2026-07-10 13:32:33
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Au fil des ans, les parcs éoliens se sont multipliés à travers le monde. Presque tous les regards se sont tournés vers les trois pales emblématiques des éoliennes à axe horizontal. Et pour cause : les grandes éoliennes à axe horizontal offrent une puissance impressionnante et un rendement élevé, constituant ainsi l’épine dorsale de la production d’énergie éolienne raccordée au réseau.
Mais tous les sites ne peuvent pas accueillir une éolienne à axe horizontal (HAWT) de cent mètres de haut. Toits urbains, plateformes flottantes en mer, avant-postes isolés : c’est dans ces environnements que l’éolienne à axe vertical (VAWT) révèle ses avantages uniques.
Ces dernières années, les éoliennes à axe vertical (VAWT) ont fait leur retour dans le débat. Non pas parce qu'elles surpassent les éoliennes à axe horizontal (HAWT) en termes de chiffres bruts, mais parce qu'elles sont plus simples à utiliser et plus adaptables.
Cet article examine de près le composant le plus critique de toute éolienne à axe vertical (VAWT) — les pales — et analyse l'état actuel de cette technologie.
Soyons francs : une éolienne à axe vertical (VAWT) ne peut égaler le rendement de production d’énergie d’une éolienne à axe horizontal (HAWT) de surface balayée équivalente. Mais ses avantages résident ailleurs.
Le générateur, le multiplicateur et les autres composants lourds peuvent être installés au niveau du sol ou à basse altitude. La tour n'a pas à supporter d'importants moments de flexion et les équipes de maintenance n'ont jamais à escalader une structure de cent mètres. Ce seul avantage réduit considérablement les coûts d'exploitation et de maintenance. Avec moins de pièces mobiles qu'une éolienne à axe horizontal (HAWT), un système d'éolienne à axe vertical (VAWT) est intrinsèquement plus fiable.
En milieu urbain, la direction du vent change constamment. Une éolienne à axe horizontal (HAWT) nécessite un mécanisme d'orientation pour suivre le vent, et ces systèmes constituent un point faible courant au fil du temps. Une éolienne à axe vertical (VAWT) capte le vent quelle que soit sa direction : il n'y a ni perte d'orientation ni risque de panne lié à l'orientation.
Le rapport de vitesse en bout de pale (TSR) d'une éolienne à axe vertical (VAWT) est bien inférieur à celui d'une éolienne à axe horizontal (HAWT). Cette faible vitesse de rotation se traduit par un faible niveau sonore, voire un fonctionnement quasi silencieux. Dans les projets d'intégration au bâtiment, une VAWT est particulièrement silencieuse et sa forme s'intègre plus harmonieusement à l'environnement architectural.
Les éoliennes à axe vertical (VAWT) ne sont donc pas là pour remplacer les éoliennes à axe horizontal (HAWT). Elles ont trouvé leur place dans de nouveaux contextes d'application : la production décentralisée, l'éolien flottant en mer et les micro-réseaux urbains.
Les pales sont l'élément central d'une éolienne à axe vertical. Selon leur principe de fonctionnement, elles se répartissent en deux catégories : les pales à portance et les pales à traînée. L'écart de performance entre les deux est considérable.
Solidité : le paramètre qui définit le comportement des pales
Avant de plonger dans la comparaison, il existe un paramètre clé qui définit les caractéristiques des pales : la solidité (σ).
σ = N × c / D
où N représente le nombre de pales, c la longueur de la corde de la pale et D le diamètre du rotor. La solidité détermine directement la plage de fonctionnement Cp–TSR du rotor :
Solidité élevée (σ > 0.4) : Faible TSR, démarrage facile, Cp plus faible — la marque des rotors de type traînée.
Faible solidité (σ < 0.2) : TSR élevé, rendement élevé, mais mauvais auto-démarrage — la caractéristique des rotors de type lift.
En résumé, la solidité, le Cp et le TSR sont liés par une relation tripartite. Comprendre cette relation permet de saisir la différence fondamentale entre les pales à portance et celles à traînée.
Les pales portantes ressemblent aux ailes d'un avion. Lorsque le vent souffle sur la surface de la pale, la différence de vitesse de l'air entre les faces supérieure et inférieure crée une différence de pression, générant ainsi la portance. La composante tangentielle de cette force de portance entraîne le rotor.
Sélection du profil aérodynamique : série NACA 00xx
Pour les éoliennes à axe vertical de type H, les profils de pales les plus couramment utilisés sont les profils symétriques de la série NACA 00xx, tels que NACA 0012, 0015 et 0018. La désignation à deux chiffres représente le rapport épaisseur/corde en pourcentage. Un profil plus épais offre une meilleure intégrité structurelle au prix d'une légère diminution de l'efficacité aérodynamique ; un profil plus fin offre un meilleur rapport portance/traînée, mais exige une plus grande précision de fabrication. Le choix dépend de la plage de nombres de Reynolds de fonctionnement et de la taille du rotor : les petites turbines utilisent généralement les profils NACA 0012 à 0015, tandis que les turbines de moyenne et grande taille privilégient les profils NACA 0018 à 0021 pour une meilleure fiabilité structurelle.
Configuration de type H
La configuration de levage la plus répandue est le type H, où plusieurs pales droites sont reliées à l'arbre central par des bras de support horizontaux, ressemblant à la lettre H vue de dessus.
Le nombre de lames compte
Le nombre de pales influe directement sur les performances des éoliennes à axe vertical (VAWT) à sustentation magnétique : une configuration à deux pales est la plus simple et la moins coûteuse, mais elle exige un équilibrage dynamique rigoureux et souffre d’une forte ondulation du couple, ce qui la rend sujette aux vibrations. La configuration à trois pales est la plus courante : elle offre un bon équilibrage dynamique, une faible ondulation du couple et un compromis optimal entre rendement et stabilité. Quatre pales ou plus renforcent encore la structure, produisant un couple plus régulier, mais au prix d’un coefficient de puissance réduit. La grande majorité des éoliennes en H de petite et moyenne taille commercialisées adoptent une configuration à trois pales.
L'avantage : Haute efficacité
Lorsqu'on aborde la théorie, on évoque souvent la limite de Betz à 59.3 %. Il s'agit du plafond théorique, jamais atteint en pratique. Les éoliennes de type H actuellement en service atteignent un coefficient de puissance Cp d'environ 0.25 à 0.35 à proximité de la vitesse de vent nominale. Des conceptions optimisées peuvent dépasser 0.35 dans des conditions idéales, et quelques prototypes de laboratoire ont approché les 0.40 à leur TSR optimal.
Dans les applications concrètes, les meilleures éoliennes à axe horizontal (HAWT) ont atteint un coefficient de puissance (Cp) d'environ 0.50, tandis que le maximum théorique pour une éolienne à axe vertical (VAWT) est d'environ 0.40. Cependant, si l'on tient compte des avantages de la VAWT dans les champs de vent complexes (moins de vulnérabilité aux conditions météorologiques extrêmes telles que les typhons, élimination des pertes dues au lacet et coûts d'installation et de maintenance inférieurs), l'écart de capacité de production effective entre les deux se réduit considérablement dans certains scénarios de déploiement.
Le point négatif : faible capacité d’initiative
Les éoliennes à sustentation magnétique présentent un défaut majeur : par faible vent, elles restent immobiles. Leurs pales doivent d’abord atteindre une certaine vitesse de rotation avant de générer une portance suffisante pour maintenir leur mouvement. C’est pourquoi nombre d’entre elles sont équipées d’un petit démarreur ou conçues selon une approche hybride, intégrant des pales de traînée pour faciliter le démarrage.
Les pales de type traînée sont beaucoup plus simples dans leur principe — tout comme une éolienne ou un anémomètre : le vent les met directement en rotation.
Savonius (type S)
La configuration classique est celle du rotor Savonius, où deux pales semi-cylindriques sont décalées le long de l'axe central, formant un S vu du dessus. Son fonctionnement repose exclusivement sur la résistance de l'air : la surface concave capte la poussée du vent, tandis que la surface convexe opposée subit une résistance moindre ; le couple résultant de cette différence entraîne la rotation. Grâce à sa structure simple et à l'absence de surfaces aérodynamiques complexes, un rotor Savonius peut fonctionner de manière fiable par des brises aussi faibles que 1.5 à 2 m/s.
Hélicoïdal (type Gorlov)
Il existe aussi le type hélicoïdal, dont les pales se torsadent autour de leur axe. Il offre une rotation d'une fluidité exceptionnelle et une esthétique remarquable.
L'avantage : Réactivité
La vitesse de déclenchement est exceptionnellement basse : une brise de seulement 1.5 à 2 m/s suffit à faire tourner le rotor. Le niveau sonore est minimal et la conception est respectueuse des oiseaux.
Inconvénient : faible efficacité
Les rotors à entraînement par friction classiques (comme le Savonius classique) atteignent généralement un Cp de seulement 0.15 à 0.18. Les conceptions hélicoïdales ou à géométrie variable optimisées peuvent atteindre 0.20 à 0.25. Cela rend les turbines à entraînement par friction inadaptées à la production d'électricité à grande échelle, mais dans les applications où l'efficacité absolue n'est pas la priorité — petits systèmes d'alimentation hors réseau, systèmes intégrés aux bâtiments — elles se révèlent plus pratiques que leurs chiffres ne le laissent supposer.
Les ingénieurs ont toujours recherché le meilleur des deux mondes : le rendement élevé des pales portantes et la capacité d’auto-démarrage des pales traînantes. La solution ? Les conceptions hybrides.
Une méthode courante consiste à ajouter des pales de freinage, soit à l'intérieur, soit à l'extérieur des pales de portance en forme de H. Par faible vent, les pales de freinage prennent le relais et accélèrent la rotation du rotor. Une fois la vitesse de rotation suffisante, les pales de portance prennent le relais et génèrent efficacement de l'énergie.
Une autre approche utilise des pales à torsion hélicoïdale conçues pour présenter des caractéristiques de type traînée à faibles vitesses de vent et passer à un comportement de type portance à des vitesses plus élevées.
Bien entendu, les configurations hybrides sont plus complexes et plus coûteuses. Mais sur les sites exposés à des conditions de vent difficiles, elles offrent souvent des performances globales supérieures.
Quel que soit son type, la puissance qu'une éolienne peut capter est régie par une équation universelle :
P = 0.5 × ρ × A × V³ × Cp
ρ — Densité de l'air, environ 1.225 kg/m³ au niveau de la mer.
A — Surface balayée. Pour une éolienne à axe vertical, l'expression la plus courante est diamètre du rotor × hauteur du rotor.
V³ — Vitesse du vent au cube. Doublez la vitesse du vent et vous obtenez huit fois plus de puissance.
Cp — Coefficient de puissance, les valeurs discutées dans les sections précédentes.
Le calcul de la surface balayée varie légèrement selon la configuration. Pour un rotor de type H : surface balayée = diamètre × hauteur de balayage. Pour un rotor de type Φ (Darrieus) : surface balayée ≈ 0.65 × hauteur × diamètre maximal – une correction approximative basée sur la courbure typique du profil de pale.
Un exemple résolu
Considérons une éolienne à axe vertical de type H avec un diamètre de rotor de 3 m et une hauteur de balayage de 3.5 m. La surface balayée A = 3 × 3.5 = 10.5 m². À une vitesse de vent nominale de 10 m/s et en supposant un coefficient de traînée Cp = 0.30 :
P = 0.5 × 1.225 × 10.5 × 10³ × 0.30 ≈ 1 930 W
Il s'agit d'une turbine approchant les 2 kW en conditions nominales. La puissance réelle doit également tenir compte du rendement du générateur (généralement de 85 à 93 %), des pertes en ligne et de la variabilité inhérente des conditions de vent. Cet exemple explique également pourquoi une éolienne à axe vertical (VAWT) nécessite une surface balayée d'au moins 20 m² pour atteindre une puissance de 5 kW.
Deux axes de développement des éoliennes à axe vertical méritent l'attention :
Les zones en eaux profondes recèlent d'abondantes ressources éoliennes, mais la profondeur de l'eau exclut les fondations sur pieux ; seules les solutions de plateformes flottantes sont envisageables. Le centre de gravité bas d'une éolienne à axe vertical (VAWT) lui confère une stabilité bien supérieure à celle d'une éolienne à axe horizontal (HAWT) sur une plateforme soumise au balancement des vagues, et l'accès pour la maintenance est considérablement facilité.
L'intégration de panneaux photovoltaïques au bâtiment, combinée à des éoliennes à axe vertical, associée à un système de stockage d'énergie et à un contrôleur de micro-réseau, peut transformer un bâtiment en une unité énergétique autonome.
Les efforts internationaux de R&D menés ces dernières années offrent de précieux points de référence. Dans le domaine de l'éolien flottant en mer, la société suédoise SeaTwirl a déployé avec succès son prototype d'éolienne à axe vertical (VAWT) flottante S1 de 30 kW en 2015, validant ainsi l'avantage de stabilité d'une conception VAWT à centre de gravité bas sur une plateforme flottante. La conception technique détaillée de son unité S2 de 1 MW est achevée. FlowGen (Suisse) a intégré des systèmes VAWT compacts dans de nombreux projets de production d'énergie décentralisée à travers l'Europe.
Les fabricants chinois ne sont pas en reste en matière de production de générateurs volumétriques de petite puissance ni de procédés de fabrication de pales. Le retard se situe principalement dans deux domaines : d’une part, un manque de données d’essais en conditions réelles, de longue durée et dans diverses conditions, pour valider la fiabilité du système ; d’autre part, une marge de progression au niveau de l’intégration système, notamment en ce qui concerne l’adéquation des pales, du générateur et du contrôleur. Plutôt que de rechercher des innovations isolées, une approche plus pragmatique consiste à privilégier la robustesse des systèmes d’éoliennes à axe vertical (VAWT) de 5 à 50 kW.
Un jeu de pales magnifiquement conçu ne sert à rien s'il est mal adapté au générateur. C'est le maillon le plus souvent négligé en ingénierie pratique.
Couple de denture
Les générateurs à aimants permanents présentent un couple de crantage inhérent entre les aimants du rotor et les encoches du stator. Ce couple de résistance s'ajoute directement au couple de démarrage du rotor lors de la phase de démarrage. Si le générateur présente un couple de crantage élevé (par exemple, une conception avec peu d'encoches et un entrefer réduit), la vitesse de vent de démarrage réelle du système peut passer d'une valeur théorique de 2 à 3 m/s à 4 à 5 m/s. Dans les régions où le vent est faible, cela est fatal : le système tourne à vide pendant des jours entiers. Pour les éoliennes à axe vertical (VAWT) à entraînement direct basse vitesse, le choix du générateur doit privilégier les configurations à encoches multiples avec des entrefers suffisamment larges pour minimiser le couple de crantage.
Correspondance des courbes vitesse-puissance
Les pales fonctionnent dans leur plage de TSR optimale en conditions nominales (généralement entre 2.5 et 3.5 pour les éoliennes à portance). Le régime nominal correspondant doit se situer dans la zone de production à haut rendement de la dynamo-éolienne (généralement entre 80 et 120 % de la vitesse nominale). Un décalage peut entraîner l'atteinte de la vitesse de vent nominale par les pales alors que la dynamo-éolienne fonctionne encore en dessous de son régime nominal, provoquant ainsi une sous-production, ou l'entrée prématurée de la dynamo-éolienne dans sa zone de puissance constante avant que les pales n'aient atteint leur plein potentiel. Lors de la conception du système, il est fortement recommandé de comparer la courbe Cp-TSR des pales avec la courbe caractéristique rendement-vitesse de la dynamo-éolienne.
Transmission directe ou boîte de vitesses
Les éoliennes à axe vertical (VAWT) fonctionnent à des vitesses relativement basses (généralement de 100 à 250 tr/min pour les petites et moyennes unités). Un générateur magnétothermique à entraînement direct (PMG) élimine les pertes mécaniques et les risques de panne liés à un multiplicateur de vitesse, mais nécessite un nombre de paires de pôles plus élevé pour atteindre la puissance nominale à bas régime, ce qui augmente la taille et le coût du moteur. L'ajout d'un multiplicateur de vitesse permet l'utilisation d'un générateur plus compact, mais implique des opérations de maintenance. Actuellement, l'entraînement direct domine les systèmes de moins de 10 kW, tandis que dans la plage de 10 à 50 kW, les deux approches coexistent, le choix dépendant des priorités du client en matière de fiabilité et de coût.
La technologie des éoliennes à axe vertical (VAWT) a connu des progrès significatifs ces dernières années, et le développement des pales a été particulièrement remarquable. Les conceptions hybrides ont permis de combiner efficacement les avantages des pales à portance et des pales à traînée.
La technologie, par essence, n'est jamais une question de bien ou de mal absolus, mais seulement d'adéquation à l'usage. Choisissez la bonne configuration, et vous obtiendrez une bonne turbine.
