Éoliennes à axe horizontal et vertical : une comparaison
L'énergie éolienne est une source d'énergie renouvelable et propre qui peut réduire les émissions de gaz à effet de serre et la dépendance aux combustibles fossiles. Les éoliennes sont des machines qui convertissent l'énergie cinétique du vent en énergie électrique. Il existe deux principaux types d'éoliennes en fonction de l'orientation de leur axe : horizontales et verticales.
Qu'est-ce qu'une éolienne à axe horizontal ?
Une éolienne à axe horizontal (HAWT) est définie comme une éolienne dont l'axe de rotation est horizontal ou parallèle au sol. Les HAWT sont le type d'éoliennes le plus couramment utilisé pour la production d'électricité à grande échelle. Elles ont généralement trois pales ressemblant à des hélices d'avion, bien que certaines puissent en avoir deux ou une seule.
Les principaux composants d'une HAWT sont :
Le rotor, qui comprend les pales et le moyeu qui les connecte à l'arbre.
La nacelle abrite le générateur, la boîte de vitesses, le frein, le système de braquage et d'autres composants mécaniques et électriques.
La tour supporte la nacelle et le rotor et les élève au-dessus du sol pour capturer plus de vent.
La fondation ancre la tour au sol et transfère les charges de l'éolienne.
Le principe de fonctionnement d'une HAWT repose sur la portance, qui est la force qui pousse un objet vers le haut lorsque l'air s'écoule sur sa surface. Les pales d'une HAWT sont conçues comme des profils aérodynamiques, qui créent une différence de pression entre leurs surfaces supérieure et inférieure lorsque le vent souffle. Cette différence de pression fait tourner les pales autour de l'axe horizontal, ce qui entraîne l'arbre et le générateur pour produire de l'électricité.
Le plan du rotor d'une HAWT doit être aligné avec la direction du vent pour maximiser son efficacité. Par conséquent, une HAWT dispose d'un capteur de vent et d'un système de braquage qui ajustent l'orientation de la nacelle en fonction de la direction du vent. Une HAWT dispose également d'un système de pas qui modifie l'angle d'attaque des pales pour contrôler leur vitesse de rotation et la puissance produite.
Les avantages des HAWT sont :
Elles ont une efficacité supérieure aux éoliennes à axe vertical (VAWT) car elles peuvent capturer plus d'énergie éolienne avec moins de traînée.
Elles ont une ondulation de couple et un stress mécanique inférieurs aux VAWT car elles subissent moins de variations des forces aérodynamiques lors de chaque rotation.
Elles peuvent être installées en mer sur des plateformes flottantes ou des fondations fixes, où la vitesse du vent est plus élevée et plus constante.
Les inconvénients des HAWT sont :
Elles nécessitent une tour haute et une grande superficie pour éviter la turbulence et les interférences des structures ou du terrain environnants.
Elles sont plus coûteuses et complexes à installer et à maintenir que les VAWT car elles ont plus de pièces mobiles et de composants électriques.
Elles sont plus sensibles à la fatigue et aux dommages causés par les vents forts, les tempêtes, la foudre, les oiseaux ou la glace.
Qu'est-ce qu'une éolienne à axe vertical ?
Une éolienne à axe vertical (VAWT) est définie comme une éolienne dont l'axe de rotation est vertical ou perpendiculaire au sol. Les VAWT sont moins courantes que les HAWT, mais elles présentent certains avantages pour les applications à petite échelle et urbaines. Elles ont généralement deux ou trois pales qui sont soit droites, soit courbes.
Les principaux composants d'une VAWT sont :
Le rotor, qui comprend les pales et l'arbre vertical qui les connecte au générateur.
Le générateur, qui convertit l'énergie mécanique du rotor en énergie électrique.
La base, qui supporte le rotor et le générateur et les connecte au sol.
Le principe de fonctionnement d'une VAWT repose sur la traînée, qui est la force qui s'oppose au mouvement d'un objet lorsque l'air s'écoule sur sa surface. Les pales d'une VAWT sont symétriques ou asymétriques, ce qui crée des différences de traînée lorsqu'elles sont face ou opposées à la direction du vent. Cette différence de traînée fait tourner les pales autour de l'axe vertical, ce qui entraîne le générateur pour produire de l'électricité.
Le plan du rotor d'une VAWT n'a pas besoin d'être aligné avec la direction du vent car elle peut capturer le vent dans toutes les directions. Par conséquent, une VAWT n'a pas de système de braquage ni de capteur de vent. Cependant, une VAWT peut disposer d'un système de pas qui modifie l'angle d'attaque des pales pour contrôler leur vitesse de rotation et la puissance produite.
Les avantages des VAWT sont :
Elles ont des coûts d'installation et de maintenance inférieurs aux HAWT car elles ont moins de pièces mobiles et de composants électriques.
Elles ont des niveaux de bruit inférieurs aux HAWT car elles tournent à des vitesses plus lentes.
Elles peuvent être installées sur des toits ou près des bâtiments car elles ont des hauteurs plus faibles et des empreintes plus petites que les HAWT.
Les inconvénients des VAWT sont :
Elles ont une efficacité inférieure aux HAWT car elles ont plus de traînée et moins de portance.
Elles ont une ondulation de couple et un stress mécanique supérieurs aux HAWT car elles subissent plus de variations des forces aérodynamiques lors de chaque rotation.
Elles ne peuvent pas être installées en mer car elles sont moins stables et durables que les HAWT.
Types d'éoliennes à axe vertical
Il existe deux principaux types de VAWT en fonction de la conception des pales : Darrieus et Savonius.
Turbines Darrieus
Les turbines Darrieus sont des VAWT qui ont des pales courbes ressemblant à un fouet à œufs ou à un trochide. Elles ont été inventées par l'ingénieur français Georges Darrieus en 1931. Les turbines Darrieus utilisent la portance ainsi que la traînée pour faire tourner leurs pales. Elles peuvent atteindre des vitesses de rotation élevées, mais elles nécessitent un mécanisme de démarrage externe, tel qu'un moteur électrique ou une autre turbine, car elles ne peuvent pas se démarrer seules.
Les avantages des turbines Darrieus sont :
Elles ont un coefficient de puissance plus élevé que les turbines Savonius car elles utilisent la portance ainsi que la traînée.
Elles ont un rapport de solidité plus faible que les turbines Savonius car elles ont moins de pales avec des espaces plus grands entre elles.
Les inconvénients des turbines Darrieus sont :
Elles nécessitent un mécanisme de démarrage externe car elles ne peuvent pas se démarrer seules.
Elles ont des forces centrifuges plus élevées que les turbines Savonius car elles tournent à des vitesses plus rapides.
