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RÉSUMÉ
L'intérêt premier d'une éolienne se situe dans la récupération de l'énergie cinétique présente dans le vent. Ce dispositif, qui a su évoluer considérablement depuis ses premières utilisations très anciennes, fait appel à des compétences dans des domaines variés, comme l’aérodynamique, la mécanique, les matériaux, la météorologie. Cet article s’attache à exposer le contexte actuel des différents types d’éoliennes (à axe vertical et à axe horizontal), à travers les aspects et les caractéristiques liés à leur utilisation. Leur principe de fonctionnement, et notamment la conception du rotor (indispensable à la récupération d’énergie), les pâles mais encore leur implantation sur site sont des paramètres importants, également abordés dans cet article.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Marc RAPIN : Diplômé de l'ENSAM - Expert Éolien - Ingénieur d'études au Département Aéroélasticité et Dynamique des Structures de l'Onera, The French Aerospace Lab
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Philippe LECONTE : Diplômé de l'ENSAM et de l'École Supérieure des Techniques Aérospatiales - Chef du Service « Bureaux d'Études Centraux » de la Direction des Grands Moyens Techniques de l'Onera, The French Aerospace Lab
INTRODUCTION
Les éoliennes représentent une forme très ancienne d'exploitation du vent. Toutefois, le vingtième siècle et, en particulier, les années 1970-2000, ont vu se développer les éoliennes actuelles avec une importante évolution à la fois de leur utilisation de par le monde et de leur conception. On est ainsi passé de la petite machine isolée pour le pompage de l'eau aux grands parcs d'aérogénérateurs multimégawatts connectés sur le réseau.
Les progrès technologiques et scientifiques réalisés dans différents domaines de l'ingénieur, dont l'aérodynamique, les structures, les matériaux, l'électrotechnique, la météorologie et le contrôle, ont permis d'améliorer l'efficacité et la fiabilité de ces machines. Les éoliennes à axe horizontal se sont progressivement imposées et représentent la quasi-totalité du marché actuel.
Cet article permet de donner une vision globale des aspects liés à l'éolien, d'appréhender, sans être exhaustif, les thématiques impliquées et ses spécificités. Il s'attache en particulier à décrire le potentiel de conversion d'énergie que l'on peut obtenir grâce au rotor d'une éolienne, dont les principes s'apparentent ou sont issus de ceux des hélices et rotors d'hélicoptère.
Le lecteur se reportera utilement à l'article de ce traité sur les hélices aériennes et à celui du traité Génie éléctrique sur les aérogénérateurs électriques pour les aspects électrotechniques.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de janv. 2001 par Philippe LECONTE, Marc RAPIN, Edmond SZECHENYI
- Version archivée 3 de janv. 2017 par Marc RAPIN, Philippe LECONTE
- Version courante de août 2024 par Marc RAPIN
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5. Pales
5.1 Dimensionnement
On l'aura compris : la conception d'une pale doit faire appel à un compromis délicat entre le rendement aérodynamique, la légèreté, la résistance statique, la tenue en fatigue et le coût de fabrication.
Ainsi, le choix des profils et leur répartition en envergure, la forme en plan (évolution de la corde en fonction de l'envergure) et le vrillage de la pale doivent être soigneusement étudiés et adaptés au type de machine utilisé. Ainsi, selon la taille de l'éolienne, le vrillage pourra différer significativement d'une machine à l'autre. Pour une machine de grande taille à pas variable, on pourra envisager de démarrer la rotation en s'aidant du générateur utilisé en moteur. Par contre, pour une petite éolienne régulée au décrochage, le vrillage, notamment au pied de la pale, devra permettre un démarrage autonome de la machine. À ces contraintes s'ajoutent bien évidemment les critères relatifs au vent que la machine devra « utiliser ». Les constructeurs sont ainsi amenés à proposer différents types et diamètres de pale pour une même puissance en fonction de la vitesse moyenne rencontrée sur les sites d'implantation.
Après le choix d'une première configuration aérodynamique, il faut concevoir une structure résistante et légère. Là encore, la classe de vent choisie définit les conditions de vent rencontrées et les cas de charges à respecter. La conception adoptée est ensuite vérifiée lors du processus de certification par :
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les tests statiques où l'on applique successivement sur la pale le chargement nominal, le chargement extrême, puis enfin ce dernier avec coefficient de sécurité. À chaque étape, la pale est ramenée au repos et son état de surface examiné pour détecter d'éventuels problèmes. Ses caractéristiques mécaniques sont par ailleurs remesurées et ne doivent pas différer de l'état initial : tout écart traduit un comportement non élastique de la structure. Un chargement progressif de la pale jusqu'à rupture peut éventuellement être conduit pour mesurer la marge offerte par la conception adoptée ;
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les tests de fatigue où l'on applique des millions de cycles de chargement alternés, représentatifs du fonctionnement réel de la pale pendant 20 ans. Ils peuvent être réalisés soit successivement en battement et...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - GWEC - Global Wind 2007 Report, - avr. 2008.
-
(2) - RTE - Bilan prévisionnel de l'équilibre offre-demande d'électricité en France. - Édition (2007).
-
(3) - LE GOURIERES (D.) - Énergie éolienne, théorie, conception et calcul pratique des intallations. - Eyrolles (1982).
-
(4) - GIPE (P.) - Wind Energy. - Comes of Age. Wiley (1995).
-
(5) - RAPIN (M.), DEGOBERT (P.) - Éoliennes, compréhension et développement (titre provisoire). - Dunod (2009).
-
(6) - HAU (E.) - Wind Turbines. - Springer (2000).
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(7) - EGGLESTON...
Logiciels : WASP, WindPRo, Wind Farm, GéoWind...
HAUT DE PAGE
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Normalisation et certification
Véritas, France
Garrad et Hassan, Royaume-Uni
Germanischer Lloyd, Allemagne
IEC (International Electrotechnical Commission)
MEASNET (Réseau Européen d'Instituts de Mesure)
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Principaux constructeurs de grandes éoliennes
VESTAS, Danemark
ENERCON, Allemagne
GAMESA, Espagne
SIEMENS, Allemagne
REpower-Suzlon, Allemagne-Inde
GE Wind, États-Unis
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Centres de recherche
RISØ National Laboratory, Danemark
ECN et Université de Delft, Pays-Bas
DEWI, Allemagne
NREL, États-Unis
3 Données statistiques et économiques
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