Tout savoir sur l'Éolienne Darrieus

L'éolienne Darrieus est un type d'éolienne à axe vertical (VAWT) utilisée pour produire de l'électricité à partir de l'énergie éolienne.

Le développement de petites éoliennes à axe vertical (VAWT) a connu un regain d'intérêt au cours des dernières décennies, comme en témoigne la pléthore de travaux scientifiques publiés.

 Cette attention peut être attribuée au besoin désespéré de mécanismes moins chers, plus propres et hors réseau pour la production d'énergie électrique. Dans un tel scénario hâtif, les VAWT sont considérés comme l'une des solutions potentielles pour la production d'électricité à petite échelle. 

L’éolienne darrieus, une éolienne à axe verticale

Le principal avantage d'une éolienne à axe vertical par rapport à une éolienne à axe horizontal est son insensibilité à la direction du vent et aux turbulences.

 Une éolienne à axe vertical peut donc être montée plus près du sol, ce qui la rend plus sûre et moins coûteuse à entretenir. Elle doit cependant avoir accès à beaucoup de vent. 

L'inconvénient majeur d'une éolienne à axe vertical est l'inefficacité à tirer chaque pale vers l'arrière à travers le vent à chaque demi-rotation. Une éolienne à axe horizontal bien située est continuellement entraînée par le vent une fois alignée et peut être jusqu'à deux fois plus efficace qu'une éolienne à axe vertical idéalement placée. 

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Qu’est ce qu’une éolienne darrieus ?

Les éoliennes de type darrieus sont composées d'un certain nombre de pales courbes montées sur un arbre ou un cadre rotatif. La courbure des pales permet à la pale de n'être sollicitée qu'en tension à des vitesses de rotation élevées. 

Il existe plusieurs éoliennes étroitement liées qui utilisent des pales droites. Cette conception de l'éolienne a été brevetée par Georges Jean Marie Darrieus, un ingénieur français (spécialisé dans l'aéronautique); le dépôt du brevet a eu lieu le 1er octobre 1926.

La configuration de George Darrieus est théoriquement aussi efficace que le type d'hélice sous une vitesse de vent constante, mais les conceptions réelles ont généralement eu des problèmes pour atteindre cette efficacité.

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Comment fonctionne l’éolienne Darrieus ?

Le principe de fonctionnement

Dans les versions originales de la conception de Darrieus, les ailes sont disposées de façon à être symétriques et à avoir un angle de calage nul. C'est-à-dire l'angle que les ailes sont placées par rapport à la structure sur laquelle elles sont montées. 

Cette disposition est tout aussi efficace quelle que soit la direction du vent, contrairement au type conventionnel, qui doit être tourné pour faire face au vent. 

Lorsque le rotor de Darrieus tourne, les ailes se déplacent dans l'air selon une trajectoire circulaire. Par rapport à la pale, ce flux d'air est ajouté vectoriellement au vent, de sorte que le flux d'air résultant crée un petit angle d'attaque positif variable par rapport à la pale.  

Cela génère une force nette qui pointe obliquement vers l'avant le long d'une certaine "ligne d'action". 

Cette force peut être projetée vers l'intérieur au-delà de l'axe de l'éolienne à une certaine distance, ce qui donne un couple positif à l'arbre, l'aidant ainsi à tourner dans la direction dans laquelle il se déplace déjà. 

Les principes aérodynamiques qui font tourner le rotor sont équivalents à ceux des autogiros, et des hélicoptères normaux en autorotation.

Lorsque la voilure se déplace à l'arrière de l'appareil, l'angle d'attaque passe au signe opposé, mais la force générée est toujours oblique dans le sens de la rotation, car les ailes sont symétriques et l'angle de gréement est nul. 

Le rotor tourne à une vitesse qui n'est pas liée à la vitesse du vent. L'énergie provenant du couple et de la vitesse peut être extraite et convertie en puissance utile à l'aide d'un générateur électrique.

Les termes aéronautiques de portance et de traînée sont, à proprement parler, des forces respectivement de part et d'autre et le long du flux d'air relatif net en approche, ils ne sont donc pas utiles ici.

Nous voulons vraiment connaître la force tangentielle qui tire la lame autour, et la force radiale qui agit contre les roulements.

Lorsque le rotor est stationnaire, aucune force de rotation nette n'est générée, même si la vitesse du vent augmente assez fortement le rotor doit déjà tourner pour générer un couple.

Ainsi, la conception n'est normalement pas autodémarrage. Dans de rares cas, les rotors de Darrieus peuvent s'autodémarrer, et il faut donc prévoir un frein pour les maintenir à l'arrêt.

Un problème de conception est que l'angle d'attaque change lorsque la turbine tourne, de sorte que chaque aube génère son couple maximum en deux points de son cycle (avant et arrière de la turbine). Cela conduit à un cycle de puissance sinusoïdal (pulsation) qui complique la conception.

 En particulier, presque toutes les turbines Darrieus ont des modes de résonance où, à une vitesse de rotation donnée, la pulsation se fait à une fréquence naturelle des aubes qui peut les faire se briser (éventuellement). C'est pourquoi la plupart des turbines Darrieus sont équipées de freins mécaniques ou d'autres dispositifs de contrôle de la vitesse pour empêcher la turbine de tourner à ces vitesses pendant une longue période.

Un autre problème se pose parce que la majorité de la masse du mécanisme de rotation se trouve à la périphérie plutôt qu'au moyeu, comme c'est le cas avec une hélice. Cela entraîne des contraintes centrifuges très élevées sur le mécanisme, qui doit être plus fort et plus lourd qu'autrement pour y résister. 

Une approche courante pour minimiser ce problème consiste à courber les ailes en forme de "batteur d'œufs" (appelé "troposkine", du grec "forme de corde filée")

Dans cette configuration, la conception de Darrieus est théoriquement moins coûteuse qu'un type conventionnel, car la plupart des contraintes se situent dans les pales qui exercent un couple contre le générateur situé au bas de la turbine.

Les seules forces qui doivent être équilibrées verticalement sont la charge de compression due à la flexion des pales vers l'extérieur (ce qui tente de "serrer" la tour). Et la force du vent qui tente de faire sauter toute l'éolienne, dont la moitié est transmise au fond et dont l'autre moitié peut facilement être compensée par des haubans.

En revanche, une conception conventionnelle a toute la force du vent qui tente de pousser la tour au sommet, où se trouve le palier principal. 

En outre, il n'est pas facile d'utiliser des haubans pour compenser cette charge, car l'hélice tourne à la fois au-dessus et en dessous du sommet de la tour. 

Ainsi, la conception conventionnelle nécessite une tour solide qui s'agrandit considérablement avec la taille de l'hélice. Les conceptions modernes peuvent compenser la plupart des charges de la tour de cette vitesse variable et de ce pas variable.

En comparaison générale, si la conception de Darrieus présente certains avantages, elle présente beaucoup plus d'inconvénients, en particulier pour les machines plus grandes de la classe MW. 

La conception de l' eolienne Darrieus utilise des matériaux beaucoup plus chers dans les pales, alors que la plupart des pales sont trop proches du sol pour fournir une puissance réelle. 

Les conceptions traditionnelles partent du principe que le bout de l'aile se trouve à au moins 40 m du sol au point le plus bas pour maximiser la production d'énergie et la durée de vie. Jusqu'à présent, aucun matériau connu (pas même la fibre de carbone) ne peut répondre aux exigences de charge cyclique.

D’autres types d’éoliennes verticales

Si les grappes d'éoliennes à axe horizontal sont notre principale arme dans la guerre pour réduire les émissions de gaz à effet de serre afin de sauver la planète des effets du réchauffement climatique.

Il existe d'autres conceptions intéressantes d'éoliennes. Les éoliennes à axe vertical (VAWT) se présentent sous différentes formes et tailles pour ceux qui souhaitent emprunter le chemin le moins fréquenté

1) L'Éolienne Giromills ou la Darrieus H

Le brevet de 1927 de Darrieus couvrait également pratiquement tous les arrangements possibles utilisant des voiles verticales. L'un des types les plus courants est le rotor en H, également appelé Giromill ou H-bar. Ce type d'éolienne possède de longues pales de "batteur à œufs" de la conception commune de Darrieus sont remplacées par des sections de pales verticales droites fixées à la tour centrale par des supports horizontaux. 

2) La Cycloturbine

Une autre variante du Giromill est la Cycloturbine, dans laquelle chaque pale est montée de manière à pouvoir tourner autour de son propre axe vertical. Cela permet aux pales d'être "inclinées" de manière à toujours avoir un certain angle d'attaque par rapport au vent. Le principal avantage de cette conception est que le couple généré reste presque constant sur un angle assez large, de sorte qu'une Cycloturbine à trois ou quatre pales a un couple assez constant. 

Sur cette plage d'angles, le couple lui-même est proche du maximum possible, ce qui signifie que le système génère également plus de puissance. La Cycloturbine a également l'avantage de pouvoir s'auto-démarrer, en plaçant la pale "sous le vent" à plat face au vent pour générer de la traînée et faire tourner la turbine à faible vitesse. L'inconvénient est que le mécanisme de tangage des pales est complexe et généralement lourd, et qu'il faut ajouter une sorte de capteur de direction du vent pour que les pales s'inclinent correctement.

3) L'Éolienne Hélicoïdale

En remplaçant les lames d'un Giromill par des lames hélicoïdales enroulées autour d'un axe vertical (dans une structure semblable à celle de l'ADN), il est possible de minimiser le couple de pulsation. Le couple de pulsation peut provoquer la défaillance des principaux roulements des modèles dérivés de Darrieus.

Éolienne à pales hélicoïdales et à axe vertical

Conception de la révolution silencieuse

L'idée originale de cette éolienne a été inspirée par l'hydrolienne hélicoïdale de Gorlov, elle-même inspirée à l'origine par la conception de l'éolienne Darrieus.

Les pales d'une turbine Darrieus peuvent être inclinées en hélice, par exemple trois pales et une torsion hélicoïdale de 60 degrés. Le concepteur original de la turbine hélicoïdale est Ulrich Stampa

(brevet allemand DE2948060A1, 1979). A. Gorlov a proposé une conception similaire en 1995 (les turbines hydrauliques de Gorlov).

Comme le vent entraîne chaque pale du côté au vent et du côté sous le vent de l'éolienne, cette caractéristique répartit le couple de manière égale sur toute la révolution, empêchant ainsi les pulsations destructrices. Cette conception est utilisée par les marques d'éoliennes Turby, Urban Green Energy, Enessere, Aerotecture et Quiet Revolution.

4) L'Éolienne Savonius

Une éolienne type Savonius à axe vertical est une machine à rotation lente et à couple élevé, idéale pour entraîner des pompes. Alors que la plupart des éoliennes utilisent la portance générée par des pales en forme d'ailes pour entraîner un rotor. La Savonius utilise la traînée et ne peut donc pas tourner plus vite que la vitesse du vent qui s'approche.

Pour alimenter le réseau électrique, la vitesse relativement lente d'un Savonius doit être adaptée pour produire des fréquences CA - ce qui augmente le coût et réduit l'efficacité globale.

Peu d'éoliennes à axe vertical, voire aucune, sont disponibles à l'achat pour un usage personnel. Mais ce n'est pas un obstacle pour ceux qui sont prêts à relever le défi de construire leur propre éolienne à axe vertical.