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Comment ça marche ?
Dans la pratique, le vent fait tourner des pales fixées sur un rotor, lequel actionne un générateur placé en haut du mât. Si le vent est assez puissant, le générateur transforme une partie de cette énergie mécanique en énergie électrique. Cette dernière peut être consommée sur place pour couvrir les besoins d’une maison, d’une exploitation agricole, d’une collectivité, d’une entreprise… Elle peut aussi être injectée au réseau électrique si l’éolienne y est raccordée. De petites éoliennes sont aussi conçues sans générateur pour un usage purement mécanique, par exemple pour pomper de l’eau. Mais dans ce cas, on ne parle pas “d’aérogénérateurs”, terme réservé aux éoliennes produisant de l’électricité.
Les types d'éoliennes
Les aérogénérateurs axe horizontal
L’axe de leur rotor est parallèle au sol. Ce type d’éoliennes est généralement muni d’une hélice à trois pales assurant un bon rendement théorique. Le système de l’hélice à axe horizontal présente en effet le meilleur coefficient de puissance. Actuellement, c’est lui qui offre les meilleures garanties sur les plans technique et économique. Ces aérogénérateurs nécessitent un dispositif d’orientation de la nacelle pour suivre la direction du vent. Certains captent le vent de face (au vent), d’autres de dos (sous le vent).
Les aérogénérateurs axe vertical
L’axe de leur rotor est perpendiculaire au sol. Ces éoliennes captent le vent quelle que soit sa direction et ne nécessitent donc aucun dispositif d’orientation. En théorie, elles devraient donc mieux s’adapter aux zones de vent irrégulier générant des turbulences. Dans la pratique, ce point n’est pas vérifié à ce jour. Le savoir-faire et le retour d’expérience sont moindres sur ce type de machines. En effet, elles n’ont pas bénéficié de l’expertise acquise sur les éoliennes industrielles exclusivement constituées de machines à axe horizontal. Néanmoins, cette technologie peut s’avérer pertinente pour de petites éoliennes. Quelques éoliennes de faible puissance à axe vertical commencent d’ailleurs à émerger. Les modèles les plus communs sont ceux de type Savonius avec un rotor en forme de ”S” et Darrieus dont la forme la plus courante rappelle vaguement un fouet à battre les oeufs. Ces derniers ne démarrent pas seuls : ils doivent généralement être lancés par la génératrice utilisée en moteur.
Ne pas se laisser piéger par la puissance annoncée
Généralement, les constructeurs annoncent la puissance “nominale” qui correspond à une vitesse de vent donnée. Or cette vitesse, également dite “nominale”, peut s’avérer bien supérieure à celle que peut fréquemment atteindre le vent sur votre site ! Outre la vitesse du vent, la puissance dépend de la surface balayée par le rotor, des caractéristiques de l’aérogénérateur et de la masse volumique de l’air (qui varie surtout en fonction de l’altitude). En revanche, la courbe de puissance établit la puissance de l’aérogénérateur en fonction de différentes vitesses de vent. C’est en la recoupant avec la courbe de répartition des vents mesurés sur le site d’implantation que le productible pourra être estimé.
Pour aller chercher le vent : le mât
On distingue deux grandes catégories de mâts.
Les mâts haubanés
Ces mâts sont maintenus par des câbles appelés “haubans” qui les relient au sol. Ce système présente plusieurs avantages : L’installation du mât ne nécessite pas d’engins de chantier : un simple treuil permet de le hisser. Les efforts au levage et en fonctionnement sont répartis entre une dalle porteuse en pied de mât, et quatre points d’ancrage (plots de béton, vis…) auxquels sont fixés les haubans. Grâce au treuil, la maintenance de l’éolienne s’effectue après simple basculement du mât. Ce type de mât est plus léger et moins cher. Revers de la médaille : l’espace au sol nécessaire pour la fixation des haubans et le basculement est important. Dans le cas où celà ne constitue pas une contrainte, la plupart des professionnels conseillent les mâts haubanés.
Les mâts autoportants
Comme leur nom l’indique, ces mâts n’ont pas besoin de systèmes annexes destinés à les soutenir. Ils sont directement ancrés dans un profond massif de béton qui supporte seul le poids de l’éolienne et les poussées qui s’exercent sur l’ensemble. L’emprise au sol est donc très réduite. Généralement, seuls quelques mètres carrés suffisent pour les fondations, au pied du mât. Mais l’installation d’un mât autoportant est plus onéreuse car elle peut nécessiter une grue, et du matériel de chantier. De plus, la maintenance de l’éolienne requiert une nacelle, voire une grue. Enfin, les mâts autoportants sont plus lourds et donc plus chers. Certains mâts autoportants sont dits basculants, ils sont dotés d’une charnière. C’est un compromis entre le système autoportant et le système haubané. Leur manoeuvre est tout de même plus délicate que celle des mâts haubanés.
Les systèmes d’orientation
Afin que les pales captent un maximum de vent, deux grands systèmes d’orientation sont développés sur les petites éoliennes :
Face au vent (amont)
Les éoliennes “face au vent” sont généralement munies d’un gouvernail qui permet d’orienter leur hélice en direction du vent. Ainsi, elles captent le vent en amont du mât. Ce système limite les conséquences des perturbations provoquées par le passage des pales à proximité du mât.
Sous le vent (aval)
Les éoliennes “sous le vent” présentent leur hélice en aval du mât. Cette orientation est obtenue par une installation des pales dans une forme conique. Cette configuration augmente les perturbations et le bruit provoqués par le passage des pales à proximité du mât. Afin de réduire l’impact sonore du passage des pales dans le sillage du mât, ces dernières peuvent présenter une courbure particulière.
La régulation
Différents systèmes de régulation sont développés :
Par l’effacement au vent "furling"
Le rotor pivote afin que les pales ne soient plus directement dans le lit du vent. L’effacement peut être vertical ou latéral. Assez rustique, ce dispositif n’est pas conseillé en milieu turbulent et sur sites très ventés. Sur ce type de machines, le contrôle de la puissance est très approximatif, avec souvent une dégradation sensible des performances par vent fort. Par l’action directe des pales selon deux techniques Les pales “à pas fixe”, dont la géométrie est conçue pour favoriser le décrochage aérodynamique en cas de vent violent. La régulation n’est pas très fine, mais le système est fiable, résistant et simple.
Par l’action directe des pales selon deux techniques "pitch"
Les pales “à pas variable” peuvent pivoter autour de leur axe pour se mettre en drapeau ou effectuer un décrochage aérodynamique. Sur ce type de machines, au-delà de la vitesse de vent nominale, la puissance peut rester constante sans seuil de limitation. Enfin, la régulation peut se faire directement par le générateur grâce à des dispositifs électroniques contrôlant la vitesse de rotation de l’hélice.
Off-grid (site-isolé) ou On-grid (connecté réseau) ?
En connecté réseau, les éoliennes ont généralement des alternateurs bobinés dans des tensions plus élevées compatibles avec les onduleurs réseau. Les tensions de sortie redressées peuvent varier entre 130 et 600Vdc en charge et monter jusqu'à 1000Vdc en circuit ouvert. A ne pas confondre avec les éoliennes destinées à la charge batterie dont les alternateurs sont bobinés dans des tensions compatibles avec la tension du banc de batteries. Pour éviter de trop importantes pertes de charge, il est possible d'utiliser des éoliennes avec des tensions de sortie intermédiaires (110V) avec des régulateurs MPPT comme le Midnite Classic.