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Article

1 - CONTEXTE ACTUEL

2 - CARACTÉRISATION DES DIFFÉRENTS TYPES D'ÉOLIENNES ET DE LEURS UTILISATIONS

3 - PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

4 - CONCEPTION DU ROTOR

5 - PALES

6 - IMPLANTATION SUR SITE

7 - CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

| Réf : BM4640 v2

Conception du rotor
Éoliennes

Auteur(s) : Marc RAPIN, Philippe LECONTE

Date de publication : 10 avr. 2009

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RÉSUMÉ

L'intérêt premier d'une éolienne se situe dans la récupération de l'énergie cinétique présente dans le vent. Ce dispositif, qui a su évoluer considérablement depuis ses premières utilisations très anciennes, fait appel à des compétences dans des domaines variés, comme l’aérodynamique, la mécanique, les matériaux, la météorologie. Cet article s’attache à exposer le contexte actuel des différents types d’éoliennes (à axe vertical et à axe horizontal), à travers les aspects et les caractéristiques liés à leur utilisation. Leur principe de fonctionnement, et notamment la conception du rotor (indispensable à la récupération d’énergie), les pâles mais encore leur implantation sur site sont des paramètres importants, également abordés dans cet article.

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Auteur(s)

  • Marc RAPIN : Diplômé de l'ENSAM - Expert Éolien - Ingénieur d'études au Département Aéroélasticité et Dynamique des Structures de l'Onera, The French Aerospace Lab

  • Philippe LECONTE : Diplômé de l'ENSAM et de l'École Supérieure des Techniques Aérospatiales - Chef du Service « Bureaux d'Études Centraux » de la Direction des Grands Moyens Techniques de l'Onera, The French Aerospace Lab

INTRODUCTION

Les éoliennes représentent une forme très ancienne d'exploitation du vent. Toutefois, le vingtième siècle et, en particulier, les années 1970-2000, ont vu se développer les éoliennes actuelles avec une importante évolution à la fois de leur utilisation de par le monde et de leur conception. On est ainsi passé de la petite machine isolée pour le pompage de l'eau aux grands parcs d'aérogénérateurs multimégawatts connectés sur le réseau.

Les progrès technologiques et scientifiques réalisés dans différents domaines de l'ingénieur, dont l'aérodynamique, les structures, les matériaux, l'électrotechnique, la météorologie et le contrôle, ont permis d'améliorer l'efficacité et la fiabilité de ces machines. Les éoliennes à axe horizontal se sont progressivement imposées et représentent la quasi-totalité du marché actuel.

Cet article permet de donner une vision globale des aspects liés à l'éolien, d'appréhender, sans être exhaustif, les thématiques impliquées et ses spécificités. Il s'attache en particulier à décrire le potentiel de conversion d'énergie que l'on peut obtenir grâce au rotor d'une éolienne, dont les principes s'apparentent ou sont issus de ceux des hélices et rotors d'hélicoptère.

Le lecteur se reportera utilement à l'article de ce traité sur les hélices aériennes et à celui du traité Génie éléctrique sur les aérogénérateurs électriques pour les aspects électrotechniques.

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VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-bm4640


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4. Conception du rotor

4.1 Type de moyeu

L'évolution des conceptions de moyeu a suivi la nécessité de réduire les charges induites par la structure tournante sur cet élément et sur la tour (cf.§ 3.3).

Trois grandes familles dominent dans la conception des moyeux associés au rotor d'une éolienne.

Les moyeux avec pales encastrées ont la conception la plus simple et sont utilisés pour l'ensemble des machines de moyenne et grande puissances. Cette conception n'autorise pas de mouvement des pales (fixées généralement au moyeu par boulonnage) autre que leur flexion naturelle ou éventuellement la variation pilotée du pas (§ 4.3). L'ensemble des vibrations générées par le rotor est transmis au moyeu.

Pour réduire ces efforts et moments, et en particulier, l'important moment de battement, il est donc nécessaire d'introduire des degrés de liberté :

  • les moyeux en balancier pour lesquels les deux pales rigides sont reliées entre elles et l'ensemble peut osciller autour de l'axe perpendiculaire à l'axe de rotation. Cela permet d'annuler le moment de battement ;

  • les moyeux articulés dont les pales possèdent des degrés de liberté en battement et traînée. Les moments associés n'existent plus. En fonctionnement, le rotor s'équilibre grâce aux articulations de chaque pale. La complexité de ces articulations (nombre de pièces, coût) est la limite de cette technique (voir les techniques appliquées aux hélicoptères).

    Ces deux derniers types de moyeu ne sont utilisés que pour les petites machines et quelques éoliennes de moyenne puissance. La tendance est de conserver un moyeu rigide et de diminuer les contraintes résultantes. Soit les pales restent rigides et l'on intercale un élément (composite) de déformation, soit les pales deviennent plus flexibles.

    Un résumé...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - GWEC -   Global Wind 2007 Report,  -  avr. 2008.

  • (2) - RTE -   Bilan prévisionnel de l'équilibre offre-demande d'électricité en France.  -  Édition (2007).

  • (3) - LE GOURIERES (D.) -   Énergie éolienne, théorie, conception et calcul pratique des intallations.  -  Eyrolles (1982).

  • (4) - GIPE (P.) -   Wind Energy.  -  Comes of Age. Wiley (1995).

  • (5) - RAPIN (M.), DEGOBERT (P.)  -   Éoliennes, compréhension et développement (titre provisoire).  -  Dunod (2009).

  • (6) - HAU (E.) -   Wind Turbines.  -  Springer (2000).

  • (7) - EGGLESTON...

1 Outils logiciels

Logiciels : WASP, WindPRo, Wind Farm, GéoWind...

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2 Annuaire

  • Normalisation et certification

    Véritas, France

    Garrad et Hassan, Royaume-Uni

    Germanischer Lloyd, Allemagne

    IEC (International Electrotechnical Commission)

    MEASNET (Réseau Européen d'Instituts de Mesure)

  • Principaux constructeurs de grandes éoliennes

    VESTAS, Danemark

    ENERCON, Allemagne

    GAMESA, Espagne

    SIEMENS, Allemagne

    REpower-Suzlon, Allemagne-Inde

    GE Wind, États-Unis

  • Centres de recherche

    RISØ National Laboratory, Danemark

    ECN et Université de Delft, Pays-Bas

    DEWI, Allemagne

    NREL, États-Unis

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3 Données statistiques et économiques

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