne ressemble fortement à une hélice, mais avec quelques différences subtiles. Une éolienne est 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.

Certaines raisons obligent à 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 nécessités par une éolienne augmentent très 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. L'un des meilleurs matériaux disponibles (en 2001) est l'époxy. Le graphite composite permet de construire des éoliennes de 60 m de rayon, suffisantes pour obtenir quelques mégawatt. Les éoliennes plus petites peuvent être construites en des matériaux plus légers, telle que la fibre de verre, l'aluminium ou quelquefois 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 tourner 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 3 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 2 pales étaient verticales en même temps. Le modèle à 2 pales est celui qui reçoit le plus de contraintes.

La plupart des éoliennes artisanales possèdent deux pales, car il est simple de courber une longue pièce de bois ou de métal, et de la monter sur un générateur de voiture.

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. 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 et fixés au sommet et à la base de l'axe vertical. Une éolienne de ce type a fonctionné au Canada 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. Des rendements de 8000 kWh/an sont annoncés (2004) pour une éolienne de 3 m de diamètre et 2 m de haut. Ce qui rend quasiment autonome une maison individuelle.

Modalités de freinage et d'arrêt

Régulation et freinage par basculement de l’éolienne

Ce dispositif est installé seulement sur de petites éoliennes, il crée, comme d’autres systèmes, des efforts irréguliers sur les pales. Il consiste à sortir le rotor du lit du vent de façon à diminuer ses effets sur les pales. Plus le vent force, plus il entraîne la compression d’un ressort qui tenait verticale la tête de l’éolienne et, par très grands vents, la nacelle va jusqu’à se coucher.

Régulation aérodynamique sur les pales

• Le pas variable permet de modifier l'orientation des pales sur le 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 l'énergie absorbée par l'éolienne pour la faire démarrer.
• Le pas fixe empêche les pales d'accélérer en utilisant l’effet Stall qui agit comme un frein par le décrochage aérodynamique au niveau de la pale du rotor.
• Les volets (aéro-frein 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.

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 lorsque un problème de réseau est détecté. Remarque : Les éoliennes à pas fixe et régulation Stall comportent souvent, par sécurité, deux freins à disque.

Aspects économiques et environnementaux

La croissance de l'industrie éolienne mondiale est de l'ordre de 30 % par an depuis le début des années 2000 (http://www.ewea.org ou http://www.awea.org). La puissance installée dans le monde atteignait, fin 2004, 47 GW, dont 40 % en Allemagne. Viennent ensuite : l'Espagne, les États-Unis et le Danemark. Le Japon et l'Inde (5 % du total) y recourent de plus en plus.

Au début de l'année 2005, le parc éolien français comptait 629 éoliennes. La France avec ses DOM produisait 386 mégawatts ce qui représentait moins de 1 % de sa consommation électrique totale. La première région productrice était le Languedoc-Roussillon (17 parcs et 64 machines), suivie par la Bretagne, la Corse, Rhône-Alpes et le Nord-Pas-de-Calais. Par la création de 8 parcs nouveaux produisant 170,2 MW, le Languedoc-Roussillon augmente son potentiel dans la période 2005-2007 et devrait rester la première région productrice en France.

Les éoliennes utilisées pour fournir de l'électricité aux réseaux peuvent maintenant atteindre des puissances importantes, de l'ordre 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 faire fonctionner des 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 et 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 l'eau 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 la fin du XVIII^e siècle en France servaient à la minoterie.

Capacité de production d'énergie éolienne en MW (** = à compléter)

	Allemagne	Espagne	États-Unis	Danemark	Inde	Italie	Pays-Bas	Japon	Grande-Bretagne	Autriche	Grèce	France	Suisse	Source
fin 2004	16 629	8263	6740	3117	2985	1125	1078	896	888	606	273	376	8.7	Suisse Eole et[1]
fin 2005	18 428	10 027	**	3122	**	1717	1219	**	1353	819	573	757	11.6	EWEA

Ce développement de la capacité de production répond à une demande croissante d'une partie de la population pour une production d'énergie renouvelable.

Cependant, on constate des freins à l'implantation de champs de production : les riverains craignent généralement une dégradation de l'aspect visuel des sites concernés, ainsi qu'un impact sur l'écosystème par le bruit des éoliennes et les interférences électro-magnétiques induites par leurs générateurs.

Voir aussi

• Tour énergétique
• Énergie éolienne

Liens externes

• Explications détaillées sur les origines et le fonctionnement des Eoliennes modernes
• Groupe Eolien Francophone d'Etudes et Recherches
• Des explications détaillées sur les éoliennes pour les enfants mais aussi les plus grands sur le site de l'Association Danoise des industries Éoliennes
• Les Compagnons d'Eole Association pour la promotion des éoliennes.
• VentdeColere.org La fédération française contre les éoliennes industrielles.
• Onpeutlefaire.com Construire une éolienne à axe vertical.
• Fabriquer soi-même une éolienne
• Forum de discussion sur le petit éolien (construction, achats, modélisation, ...)

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