Éolienne

Une éolienne est un rotor à longues pales profilées comme des ailes, que le vent fait tourner et qui entraîne une génératrice électrique en haut d’un mât. Les petites chargent des batteries ; les grandes, dont le rotor dépasse cent mètres de diamètre, alimentent le réseau à travers un transformateur.

Ce que c’est

Une éolienne est un moulin à vent conçu pour produire de l’électricité : le rotor fait tourner un arbre, et l’arbre entraîne une génératrice. La machine dessinée ici reprend la disposition de presque toutes les grandes éoliennes actuelles. Trois pales effilées (1) font face au vent devant un mât d’acier (7), et la nacelle, au sommet, abrite la chaîne de transmission et pivote pour suivre le vent.

Comment ça marche

La puissance du vent vaut P = ½·ρ·A·v³ : ρ est la masse volumique de l’air, environ 1,2 kg/m³, A la surface balayée par le rotor et v la vitesse du vent. Un rotor de 3 mètres de diamètre balaie environ 7,1 m². À 6 m/s, le vent qui le traverse porte ½ × 1,2 × 7,1 × 6³ ≈ 920 watts ; à 12 m/s, huit fois plus, soit environ 7,4 kW. C’est pourquoi les éoliennes sont perchées sur de hauts mâts, là où le vent souffle plus fort.

Un rotor ne peut pas prendre toute cette puissance. Il tire son énergie en freinant l’air, mais l’air ralenti doit encore s’écouler derrière lui, sinon l’air neuf ne pourrait plus passer. Vers 1920, le physicien allemand Albert Betz a montré que la part maximale est de 16/27, soit 59,3 %. Les éoliennes réelles en captent en général 35 à 45 % sur leur plage de marche ; un grand rotor moderne approche 48 % à son meilleur point de fonctionnement, et le multiplicateur et la génératrice en perdent encore un peu.

La section d’une pale est une aile. Elle se vrille sur sa longueur, car le bout va bien plus vite que la racine.

Les pales modernes sont des profils aérodynamiques et travaillent par portance, comme une aile d’avion. Lancée à grande vitesse en travers du vent, une pale reçoit un air qui vient surtout de côté, et la portance sur son profil la tire en avant. La vitesse spécifique, c’est-à-dire la vitesse du bout de pale divisée par celle du vent, vaut environ 7 sur les éoliennes tripales raccordées au réseau : par vent de 10 m/s, les bouts de pale filent à environ 70 m/s.

Dans le moyeu (2), chaque pale tourne dans un grand roulement, ce qui permet de la faire pivoter sur son propre axe. Ce réglage du calage permet au rotor de capter le plus possible sous la vitesse de vent nominale et de limiter la puissance au-delà. L’éolienne démarre à la vitesse de démarrage, vers 3 à 5 m/s, et atteint sa pleine puissance à sa vitesse nominale. Au-delà de la vitesse de coupure, environ 25 à 29 m/s, elle met ses pales en drapeau, le rotor ralentit et un frein le bloque. Une girouette sur la nacelle indique la direction du vent, et des moteurs d’orientation (6) font pivoter la nacelle sur une couronne dentée, comme le faisait l’éolienne d’orientation sur un moulin.

Sur les grandes machines, l’arbre principal (3) tourne à environ 8 à 20 tours par minute. Dans une chaîne classique, un multiplicateur (4) l’accélère une centaine de fois pour la génératrice (5), qui tourne à plus de mille tours par minute. D’autres modèles emploient une génératrice à vitesse moyenne avec moins d’engrenages, ou se passent de multiplicateur avec une grosse génératrice lente à nombreux pôles magnétiques. Une électronique de puissance cale la production sur la fréquence du réseau, et un transformateur élévateur relève la tension.

Comment la construire

Une petite éolienne peut recharger une batterie au plomb de 12 volts. Construisez-la d’après un plan publié et éprouvé qui précise les pales, le mât et la protection contre l’emballement ; les étapes ci-dessous montrent ce qu’un tel plan doit couvrir. Renseignez-vous d’abord sur les règles d’urbanisme et parlez-en aux voisins.

Choisir le site. Près du sol, le vent est faible et turbulent. Une règle courante place le bas du rotor au moins 9 mètres au-dessus de tout obstacle situé à moins de 90 mètres. Un anémomètre à la hauteur prévue donne une première idée en quelques semaines ; une année entière montre les saisons.

Choisir la génératrice. Un moteur à courant continu à aimants permanents, par exemple de tapis de course, fait une bonne génératrice. Entraînez-le avec une perceuse à des vitesses connues, une charge de 12 volts branchée, et mesurez tension et courant : il doit fournir un courant utile au-dessus de 14 volts environ à quelques centaines de tours par minute, une vitesse que le rotor peut atteindre.

Des pales taillées dans un tuyau en plastique, un moteur de tapis de course et un safran en tôle.

Faire le rotor. Les plans de petites machines découpent souvent les pales dans un tuyau en plastique ou les taillent dans un bois léger à fil droit. Respectez la qualité de tuyau, l’épaisseur de paroi et la forme de pale du plan : les pales en tuyau se fatiguent et peuvent se fissurer au pied. Serrez le pied de chaque pale entre deux plaques métalliques sur le moyeu, équilibrez le rotor jusqu’à ce qu’il reste immobile dans n’importe quelle position, et remplacez une pale à la première fissure. Un rotor de 1,1 mètre de diamètre reçoit environ 70 watts de vent à 5 m/s ; 10 à 20 watts à la batterie est une estimation grossière, que seule une mesure confirmera.

Mât et safran. Un safran plat au bout d’une perche garde le rotor face au vent. Montez le moteur sur un pivot en haut d’un tube d’acier à pied articulé, et ancrez les haubans à une distance du pied comprise entre la moitié et les trois quarts de la hauteur du mât, pour pouvoir le basculer jusqu’au sol. Prenez le mât du plan, des ancrages dimensionnés pour la charge et un treuil à main pour le lever.

Empêcher l’emballement. Dans une rafale, ou privé de charge électrique, un rotor peut tourner jusqu’à se rompre. Une éolienne en plein air a besoin d’une protection automatique : beaucoup de petites éoliennes ont un safran articulé qui s’efface et tourne le rotor hors du vent fort ; d’autres comptent sur le décrochage ou sur des pales à calage variable. Sans cette protection, une éolienne ne doit pas tourner en plein air ; et même avec elle, arrêtez et couchez une petite éolienne avant une tempête.

Le câblage. Reliez la génératrice à la batterie par un fusible et une diode anti-retour, qui empêche la batterie de faire tourner le moteur. Un régulateur de délestage, dimensionné pour le courant de la génératrice et câblé selon son propre schéma, surveille la tension de la batterie et envoie la puissance dans une charge de délestage quand elle est pleine : des résistances prévues pour toute la puissance sous la tension de la batterie, car un radiateur secteur n’absorbe presque rien sous 12 volts. Un interrupteur qui court-circuite la génératrice ralentit le rotor par vent faible mais ne le bloque pas ; attachez une pale au mât avant de toucher au rotor.

Pour une version de table, placez un petit moteur muni de pales en carton devant un ventilateur et mesurez la tension à chaque vitesse.

Sécurité. Les bouts de pale vont bien plus vite qu’il n’y paraît : ne vous tenez jamais dans le plan du rotor. Ne grimpez jamais à un mât tant que l’éolienne peut tourner ; arrêtez-la et basculez le mât. Éloignez tout le monde à une distance supérieure à la hauteur du mât quand on le lève ou l’abaisse, et tenez le mât et sa zone de chute bien à l’écart des lignes électriques aériennes. Les batteries au plomb contiennent de l’acide sulfurique et dégagent de l’hydrogène explosif pendant la charge : rangez-les dans un coffre ventilé, loin des étincelles et des pièces à vivre. Un court-circuit aux bornes d’une batterie peut faire fondre les fils et déclencher un incendie. Ne raccordez jamais vous-même une éolienne à l’installation d’un bâtiment ou au réseau : il faut un onduleur homologué et un électricien qualifié.

Histoire et évolutions

En juillet 1887, James Blyth, professeur à Glasgow, dresse un moulin à quatre ailes de toile près de sa maison de vacances de Marykirk, en Écosse. Sa dynamo charge des accumulateurs qui éclairent la maison. Une dynamo mue par le vent avait été présentée à Vienne en 1883, mais celle de Blyth est la première bien documentée qui ait servi au quotidien.

La machine de Brush à Cleveland : 144 pales de cèdre sur un rotor de 17 mètres.

Pendant l’hiver 1887-1888, Charles F. Brush construit à Cleveland, dans l’Ohio, une dynamo éolienne à 144 pales de cèdre sur une tour de 18 mètres. Elle charge 12 batteries. Sa dynamo est le plus souvent donnée pour 12 kW, même si un article de presse ultérieur parle de 1,2 kW. À partir de 1891, Poul la Cour teste des éoliennes à Askov, au Danemark ; plus tard, il forme aussi des électriciens ruraux pour en construire.

Les fermes américaines achètent des éoliennes de charge en grand nombre ; les frères Jacobs en fabriquent à eux seuls environ 20 000, avant de fermer en 1956, quand le réseau a atteint les campagnes. Le 19 octobre 1941, l’éolienne bipale Smith-Putnam, dans le Vermont, d’une puissance de 1,25 MW, est raccordée au réseau ; elle perd une pale en 1945. En 1957, Johannes Juul construit à Gedser, au Danemark, une éolienne de 200 kW à trois pales, régulée par décrochage, avec une génératrice asynchrone. Ce « modèle danois » inspire les éoliennes construites à partir de la fin des années 1970.

En 2025, un prototype de 26 MW au rotor de 310 mètres est monté pour essais en Chine. Cette année-là, le vent a produit 8,5 % de l’électricité mondiale.