Les pales ont un profil bien particulier qui permet à l’air en mouvement de glisser le long de sa surface. Ici, la pale se comporte comme un obstacle sur lequel le vent agit. En orientant plus ou moins cette pale par rapport au vent elle fait plus ou moins obstacle au vent. Il y a des limites bien précises à cette orientation.

Si le plan de la pale est parallèle à l’axe du vent, elle ne se comportera pas comme obstacle. Si elle est progressivement orientée, elle opposera de plus en plus de surface au vent.

La figure ci-dessus montre une simulation de la progression de l’air le long de la pale.

Il est très important de considérer les tourbillons qui se forment lorsque l’air quitte le bord et surtout en bout de pale. Si le profilage n’est pas très correct, si la pale est sale, si elle est couverte de givre, si son orientation par rapport à l’écoulement de l’air n’est pas correcte, des tourbillons vont s’y former et générer un bruit sourd, puissant, se propageant très loin. Ce bruit est souvent insignifiant à basse vitesse, se confond avec le bruit du vent à haute vitesse mais est très critique vers 7-8 m/s (entre 25 et 29 km/h).

 Comme ce bruit est généré par le vent, on ne peut l’entendre qu’à une certaine distance de la machine. Au pied, il est inaudible.

Vue de l’écoulement autour d’une pale. Le bruit –notamment- est généré par le décollement de la veine fluide à l’extrados (partie supérieure sur la vue). Le profilage et l’état de surface des pales est déterminant pour réduire voire supprimer ce phénomène.

Etant donné la surface balayée par le rotor (5281 m² soit 52.8 ares, soit le terrain occupé par une  propriété moyenne), le volume d’air qui est perturbé, qui donc porte l’énergie sonore, se propage loin et fort.

Si les rotors tournent lentement (de l’ordre de 16 tour /minute), La vitesse périphérique des pales est très importante (environ 280 km/h). Si le bord n’est pas profilé soigneusement et si le profil n’est pas maintenu en bon état, la génération de bruit importante sera au rendez-vous.

Les puissances sonores générées sont très importantes, sans commune mesure avec la puissance générée par la machinerie, mais dans une gamme de fréquence en général plus basse que le seuil d’audition, dans la gamme 16 -0.5 Hz. Ces ondes sonores sont désignées par le terme infra-sons et ont le défaut de ne pas être facilement amorties par l’environnement, comme le sont les ondes sonores issues de la nacelle.

Les constructeurs en sont parfaitement conscients, et des efforts importants sont portés à l’étude des profils, sans supprimer cependant le phénomène.

A l’aval de la machine, la pression atmosphérique a chuté, puisque une partie de l’énergie a été captée.

L’anémomètre-girouette fixé sur la nacelle enregistre la vitesse et la direction du vent.

La direction enregistrée par la girouette est transmise au système de giration qui positionne le rotor face au vent.

pitch : angle d’attaque                                  blades : pales

wind direction : direction du vent                   tower : mât

brake : frein                                                yaw drive : commande d’orientation

gear box : réducteur                                    generator : génératrice

low speed shaft : arbre basse vitesse            high speed shaft : arbre grande vitesse

wind vane : girouette                                  anemometer : anémomètre

L’anémomètre transmet ses informations de vitesse au système qui permet d’orienter les pales et les oriente selon le bon angle.

Si la vitesse du vent est suffisante, le rotor est entrainé.

La vitesse de rotation du rotor étant trop faible, son mouvement est transmis à un multiplicateur de vitesse qui est connecté à l’alternateur ou à la génératrice qui produira l’électricité.

A sa sortie, un transformateur (non représenté ici) et situé à la base de l’éolienne (dans le mât) élève la tension à la tension du réseau (typiquement 15 kV).

Si la vitesse du vent est trop importante, les pales sont orientées de telle manière que le vent n’ait plus d’influence et un frein est engagé.

Les équipements dans la nacelle génèrent eux aussi du bruit, mais dans une gamme de fréquence plus courante, dans le domaine audible. Les constructeurs donnent ces niveaux de bruit à 1 m de la nacelle, à hauteur de celle-ci.

Ce bruit, donné sur la fiche technique de la machine,  est typiquement de 100 dB(A) à 7 m/s et monte à 106.5 dB(A) à 12 m/s. Pour rappel, une augmentation de 3 dB indique un doublement de la puissance sonore. Entre 7 m/s et 12 m/s, la puissance sonore est donc multipliée par 4.

Niveau du bruit d’une éolienne lorsque la vitesse du vent est de 12 m/s -106.5 - dB (A) à 1 m. Niveau à distance « suffisante »

La puissance dégagée par une éolienne est une fonction du cube de la vitesse. Le rotor démarre lorsque la vitesse du vent est d’environ 3 m/s (10 km/h). Il faut l’arrêter lorsque la vitesse du vent atteint 25 m/s (90 km/h environ).

A 3 m/s (10 km/h), le rotor ne fait que tourner. Il ne communique aucune puissance. Il compense simplement ses pertes mécaniques.

Courbe typique d’une éolienne 3 MW. La vitesse de démarrage (puissance nulle) est de 3 m/s (10 km/h). La pleine puissance est obtenue pour 15 m/s (54  km/h). La machine esr volontairement arrêtée lorsque la vitesse atteint 25 m/s (90 km/h).

Selon la courbe, pour 5 m/s (18 km/h) la puissance générée est de 250 kW et pour 10 m/s (36 km/h) 1750 kW. Pour un doublement de la vitesse, on multiplie la puissance générée par 7 !

Les vitesses enregistrées sont déjà des moyennes et les pales, elles, reçoivent le vent instantané, souvent en rafales. En outre, la direction du vent peut changer, légèrement ou non. Dès lors, les valeurs indiquées sont des valeurs maximales.

L’orientation de la nacelle est une action commandée par l’anémonètre-girouette placé sur la nacelle. Si le vent change de direction, un moto-réducteur prenant appui sur une couronne dentée réoriente la nacelle pour que le disque d’hélice soit bien perpendiculaire au vent. Cette opération n’est pas instantanée et peut devoir se répéter souvent. Il y a perte tant que la machine n’est pas orientée correctement.

Le vent est loin d’être constant. On voit sur cet enregistrement anémométrique que même lorsque le vent est fort sa vitesse varie entre 8 et 18 m/s en l’espace de moins de deux minutes.

On voit ici que la puissance réellement générée subit évidemment aussi de très fortes variations : si on examine attentivement la puissance générée pendant les deux premières heures, on voit que la variation est très rapide (de l’ordre de 1200 kW en 10 minutes !).

Cette variation est terrible pour le réseau : il n’y a aucune possibilité de la compenser, ce qui se traduit par des perturbations (variation de la tension, variation de la fréquence).