Focus sur l’énergie éolienne

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Publié le lundi 9 novembre 2015

L’énergie éolienne est l’énergie tirée du vent, au moyen d’un dispositif aérogénérateur comme une éolienne ou un moulin à vent. Présentation d’un secteur en pleine expansion.

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  • Le matériel éolien est actuellement conçu, non pas pour le service et durabilité, mais pour le profil des promoteurs et fournisseurs d’éléments qui ne prennent en compte ni production et durée.
    Avec un tel matériel, le monde va dans le mur !
    Face a un élément aussi complexe que le vent, le simplisme actuellement affiché n’est pas de mise.
    Près de soixante ans de réflexion et pratique, ne confère le devoir de parler.

    L’énergie éolienne est la puissance que l’on sort sous forme mécanique ou électrique de l’exploitation de l’énergie cinétique du vent.
    Exprimée en Watts au m2, elle est définie par la limite de Betz.
    De laquelle doit être soustraites en énergie de sortie : les pertes de rendement, aérodynamiques, mécaniques, électriques.
    A cette base théorique, en toute logique peut s’ajouter les effets de succions, d’entrainements exercés par le flux environnant. Sauf si par un passage insuffisant sous la surface exploitée, ils doivent être considérés comme inférieurs ounuls.
    Dans cette dernière situation, de nombreuses études l’ont démontré, il y a contournement par le dessus.
    Vient ensuite la définition de la machine d’exploitation.
    A axe vertical ou horizontal ?
    L’axe vertical
    Séduit beaucoup car il place machinerie et alternateur en pied au sol, à la portée de chacun.
    Mais les surfaces reculant au vent, ou avec très peu de vitesse relative, sont d’une exploitation très très médiocre. Et par tempêtes, ces surfaces demeurent exposées.
    Axe horizontal :
    Les hélices exploitent beaucoup mieux les surfaces exposées. Mais une orientation est obligatoire.
    Elles ont leurs exigences d’établissement. Voyons en les différents aspects.

    Vitesse :
    La vitesse d’une hélice ne saurait être zéro, car étant le produit d’une force par son déplacement, l’énergie serait nulle. Une conversion aurait cependant lieu, le vent rentré rectiligne dans l’hélice, sortirait vers l’aval en rotation. Les pertes pratiques de 100% en cette situation, décroissent, la vitesse de l’hélice augmentant.
    La pratique a démontré qu’une vitesse à la périphérie de l’hélice comprise dans une fourchette entre sept à dix-huit fois la vitesse du vent apparaissait la plus avantageuse.
    Au-delà, les contraintes mécaniques sont élevées, couteuses et difficilement supportables. Et en fin, les pertes aérodynamiques équilibreraient les acquis, plus et l’énergie utilisable disparait.
    Il apparait, qu’outre la possibilité d’employer des machines électriques standards dont les prix et rendements sont sans pareils, une vitesse constante de l’hélice avec adaptation de pas est très avantageuse.
    Elle permet la vitesse étant déjà établie, d’exploiter par vents faibles, l’énergie des dépassements de moyenne, qui représente dans ce cas le principal potentiel.

    Forme de la surface de l’hélice :
    Il y a de grandes différences de pression entre une surface convexe, plate ou concave présentée au vent.
    Comme les hélices marines, les hélices éoliennes évoluent en milieu fluide à limites non définies. Jusqu’aux approches de la vitesse du son, elles sont toutes deux en cette situation, régies par les lois de la mécanique des fluides incompressifs.
    En hélice marine la forme concave coté pression est universellement adoptée.
    En éolien elle procure une plus grande section pour la veine d’écoulement aval correspondant au ralentissement consécutif à l’utilisation de son énergie.

    Largeur des pales :
    La conversion du produit potentiel « pression écoulement » en énergie sous forme rotative, est réalisée par les pales.
    Une pale d’éolienne est une aile portante dont le but est la résultante.
    Blaise Pascal nous enseigne que toutes pressions ou dépressions exercées par un fluide sur une surface, l’est à la perpendiculaire de celle-ci.
    Sur un profil de pale, sa corde à partir de laquelle est compté l’angle d’incidence, peut être considérée comme étant dans cette surface.
    La résultante est le produit de cette pression par le sinus de l’angle formé par les perpendiculaires de la corde de ce profil et celle du plan de rotation, l’axe de l’hélice.
    Le vent, la vitesse de rotation de l’hélice, définissent en tous lieux de son rayon un angle d’hélice dans le vent.
    La corde de profil ne peut être en cette situation, car l’angle d’incidence serait nul. Il n’y aurait pas de résultante faute de pression.
    Celle-ci est à obtenir avec un angle d’incidence faible par l’adoption de pales larges.
    Quelques soit leur vitesse, le rendement résultant d’une pale, donc de l’hélice, sera toujours inversement proportionnel à la grandeur de l’angle d’incidence par rapport à l’angle d’hélice dans le vent.
    La surface balayée, la pression à recueillir, s’accroit avec le rayon. Les pales ne doivent pas être moins larges à leurs extrémités qu’à leurs bases.

    Gauchissement des pales.
    Il est obligatoire sur toute hélice qui se respecte.
    Il doit être établi de telle sorte, que jusqu’à la puissance et la vitesse du vent nominal de la machine, en aucun lieu du rayon, la pale soit en situation de décrochement aérodynamique.

    Hauteur de pylône.
    Sur terrain dégagé mais dont la végétation n’est pas totalement rasée, il apparait qu’en dessous de dix-huit mètres au-dessus du sol, aucune énergie significative ne peut être recueillies.
    La hauteur au-dessus du sol apparaissant rationnelle en plaine, serait de dix-huit mètres plus deux fois le diamètre d’hélice.
    La limitation des pressions et efforts aux seuls utiles définis par la vitesse du vent et la puissance nominale, la stabilité dynamique de l’hélice, devront donc permettrent économiquement cette élévation à considérer comme minimum.

    Tout ceci est la conclusion d’une vie d’expériences, documentations, réalisations, observations et réflexions.
    Et cela a donné lieu à une réalisation conforme et fiable.

    Le vent cumule tous les défauts, les vices.
    Il est irrégulier en vitesse, imprévisible, parfois violent, à écoulements tourbillonnaires, parfois absent.
    Si les élémentaires grandes lois physiques énoncées ne sont pas respectées, appliquées, les machines éoliennes ne peuvent rendre le service attendu et ne sont pas amortissables.

    Dans cet exposé sans prétention il n’a pas été donné de chiffres, cela est très complexe, les différents paramètres interférents les uns avec les autres.
    Mais ce texte et le raisonnement par les extrêmes, donne les directions dans lesquelles l’on doit tendre.
    Toujours visible en production, la réalisation qui est un prototype, ne réalise pas parfaitement, l’intégration de tous ces paramètres, mais il en démontre la faisabilité et la fiabilité de leur application.

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