Quelles éoliennes sont les plus efficaces : celles à axe vertical ou celles à axe horizontal ?

À l'heure actuelle, le rendement des éoliennes à axe horizontal tripales classiques est bien supérieur à celui des éoliennes à axe vertical.

Cet écart d'efficacité est fondamental. L'indicateur clé pour mesurer l'efficacité est le « coefficient d'utilisation de l'énergie éolienne », qui représente la quantité d'énergie qu'une éolienne peut capter du vent. Les éoliennes à axe horizontal modernes de grande taille peuvent atteindre une efficacité de 45 % à 50 %, proche de la limite théorique (59,3 %, appelée limite de Bez). En revanche, l'efficacité des éoliennes à axe vertical est bien moindre, généralement de seulement 15 % à 40 %, selon leur conception.

Pourquoi les ventilateurs à axe horizontal sont-ils si efficaces ?

Cela est principalement dû à son principe de fonctionnement :

Toutes les pales fendent simultanément le vent selon un angle optimal : les pales d'un ventilateur à axe horizontal sont conçues pour ressembler aux ailes d'un avion (profil aérodynamique). Lorsque le vent souffle, il génère une importante portance, qui constitue la principale force motrice de la rotation des pales. Comme celles-ci tournent toujours dans le même sens, la quasi-totalité de la pale peut capter l'énergie éolienne de manière continue et efficace.

Haute vitesse : Les ventilateurs à axe horizontal peuvent atteindre des vitesses très élevées, ce qui les rend très efficaces pour entraîner le générateur et produire de l'électricité.

Pourquoi l'efficacité des ventilateurs à axe vertical est-elle inférieure ?

Le mode de fonctionnement des ventilateurs à axe vertical (principalement du type « Dario » qui ressemble à un batteur à œufs) est différent :

Les pales oscillent sous l'effet du vent : en pivotant, leur angle par rapport à la direction du vent change constamment. Seules certaines positions permettent aux pales de capter efficacement l'énergie éolienne ; dans d'autres (par exemple, lorsqu'elles se retournent face au vent), elles génèrent au contraire une résistance. Cette caractéristique de « concurrence avec soi-même » limite considérablement leur efficacité.

Mauvaises performances au démarrage : de nombreux ventilateurs à axe vertical ne peuvent pas démarrer seuls et nécessitent une assistance extérieure.

Malgré un écart important en termes d'efficacité, les ventilateurs à axe vertical présentent des avantages indéniables. Ils possèdent des caractéristiques uniques qui les rendent irremplaçables dans certaines situations spécifiques.

Avantages et inconvénients des ventilateurs à axe horizontal :

Avantages :

Principaux avantages : rendement extrêmement élevé et meilleure rentabilité pour la production d’électricité à grande échelle.

Inconvénients :

Nécessité de s'aligner sur la direction du vent : un « système de lacet » complexe doit être installé pour ajuster constamment la cabine afin de s'aligner sur la direction du vent, à l'instar d'un indicateur de direction du vent.

Structure complexe et coûts de maintenance élevés : des générateurs et des boîtes de vitesses lourds sont installés au sommet de tours de plusieurs dizaines, voire centaines de mètres de haut, ce qui rend la maintenance et la réparation très difficiles et coûteuses.

Bruit important : La pointe de la lame rotative à grande vitesse produira beaucoup de bruit.

Exigences élevées en matière d'environnement d'installation : des conditions de vent stables et régulières sont nécessaires, ce qui peut ne pas garantir de bonnes performances dans les villes où les vents sont turbulents.

Avantages et inconvénients des ventilateurs à axe vertical :

Avantages :

Pas besoin de vent : un vent venant de n'importe quelle direction peut le faire tourner, éliminant ainsi le besoin d'un système d'orientation.

Structure simple et maintenance facile : les principaux équipements, tels que le générateur et la boîte de vitesses, sont installés au rez-de-chaussée, et le personnel de maintenance n'a pas besoin de grimper en hauteur, ce qui réduit les coûts de maintenance.

Faible niveau sonore : La vitesse est généralement plus lente et le fonctionnement plus silencieux.

Adaptation aux conditions de vent complexes : Il est parfaitement adapté aux environnements urbains présentant des directions de vent variables et des turbulences, et peut être installé sur les toits.

Faible vitesse de vent au démarrage : Certains types (comme le type S) peuvent démarrer avec une légère brise.

Inconvénients :

Principal inconvénient : faible efficacité.

Il existe un risque structurel : certaines conceptions subissent des contraintes élevées à la base des pales lors d’une rotation à grande vitesse, ce qui peut facilement entraîner des problèmes.

La conclusion finale est donc la suivante :

Si vous souhaitez construire un grand parc éolien et maximiser la production d'énergie et les bénéfices économiques, les éoliennes à axe horizontal « à haut rendement » sont la seule option courante. C'est pourquoi la quasi-totalité des éoliennes que l'on voit en extérieur sont à axe horizontal.

Mais si vous avez besoin d'un générateur « peu exigeant et facile à entretenir » pour des applications distribuées, comme l'alimentation de lampadaires, de bâtiments, de stations de base distantes, notamment dans les villes où les vents sont instables, alors un ventilateur à axe vertical « à faible rendement mais robuste et durable » peut s'avérer un choix plus approprié.

En résumé, l'axe horizontal représente les « meilleurs élèves » qui privilégient la performance et l'envergure, tandis que l'axe vertical représente les « élèves talentueux » qui s'adaptent à des environnements spécifiques. En termes d'efficacité pure, les élèves de l'axe horizontal sont les plus performants.