Notions de base sur le fonctionnement d'une éolienne: la rotation du rotor éolien

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Le rotor d'une éolienne à axe horizontal est constitué est constitué d'une hélice fixée à un axe supporté par la nacelle de l'éolienne. C'est une hélice directement issue du modèle de celle des avions. Adopter un tel système a représenté une grande avancée dans la conception des éoliennes. L'origine de cette évolution est obscure mais on peut considérer qu'elle est dûe à CONSTANT en France et à JACOBS aux USA.
Le seul mouvement possible d'une hélice est une rotation autour la ligne centrale de son axe horizontal qui est maintenu par des paliers. En ce qui concerne une hélice d'aviation, ce mouvement est facilement compréhensible puisque c'est un moteur de l'avion qui en est à l'origine. En ce qui concerne une éolienne, on est en droit de se demander pourquoi le vent met en mouvement le rotor éolien.


Une pale d'une éolienne à axe horizontal est tout à fait semblable à une aile d'avion avec naturellement quelques spécificités propres. Depuis Otto LILIENTHAL, on a compris que le mouvement de l'air par rapport à une aile de faible épaisseur produisait sur celle-ci une action dont la résultante peut se décomposer en deux forces: la portance (Lift en anglais) et la traînée (Drag). Depuis Gustave EIFFEL on sait que la portance est une force dont l'action est perpendiculaire à la direction du mouvement de l'air par rapport à l'aile alors que la traînée est une force dont l'action est parallèle à celui-ci dans le ses du vent et donc opposée à l'avancement dans la direction inverse. L'étude ces deux forces commence par la considération d'une une coupe transversalle de l'aile qu'on appelle un profil. Le segment qui joint le bord avant et le bord arrière du profil est appelé la corde. On a conçu de nombreux profils dont les propriétés ont été abondamment étudiées en soufflerie à la NACA (ancêtre de la NASA) aux USA, à GÔTTINGEN et à la soufflerie EIFFEL. Ils ne sont pas nécessairement symmétriques par rapport à leur corde (contrairement au schéma). Depuis le renouveau de l'éolien, de nouveaux profils spécifiques aux éoliennes ont été étudiés, en particulier au Danemark

Dans le cas d'une aile d'avion, la portance permet à celui-ci de décoller puis le maintient en l'air. Dans le cas d'une pale d'éolienne la portance permet à la pale de mettre le rotor en mouvement qui ne peut qu'effectuer une rotation car l'arbre du rotor est maintenu dans la nacelle par des paliers. Par la suite une fraction importante de la portance maintient le rotor en mouvement.

L'angle (noté alpha sur la figure) entre la direction du vent et la corde s'appelle l'angle d'attaque. Lorsque la pale est en mouvement les particules d'air aquièrent une vitesse supplémentaire par rapport à la pale qui lui est est perpendiculaire mais dans en sens opposé au mouvement de sorte que le mouvement résultant des particules d'air par rapport à la pale qu'on appelle le vent apparent n'est plus tout à fait égal au vent physique qui souffle sur la pale au repos. Toutefois si le vent physique souffle perpendiculairement au rotor, un peu de géométrie dans l'espace montre que le vent apparent souffle dans les plans perpendiculaires à l'axe de la pale. C'est donc le nouvel angle d'attaque entre le vent apparent et la corde du profil qui doit être considéré. Il en résulte que la direction de la portance n'est plus tout à fait dans le plan du rotor (plan commun des axes des pales) et que seule une partie de celle-ci participe au mouvement de rotation. L'autre partie de la portance crée de la poussée sur la pale.
On montre que la portance est proportionnelle au carré de la vitesse et à un coefficient appelé coefficient de portance qui dépend de l'angle d'attaque. La portance augmente lorsque l'angle d'attaque augmente jusqu' à un maximum puis diminue rapidement. C'est ce qu'on appelle le décrochage aérodynamique qui a un caractère moins dramatique dans le cas d'une éolienne que dans celui d'un avion en vol celui d'un avion en vol.



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Dernière correction et modification : le 08/03/2021.

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