Éolienne verticale à pales autodéployantes

Les problèmes récurrents des éoliennes horizontales sont connus: autorisations administratives engageant différents recours et polémiques publiques, importance des infrastructures de fondation entraînant une trace forte et pérenne aux paysages, nuisances sonores et risques sur les populations volatiles.

Même si le calcul et la pratique indiquent que l’axe horizontal présente un bilan énergétique plus performant, le développement du besoin d’allégement de la partie en fondation, en particulier le développement en mer profonde de champs éolien, oblige à aller plus loin sur l’approche de l’axe vertical, qu’il soit à pales fixes ou à pales mobiles.

Les éoliennes verticales peuvent travailler, indifféremment de la surface des pales, à une distance rapprochée du sol impliquant un moindre moment de basculement de la structure et permettant une infrastructure de fondation au sol plus légère. Cette caractéristique peut permettre à l'éolienne de pouvoir être déplacée, relocalisée ou être établie sur une structure flottante ou mobile.

L'axe vertical permet d'autre part d'avoir un impact sonore limité du fait de l’angle d’attaque sur le flux du vent et la vitesse de rotation des extrémités de pales.

On  privilégie le principe des éoliennes horizontales en arguant d'une meilleure réponse aux deux principes physiques qui régissent l’aérodynamisme éolien, à savoir la loi de Bernouilli  (pression de l’intrados, inférieure à la dépression de l’extrados) et la loi de Betz (récupération de 59 % de l’énergie du flux du vent balayé par la surface alaire). D'autre part elles ne connaissent pas de cycle contreproductif du fait de la remontée au vent.
Les éoliennes verticales à pales orientables répondent à ces deux lois en les exploitant de manière différente, en augmentant la surface soumise à la pression de la portance du vent et en jouant sur les poussées combinées (vent-arrière, largue, plus-prés), permettant une meilleure inertie aux vents moyens. 

Pales déployantes

Vues en plan et élévation



L’éolienne dans sa configuration de base est constituée d’une couronne externe et d’une couronne interne dont les axes ne correspondent pas.

La simultanéité de révolution de ces deux couronnes permet de créer une différence de distance entre deux points fixés sur chacune de ces couronnes. Par l’intermédiaire d’un bras mobile de liaison cette différence modifie l’angle d’attaque des pales fixées sur la couronne externe. Plus la couronne interne est proche de la couronne externe, plus le bras repousse le bord de fuite de la pale donc plus elle prend un angle favorable à une prise au vent, à l’inverse plus les couronnes sont éloignées, plus le bras attire le bord de fuite donc moins l’angle de la pale est sensible à la prise de vent. Ainsi les pales se déploient au plus fort de la surface du vent sur la pale(en vent arrière) évolue vers les conditions de poussée vélique optimale (vent au plus-prêt) et se replient lorsqu’elles remontent ce vent. Ce principe permet d’entraîner une action renforcée de rotation sur les couronnes du fait du déploiement de la pale aux allures de vent favorable. La couronne transmettant l’énergie cinétique de la rotation à un générateur électrique. L’orientation de l’ensemble se réalise par l’intermédiaire d’une aile de girouette adoptant le profil du vent.

Auto orientation en fonction de la force du vent 

Vue en plan

Le système doit pouvoir s’auto orienter pour diminuer sa prise au vent et éviter d’endommager la structure lorsque le vent est supérieur à une limite déterminée. Pour exécuter cette rotation, l’axe de la girouette/axe du vent se rapproche d’un axe solidaire de la structure. Sous l’effet du renforcement du vent sur la structure, l’angle entre les deux axes diminue et ainsi la structure tend vers un profil général de moindre prise au vent. Dans cette configuration les pales les plus déployées ne sont plus en vent arrière mais en vent de debout.

Cette compensation entre les deux axes (girouette et structure) se réalise par l’intermédiaire d’un mécanisme de ressorts étalonnables modifiant la valeur de l’angle entre ces deux axes.

Volants d’inertie à géométrie variable





Afin de stabiliser la vitesse et la force de poussée des couronnes, elles sont équipées de volants d’inertie capitalisant l’énergie cinétique des rotors. Pour augmenter leur efficacité ces volants d’inertie auront en allure de vent faible une masse déportée plus éloignée de la couronne du volant qu’en position de vent fort ou les masses se rapprocheront de cette couronne au moyen d’un mécanisme réglable proportionnel à la force du vent.

Regroupement d'éoliennes 

Vues en plan et en élévation

 

Le regroupement d’éoliennes permet d’amplifier la puissance reçue par le vent dans une structure s’auto orientant en fonction de la force du vent.

Afin d’offrir une stabilité statique cette structure associant trois éoliennes s’appuie sur une base fixée sur un trépied en position fixe solidaire du support d’assise (sol).

A l’intérieur de cette base fixe, la structure mobile dans son orientation selon un axe vertical s’oriente en fonction de la direction du vent au moyen d’une girouette de grande surface capable de mouvoir la structure en rotation sur la base fixe du trépied. Un jeu de ressorts de compensation étalonné (tel que défini plus haut) auto oriente la structure afin d’offrir un profil de moindre empreinte au vent en fonction de l’augmentation de sa puissance. Afin de stabiliser l’ensemble du système, le moment de basculement dû à l’effet du vent est compensé par un ballast en contrepoids selon l’axe de la girouette, rendant cette structure statiquement stable. L’assise générale du trépied est alors assurée, sous réserve de dispositifs d’accroche simple afin de résister aux forces tendant au glissement horizontal sur le support.

Développement et brevets 

Ce projet a été déposé avec revendications de brevets sur plusieurs principes auprès de l’INPI en date de janvier 2011 et rendu public en juin 2012:

• pales auto-déployantes,
• auto-protection aux vents forts,
• volant d’inertie variable,
• association d'éoliennes en structure stable,

Projet industriel et recherches technologiques:

dans le cadre de l’ENSTA Bretagne-Division Projets Industriels-Branche Ingénierie des Systèmes Mécaniques:

Conception complète d’avant-projet (2éme année de recherche):

• Simulation numérique de l’ensemble afin d’obtenir un ordre de grandeur des puissances récupérables.
• Travail bibliographique permettant d’estimer les perturbations d’écoulement engendrées par les pales.
• Dimensionnement de l’ensemble.
• Définition d’une maquette numérique

Exemple de simulation développée sur logiciel Virtual Lab (en X : temps, en Y: vitesse), avec une vitesse du vent de 12m/s.

Exemples et développement des éoliennes à axe vertical

Les éoliennes à axe vertical existantes sont basées sur différents principes:

· pales hélicoïdales fixes.

· pales tournantes orientables à la direction du vent faisant entrer en action des capteurs à commandes programmées.

· stator fixe canalisant le vent sur un rotor mobile.

Ces éoliennes sont des developpements issues des deux pricipes en axes verticaux: Savonius (privilégiant la trainée), Darieus  (privilégiant la portance).

Les différentes éoliennes à axe vertical actuellement sur le marché en France ont pour noms commerciaux :

• Nov’éolienne à pales hélicoïdales fixes.

• Eol process à pales tournantes orientables à la direction du vent.

• · StatoEolien à stator fixe canalisant le vent sur un rotor mobile.

• Ropatec ou OK Wind à pales verticales fixes.

Pas un mois ne passe sans que de nouvelles entreprises ne se créent.

Cette variété d'éoliennes participe de la réflexion sur des systèmes verticaux, laissant malheureusement encore la place à beaucoup d'illusions (dépassement de la limite de Betz, simplification des perturbations aérodynamiques). Les retours commerciaux prouvent que seules les éoliennes à pales fixes basées sur le principe de Darieus trouvent un marché, le système à stator fixe, ou les simples godets tournants (développement de Savonius), ne connaissent aucun développement du fait des perturbations induites par la complexité du système ou du trés faible rendement énergétique.

Il faut aujourd'hui mettre en relation les recherches autour du concept Darieus, avec l'exploitation des champs éolien off-shore en eau profonde ou le problème permanent des massifs de fondation.

L'abaissement du centre de gravité, l'opportunité de travailler plus bas, la moindre suggestion au vent du champ giroscopique crée par les pales, devraient permettre une économie substantielle en appuyant l'éolienne sur une simple nacelle flottante ou des fondations allégées dispensant les infrastructures de forage, pénalisantes dès lors que l'on s'éloigne du plateau continental.

Le système à pales autodéployables doit maintenant faire ses preuves, en bilan de puissance, en pérennité, en entretien, en coût de fabrication.

L'enjeu est de savoir si une solution mixte mariant Darieus et Savonius, peut avoir un bilan énergétique plus riche qu'une simple Darieus à pales fixes droites ou hélicoidales, la comparaison avec une éolienne horizontale est de toute façon en faveur de cette dernière (ceci grace aux améliorations de performance constantes).

Ce système, introduisant une mécanique peu complexe mais sujette à des déréglements du fait de la puissance et de la versatilité de la matière exploitée (le vent), peut-il avoir un avenir?

C'est ce que nous essayons de faire dans la phase actuelle, en recherche de financement pour la construction d'un prototype de 3 KWc, car en la matière seule l’expérimentation peut aujourd'hui amener la preuve.

Développement en cours

Un groupe de communication est actuellement en discussion avancée pour créer un prototype dans l'objectif de faire de cette éolienne l'élément central positionné sur le parking d'un important centre commercial en rénovation complète.

Symbolique ou technologique.....pourquoi refuser de faire avancer ses idées?