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1 / 8 Une éolienne de 5 MW dans un champ Voici l’éolienne de référence NREL 5 MW, un modèle public conçu pour la recherche. Le rotor fait 126 m de diamètre et le moyeu est à 90 m du sol. Par vent de 8 m/s, elle tourne à 9,2 rpm et fournit 1,78 MW. La deuxième éolienne se dresse à 630 m sous le vent, à cinq diamètres de rotor.
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01 Une éolienne de 5 MW dans un champ Voici l’éolienne de référence NREL 5 MW, un modèle public conçu pour la recherche. Le rotor fait 126 m de diamètre et le moyeu est à 90 m du sol. Par vent de 8 m/s, elle tourne à 9,2 rpm et fournit 1,78 MW. La deuxième éolienne se dresse à 630 m sous le vent, à cinq diamètres de rotor.
02 Forme et vrillage de la pale En dessous de 3 m/s, l’éolienne attend : les pales sont tournées par la tranche face au vent et le rotor est à l’arrêt. Les coupes orange montrent comment la pale évolue. Près du moyeu, c’est un tube rond ; plus loin, elle devient un profil épais puis mince, et la corde tourne de 13,3° du pied au bout.
03 Pourquoi le bout va si vite À 8 m/s, le rotor fait 9,2 tours par minute, et pourtant le bout des pales file à 60 m/s. La vitesse du bout divisée par celle du vent donne la vitesse spécifique, ici 7,55. À cette valeur, ce rotor capte la plus grande part du vent, 48,2 %.
04 Dans la nacelle L’arbre principal tourne aussi lentement que le rotor. Un multiplicateur à trois étages multiplie la vitesse par 97, si bien que 9,2 rpm deviennent environ 890 rpm à la génératrice. La marque orange sur le disque de frein montre l’arbre rapide ; l’écran le ralentit pour que vous puissiez le suivre.
05 La puissance du vent La puissance du vent croît comme le cube de sa vitesse : P = ½ ρ A v³. À 11,4 m/s, environ 11,3 MW de vent traversent le disque du rotor. Le rotor en prélève 46,8 % et la génératrice fournit 5 MW. Aucun rotor ne peut prendre plus de 16/27, soit 59,3 % : c’est la limite de Betz, tracée en bleu sur le graphique.
06 Le calage tient les 5 MW À 18 m/s, le vent fait passer 44,5 MW à travers le rotor. La commande tourne les trois pales de 14,9° vers le vent : elles le rencontrent sous un angle plus faible et en prennent moins. La puissance reste à 5 MW. Coupez le calage automatique et bloquez-le à 0° : le rotor tenterait de produire 9,8 MW et surchargerait la génératrice. Au-delà de 25 m/s, les pales passent à 90° et le rotor s’arrête.
07 La nacelle se tourne face au vent Le vent a tourné de 30°. La girouette du toit pivote aussitôt, mais les moteurs d’orientation ne déplacent la nacelle de 240 tonnes qu’à 0,3° par seconde : le vrai virage dure 100 s. L’écran le joue 20 fois plus vite. Avec 30° d’écart, le rotor ne produit plus que 65 % de sa puissance à 8 m/s.
08 L’air ralenti derrière Chaque watt pris par le rotor vient de l’air, donc derrière lui le vent est plus lent. À 630 m, il ne souffle encore qu’à 7,3 m/s au lieu de 8, et la deuxième éolienne produit 1,34 MW, 76 % de la première. Tournez le vent de 20° et le sillage la manque.
Pales Trois pales en fibre de verre de 61,5 m. La corde mesure 4,65 m à l’endroit le plus large, à 15,85 m du centre, et 1,42 m près du bout. La bande rouge au bout est destinée aux avions. Sections de pale (profils) Les anneaux orange sont des coupes à 15,85 m, 28,15 m et 47,25 m. Le pied est un tube rond, le milieu utilise des profils DU épais et le tiers extérieur un profil NACA 64 mince. Les traits noirs sont les cordes : celle à 47,25 m est plus à plat de 8,9° que celle à 15,85 m. Moyeu et cône Un moyeu en fonte de 3 m de diamètre tient les pieds des trois pales. Le cône blanc placé devant empêche la pluie d’entrer. Roulements et moteurs de calage Chaque pale repose sur un grand roulement en couronne (jaune) et tourne grâce à son propre moteur. La dent orange de la bague intérieure indique de combien la pale a tourné. Le modèle les limite à 8° par seconde. Nacelle Le carter en haut du mât, long d’environ 14 m. Avec la chaîne cinématique, il pèse environ 240 tonnes. Un refroidisseur est posé sur le toit. Arbre principal Un gros arbre en acier transmet la force de rotation du rotor dans la nacelle. Il tourne à la vitesse du rotor, 12,1 rpm au plus, et supporte à puissance nominale environ 4,2 millions de newtons-mètres. La clavette orange tourne avec lui. Palier principal et châssis Le palier principal tient l’arbre juste derrière le moyeu et porte le poids du rotor de 110 tonnes. Le châssis en dessous porte toute la chaîne cinématique et repose sur le roulement d’orientation. Multiplicateur et frein Trois étages d’engrenages multiplient la vitesse par 97, de 12,1 rpm à 1173,7 rpm. Les bras de couple de chaque côté renvoient la réaction dans le châssis. Frein et arbre rapide L’arbre rapide sort du multiplicateur à 1173,7 rpm au plus. Le disque qu’il porte et l’étrier rouge forment le frein de parking, qui immobilise le rotor pendant la maintenance. Génératrice Transforme le travail de l’arbre rapide en électricité. Dans le modèle, elle convertit 94,4 % de la puissance de l’arbre ; à vitesse nominale, elle fournit 5 MW. Refroidisseur Un radiateur sur le toit évacue la chaleur de l’huile du multiplicateur et de la génératrice. À 5 MW, les 5,6 % perdus dans la seule génératrice représentent environ 300 kW de chaleur. Roulement et moteurs d’orientation Un roulement en couronne en haut du mât et quatre moteurs d’orientation font pivoter toute la nacelle face au vent, à 0,3° par seconde sur la vraie machine. Girouette et anémomètre Sur un mât à l’arrière du toit. Les coupelles tournent plus vite quand le vent forcit, et la girouette s’aligne sur le vent. Quand la girouette et la nacelle ne sont pas d’accord, les moteurs d’orientation se mettent à tourner. Mât Un tube d’acier de 87,6 m de haut, de 6 m de diamètre à la base et 3,87 m au sommet, fait de tronçons boulonnés par des brides. Il pèse environ 347 tonnes. Fondation Dans le modèle, une dalle octogonale en béton armé de 20 m de large, enterrée à 3,6 m. Des couronnes de boulons d’ancrage y fixent la bride du mât. La terre autour est découpée. Les éoliennes en mer reposent plutôt sur un monopieu en acier, avec une pièce de transition jaune et une plateforme de travail au-dessus des vagues (choisissez une éolienne en mer dans la liste sous la scène). Sillage Les points suivent l’air, quatre fois plus vite qu’en réalité. Derrière le rotor, l’air est plus lent (bleu) et tourne un peu en sens inverse du rotor. Le cône pâle montre comment le sillage s’élargit. Deuxième éolienne La même machine de 5 MW, à 630 m sous le vent, soit cinq diamètres de rotor. Son étiquette indique le vent qu’elle reçoit et la puissance qu’elle produit ; les deux baissent quand elle se trouve dans le sillage de la première.
