aerodynamique des eoliennes
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AERODYNAMIQUE DES EOLIENNES
Pr DEBBARH
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AERODYNAMIQUE DES EOLIENNES
0- INTRODUCTION
I- NOTIONS DE MECANIQUES DES FLUIDESII- NOTIONS D’AERODYNAMIQUEIII- LE VENTIV- FONCTIONNEMENT AERODYNAMIQUE DES
EOLIENNES
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0 - INTRODUCTION
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I- NOTIONS DE MECANIQUE DES FLUIDES
I-1- Concepts fondamentaux de la Mécanique des FluidesI-2- Equations localesI-3- Equations globales
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II- NOTIONS D’AERODYNAMIQUE
II-1- Caractéristiques géométriques d’un profilII-2- Traînée et portance d’un obstacleII-3- Ecoulement autour d’un profilII-4- Coefficients aérodynamiques
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III- LE VENT
III-1- Origine du ventIII-2- Vents locauxIII-3- CisaillementIII-4- La mesure du vent
III-1- Origine du vent
Vents globaux (ou géostrophiques)
III-2- Vents locauxIII-2-1- Brise de mer
III-2- Vents locauxIII-2-2- Effet de colline
III-2- Vents locauxIII-2-3- Effet de tunnel
III-2- Vents locauxIII-2-4- Effet d’obstacle
III-2- Vents locauxIII-2-4- Effet de parc
III-3- Cisaillement
Répartition de vitesse du vent en fonction du relief rencontré et de l’altitude
III-3- Cisaillement (suite)
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III-4- La mesure du ventIII-4-1-Anémomètre
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III-4- La mesure du ventIII-4-2- Analyse statistique des données
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III-4- La mesure du ventIII-4-2- Analyse statistique des données (suite)
IV- FONCTIONNEMENT AERODYNAMIQUE DES EOLIENNES
IV-1- Principe général et classificationIV-2- Eoliennes à axe horizontalIV-3- Eoliennes à axe verticalIV-4- Comparaison des différentes éoliennes
IV-1- Principe général et classification
• L’organe capteur de l’énergie éolienne est un aubage de surface Sc (Exemple: rotor constitué de pales) qui intercepte l’air (vent) sous une certaine surface Sv (veine d’air intercepté)
• Deux grandes catégories: - Eoliennes à axe horizontal - Eoliennes à axe vertical
IV-1- Principe général et classification (suite)
• Le paramètre de vitesse: V: vitesse du vent u: vitesse maximale de déplacement de l’aubage u = ωR ω:vitesse rotation; R: rayon maximum λ élevé: intéressant
• Le coefficient d’utilisation d’aubage: Sc/Sv petit économique
Sc/Sv grand grand couple au démarrage
V
u
v
c
S
S
IV-2- Eoliennes à axe horizontal
IV-2-1- Puissance disponibleIV-2-2- Coefficients de puissance, de poussé et de
coupleIV-2-3- Théorie du disque sustentateurIV-2-4- Théorie de l’élément de paleIV-2-5- OrientationIV-2-6- Régulation
IV-2-1- Puissance disponible
dm = ρ.dV = ρ.S.V.dt S = πR2
Energie cinétique: dE = ½ dm.V2 = ½ ρ.S.V3.dt
Puissance disponible: Pd = ½ ρ.S.V3
T
Z
eT
034.0353
IV-2-2- Coefficients de puissance, de poussé et de couple
13
2
1 pd
p CSV
P
P
PC
Le coefficient de puissance:
Si toute cette puissance était convertie, elle correspondrait à une poussée axiale: Fad = ½ ρSV2
12
2
1 fa
da
af C
SV
F
F
FC
Le moment du couple disponible est: Md = Fad .R 1
22
1 md
m CSRV
M
M
MC
IV-2-2- Coefficients de puissance, de poussé et de couple (suite)
V
R
C
C
rotationdevitesseMP
CSRVM
CSVF
CSVP
m
p
m
fa
p
:Donc
: :aOn 2
12
12
1
2
2
3
IV-2-2- Coefficients de puissance, de poussé et de couple (suite)
IV-2-2- Coefficients de puissance, de poussé et de couple (suite)
• Exercice: Soit une éolienne avec un rotor de 5m de diamètre. La vitesse de rotation du rotor, avec un vent de 10 m/s est de 130 tr/min. Le coefficient de puissance est de 0.35.
1. Calculer le paramètre de vitesse de cette éolienne.2. Calculer le coefficient de couple.3. Quel sera le moment disponible sur l’arbre du
rotor? On donne : ρ = 1.24 kg/m
IV-2-3- Théorie du disque sustentateur
•Tube de courant•Ecoulement permanent, rectiligne, incompressible
IV-2-3- Théorie du disque sustentateur (suite)
2 :mvt de QtéEqn
12
1
2
1 : axiale Force
2
1
2
1 : aval Bernoulli
2
1
2
1 :amont Bernoulli
: Continuité
212
222
11
2121
22
21
222
221
2211
VVSVVSVSF
VVVVS
VVSSppF
VpVp
VpVp
SVVSVScsteSVm
a
DUa
Da
Ua
IV-2-3- Théorie du disque sustentateur (suite)
BETZdelimitelaestC'6.027
163
1pourmaxi14 :puissance de Coef.
14.2
1
2
1
2
1 :Puissance
2
1 :rotor lepar récupérée Energie
211
: acoef
2 2et 1
max
2
231
22
21
22
21
22
21
121
1
1
21
p
p
c
C
aaaC
aaSVP
VVSVVVmP
VVmE
aVVaVV
V
VVa
VVV
IV-2-3- Théorie du disque sustentateur (suite)
•Graphe densité de puissance
IV-2-4- Théorie de l’élément de pale
Caractéristiques géom.de la pale:
•Longueur: Rayon de Sv
•Forme du profil: → polaire•Corde du profil: ↘ pour des raisons structurales•Angle de vrillage β: ↘ pour maintenir une incidence optimum
IV-2-4- Théorie de l’élément de pale (suite)
IV-2-4- Théorie de l’élément de pale (suite)
xRx
zRz
CVdSdF
drldSCVdSdF
2
2
2
1
.2
1
cos.sin.
sin.cos.
xzr
xza
dFdFdF
dFdFdF
Polaire → portance et traînée de l’élément de pale:
dF → poussée axiale (dFa) et force radiale (dFr):
IV-2-4- Théorie de l’élément de pale (suite)
drCCVlN
F
CCVdrldF
R
xzRa
xzRa
.sincos..2
sincos...2
1
0
2
2
Poussée axiale:
Force radiale: cossin...2
1 2xzRr CCVdrldF
Moment de dFr par rapport à l’axe de rotation:
rdFrM .
Couple exercé sur l’axe de l’éolienne:
drrCCVlN
MR
xzR ..cossin..20
2
(N = nbre de pales)
IV-2-4- Théorie de l’élément de pale (suite)
Correction:• u : composée avec celle due au sillage de la
pale précédente• V : multipliée par le facteur (1-a) dû à
l’élargissement du tube de courant (voir la théorie du disque sustentateur)
IV-2-5- Orientation
IV-2-5- Orientation (suite)
Eolienne amont:• Pales rigides• Ecoulement peu perturbé• Orientation avec un dispositif spécifiqueEolienne avale:• Pales flexibles• Ecoulement perturbé• Auto-orientable
IV-2-6- Régulation
Si V ↗↗ alors risque d’avoir:• Fa trop grand (dangereux pour la tour)• M trop élevé (risque d’emballement)→ régulation pour contrôler ces effets
IV-2-6- Régulationa) L’effacement d’ensemble
• Le plan du rotor subit une rotation de 90° pour devenir tangent à la vitesse du vent.
• Solution utilisée pour les éoliennes à marche lente (multipales).
IV-2-6- Régulationb) Le décrochage aérodynamique
•V↗ i↗ Fz↗ ( i < id )•V↗ ↗ i↗ Fz↘ ( i > id ) Le profil des pales est conçu pour qu’il décroche à une certaine vitesse du vent (vitesse de rupture)→ profils fins
IV-2-6- Régulationc) Variation de l’angle de calage
•Les pales du rotor pivotent autour de leurs axes (Δc) → i↘ → Fz↘ •On peut profiter du moment aérodynamique de tangage piqueur: la pale est rappelée par un ressort qui commence à se détendre à partir d’une certaine incidence.
•Grandes éoliennes: micro-processor → vérins hydrauliques
IV-2-6- Régulationd) Les freins
• Solution purement mécanique• Activés à partir d’un seuil• Autre avantage: pouvoir arrêter complètement
la machine (entretien, réparation…)
IV-3- Eoliennes à axe vertical
IV-3-1- Rotor de SavoniusIV-3-2- Rotor de DarrieusIV-3-3- Avantages et inconvénients des éoliennes
à axe vertical
IV-3-1- Rotor de Savonius
• Principe: traînée différentielle
IV-3-1- Rotor de Savonius (suite)
IV-3-1- Rotor de Savonius (suite)
•Problème au démarrage → coupler deux Savonius
•Simple et économique
IV-3-2- Rotor de Darrieus
•Principe: variation cyclique d’incidence•2 ou 3 pales de profil symétrique biconvexe liées rigidement entre elles et tournant autour d’un axe vertical
IV-3-2- Rotor de Darrieus (suite)
IV-3-2- Rotor de Darrieus (suite)
• Le fonctionnement faisant appel à la rotation des pales, un système de lancement est nécessaire:
→ monter un rotor Savonius sur l’axe vertical → utiliser la génératrice électrique en moteur
IV-3-3- Avantages et inconvénients des éoliennes à axe vertical
a) Avantages:• Convertisseur sur le sol → pas besoin de tour
de supportage• Fonctionne quelle que soit la vitesse du vent
→ pas besoin d’un système d’orientation• Aucun contact tournant• Plus simples et moins coûteuses à la
construction
IV-3-3- Avantages et inconvénients des éoliennes à axe vertical
b) Inconvénients:• Capteur près du sol → zone défavorable
(gradient du vent, turbulence, accidents terrain).• Problèmes d’aéroélasticité dus au principe de
fonctionnement basé sur des variations permanentes des charges aérodynamiques.
• Grande occupation du sol à cause des haubanages (éoliennes de grande puissance)
IV-4- Comparaison des différentes éoliennes
IV-4- Comparaison des différentes éoliennes (suite)
• Rotors à marche lente (axe horizontal, multipale) et rotors de Savonius ont des performances analogues: peu puissantes mais ont un couple au démarrage élevé → adaptés pour le pompage de l’eau (quelques kW).
• Les rotors à marche rapide (axe horizontal, bi ou tri pales) sont plus performants que les rotors Darrieus avec des paramètres de vitesse nettement supérieurs
IV-4- Comparaison des différentes éoliennes (suite)
• La rentabilité d’une éolienne ne doit pas être basée uniquement sur son rendement, mais sur sa production totale d’énergie durant sa durée de vie (qui doit être d’une vingtaine d’années), comparée à l’investissement et au coût de l’entretien, la source d’énergie (le vent) étant gratuite.