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Date de publication : 10 avril 2009 Pour toute question : Service Relation clie

Date de publication : 10 avril 2009 Pour toute question : Service Relation clientèle - Techniques de l’Ingénieur Pleyad 1 - 39, bd Ornano 93200 Saint-Denis Par mail : infos.clients@teching.com Par téléphone : 00 33 (0)1 53 35 20 20 Réf. : BM4640 Éoliennes Cet article est issu de : Mécanique | Machines hydrauliques, aérodynamiques et thermiques par Marc RAPIN, Philippe LECONTE 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. Abstract The main interest of a wind turbine is the recovery of kinetic energy from the wind. This device, which has massively evolved since its first outdated uses, involves competences in varied sectors such as aerodynamics, the mechanical sector, materials and meteorology. This article presents the current context of the various wind turbine types (with a vertical or horizontal axis) through the aspects and characteristics linked to their use. The functioning principle and in particular the design of the rotor (essential to the recovery of energy), the blades and their implantation are important parameters which are also presented in this article. Document téléchargé le : 11/04/2016 Pour le compte : 7200082629 - cesi association // maxime RICBOURG // 90.10.199.79 © Techniques de l'Ingénieur | tous droits réservés Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. – © Editions T.I. BM 4 640v2 – 1 BM 4 640v2 4 - 2009 Éoliennes par 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 et 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 es 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’effi- cacité 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 spécifi- cités. 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’appa- rentent 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 élec- triques pour les aspects électrotechniques. 1. Contexte actuel BM 4 640v2 - 2 2. Caractérisation des différents types d’éoliennes et de leurs utilisations ......................................................................... — 4 3. Principe de fonctionnement............................................................... — 10 4. Conception du rotor ............................................................................. — 17 5. Pales.......................................................................................................... — 19 6. Implantation sur site ............................................................................ — 20 7. Conclusions et perspectives .............................................................. — 25 Pour en savoir plus ........................................................................................ Doc. BM 4 640v2 L Parution : avril 2009 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200082629 - cesi association // maxime RICBOURG // 90.10.199.79 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200082629 - cesi association // maxime RICBOURG // 90.10.199.79 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200082629 - cesi association // maxime RICBOURG // 90.10.199.79 tiwekacontentpdf_bm4640 ÉOLIENNES ________________________________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. – © Editions T.I. BM 4 640v2 – 2 1. Contexte actuel Bien que ne pouvant remplacer totalement les sources tradition- nelles de production électrique, l’énergie éolienne propose toute- fois une alternative intéressante et surtout renouvelable. Soutenue par un cadre législatif et des objectifs européens ou mondiaux (accords de Kyoto) favorables, elle s’inscrit donc parfaitement dans l’effort global de réduction des émissions de CO2 et de diversifica- tion du bouquet d’approvisionnement électrique. Elle est de plus actuellement la seule technologie renouvelable suffisamment mature et d’un coût abordable pour être déployée à grande échelle. Plusieurs pays d’Europe se sont engagés dans cette voie dès les années 1980, en particulier le Danemark, les Pays-Bas, l’Allemagne et la Grande-Bretagne. Le développement de l’éolien s’est forte- ment accéléré depuis 1995 avec une progression moyenne de plus de 20 % par an, portée seulement par quelques pays européens. Que ce soit en termes de puissance installée ou de production de machines, l’Europe reste le leader mondial : entre 1999 et 2006, la puissance totale a été multipliée par plus de 5 (figure 3). L’Allema- gne représente à elle seule pratiquement 40 % de la part euro- péenne. En 2007 [1], ce sont environ 20 GW qui ont été installés, soit 32 % de plus qu’en 2006 et la barre symbolique des 100 GW a été franchie début 2008. Cependant, le paysage mondial se modifie sensiblement : les pays pionniers ont saturé leurs marchés respectifs et se sont tour- nés vers l’exportation. En Europe, l’Espagne, le Portugal et plus récemment la France et la Grande-Bretagne (qui occupent les deux premiers rangs en terme de potentiel éolien) ont mis en place une politique volontariste d’aide et ont donc pris le relais de la progres- sion en Europe. Mais de nouveaux marchés, immenses, vont peu à peu réduire la part européenne (de 65 % en 2006 à 55 % en 2008, cf. tableau 1 en [Doc. BM 4 640]). Les États-Unis ont repris leur politique d’investissements dans l’éolien en 2006 et le Canada s’est lancé à grande échelle en 2007. En Asie, l’Inde et la Chine profitent Notations et symboles principaux Symbole Unité Définition C N · m couple CP coefficient de puissance f Hz fréquence F N force dans le plan rotor H0 m hauteur de la nacelle Ib kg · m2 moment d’inertie en battement It kg · m2 moment d’inertie en torsion Kβ N · m raideur de l’articulation de battement Kδ N · m raideur de l’articulation de traînée Kθ N · m raideur de l’articulation de torsion M N · m moment d’une force q rad · s–1 vitesse angulaire de rotation autour de l’axe de lacet de l’éolienne r m position en envergure (rayon) d’une section élémentaire de pale R m rayon total d’une pale (du centre du rotor à l’extrémité de la pale) S m2 surface normale à la direction du vent T N traction V0 m · s–1 vitesse moyenne axiale du vent en amont de l’éolienne et à la hauteur H0 Vr m · s–1 vitesse relative du flux local α o angle d’incidence β o angle de battement δ o angle de traînée εβ excentricité de l’articulation de battement (ramenée au rayon R de la pale) εδ excentricité de l’articulation de traînée (ramenée au rayon R de la pale) ρ kg · m–3 masse volumique de l’air φ o angle de calage θ o angle de torsion ψ o azimut de la pale Ω rad · s–1 vitesse angulaire de rotation de la pale ∅ m diamètre du rotor Du moulin à l’éolien L’utilisation de la force du vent pour suppléer l’énergie humaine ou animale n’est pas nouvelle. On peut ainsi trouver la trace d’ancêtres des éoliennes modernes jusque dans la Perse ancienne. Plus près de nous, certains pays ont, depuis le Moyen Âge, largement fait usage de ce type d’énergie par le biais des moulins à vent traditionnels. Au cours des siècles, leur technologie a évolué avec l’apparition d’un toit orientable ou de moulins complets montés sur pivot, permettant une orientation au vent plus facile, puis avec l’adoption de systèmes de pale plus performants. Cette forme d’exploitation de l’énergie du vent tomba cepen- dant en désuétude avec l’avènement de l’ère industrielle du XIXe siècle. On vit par la suite apparaître de petits systèmes destinés principalement au pompage de l’eau en Europe (figure 1) et beaucoup plus massivement aux États-Unis, d’où leur surnom de moulins dits américains. Avec le développe- ment des sciences et techniques du début du XXe siècle, en par- ticulier en aéronautique, ces machines se perfectionnèrent en réduisant par exemple le nombre de uploads/Industriel/ ti-eoliennes.pdf