Types d'éoliennes HAWT, VAWT et plus expliqués

La grande majorité des éoliennes Les éoliennes à trois pales sont des modèles standard que l'on retrouve dans les parcs éoliens du comté (à la fois terrestres et offshore). Cependant, il existe un certain nombre de styles/types d'éoliennes différents et la façon dont elles exploitent l'énergie cinétique du vent est assez différente.

Les deux principaux types d’éoliennes sont celles à axe horizontal et celles à axe vertical. Éoliennes à axe horizontal Les éoliennes à axe vertical ont un axe de rotation orienté horizontalement. Elles comportent généralement 3 pales et sont conçues pour faire face au vent. Les éoliennes à axe vertical ont un axe de rotation aligné verticalement et sont conçues pour exploiter l'énergie cinétique dans la direction opposée.

Outre les éoliennes à axe horizontal et à axe vertical, il existe d’autres itérations de l’éolienne qui méritent d’être explorées.

Le type d'éolienne le plus courant est l'éolienne à axe horizontal. On l'appelle à axe horizontal car l'axe de rotation est horizontal (voir schéma ci-dessous).

Les éoliennes à axe horizontal doivent être orientées directement vers le vent pour fonctionner avec une efficacité maximale, et toute la tête est conçue pour tourner face au vent. Lorsque le vent change de direction, la tête doit également tourner (ou « lacet ») pour rester orientée face au vent.

Les éoliennes à axe horizontal sont choisies pour les parcs éoliens offshore et les parcs éoliens terrestres où le terrain est en grande partie plat et ouvert, car elles fonctionnent plus efficacement que les éoliennes à axe vertical dans les zones où le vent n'est pas turbulent.

Conçu pour la taille

Bien qu'il existe de nombreuses éoliennes à axe horizontal de petite taille disponibles sur le marché pour les propriétaires soucieux de leur consommation d'énergie, l'un de leurs principaux avantages est qu'elles sont facilement modulables pour la fabrication et peuvent être construites en GRANDES TAILLES. C'est une autre raison pour laquelle elles sont utilisées dans les parcs éoliens. Il est beaucoup plus rentable de construire et d'exploiter une turbine de 10 mégawatts (MW) que cinq turbines de 2 MW.

La plus grande éolienne du monde (en date de l'été 2021) est la Vestas V236, avec une puissance nominale de 15 mégawatts (MW). Le diamètre de ses pales est de 236 m, soit plus de deux fois la hauteur de la Statue de la Liberté ! Une seule rotation de ses pales fournira suffisamment d'électricité pour alimenter un foyer moyen pendant une journée.

Éoliennes à axe vertical

Une turbine moins efficace et moins courante est l'éolienne à axe vertical. On l'appelle à axe vertical car l'axe de rotation est aligné verticalement vers le haut.

Il n’est pas possible de construire des éoliennes à axe vertical de la taille de celles que l’on voit dans les parcs éoliens à axe horizontal. La plus grande éolienne à axe vertical jamais construite était l’éolienne « ÉOLE » de 110 m de haut et de 3.8 MW au Québec, au Canada. Cependant, le palier du rotor a cédé en 1993 sous le poids de 880 tonnes qu’elle devait supporter. Elle n’est plus opérationnelle depuis lors et constitue désormais une curiosité pour les touristes. Il est très peu probable que quiconque tente de construire une éolienne à axe vertical plus grande en raison des problèmes d’ingénierie liés au support direct de poids aussi lourds sur un seul palier.

Conçu pour la flexibilité

Bien que plus petites, les éoliennes à axe vertical ont pour principal avantage par rapport à l'axe horizontal qu'elles n'ont pas besoin de pivoter. Elles captent l'énergie du vent de toutes les directions à tout moment. Grâce à la conception des pales, elles tournent toujours dans la même direction, quelle que soit la provenance du vent.

Cela permet aux éoliennes à axe vertical de mieux capter l’énergie éolienne sur les toits des villes et dans les zones bâties où le vent turbulent change constamment de direction.

Éoliennes à axe vertical Elles occupent moins d'espace qu'une turbine à axe horizontal de puissance équivalente et sont souvent choisies pour les zones où l'espace est limité.

Différents types d'éoliennes à axe vertical

Il existe deux principaux types d'éoliennes à axe vertical, appelées Savonius et Darrieus. Ces modèles sont très différents dans la manière dont ils captent l'énergie éolienne.

Éoliennes à axe vertical Savonius

Les éoliennes à axe vertical de type Savonius utilisent le principe de traînée pour convertir l'énergie éolienne en énergie de rotation mécanique. Elles fonctionnent comme une pelle, formée pour piéger le vent entrant dans la turbine, créant une traînée et la forçant ainsi à tourner (voir schéma ci-dessous). Quelle que soit la direction d'où vient le vent, il frappera toujours l'avant et l'arrière de la pelle, mais l'arrière arrondi de la pelle crée moins de traînée, ce qui permet à la turbine de tourner. Cependant, cela signifie qu'une éolienne à axe vertical Savonius ne peut convertir au mieux que 15 % de l'énergie éolienne en énergie de rotation mécanique.

Éoliennes à axe vertical Darrieus

Les éoliennes à axe vertical Darrieus utilisent le principe de portance pour convertir l'énergie éolienne en énergie de rotation mécanique et sont plus efficaces que les éoliennes à axe vertical de type Savonius. Les éoliennes à axe vertical Darrieus utilisent des pales dont la section transversale a la forme d'une aile d'avion. Lorsque le vent passe sur la pale, l'effet de profil aérodynamique crée une portance, qui fait tourner l'éolienne (voir schéma ci-dessous).

Les pales aérodynamiques d'une turbine Darrieus peuvent être de forme droite, courbe ou hélicoïdale (voir schéma ci-dessous).

Il s’agit toutes d’éoliennes Darrieus : les pales du rotor sont toutes les mêmes profils aérodynamiques créant une portance, mais dans des configurations différentes.

La configuration hélicoïdale est peut-être la plus intéressante, car elle permet de contenir une pale plus longue dans la même zone de rotation qu'une turbine à pales droites, captant ainsi une plus grande partie du vent et augmentant l'efficacité. 

Autres conceptions de turbines

Bien que la majorité des éoliennes appartiennent à ces deux catégories principales (axe vertical et axe horizontal), il existe diverses conceptions expérimentales qui s'éloignent de la configuration normale de ces deux conceptions.

L'arbre à vent

L'« Arbre à vent », construit par la société parisienne New World Wind, est basé sur une éolienne à axe vertical Savonius, mais il est nouveau dans le sens où il utilise de nombreuses petites turbines disposées de manière à ressembler aux feuilles d'un arbre pour créer un élément urbain décoratif.

Vortex sans lame

Vortex Bladeless est une entreprise espagnole qui a utilisé une méthode complètement différente pour extraire l'énergie cinétique du vent. Leur « turbine » ne ressemble pas du tout à une turbine conventionnelle, car elle ne tourne pas.

Le système Vortex Bladeless utilise un grand mât en forme de pilier, qui extrait l'énergie du vent grâce à une technique appelée résonance induite par vortex. Lorsque le vent passe devant le pilier, il provoque des turbulences derrière lui, ce qui fait osciller ou « vibrer » le pilier d'avant en arrière, et c'est cette énergie mécanique qui entraîne un alternateur linéaire, générant ainsi un courant électrique.

Comme ils ne possèdent pas de pales rotatives, ce type d’éolienne ne présente aucun danger pour les oiseaux migrateurs ou la faune.

Turbines alimentées par des véhicules

Plusieurs entreprises ont commencé à développer des éoliennes à axe vertical de petite taille qui peuvent être placées dans le terre-plein central des autoroutes et des voies rapides. Plutôt que d'être entraînées par le vent « naturel », ce sont les turbulences causées par le flux constant de véhicules passant à grande vitesse qui font tourner ces éoliennes. Ainsi, bien qu'il s'agisse toujours d'éoliennes à axe vertical conventionnelles, c'est la situation à laquelle elles sont appliquées qui est nouvelle.

Éolienne à axe transversal (CAWT)

L'éolienne à axe transversal est une conception expérimentale d'éolienne à axe vertical qui utilise des pales horizontales et verticales dans une nouvelle configuration réticulée. Avec trois pales verticales et six pales horizontales, elle peut capter l'énergie éolienne provenant à la fois des directions horizontale et verticale. Des études ont montré qu'elle était 2.5 fois plus efficace qu'une turbine à axe vertical classique dans les mêmes conditions de vent.

Turbine à courant ascendant pour tour de refroidissement

Cette conception propose une configuration innovante d'une éolienne à axe vertical Darrieus, orientée horizontalement et située au sommet des tours de refroidissement. Le courant ascendant provenant du flux d'air évacué de la tour, plutôt que d'être gaspillé dans l'atmosphère, est utilisé pour entraîner la turbine.