Types d'éoliennes HAWT, VAWT et plus Expliqués

La grande majorité des éoliennes visibles dans tout le pays sur les parcs éoliens (à la fois en mer et à terre) sont des conceptions standard à 3 pales. Cependant, il existe un certain nombre de styles/types d'éoliennes différents et la manière 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 ont l'axe de rotation orienté horizontalement. Elles présentent généralement 3 pales et sont conçues pour faire face au vent. Les éoliennes à axe vertical ont l'axe de rotation aligné verticalement et sont conçues pour exploiter l'énergie cinétique dans la direction opposée.

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

Le type de turbine à vent le plus courant est la « Turbine à Vent à Axe Horizontal ». Elle est appelée axe horizontal car l'axe de rotation est positionné horizontalement (voir le diagramme ci-dessous).

Les turbines à vent à axe horizontal doivent pointer directement dans le vent pour fonctionner à pleine efficacité, et toute la nacelle est conçue pour pivoter afin de faire face au vent. Lorsque le vent change de direction, la nacelle doit pivoter (ou « yaw ») pour rester orientée vers le vent.

Les turbines à axe horizontal sont choisies pour les parcs éoliens en mer et ceux sur terre où le terrain est principalement plat et ouvert, car elles fonctionnent plus efficacement que les turbines à axe vertical dans les zones où le vent n'est pas turbulent.

Conçues pour la taille

Bien qu'il existe de nombreux éoliennes à axe horizontal de petite taille disponibles commercialement pour les propriétaires soucieux de leur consommation d'énergie, l'un de leurs principaux avantages est qu'elles peuvent être fabriquées à grande échelle et peuvent être CONSTRUITES TRÈS GRANDES. C'est une autre raison pour laquelle elles sont utilisées dans les parcs éoliens. Il est bien plus rentable de construire et d'exploiter une seule turbine de 10 mégawatts (MW) que cinq turbines de 2 MW.

La plus grande turbine éolienne au monde (à l'été 2021) est la Vestas V236, avec une puissance nominale de 15 mégawatts (MW). Elle a un diamètre de rotor de 236 mètres – soit plus du double de la hauteur de la Statue de la Liberté ! Une seule rotation de ses pales produit suffisamment d'électricité pour alimenter un foyer moyen pendant un jour.

Éoliennes à axe vertical

Une turbine moins efficace et moins courante est la « Turbine éolienne à axe vertical ». Elle est appelée axe vertical car l'axe de rotation est aligné verticalement vers le haut.

Il n'est pas possible de construire des turbines à axe vertical à grande échelle, comme celles que l'on voit dans les fermes éoliennes à axe horizontal. La plus grande turbine à axe vertical jamais construite était la turbine "ÉOLE" de 110 mètres de haut et de 3,8 MW, située au Québec, au Canada. Cependant, en 1993, l'engrenage du rotor a cédé sous le poids de 880 tonnes qu'il devait supporter. Depuis, elle est hors service et est maintenant une curiosité pour les touristes. Il est très peu probable que quelqu'un essaie de construire une turbine à axe vertical plus grande que celle-ci en raison des problèmes d'ingénierie liés au soutien direct de tels poids importants sur une seule roue.

Conçue pour la flexibilité

Bien qu'elles soient plus petites, l'avantage principal des turbines à axe vertical par rapport aux turbines à axe horizontal est qu'elles n'ont pas besoin de se mettre en position (yaw). Elles collectent l'énergie éolienne de toutes les directions en tout temps. En raison de la conception des pales, elles tournent toujours dans la même direction, peu importe d'où vient le vent.

Cela rend les éoliennes à axe vertical meilleures pour capturer l'énergie éolienne sur les toits des villes et dans les zones urbanisées où le vent turbulent change de direction constamment.

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

Différents types de VAWTs

Il existe deux conceptions principales de turbines éoliennes à axe vertical, appelées Savonius et Darrieus. Ces conceptions diffèrent considérablement dans la manière dont elles capturent l'énergie éolienne.

VAWTs Savonius

Les turbines à axe vertical de style Savonius utilisent le principe de traînée pour convertir l'énergie éolienne en énergie mécanique de rotation. Elles fonctionnent comme une pelle, conçue pour piéger le vent entrant dans la turbine, créant ainsi de la traînée et forçant celle-ci à tourner (voir le diagramme ci-dessous). Peu importe la direction du vent, il touchera toujours à la fois l'avant et l'arrière de la pelle - mais la partie arrondie arrière de la pelle crée moins de traînée, permettant ainsi à la turbine de tourner. Cependant, cela signifie qu'une turbine à axe vertical de type Savonius ne peut convertir au mieux que 15 % de l'énergie éolienne en énergie mécanique de rotation.

VAWT Darrieus

Les turbines à axe vertical Darrieus utilisent le principe de portance pour convertir l'énergie éolienne en énergie mécanique rotative, et sont plus efficaces que les turbines à axe vertical de style Savonius. Les turbines à axe vertical Darrieus utilisent des pales qui ont une section transversale en forme d'aile d'avion. Lorsque le vent passe sur la pale, l'effet aérodynamique crée une portance, et c'est cela qui fait tourner la turbine (voir le diagramme ci-dessous).

Les pales aérodynamiques d'une turbine Darrieus peuvent être soit droites, courbées ou en forme hélicoïdale (voir le diagramme ci-dessous).

Ce sont toutes des turbines Darrieus – les pales du rotor créent toutes la même portance, mais dans différentes configurations.

La configuration hélicoïdale est peut-être la plus intéressante, car elle permet d'intégrer une pale aérodynamique plus longue dans la même zone rotationnelle qu'une turbine à pales droites, captant ainsi davantage de vent et augmentant l'efficacité.

Autres conceptions de turbines

Bien que la majorité des éoliennes relèvent de ces deux catégories principales (axe vertical et axe horizontal), il a existé diverses conceptions expérimentales qui s'éloignent de la configuration habituelle de ces deux designs.

L'Arbre à Vent

L’‘Arbre à Vent’ construit par la société New World Wind basée à Paris est basé sur une éolienne à axe vertical de type Savonius, mais il est novateur en ce sens qu'il utilise de nombreux petits turbines disposés pour ressembler aux feuilles d'un arbre, créant ainsi un élément décoratif urbain.

Vortex Bladeless

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 à une turbine conventionnelle, car elle ne tourne pas.

Le système Vortex Bladeless utilise un mât en forme de pilier haut, qui extrait l'énergie du vent grâce à une technique appelée résonance induite par vortex. Lorsque le vent passe autour du 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 alimente un alternateur linéaire, générant ainsi un courant électrique.

Comme ils n'ont pas de pales rotatives, ce type de générateur éolien ne représente pas un danger pour les oiseaux migrateurs ou la faune sauvage.

Turbines Actionnées par les Véhicules

Plusieurs entreprises ont commencé à développer de petites éoliennes à axe vertical qui peuvent être placées dans la bande centrale des autoroutes et des routes rapides. Plutôt que d'être actionnées par le 'vent naturel', c'est la turbulence causée par le flux constant de véhicules passant à haute vitesse qui fait tourner ces turbines. Ainsi, bien qu'il s'agisse encore d'éoliennes verticales conventionnelles, c'est la situation dans laquelle elles sont appliquées qui est nouvelle.

Turbine éolienne à axe transversal (CAWT)

La turbine éolienne à axe transversal est une conception expérimentale de turbine à axe vertical qui utilise à la fois des pales de turbines horizontales et verticales dans une configuration croisée novatrice. Avec trois pales verticales et six pales horizontales, elle peut capturer l'énergie éolienne venant à la fois des directions horizontales et verticales. Des études ont montré qu'elle était 2,5 fois plus efficace qu'une turbine à axe vertical conventionnelle dans les mêmes conditions de vent.

Turbine d'aspiration de la tour de refroidissement

Cette conception propose une nouvelle configuration d'une turbine Darrieus à axe vertical, orientée horizontalement et située au sommet des tours de refroidissement. L'aspiration provoquée par le flux d'air d'échappement de la tour, plutôt que d'être perdue dans l'atmosphère, est utilisée pour actionner la turbine.