Éolienne à axe vertical

L’énergie éolienne est une forme de génération d’électricité commercialement prouvée et en pleine croissance. Les éoliennes fournissent une électricité propre, renouvelable et rentable à travers le monde et deviennent rapidement une technologie d’énergie renouvelable majeure après l’énergie solaire. La classification acceptée d’une éolienne est déterminée par son axe d’orientation, soit une éolienne à axe horizontal (HAWT) ou une éolienne à axe vertical (VAWT).

Les éoliennes à axe horizontal à trois pales sont omniprésentes, représentant un design éprouvé avec une longue histoire d’amélioration les rendant très efficaces. En général, elles fonctionnent “au vent”, ce qui signifie que leurs pales sont toujours orientées vers le vent entrant. Cela est possible grâce à la tête de l’éolienne à axe horizontal, appelée “nacelle”, située au sommet de la tour support et capable de pivoter et de tourner à 360° sur son propre axe, selon la direction du vent.

Les principaux composants, tels que le générateur et les pièces mécaniques, se trouvent au sommet de la tour dans la nacelle, avec les pales du rotor qui y sont attachées. Les HAWT sont largement utilisées dans de grands parcs éoliens dans la campagne ainsi que dans des projets offshore ouverts où le mouvement de l’air est plus propre, plus fort et moins perturbé.

Cependant, en raison des bâtiments de grande hauteur, des arbres et des grandes structures artificielles, le modèle et le flux du vent autour des villes et des zones urbaines sont moins prévisibles, plus chaotiques et pleins de turbulences. Cela rend les grandes conceptions d’éoliennes aérodynamiques horizontales moins efficaces dans les zones urbaines et semi-urbaines.

Les Éoliennes à Axe Vertical, ou VAWT en abrégé, sont plus attrayantes et mieux adaptées pour une utilisation dans les villes et les environnements urbains où le flux d’air est moins prévisible. Cela fait des VAWT un choix bien plus adapté pour une installation au sol et/ou un montage sur des bâtiments et des toits qui autrement restreindraient l’installation de structures éoliennes horizontales plus hautes.

De plus, ce type de générateur éolien est omnidirectionnel, ce qui signifie qu’il ne nécessite pas d’orientation des pales vers le vent entrant, car par sa conception, il s’oriente naturellement, ce qui peut être un avantage dans les lieux urbains où la direction du vent est variable. Ainsi, les VAWT n’ont pas d’exigences compliquées de lacet ou de stabilisateur pour s’assurer qu’elles font toujours face à la bonne direction.

En partie grâce à leur conception simple à faible friction des pales verticales, les éoliennes à axe vertical ont une vitesse de démarrage relativement basse, leur permettant de fonctionner même entourées de bâtiments et d’infrastructures, peu importe les caractéristiques ou la direction du vent. Un autre avantage des éoliennes à axe vertical est qu’elles peuvent être positionnées près du point d’utilisation, réduisant la charge sur toute infrastructure de réseau existante, favorisant ainsi la durabilité tout en réduisant les préoccupations environnementales.

Comme leur nom l’indique, les éoliennes à axe vertical ont un arbre de rotor vertical, et leur apparence est très différente de celle des HAWT plus traditionnelles. L’énergie passe par l’environnement sous forme de courant ou de flux d’air. La quantité maximale d’énergie qu’une éolienne peut extraire du vent dépend grandement de son type, de son design et de son emplacement. Les éoliennes horizontales extraient l’énergie en ralentissant le vent entrant grâce à ses pales. Si elles voulaient atteindre une efficacité de 100% dans cette tâche, les pales devraient arrêter 100% du vent, ce qui est clairement impossible.

Les éoliennes à axe vertical représentent un nouveau type de technologie de production d’énergie conçue pour un marché urbain de niche plus petit. En général, les VAWT ont un impact visuel et environnemental assez faible autour des bâtiments puisqu’elles sont plus basses que les éoliennes horizontales traditionnelles. De plus, leurs principaux composants de travail, comme le générateur et le réducteur, sont situés à la base de l’éolienne, plus près du sol, ce qui nécessite moins de supports structurels. Cela rend l’entretien, l’inspection et la réparation de ces générateurs éoliens relativement simples.

Les éoliennes à axe vertical tournent autour d’un axe perpendiculaire au vent en utilisant diverses conceptions différentes. Les modèles à pales rotatives, à coupes ou en forme de batteur à œufs sont maintenant largement disponibles, chacun ayant ses propres avantages et inconvénients.

À l’origine, les structures d’éoliennes à axe vertical étaient utilisées pour pomper de l’eau et irriguer des cultures dans des endroits éloignés avec un vent soufflant de n’importe quelle direction et à basse vitesse. Aujourd’hui, les VAWT offrent une solution efficace pour une utilisation dans des zones urbanisées où le vent est instable, avec la conception des VAWT classée en deux principaux types : Savonius (traction par traînée) et Darrieus (traction par portance).

La conception de l’éolienne Savonius (nommée d’après son inventeur finlandais) est un design simple basé sur le principe de la “traînée différentielle”. Le rotor Savonius utilise deux ailes aérodynamiques semi-cylindriques décalées, des demi-cylindres ou coupelles, montées autour d’un arbre vertical similaire à la conception utilisée par les anémomètres de vitesse du vent.

Typiquement, les conceptions Savonius se composent de deux ou trois coupelles, bol par section, ou de deux demi-cylindres face à face par rapport au vent, formant une sorte de design en forme de “S” attaché à un arbre vertical. Cela signifie qu’elle ne peut tourner que dans un sens, comme le montre la figure.

Types de Conception de Rotor d’Éolienne Savonius

Les éoliennes Savonius fonctionnent en dirigeant le vent depuis l’arrière du côté concave des coupelles ou des cylindres d’un côté et en le dirigeant vers l’intérieur du côté convexe des coupelles de l’autre côté. Cette direction du vent entre les coupelles ou les demi-cylindres produit un mouvement et une rotation autour de l’arbre vertical attaché.

Les éoliennes Savonius fonctionnent selon le principe de la traînée, car les coupelles ont moins de traînée lorsqu’elles tournent dans le sens du vent et plus de traînée lorsqu’elles tournent à contre-courant. Cet effet des forces différentes est amplifié par le mouvement du vent et de l’air entre les deux (ou trois) coupelles, ce qui augmente le couple moteur de l’arbre utilisé pour la production d’électricité ou le pompage d’eau.

Cependant, parce qu’elles ne fonctionnent que sur le principe de la traînée, elles sont généralement moins efficaces que d’autres types de conceptions d’éoliennes à axe vertical, car seulement environ 25 à 30 % de la puissance disponible dans le vent peuvent être extraites efficacement.

L’avantage principal de la conception du rotor Savonius est qu’il est très facile à faire tourner. Sa vitesse de démarrage naturellement basse et son faible rapport de vitesse de pointe lui permettent d’extraire l’énergie de n’importe quel vent non directionnel. Ainsi, il est bien adapté à fonctionner dans de nombreux lieux urbains avec des vitesses de vent faibles ainsi que des directions de vent variables.

Les éoliennes à axe vertical avec rotor Savonius sont des turbines simples et peu exigeantes en entretien qui peuvent être utilisées dans des applications n’exigeant pas beaucoup de production d’énergie. Des conceptions de rotors Savonius fabriquées maison ont également été réalisées à partir de deux moitiés d’un baril de pétrole pour des applications simples de pompage d’eau hors réseau. Mais l’application la plus courante d’un rotor Savonius est leur utilisation dans des anémomètres à vitesse du vent mesurant la vitesse du vent.

Le rotor d’éolienne Darrieus (nommé d’après son inventeur français) utilise deux ou trois pales aérodynamiques fines qui ressemblent à des pales verticales ou à une conception en forme de batteur à œufs montées sur un arbre vertical. Les pales en forme d’aile sont positionnées horizontalement autour de l’arbre central, offrant ainsi de meilleures performances aérodynamiques et un design bien plus simple que le rotor Savonius. Le rotor peut se composer de deux, trois ou plusieurs pales droites, courbées ou en forme d’aile dans sa conception. Deux pales droites sont couramment appelées configuration H.

Types de Conception de Rotor d’Éolienne Darrieus

Le rotor Darrieus fonctionne selon le principe des forces de portance (similaire au rotor aérodynamique horizontal) avec un couple moteur maximal produit lorsque les pales sont déplacées à travers le vent plus rapidement que la vitesse du vent. Cela signifie qu’ils peuvent extraire plus d’énergie exploitable du vent par unité de surface balayée, contrairement au rotor Savonius.

Lorsqu’il tourne en cercle à travers l’air, chaque pale crée une petite force de portance qui se traduit par un couple positif sur le rotor similaire aux forces aérodynamiques sur l’aile d’un avion, et plus la force de portance est grande, plus la rotation est importante. La puissance mécanique est transmise à l’arbre central par une force tangentielle qui transmet la puissance au générateur électrique en dessous.

Contrairement au rotor Savonius précédent, un rotor Darrieus pur n’est pas une machine auto-démarrante, il nécessite donc un mécanisme externe pour le mettre en mouvement. Cela signifie que le rotor doit déjà tourner avant que le vent puisse exercer une force motrice sur lui. Généralement, un petit rotor Savonius est incorporé à l’arbre principal de Darrieus pour fournir le couple de démarrage requis à basse vitesse.

L’avantage de la conception du rotor Darrieus est qu’une fois en marche, il peut tourner à une vitesse de pointe assez élevée, produisant plus de puissance que le rotor Savonius. Certaines conceptions d’éoliennes verticales commerciales haut de gamme disposent de pales articulées pour des angles de basculement variables, qui à des vitesses de rotation élevées modifient leur position en raison des forces centrifuges et réduisent la vitesse de rotation, éliminant ainsi le risque de sur-vitesse.

Les éoliennes sont utilisées pour convertir l’énergie éolienne en électricité ou pour le pompage d’eau. La croissance et l’acceptation des éoliennes dans les applications urbaines sont encore limitées, mais les VAWT urbaines présentent plusieurs avantages par rapport à leurs grandes cousines à axe horizontal. Elles peuvent produire de l’électricité localement pour des applications hors réseau, réduire les émissions de gaz à effet de serre des centrales électriques, ainsi que soutenir le développement durable pour la communauté locale.

Les éoliennes à axe vertical, qu’elles soient de conception Savonius ou Darrieus, sont bien adaptées aux villes et aux zones urbaines où les vitesses du vent sont faibles et instables. L’éolienne Savonius tourne à une vitesse plus lente, ce qui la rend mieux adaptée au pompage de l’eau. L’éolienne Darrieus tourne à une vitesse plus élevée, ce qui la rend plus appropriée pour la production d’électricité. Cependant, les rotors Darrieus ne sont pas auto-démarrants.

De ce fait, des rotors hybrides Darrieus-Savonius sont désormais disponibles, capables d’extraire plus d’énergie cinétique d’une vitesse de vent faible ou imprévisible pour une utilisation dans des environnements urbains. L’une de ces conceptions d’éoliennes VAWT hybrides est la NINILADY 300w Éolienne à Axe Vertical, qui se compose d’un rotor Savonius de type S avec trois pales aérodynamiques formant un rotor Darrieus pour maximiser les performances. Elle peut produire de l’électricité à partir d’une vitesse de vent de démarrage relativement basse de 1,3 m/s et atteindre une capacité de sortie nominale de 300 Watts à 10 m/s.

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