Présentation et
caractéristiques
des différents
types de
capteurs éoliens

 


 

 

Tout d’abord, il faut noter qu’il existe un grand nombre de dispositifs permettant de capter l’énergie éolienne pour la transformer en énergie mécanique de rotation, seulement il est important de se poser certaines questions essentielles telles que: quelle sera sa taille, son coût, la puissance qu’il pourra fournir, sa résistance à l’usure? Autant de questions qui font qu’un grand nombre de capteurs éoliens ont été mis de côté et que seul un petit nombre d’entre eux ont été largement exploités.

Une classification méthodique, universellement adoptée fait apparaître les groupes, les noms et les formes de ces capteurs. On distingue trois principaux paramètres de fonctionnement pour caractériser un capteur éolien et notamment son efficacité.

Le premier paramètre de fonctionnement est relatif à la vitesse périphérique (ou vitesse en bout de pale) U=ωR (avec ω la vitesse de rotation de la machine éolienne et R le rayon d’extrémité de la pale); ce paramètre de rapidité ou vitesse spécifique noté λ est le rapport de la vitesse U à la vitesse V du vent:

 

Zone de Texte: λ = U / V = (ωR) / V
 


Les machines peuvent être classée en fonction de ce paramètre: si λ est inférieur à 3, l’éolienne est dite lente; au-delà, l’éolienne est dite rapide. A titre d’exemple, des éoliennes bipales peuvent avoir un paramètre λ égal à 20. Cependant, une grande vitesse de rotation peut entraîner des nuisances telles que le bruit.

 

Zone de Texte: Cp = Pm / (0.5 ρ S V ³)
 


Le second paramètre qui caractérise le capteur éolien est le coefficient de puissance noté Cp. Il est défini par le rapport de la puissance Pm recueillie sur l’arbre moteur du capteur à la puissance cinétique qui passerait dans le disque du rotor en son absence:

 

(La valeur maximale du Cp définie par Betz, est égale à 0.592.

Le troisième paramètre important est le coefficient du couple: c’est le rapport du couple moteur Cm qui s’exerce sur l’arbre de sortie du capteur éolien(Cm = Pm / ω) au couple aérodynamique Ca.

Zone de Texte: Cc = Cm / Ca = Cp / λ
 


Les paramètres Cp et Cc caractérisent les performances du capteur et sont habituellement représentés en fonction de λ. Cependant plus généralement, on classifie les capteurs éoliens par l’orientation de leur axe de rotation par rapport à la direction du vent. On distingue de cette manière:

- les capteurs à axe horizontal

- les capteurs à axe vertical

- les capteurs qui utilisent le déplacement d’un mobile (peu exploitable)

- les dispositifs statiques de récupération de l’énergie éolienne

Faisons donc l’inventaire des différents types de capteurs éoliens selon leur catégorie et intéressons-nous à leurs caractéristiques générales.

Il faut cependant savoir que la plupart de ces capteurs éoliens comme le rotor Savonius ou encore les machines à clapets battants par exemple n’ont pas vraiment d’ouvertures sur l’avenir et qu’aujourd’hui seuls les capteurs à axe horizontal bi- et tripales sont utilisés pour la production d’électricité à échelle nationale.

 

Les capteurs à axe horizontal :

 

Ce sont les machines actuellement les plus répandues car leur rendement est supérieur à celui de toutes les autres machines. Elles comportent généralement des hélices à deux ou trois pales, ou des hélices multipales pour le pompage de l’eau.

On peut distinguer les capteurs éoliens dont l’hélice est en amont par rapport au vent, « hélice au vent », et ceux dont l’hélice est en aval par rapport au vent, « hélice sous le vent  ».

 

                

 

Les moulins hollandais: Bien que de conception ancienne; ils se caractérisent par un assez bon coefficient de puissance de la machine (Cp=0.3) pour des vitesses de l voisines de 2 à 3, et par un couple maximal pour ces deux vitesses.

 

Les moulins américains: Construits aux Etats-Unis dès 1870, les éoliennes multipales peuvent comporter de 12 à 30 pales. Le coefficient de puissance approche 0.3 pour des vitesses spécifiques proches de 1 (λ ~ 1); le coefficient de couple est élevé au démarrage. Le plus souvent, ces éoliennes sont de petite taille; la roue à couramment un diamètre de 3 à 8 mètres. Ces éoliennes fonctionnent bien jusqu’à un vent de 7 à 8 m/s; au-delà, il faut prévoir un dispositif d’arrêt et d’éclipsage qui doit mettre la machine en sécurité. Ces éoliennes sont pourvues d’un gouvernail de direction pour orienter le disque normalement à la direction du vent (cf schéma ci-dessus).

 

 

 

Les éoliennes rapides: la puissance nominale de ces capteurs est très étendue, de quelques dizaines de watts à quelques mégawatts, de même que la taille du rotor (de 1 à 100 mètres de diamètre). L’optimisation du rotor a grandement bénéficié des travaux de recherche de l’aéronautique.

Les coefficients de moment et de puissance sont optimaux pour des valeurs de l comprises entre 6 et 10. Les éoliennes rapides obtiennent des rendements élevés (voisins de 85% par rapport à la limite de Betz).

Le disque éolien peut être placé en amont (hélice au vent) ou en aval (hélice sous le vent) du support. La tendance actuelle est de situer le rotor en position aval.

 

 

Les capteurs à axe vertical :

 

Les principaux capteurs à axe vertical sont le rotor de Savonius, le rotor de Darrieus et le capteur à ailes battantes. Il existe également les machines à traînée différentielle comme le moulinet, les machines à écran et les machines à clapets battants.

 

 

 

·  Le rotor de Savonius est constitué de deux demi-cylindres dont les axes sont décalés l’un par rapport à l’autre. L’écoulement interne favorise les caractéristiques de performance de la machine. Le coefficient Cp maximal atteint 0.3. Le rotor de Savonius est caractérisé par un grand couple de démarrage. A titre d’exemple, des machines de plusieurs kilowatts ont été réalisées pour assurer le pompage de l’eau dans les pays du Sahel; elles démarrent à des vitesses de vent faible, voisines de 2 à 3 m/s. Ces systèmes présentent cependant beaucoup plus d’inconvénients que d’avantages dans les réalisations actuelles, en particulier ils nécessitent comme les systèmes à axe horizontal parallèle « au vent » un dispositif d’orientation. La récupération de l’énergie produite est en général beaucoup plus compliquée et se traduit souvent par une perte sensible du rendement global.

·  Le principe du rotor ou panémone de Darrieus inventé par l’académicien français Darrieus au cours des années 1920-1935 repose sur l’effet de portance d’un profil soumis à l’action d’un vent relatif. Il existe quatre sortes de rotors de Darrieus: le rotor cylindrique, le rotor tronconique, le rotor à variation cyclique et le rotor parabolique.

 

 

 

Rotor de Darrieus:                                                                   rotor de Savonius :

         

 

 

 

 

Toutes ces machines ont besoin d’être haubanées, c’est-à-dire soutenues par des câbles ou des cordages. Le comportement dynamique de la machine doit tenir compte des modes propres de vibration de tous les organes structuraux, y compris celle des haubans.

 

 

 

·  Le moulinet qui est une machine à traînée différentielle est constitué de plusieurs demi-sphères ou de coquilles cylindriques (augets) montées sur des bras reliés à un axe vertical tournant.

La rotation est assurée par la traînée aérodynamique qui s’exerce différemment sur l’aube qui remonte face au vent et sur celle qui s efface au vent. Le paramètre λ est inférieur à 1 ce qui dénote une assez faible vitesse de rotation. Le coefficient de puissance maximal Cp max est voisin de 0.18 lorsque λ vaut 0,6. Les anémomètres à coupelles, à papillon et du type Ailleret fonctionnent suivant ce principe. Les vents de faible vitesse, 1 à 2 m/s, suffisent pour assurer leur démarrage. Cependant, ce type de capteur éolien ne convient pas pour alimenter un générateur électrique car il ne produit qu’une très faible puissance.

·  Les machines à écran: Les aubages qui vont à contre-courant du vent sont protégés par un écran orientable grâce à la présence d’un gouvernail. Les aubes peuvent être réduites à de simples plaques planes ou légèrement cambrées.

 

 

 

machine à écran:                                                                                           moulinet:

                                    

 

 

 

 

Fonction globale

 

 

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