Pourquoi pas plusieurs lames?
Les éoliennes sont construites pour capter l’énergie cinétique (de mouvement) du vent. La question se pose de savoir pourquoi les éoliennes modernes ne sont pas construites avec beaucoup de pales de rotor, comme les anciens moulins à vent « américains ». Les turbines à pales nombreuses ou à pales très larges, c’est-à-dire les turbines à rotor très solide, seront cependant soumises à des forces très importantes, lorsque le vent souffle à une vitesse d’ouragan (rappelez-vous que le contenu énergétique du vent du vent varie avec la troisième puissance de la vitesse du vent).
Les fabricants d’éoliennes doivent certifier que leurs turbines sont construites, afin qu’elles puissent résister à des vents extrêmes qui se produisent, par exemple, pendant 10 min une fois tous les 50 ans. Pour limiter l’influence des vents extrêmes, les fabricants de turbines préfèrent donc généralement construire des turbines avec quelques pales longues et étroites. Afin de compenser l’étroitesse des pales face au vent, les fabricants de turbines préfèrent laisser tourner les turbines relativement rapidement.
Pourquoi pas un nombre pair de lames ?
Les ingénieurs d’éoliennes modernes évitent de construire de grandes machines avec un nombre pair de pales de rotor. La raison la plus importante est la stabilité de la turbine. Un rotor avec un nombre impair de pales de rotor et au moins trois pales peut être considéré comme similaire à un disque lors du calcul des propriétés dynamiques de la machine.
Un rotor avec un nombre pair de pales posera des problèmes de stabilité pour une machine à structure rigide. La raison en est qu’au moment même où la lame la plus haute se plie vers l’arrière, car elle tire le maximum de puissance du vent, la lame la plus basse passe dans l’ombre du vent devant la tour.
La plupart des éoliennes modernes utilisées pour produire de l’électricité ont trois pales, bien que certaines en aient deux ou même une. Trois pales présentent l’avantage particulier que le moment d’inertie polaire par rapport au lacet est constant, et est indépendant de la position azimutale du rotor. Cette caractéristique contribue à un fonctionnement relativement fluide même en lacet. Un rotor à deux pales a cependant un moment d’inertie plus faible lorsque les pales sont verticales que lorsqu’elles sont horizontales. Ce « déséquilibre » est l’une des raisons pour lesquelles la plupart des éoliennes à deux pales utilisent un rotor vacillant. L’utilisation de plus de trois pales pourrait également aboutir à un rotor avec un moment d’inertie indépendant de la position, mais plus de trois pales sont rarement utilisées. Ceci est principalement dû aux coûts plus élevés qui seraient associés aux lames supplémentaires.
Le concept danois à 3 pales
La plupart des éoliennes modernes sont des conceptions à trois pales dont la position du rotor est maintenue au vent (du côté venteux de la tour) en utilisant des moteurs électriques dans leur mécanisme de lacet. Cette conception est généralement appelée le concept danois classique et tend à être une norme par rapport à laquelle d’autres concepts sont évalués. La grande majorité des turbines vendues sur les marchés mondiaux ont cette conception.
La conception de base a été introduite pour la première fois avec la célèbre éolienne Gedser. Une autre caractéristique est l’utilisation d’un générateur asynchrone.
Concept à deux pales
Les conceptions d’éoliennes à deux pales ont l’avantage d’économiser le coût d’une pale de rotor et son poids, bien sûr. Cependant, ils ont tendance à avoir des difficultés à pénétrer le marché, en partie parce qu’ils nécessitent une vitesse de rotation plus élevée pour produire la même production d’énergie. C’est un inconvénient à la fois en ce qui concerne le bruit et l’intrusion visuelle. Dernièrement, plusieurs fabricants traditionnels de machines à deux pales sont passés à des conceptions à trois pales.
Les machines à deux et une pales nécessitent une conception plus complexe avec un rotor articulé (moyeu basculant) comme le montre la deuxième image, c’est-à-dire que le rotor doit pouvoir s’incliner pour éviter des chocs trop lourds à la turbine lorsqu’une pale du rotor passe devant la tour. Le rotor est donc monté sur un arbre qui est perpendiculaire à l’arbre principal, et qui tourne avec l’arbre principal. Cette disposition peut nécessiter des amortisseurs supplémentaires pour empêcher la pale du rotor de heurter la tour.
Concept à une pale
Les éoliennes à une pale existent et elles permettent d’économiser le coût d’une autre pale de rotor. Si quelque chose peut être construit, les ingénieurs le feront. Les éoliennes à une pale ne sont cependant pas très répandues commercialement, car les mêmes problèmes mentionnés dans la conception à deux pales s’appliquent encore plus largement aux machines à une pale.
En plus d’une vitesse de rotation plus élevée, et des problèmes de bruit et d’intrusion visuelle, ils nécessitent de placer un contrepoids de l’autre côté du moyeu par rapport à la pale du rotor afin d’équilibrer le rotor (voir la deuxième figure). Cela annule évidemment les économies de poids par rapport à une conception à deux pales. Le facteur esthétique de l’apparition du déséquilibre est une autre considération. L’avantage présumé est donc que la turbine peut fonctionner à un rapport de vitesse de pointe relativement élevé, et que le coût doit être moindre du fait de la nécessité d’une seule aube.
Video frames
– Two blades: general explanation
– Three blades: general explanation