Le rotor éolien est l'aéromoteur de l'éolienne : une hélice de captage d'énergie dont les pales transforment la vitesse du vent en couple sur l'arbre. Ses performances dépendent de deux choix liés entre eux, la vitesse de rotation et le nombre de pales, que résume un seul rapport, la vitesse spécifique. Cette page montre comment les faire, du point de fonctionnement jusqu'au nombre de pales.

Pour situer cette page : les composants de l'éolienne assurent la transformation de l'énergie du vent en puissance, et la notion de rendement et de limite est définie dans l'article sur les hélices de captage. Pour passer à la pratique, le didacticiel de conception d'une hélice d'éolienne déroule le calcul complet.

Au sommaire :

• Calcul du diamètre et point de fonctionnement d'une éolienne
• Vrillage des pales et pas variable
• Choisir la vitesse de vent nominale
• Vitesse de rotation, générateur et multiplicateur
• Vitesse de rotation, couple et rendement du rotor éolien
• Vitesse spécifique : avantages et inconvénients
• Combien de pales pour une éolienne ?

1 : Calcul du diamètre et point de fonctionnement d'une éolienne

La définition géométrique d'une éolienne commence par le choix de son diamètre, en fonction du vent sur le site et de la puissance que nous souhaitons produire. Quand nous connaissons la vitesse moyenne du vent, nous estimons rapidement le diamètre de l'hélice nécessaire pour produire l'énergie voulue (voir les hélices de captage et la relation entre puissance et vitesse du vent).

Une éolienne tripale, la configuration la plus répandue.

Pour construire une éolienne et choisir la forme et le nombre de ses pales, nous devons d'abord établir son point de fonctionnement. Il est composé de la vitesse du vent, sur laquelle nous ne pouvons pas agir, et de la vitesse de rotation du rotor. Choisir le point de fonctionnement revient donc à choisir la vitesse de rotation optimale. Les paragraphes suivants passent en revue les paramètres qui la déterminent ; la page consacrée à l'optimisation de la vitesse de rotation et du nombre de pales permet d'approfondir le sujet.

2 : Vrillage des pales et pas variable

Du point de fonctionnement découle le vrillage des pales (twist). Une hélice à pas fixe est dessinée et vrillée pour un point de fonctionnement. Une hélice à pas variable l'est aussi : le pas variable ne modifie pas le vrillage. Il sert souvent à adapter le pas ou à réguler la vitesse, mais le vrillage reste étudié pour un unique point de fonctionnement, celui où l'éolienne atteindra son meilleur rendement. Une fois la pale construite, nous ne pouvons plus le modifier.

3 : Choisir la vitesse de vent nominale

Notre éolienne aura donc une vitesse de rotation adaptée à une vitesse de vent nominale, celle où son rendement est maximal. Nous la choisissons en analysant les données météorologiques et statistiques du lieu d'implantation. Ces statistiques s'observent en termes de puissance et non de vitesse : la puissance évolue avec le cube de la vitesse. Deux heures de vent à 10 km/h apportent ainsi 2 × 10³ = 2 000 unités d'énergie, alors qu'une seule heure de vent à 20 km/h en apporte 1 × 20³ = 8 000, soit quatre fois plus (le détail du calcul se trouve sur la page de la vitesse de fonctionnement de l'éolienne).

4 : Vitesse de rotation, générateur et multiplicateur

Sur une éolienne de petite taille, la force centrifuge en bout de pale autorise des vitesses de rotation assez élevées pour entraîner directement un générateur. Les plus grandes éoliennes sont souvent équipées d'un multiplicateur, afin de conserver une vitesse de rotation raisonnable. Pourtant, certaines grandes éoliennes ont des générateurs lents sans multiplicateur, et certaines petites possèdent un multiplicateur.

Il existe une infinité de combinaisons « vitesse de rotation / multiplicateur / générateur ». Le choix se fait généralement d'après les coûts de fabrication (le cuivre des générateurs) et d'entretien (vitesse de rotation élevée, usure rapide).

Étude d'une éolienne tripale dans Heliciel : la vue 3D du rotor, les courbes de performance et les résultats au point de fonctionnement choisi.

5 : Vitesse de rotation, couple et rendement du rotor éolien

Le point de fonctionnement est donc lié à une stratégie de fabrication : selon la vitesse de rotation que vous retenez, vous décidez d'un point de fonctionnement. Il faut aussi évaluer le rendement. La puissance de notre hélice est le couple sur l'arbre (N·m) multiplié par la vitesse de rotation (rad/s). Le couple, lui, résulte de la force que le vent exerce sur les pales. Voici comment la vitesse de rotation joue sur ce couple :

• Lorsque la vitesse de rotation est faible, le vent apparent et les angles d'incidence des profils génèrent des portances mieux alignées avec le plan de rotation, et la traînée ralentit moins la rotation.
• Mais quand le rotor ralentit, l'espace apparent entre les pales augmente. Pour ne pas perdre l'énergie de l'air qui passe entre elles, il faut ajouter des pales, mais pas trop, car elles pourraient se perturber entre elles. Il existe donc une vitesse de rotation idéale pour chaque nombre de pales.
• Pour que le rapport rendement / coût de fabrication soit optimal, nous recherchons un nombre minimal de pales.
• Mais pour bien utiliser tout l'air avec peu de pales, il faut tourner plus vite, afin que l'« espace apparent » entre les pales se réduise à sa taille idéale.
• Or les grandes vitesses de rotation donnent des projections de portance et de traînée moins favorables au rendement.
• Ces désavantages sont contrebalancés par deux faits : les profils offrent de meilleures performances aux grandes vitesses, et, pour une même puissance, une grande vitesse de rotation produit moins de couple en réaction. Le flux est donc moins mis en rotation, et les pertes sont plus faibles.

Vitesses, angles et efforts sur un profil de pale d'éolienne : la vitesse induite (W) modifie l'incidence vue par le profil. Les performances du rotor sont celles de ses profils.

Les profils aérodynamiques ou hydrodynamiques, c'est un peu comme les gens : il y en a des grands, des petits, des costauds, des fins, et tous ont les défauts de leurs qualités. Il suffit que les conditions soient propices pour que le meilleur s'exprime. Trêve de philosophie, revenons à nos profils. Les performances de notre rotor éolien sont celles des profils qui constituent les pales. Elles s'expriment par le rapport Cz/Cx (Cl/Cd en anglais), nommé finesse du profil. Cette finesse varie avec la vitesse du fluide : certains profils, cambrés, ont une bonne finesse à faible vitesse et deviennent moins bons aux vitesses plus grandes.

6 : Vitesse spécifique : avantages et inconvénients des grandes et petites valeurs

Pour résumer, nous évaluons la vitesse de rotation par la vitesse spécifique (tip speed ratio), c'est-à-dire la vitesse en bout de pale divisée par la vitesse du vent. Les deux tableaux suivants comparent une grande et une petite vitesse spécifique.

Grande vitesse spécifique

Avantages	Inconvénients
Elle permet de capter l'énergie avec un faible nombre de pales, donc d'obtenir les avantages d'un rotor léger : un coût de fabrication économique.	La projection de la traînée et de la portance est moins favorable, ce qui exige des profils de bonne qualité, parfois complexes à réaliser.
La mise en rotation tangentielle du flux en aval de l'hélice révèle l'énergie perdue par le système. À puissance égale (P = couple en N·m × vitesse de rotation en rad/s), une grande vitesse de rotation utilise moins de couple et génère donc moins de pertes.	Le couple de démarrage est souvent insuffisant pour démarrer à faible vitesse de vent : une assistance au démarrage est parfois nécessaire.
Les vitesses de rotation sont plus proches de celles des générateurs (la génératrice et le réducteur coûtent moins cher).	La vitesse de rotation et le couple sont inadaptés au pompage.
La prise au vent est faible dans les vents violents, grâce à la mise en drapeau.

Petite vitesse spécifique

Avantages	Inconvénients
Elle permet d'utiliser des pales de formes simples, économiques à fabriquer.	Pour obtenir un bon rendement, il faut beaucoup de pales (plus cher, plus lourd, plus de prise au vent en cas de tempête).
Le démarrage se fait même aux faibles vitesses de vent.	La mise en rotation tangentielle du flux en aval de l'hélice révèle l'énergie perdue par le système. À puissance égale (P = couple en N·m × vitesse de rotation en rad/s), une faible vitesse de rotation utilise plus de couple et génère donc plus de pertes.
La vitesse de rotation et le couple conviennent bien au pompage.	Les vitesses de rotation sont inadaptées aux générateurs (la génératrice et le réducteur coûtent plus cher).

Cette liste est loin d'être complète, car chaque éolienne résulte d'un compromis dicté par les contraintes du projet. Dans notre didacticiel, nous avons opté pour un faible nombre de pales produisant de l'électricité. Nous prenons trois pales, car deux pales ou une seule posent des problèmes de vibrations et d'endurance mécanique. La vitesse spécifique optimale d'une éolienne tripale est généralement voisine de 7.

7 : Combien de pales pour une éolienne ?

Le nombre de pales dépend de l'usage. Si vous voulez faire fonctionner une machine à faible vitesse avec peu de vent, comme les éoliennes de pompage, et être sûr de démarrer même par vent faible, vous mettrez beaucoup de pales.

Une éolienne multipale : beaucoup de pales pour un démarrage à faible vitesse de vent.

Si vous voulez revendre l'électricité produite avec un minimum de matière, le coût de fabrication des pales étant un facteur de rentabilité, vous chercherez au contraire le minimum de pales.

Pourquoi les éoliennes monopales ne sont-elles pas plus nombreuses ? La raison est purement mécanique. Le déséquilibre autour de l'axe de rotation et l'alternance des efforts du vent autour du pivot de l'hélice génèrent des vibrations et des effets destructeurs, que l'on doit équilibrer par des contrepoids. Certains fabricants ont pourtant exploré cette voie.

Une éolienne monopale, équilibrée par un contrepoids.

L'hélice bipale pose elle aussi des problèmes d'équilibrage et de vibrations. L'inertie du rotor vue de l'axe d'orientation de la nacelle varie au cours du tour : elle est maximale quand les pales sont horizontales et minimale quand elles sont verticales. Les hélices tripales offrent une stabilité que les fabricants semblent avoir préférée.

L'optimisation d'un projet doit donc prendre en compte le rendement, mais aussi le coût de fabrication, la durée de vie, le bruit, l'esthétique et la facilité de fabrication.

Pour aller plus loin, nous pouvons étudier ensemble la conception d'une pale d'éolienne, du choix des profils au vrillage, dans le didacticiel de conception de pales d'éolienne. Nous pouvons aussi quantifier l'énergie du site avec la page éolienne : puissance et vitesse du vent, ou lire l'article sur l'énergie éolienne.