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Jean MARTIN : Ingénieur de l’École nationale supérieure des arts et métiers
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Lire l’articleINTRODUCTION
L’énergie éolienne est probablement la plus ancienne énergie utilisée par l’homme en dehors de son énergie musculaire. Ce fut, sans doute, d’abord une énergie captée par la voile pour la navigation, voilà quelques millénaires. Par la suite, sans date précise, quelque inventeur de génie, sédentaire, pense faire tourner indéfiniment la voile autour d’un axe fixe : le moulin était né. Les plus anciens connus, chinois ou perses, sont en effet constitués par des mâts verticaux entraînés par des voiles. C’est seulement plus tard que l’axe devient sensiblement horizontal, avec des ailes, pour prendre la disposition bien connue des moulins à vent.
L’énergie éolienne joue un rôle économique important jusqu’au début du XIX e siècle. Ensuite, ce rôle diminue par suite de l’accroissement rapide de l’utilisation des énergies fossiles.
Les éoliennes subsistent pourtant surtout dans des pays de vastes steppes (ex-URSS, Argentine, etc.) ou le long de façades maritimes (Baléares, Crète, Portugal, etc.) ; toutes sont de modèles fabriqués depuis longtemps.
Toutefois au XX e siècle, s’appuyant sur les progrès de l’aérodynamique, certaines tentatives de réalisation de nouvelles machines sont faites. Aux États-Unis, en ex-URSS, en Angleterre et en France par Électricité de France autour de 1960, des éoliennes puissantes, jusqu’à 1 000 kW environ, sont essayées. Malgré des résultats encourageants, c’est de nouveau l’abandon, le pétrole bon marché se substituant à toutes les autres formes d’énergie. L’augmentation brutale du prix du pétrole relance l’énergie éolienne. La crainte de n’utiliser qu’une seule énergie, dont l’approvisionnement peut être aléatoire, les idées écologiques orientent certains pays vers cette forme inépuisable et nationale !
Des progrès importants dans l’aérodynamique, l’arrivée de nouveaux matériaux vont permettre d’exploiter ce gisement mondial estimé à 4 TWh à partir de nouvelles machines fiables et diminuer le prix de l’énergie produite, qui ne devient plus marginale dans certains pays comme le Danemark ou certaines contrées comme la Californie.
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2. Organes capteurs
L’organe capteur prélève l’énergie cinétique du vent pour la transformer en énergie utilisable, mécanique ou électrique. C’est l’organe le plus important et il en existe de nombreux types.
2.1 Différents types de capteurs
Le tableau 2 en donne une classification méthodique et précise les principales caractéristiques des capteurs. À partir d’ailleurs de ces modèles élémentaires, de nombreux autres capteurs peuvent être imaginés par conjugaison de plusieurs de ces modèles élémentaires. Toutefois, seuls ceux dont le nom est indiqué en gras dans le tableau 2 présentent un réel intérêt et font l’objet d’applications.
Le coefficient d’utilisation d’aubage Sc /Sv est le rapport de l’aire développée par l’ensemble de l’aubage à l’aire de la veine d’air interceptée, donc motrice. Plus ce coefficient est petit, plus le capteur est intéressant sur le plan économique. Le paramètre de vitesse λ = u /v est le rapport de la vitesse maximale de déplacement de l’aubage u à la vitesse du vent v, avec u = ω R.
De fortes valeurs du paramètre λ (jusqu’à 20) permettent un meilleur rendement et de meilleures possibilités d’utilisation.
Les capteurs qui n’ont pas besoin d’être orientés, et sont à axe vertical, sont aussi appelés panémones (à tout vent).
Les capteurs dynamiques ou rotors sont de très loin les plus développés ; les capteurs statiques ne sont que des élaborations théoriques.
Les capteurs dynamiques modifient l’écoulement de l’air qui les traverse et se trouvent soumis à sa réaction. Cette réaction peut être réduite à une force résultante et à un couple. Cette force peut être décomposée en :
-
une poussée perpendiculaire au vent relatif ou portance ;
-
une réaction parallèle au vent relatif ou traînée.
On définit aussi la circulation Γ d’un profil C par :
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