Quels sont les différents types d’éolienne ?

Les éoliennes exploitent la source d’énergie renouvelable qu’est le vent, mais il existe différents types d’éoliennes, dont certaines peuvent être utilisées pour des applications domestiques à petite échelle et d’autres pour des centrales éoliennes. Étant donné que l’écologie devient de plus en plus importante et que la civilisation humaine est fortement dépendante de l’énergie, l’énergie éolienne et les équipements qui permettent de la récolter sont plus importants que jamais. Il est donc très utile de savoir à quoi ressemblent les différents types d’éoliennes et où elles peuvent être utilisées.

L’énergie éolienne : Qu’est-ce que c’est et quels sont ses types

Divers facteurs agissent pour mettre l’atmosphère en mouvement, un phénomène que nous appelons le vent. Ce mouvement naturel ou énergie cinétique existe, et il semble raisonnable de trouver des moyens de l’exploiter. L’énergie cinétique du vent n’a rien de nouveau pour nous, les humains. Nous l’avons déjà utilisée pour faire tourner nos moulins à vent il y a près de mille ans. Autre exemple, nous l’utilisons depuis longtemps dans les marteaux-piqueurs. Mais existe-t-il d’autres façons d’utiliser l’énergie éolienne dans une application plus concrète ?

La réponse est bien sûr un grand OUI ! L’idée essentielle est que l’énergie cinétique du vent peut être utilisée pour faire tourner un équipement, comme c’est le cas des moulins à vent, mais cette fois pour produire de l’électricité, comme c’est le cas des turbines à gaz où le gaz chaud fait tourner la turbine et produit de l’énergie. Par conséquent, ce que nous entendons généralement de nos jours par énergie éolienne, c’est l’énergie éolienne, qui consiste à produire de l’énergie électrique à partir de l’énergie cinétique du vent à l’aide d’équipements appelés éoliennes.

Nous pouvons classer le vent en fonction de l’endroit où son énergie est récoltée : vent terrestre et vent offshore. L’énergie éolienne terrestre peut être classée en deux catégories : les « petites éoliennes » ou « éoliennes distribuées » et les « éoliennes de service public » :

• Le petit éolien fait référence à l’utilisation de l’énergie éolienne à petite échelle pour les maisons, les fermes et les entreprises, pour lesquelles de petites éoliennes d’une puissance allant jusqu’à 100 KW sont utilisées pour fournir l’énergie requise. Dans cette configuration, les éoliennes ne sont pas connectées au réseau et l’énergie qu’elles produisent est directement consommée par l’utilisateur final.
• L’éolien à grande échelle fait référence à l’utilisation de l’énergie éolienne dans des applications de production d’électricité à grande échelle. Les éoliennes utilisées à cette fin ont des tailles allant de 100 KW à plusieurs mégawatts. Malgré la petite taille des éoliennes, l’énergie produite par les éoliennes à l’échelle industrielle est injectée dans le réseau électrique pour être distribuée et utilisée par les utilisateurs finaux.
• L’éolien offshore, comme son nom l’indique, consiste à utiliser l’énergie éolienne dans les zones offshore en y installant de grandes éoliennes. Les éoliennes en mer sont plus grandes que les éoliennes terrestres et peuvent donc généralement produire plus d’énergie que leurs homologues terrestres.

Les éoliennes qui réalisent la conversion de l’énergie du vent en énergie électrique peuvent également être classées en différents types. Dans le sens le plus général, les éoliennes sont classées en deux catégories : les éoliennes à axe horizontal (HAWT) et les éoliennes à axe vertical (VAWT). Bien qu’il existe des éoliennes qui n’appartiennent à aucun de ces deux types, en raison de leur mise en œuvre très limitée dans des applications réelles, nous pouvons naturellement nous en tenir aux deux types HAWT et VAWT comme les principaux types d’éoliennes utilisés en action.

Types d’éoliennes : HAWT

L’un des principaux types d’éoliennes est le HAWT, qui est l’éolienne la plus largement utilisée. Ces types d’éoliennes sont probablement ce à quoi vous pensez lorsque vous entendez « éolienne » La conception de ces turbines suit à peu près la même idée que celle déjà mise en œuvre dans les moulins à vent : des pales de rotor reliées à un arbre et qui tournent lorsque le vent les frappe, mais cette fois l’arbre est relié à un générateur qui produit l’énergie électrique promise. Elles ressemblent à une grande hélice d’avion montée au sommet d’un mât ou d’une tour.

Les éoliennes à axe horizontal sont l’un des types d’éoliennes qui doivent être alignées avec la direction du vent. Elles ont donc besoin d’un capteur de vent qui détecte la direction du vent et d’un mécanisme d’orientation qui fait tourner le dispositif afin d’être correctement aligné face au vent. La raison de la nécessité de faire face au vent est à la fois une distribution plus efficace de la force sur les rotors, et la prévention des dommages structurels de l’éolienne en raison d’une charge inadéquate sur la structure de l’éolienne.

En ce qui concerne les considérations structurelles, la structure des éoliennes à axe horizontal doit être suffisamment solide pour supporter le poids des pales du rotor, de la boîte de vitesse, du générateur et des autres composants de l’éolienne. En outre, la base du mât doit être capable de résister aux vents forts qui soufflent à l’endroit où l’éolienne est installée.

Parmi les différents types d’éoliennes, les HAWT sont les plus utilisées en raison de leur efficacité et de leur capacité de production d’énergie plus élevée pour un même encombrement. Par conséquent, la plupart des parcs éoliens, qui sont des centrales électriques comprenant un certain nombre d’éoliennes produisant de l’énergie, utilisent ces types d’éoliennes.

Les éoliennes à axe horizontal sont essentiellement de deux types : les éoliennes à vent debout et les éoliennes à vent arrière. Nous allons les examiner plus en détail dans les paragraphes suivants.

Les éoliennes à axe horizontal

Ces types d’éoliennes sont les plus couramment utilisés. Les HAWT vent debout font face au vent, ce qui signifie que le vent atteint les rotors avant le mât. Les rotors ne souffrent donc pas de l’ombre du vent derrière le mât, ce qui signifie un fonctionnement plus efficace ainsi qu’une moindre susceptibilité à l’usure des rotors. Néanmoins, la nécessité d’un mécanisme d’orientation ajoute au poids de la structure.

Un autre point concernant les éoliennes de type « up-wind » est que leurs rotors ne doivent pas être flexibles, afin d’éviter qu’ils ne se plient et n’entrent en collision avec le mât lorsque la vitesse du vent est élevée. Pour éviter de tels incidents, le rotor est placé à une certaine distance de la tour. Cela ajoute aux difficultés de fabrication de ces types d’éoliennes, et le manque de flexibilité des pales du rotor équivaut à un besoin de matériaux plus lourds pour la construction des pales.

Éoliennes sous le vent

Les éoliennes à axe horizontal sous le vent sont les types d’éoliennes les moins courants. Leur conception est à peu près la même que celle des HAWT à vent debout, à l’exception de l’emplacement du rotor, qui se trouve en aval de la tour ; le vent frappe le mât avant d’atteindre les pales. Cette configuration permet une plus grande flexibilité des pales du rotor, ce qui permet d’utiliser des matériaux plus légers. Cette conception répond donc à deux objectifs : un poids structurel plus léger et une meilleure dynamique structurelle de la tour en transférant une partie de la charge de la tour aux pales pendant leur flexion.

Les éoliennes à axe horizontal sous le vent ne nécessitent théoriquement aucun mécanisme d’orientation, à condition que les rotors et le boîtier soient conçus de manière à ce que le boîtier suive passivement la direction du vent. L’orientation passive de ces éoliennes ne serait pas un avantage pour les grandes éoliennes dont les câbles de mise à la terre sont fixés au boîtier.

Comme le rotor de ces types d’éoliennes est situé derrière en aval du mât, elles souffrent de l’ombre du vent. L’ombre du vent n’induit pas seulement des fluctuations dans la quantité d’énergie produite, mais entraîne également une plus grande fatigue des éoliennes situées dans le sens du vent par rapport à leurs homologues situées dans le sens du vent.

Types d’éoliennes : VAWT

Les éoliennes à axe vertical (VAWT) sont l’un des types d’éoliennes pour lesquelles les rotors font tourner un arbre installé verticalement. Ce type de conception permet une moindre sensibilité à la direction du vent, ce qui en fait le choix idéal pour les endroits où la direction du vent change fréquemment. Quelle que soit la direction du vent, les pales continuent à bouger et à faire tourner l’arbre pour produire de l’énergie.

Le générateur de ces types d’éoliennes est situé près du sol. En effet, l’emmener en hauteur ne serait pas si plausible étant donné la conception des rotors et leur hauteur. Cette configuration facilite l’entretien des éoliennes à axe vertical par rapport aux éoliennes à axe horizontal, dont tous les composants sont installés à une certaine hauteur. Cependant, les éoliennes à axe vertical ont un rendement inférieur à celui des HAWT en raison d’une quantité importante de traînée d’air sur les rotors pour certaines conceptions, ainsi qu’une puissance de sortie inférieure en raison du fait que la vitesse du vent et son flux à une certaine distance du sol sont plus élevés et plus lisses qu’au niveau du sol.

Turbines Savonius

La force qui fait tourner les turbines Savonius est la traînée, ce qui en fait des VAWT de type traînée. L’idée de leur conception est assez similaire à celle des anémomètres à coupelles. Dans les anémomètres à coupelles, comme celui présenté ci-dessous, il y a toujours une coupelle qui fait face au vent et qui subit la plus grande résistance exercée sur sa surface, tandis que les autres coupelles ont leurs autres surfaces de forme ronde et donc moins résistantes face au vent.

Ce qui se passe dans les éoliennes de type Savonius suit la même logique. Comme on peut le voir sur la figure ci-dessous, il y a toujours une surface présentant la plus grande traînée, tandis que les autres subissent une force de traînée moindre.

Le point important de cette conception est qu’elle tourne quelle que soit la direction du vent. Ces types d’éoliennes fonctionnent également très bien avec des vents à faible vitesse, sont faciles à fabriquer et à entretenir, et fonctionnent bien dans des vents turbulents. Malgré ces avantages, cette conception est très inefficace. En effet, les forces de traînée favorables et défavorables ne sont pas si différentes les unes des autres et, par conséquent, la vitesse de rotation ne serait pas si élevée.

Ces types d’éoliennes peuvent s’auto-démarrer grâce au couple élevé qu’elles génèrent, mais leur faible vitesse de rotation ne permet pas de produire beaucoup d’énergie électrique au niveau du générateur. Par conséquent, elles ne peuvent pas être utilisées pour la production d’énergie à grande échelle et ne peuvent être utilisées que pour des applications à petite échelle où d’autres types d’éoliennes ne fonctionnent pas aussi bien.

Il existe des modèles de turbines Savonius torsadées qui possèdent de longues spirales hélicoïdales générant un couple en douceur et qui pourraient être utilisées sur les toits.

Les éoliennes Darrieus

Les éoliennes Darrieus, contrairement aux éoliennes Savonius, sont des VAWT de type élévateur, dans lesquelles l’idée de la production d’une portance par des profils aérodynamiques a été mise en œuvre. Ces types d’éoliennes sont les plus répandus parmi les éoliennes à axe vertical pour la production d’énergie. Elles sont dotées de pales courbes, en forme de C, qui vont du haut de la tour jusqu’au bas où elles sont reliées à l’arbre du générateur. Elles ont un bon rendement car elles tournent à des vitesses plus élevées qui peuvent générer plus d’énergie.

Ce régime plus élevé s’accompagne d’un couple plus faible à un niveau qui nécessite une source externe de mécanisme de démarrage pour ces types d’éoliennes, comme une autre turbine Savonius qui porterait la vitesse de rotation à un niveau où les pales Darrieus pourraient « prendre la roue ». Elles souffrent également d’une ondulation du couple, c’est-à-dire d’une augmentation et d’une diminution périodique du couple généré, et donc d’une contrainte périodique sur la structure de la tour. Les éoliennes Darrieus à trois pales ne souffrent pas de ce problème d’ondulation du couple.

Les éoliennes Giromill

Les éoliennes Giromill sont inspirées des éoliennes Darrieus. Ces types d’éoliennes sont donc des VAWT de type élévateur avec des pales verticales droites au lieu de pales courbes. Les éoliennes Giromill ne sont pas auto-démarrées comme les éoliennes Darrieus, et peuvent ne pas avoir une vitesse de rotation régulière. Par conséquent, elles ne sont pas aussi efficaces que les éoliennes Darrieus. Néanmoins, elles sont moins chères, plus faciles à fabriquer et fonctionnent bien dans les vents turbulents.

Cycloturbines

Les cycloturbines sont très similaires aux éoliennes Giromill, et sont en fait une variante des éoliennes Giromill qui sont en quelque sorte un type hybride d’éoliennes à axe vertical. La raison en est que leurs pales sont de type à pas variable. Lorsque le vent n’est pas assez rapide, ce qui est généralement le cas lors du démarrage de l’éolienne, les pales sont inclinées contre le vent d’une manière similaire à l’idée des éoliennes Savonius pour produire le plus de traînée et de couple afin d’obtenir une éolienne à démarrage automatique.

Lorsque l’éolienne atteint un certain régime, les pales changent d’inclinaison afin de produire plus de portance plutôt que de traînée pour augmenter encore le régime, comme c’est le cas pour les éoliennes Darrieus. Aussi intéressant que cela puisse paraître d’avoir une VAWT aussi efficace et flexible, il est clair que sa conception et sa fabrication sont plus compliquées que les autres conceptions, ce qui les rend plus chères, et qu’elles comportent plus de composants, et sont donc plus lourdes et nécessitent plus de maintenance.

Autres conceptions

La quête d’une conception d’éolienne plus efficace et plus innovante ne s’arrête pas là. Il existe de nombreuses autres conceptions telles que les rotors canalisés, les éoliennes carénées, les turbines multi-rotors coaxiales, les turbines contre-rotatives, etc. pour les HAWT. Pour les VAWT, il existe des pales fermées, des rotors en H, des éoliennes en O, etc.

Outre ces nouvelles conceptions des mêmes concepts HAWT et VAWT, il existe des éoliennes sans pales telles que les aérogénérateurs ioniques sans vannes, les turbines à couche limite, etc.

D’autres concepts gagnent également du terrain, comme l’INVELOX de SheerWind qui collecte d’abord l’air provenant de différentes directions, l’achemine vers une section qui atteint un Venturi, dans lequel est placée une turbine dont la fréquence est plus élevée que celle des HAWT classiques.

Quels sont les effets des éoliennes sur l’environnement ?

Malgré ses nombreux avantages, l’énergie éolienne représente une menace potentielle pour l’environnement, notamment la réduction, la fragmentation et la dégradation des habitats de la faune, des poissons et des plantes. Les pales des éoliennes peuvent également être dangereuses pour les créatures volantes comme les oiseaux et les chauves-souris.

Est-il judicieux d’investir dans une éolienne domestique ?

Les éoliennes résidentielles peuvent être une source d’énergie rentable et pratique pour les propriétaires dans les bonnes circonstances. Une éolienne ne fournira peut-être pas toute l’électricité dont vous avez besoin, mais elle pourrait réduire considérablement vos factures d’électricité. Veillez à choisir l’éolienne qui convient à votre emplacement.