Technologie de l'énergie éolienne : Manuels d'ingénierie des énergies renouvelables

Technologie des Énergies renouvelables
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CHAPITRE 2 : L’énergie éolienne
I. Introduction
Les énergies renouvelables constituent une alternative prometteuse et de
substitution des énergies conventionnelles qui continuent de causer de
sévères dégâts écologiques et qui sont dans tous les cas des ressources
limitées. Parmi ces énergies renouvelables : L’énergie éolienne.
L’énergie éolienne, qui tire son nom du mot grec Éole (Dieu du vent), est
tout simplement l’énergie produite par le vent. Comme toutes les formes
d’énergie, l’énergie éolienne tire son origine du soleil, puisque ce sont les
différences de températures et de pressions induites dans l’atmosphère par
l’absorption du rayonnement solaire qui mettent les vents en mouvement.
II. Le vent : définition et caractéristiques
Le vent, c’est le déplacement d’une masse d'air résultant à des
différences locales de température et de pression. Dans la langue courante et
dans le langage des météorologistes, on appelle « vent » le seul mouvement
horizontal de l’air. Les mouvements verticaux ou presque verticaux de l’air
existent aussi : les météorologistes parlent de vitesse verticale ou de
courants verticaux.
La mesure du vent se fait dans des stations météorologiques, où deux
éléments servent à la caractériser : sa vitesse et sa direction.
II.1 La vitesse du vent
a) Unités :
La vitesse du vent peut être exprimée par différentes unités :
Mètre par seconde
m/s
(unité Internationale)
Kilomètre par heure km/h
kt (knot en anglais)
(1m/s ≅ 1,944kt ou 1kt≅1.852km/h)
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Nœud
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b) Instrument de mesure :
L’instrument qui sert à mesurer la vitesse du vent est nommé
anémomètre (Son préfixe « anémo » est un mot grec et signifie « vent » et
son suffixe « mètre » signifie « mesure »).
Emplacement de l’anémomètre :
Un anémomètre doit respecter certaines règles d’emplacement. Il doit être
situé à une hauteur dégagée de 10 mètres.
Remarque :
On peut aussi évaluer la vitesse du vent par des échelles. Une des plus
souvent utilisées est l'échelle de Beaufort qui permet d’estimer la vitesse du
vent selon ses effets sur l’environnement. L’idée est simple : on ne peut pas
mesurer directement la vitesse du vent, mais certains indices (on observe
par exemple les effets du vent sur la surface de la mer, mouvement des
feuilles des arbres,…etc.) peuvent nous donner un ordre d’idée et donc
déterminer approximativement la vitesse du vent !
L’échelle de Beaufort n’est rien d’autre qu’une table de correspondance entre
les différentes observations et la vitesse du vent.
II.2 La direction du vent
En ce qui concerne la direction du vent, elle est toujours donnée par la
direction d’origine. On parlera par exemple d’un vent du nord lorsque le
vent souffle du nord vers le sud.
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Nord
Vent du Nord
Sud
L’instrument qui sert à déterminer la direction du vent est nommé
« girouette ».
Une girouette est un dispositif généralement métallique, la plupart du
temps installé sur un toit, constitué d’un élément rotatif monté sur un axe
vertical fixe. Sa fonction est de montrer d’où provient le vent (la pointe de la
flèche montre la direction d’où provient le vent).
II.3 Comment lire la vitesse et la direction du vent sur une carte météo
Sur une carte météorologique, les météorologues utilisent un symbole
pour représenter à la fois la vitesse et la direction du vent. Ce symbole est la
barbule :
La tête de la barbule pointe dans la direction d’où vient le vent. Sur
l’image, le vent souffle donc de l’ouest vers l’est. C’est un vent d’ouest.
La vitesse du vent est donnée par le nombre de barres et/ou de drapeaux
attachés à la barbule :
1 drapeau
= 50 noeuds
1 longue barre = 10 noeuds
1 petite barre
= 5 noeuds
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Pour trouver la vitesse du vent, il suffit donc d’additionner la valeur de
toutes les barres et des drapeaux attachés à la barbule.
Si on prend la barbule ci-dessus, la vitesse indiquée est : 65 nœuds.
III. L’éolienne
III.1 Définition
Une éolienne est un dispositif qui transforme l’énergie cinétique du
vent, c’est-à-dire le fluide en mouvement, en énergie mécanique. Le plus
souvent cette énergie est elle-même transformée en énergie électrique par
l’intermédiaire d’une génératrice.
Les
éoliennes
produisant
de
l’électricité
sont
appelées
aérogénérateurs, tandis que les éoliennes qui pompent directement de
l’eau sont parfois appelées éoliennes de pompage.
III.2 Structure d’une éolienne
Une éolienne se compose d’un grand nombre d’éléments que l’on peut
regrouper en trois parties bien distinctes : Le mât, le rotor et la nacelle.
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Une éolienne se caractérise principalement par :
•
Sa puissance nominale
•
Le diamètre de son rotor
•
La hauteur de son mât
III.2.1 Le mât :
Le mât, généralement fait du métal, est un support qui permet d’élever
le rotor à une hauteur suffisante pour permettre son mouvement (le vent est
plus fort et plus régulier en altitude qu’au niveau du sol).
La seconde fonction du mât est de protéger les câbles reliés depuis le
générateur jusqu’à l’armoire de couplage située à la base du mât où on
trouve un ordinateur (armoire de couplage) qui permet de contrôler le
fonctionnement
de
l’éolienne.
C’est
cet
ordinateur
qui,
grâce
aux
informations prélevées par l’anémomètre et la girouette, agit sur l’éolienne
pour freiner ou arrêter ses pales si le vent est trop fort ou encore de bien
orienter le rotor face au vent.
Le mât d’une éolienne peut atteindre jusqu’à 150m de hauteur; il est
posé sur un socle en béton armé et fixé au sol qui garantit sa stabilité.
Pourquoi les éoliennes sont-elles suspendues si haut ?
Parce que plus on est en hauteur, plus le vent souffle fort et moins
il est gêné par certains obstacles (immeubles, maisons…).
III.2.2 Le rotor :
Le rotor, appelé aussi hélice, est la partie tournante de l’éolienne. Il est
composé des pâles, généralement au nombre de 3, et du nez de l’éolienne (il
contient un moyeu et une commande du rotor). Le rotor est entraîné par
l’énergie du vent.
Le rotor transforme de l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique
(rotation de son arbre principal).
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Les pales :
Les pales de l’éolienne sont fixées en haut du mât, que l’éolienne soit
horizontale ou verticale. Elles sont entraînées par le vent, et leur mouvement
actionne le générateur qui produit ainsi de l’électricité.
La taille des pales varie d’une éolienne à l’autre. Leur longueur atteint
actuellement entre 30 et 55 mètres, soit un diamètre du rotor compris entre
60 et 110 mètres.
Les pales tournent à une vitesse relativement lente, de 10 à 20
tours/min, d’autant plus lente que l’éolienne est grande.
Les pales d’éolienne sont fabriquées à partir de matériaux composites
(Polyester renforcé par de la fibre de verre et/ou du carbone) qui allient à
la fois les qualités de rigidité et de légèreté.
Le moyeu :
Le moyeu, appelé aussi « nez », est en général une pièce d’acier moulée. Il
supporte les pales et relie le rotor à la nacelle (à travers un arbre). Il fait
varier l’angle d’attaque des pales.
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III.2.3 La nacelle :
La nacelle, située en haut du mât, derrière le rotor, est un élément qui
abrite (couvre ou protège) les composants mécaniques, électriques et
électroniques nécessaires au fonctionnement de l’éolienne.
La nacelle comporte :
Le multiplicateur de vitesse (arbre de transmission) :
Il sert à élever la vitesse de rotation entre l’arbre primaire (lent) et
l’arbre secondaire (rapide) qui entraîne la génératrice électrique. En
effet, la faible vitesse de rotation de l’éolienne ne permettrait pas de
générer du courant électrique dans de bonnes conditions avec les
générateurs de courant classiques.
L’arbre secondaire comporte généralement un frein mécanique qui
permet d’immobiliser le rotor au cours des opérations de maintenance et
d’éviter tout risque de destruction de la machine.
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La génératrice (l’alternateur) :
C’est elle qui convertit l’énergie mécanique en énergie électrique. La
rotation du rotor induit un champ électromagnétique qui entraîne la
création du courant dans le stator de la génératrice. Ça puissance
maximale délivre jusqu’à 2500 kW.
Le système de commande (contrôleur électronique) :
Il est chargé de surveiller le fonctionnement de l’éolienne (démarrage,
freinage, orientation du rotor,…etc).
Les dispositifs d’orientation de la nacelle :
Les dispositifs d’orientation permettent d’orienter le rotor et les pales
des éoliennes dans la direction du vent.
III.3 Schéma global d’une éolienne :
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❶ : Mât
❷ : Pales
❸ : Arbre lent
❹ : arbre rapide
❺ : Nacelle
❻ : Anémomètre
❼ : Girouette
❽ : Système d’orientation
❾ : Génératrice
❿ : Boite d’engrenage
111 : Système de contrôle
IV. Les différents types d’éoliennes
IV.1 Le nombre de pales
Les éoliennes se différencient par leur nombre de pales. C’est pourquoi il
existe des éoliennes dites tripales (éolienne à trois pales), bipales (avec deux
pales) et monopales (une pale).
Eolienne monopale
Eolienne bipales
Eolienne tripales
Eolienne tripales :
Principalement pour des raisons de stabilité, la plupart des
éoliennes modernes sont tripales (nombre impaire en générale).
Eolienne bipales :
Le grand avantage des éoliennes bipales par rapport à celles
tripales est le fait qu’elles permettent d’économiser le coût d’une pale de
rotor, ainsi que le poids de celle-ci bien évidemment. Les éoliennes
bipales ont cependant eu certaines difficultés à pénétrer le marché, entre
autres parce qu’il leur faudra une vitesse de rotation bien plus élevée
pour produire la même quantité d’énergie qu’une éolienne tripale, ce qui
constitue un inconvénient.
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Eolienne monopale :
Les éoliennes à conception monopale permettent d’économiser le
coût d'une pale de plus. Le grand inconvénient de ce type d’éolienne est
que pour équilibrer le rotor, il faudra munir l’éolienne d’un balancier du
côté du moyeu opposé à la pale (voir schéma ci-dessous).
Remarque :
De nombreuses éoliennes possèdent également quatre pales voire
beaucoup plus mais elles sont plutôt destinées à un usage privé.
IV.2 Les différents axes des éoliennes
Généralement, il existe deux grandes familles d’éoliennes ayant
chacune leurs spécificités :
IV.2.1 Les éoliennes à axe horizontal :
Une éolienne à axe horizontal est une éolienne dont le rotor du type
hélice est monté sur un axe horizontal, c’est-à-dire un arbre principal
horizontal (Les pales tournent autour d’un axe horizontal).
Toutes les éoliennes raccordées aujourd’hui au réseau sont construites
avec un rotor monté sur un axe horizontal. (Tous les schémas d’éoliennes cidessus sont des éoliennes à axe horizontal).
IV.2.2 Les éoliennes à axe vertical :
Une éolienne à axe vertical est une éolienne dont le rotor est monté sur
un axe vertical (Les pales tournent autour d’un axe vertical).
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Les éoliennes à axe vertical ont quelques avantages par rapport à celles à
axes horizontaux :
Elles vous permettent de placer les composants présents dans la nacelle
d’une éolienne à axe horizontal à terre, et vous n’avez pas besoin de
munir la machine d’une tour.
Un mécanisme d’orientation n’est pas nécessaire pour orienter le rotor
dans la direction du vent.
Les inconvénients principaux sont les suivants :
Les vents sont assez faibles à proximité de la surface du sol et donc sur
la partie inférieure de l’éolienne.
L’éolienne ne démarre pas automatiquement : (Ainsi, il faut par exemple
pousser les éoliennes pour qu’elles démarrent. Cependant, ceci ne
constitue qu’un inconvénient mineur dans le cas d’une éolienne
raccordée au réseau, étant donné qu’il est alors possible d'utiliser la
génératrice comme un moteur absorbant du courant du réseau pour
démarrer l’éolienne).
IV.3 Le sens du vent (seulement pour les éoliennes à axe horizontal)
Il existe deux sortes d’éoliennes à axe horizontal selon le sens
d’écoulement du vent : les éoliennes « amont » et les éoliennes « aval ».
Schéma d’une éolienne à axe
horizontal amont
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Schéma d’une éolienne à axe
horizontal aval
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Amont :
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Le vent souffle sur le devant des pales en direction de la
nacelle. Les pales sont rigides, et le rotor est orienté selon la
direction du vent par un dispositif.
Aval
Le vent souffle sur l'arrière des pales en partant de la
:
nacelle. Le rotor est flexible, auto-orientable.
V. Avantages et inconvénients de l’énergie éolienne
V.1 Avantages :
Parmi les avantages de l’énergie éolienne, nous pouvons citer les
suivants :
L’énergie éolienne est une énergie indéfiniment durable et propre.
L’énergie éolienne est une énergie renouvelable qui ne nécessite aucun
carburant, ne crée pas de gaz à effet de serre et qui ne produit pas de
déchets toxiques ou radioactifs.
L’énergie éolienne produit de l’électricité sans dégrader la qualité de l’air,
sans polluer les eaux (pas de rejet dans le milieu aquatique, pas de
pollution thermique) et sans polluer les sols.
Lorsque de grands parcs d’éoliennes sont installés sur des terres
agricoles, seulement 2 % du sol environ est requis pour les éoliennes. La
surface restante est disponible pour l’exploitation agricole et pour
d’autres utilisations.
Après son temps de fonctionnement (environ 20 ans), une éolienne est
entièrement démontable et recyclable.
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La période de haute productivité, située en hiver où les vents sont les
plus forts, correspond à la période de l’année où la demande d’énergie est
la plus importante.
A une grande échelle, l’énergie éolienne est la moins chère de toutes les
énergies renouvelables (surtout dans les régions bien ventées).
Les éoliennes permettent l’électrification en site isolé.
L’énergie éolienne peut être produite en mer (éolienne offshore).
V.2 Inconvénients :
Parmi les inconvénients de l’énergie éolienne, nous pouvons citer les
suivants :
Le principal inconvénient est le coût élevé d’un projet éolien (de l’étude à
l’exploitation).
La production d’énergie a lieu en fonction du vent et non de votre
consommation.
Dans certains cas, il est nécessaire de recourir au stockage par des
batteries pour faire face aux périodes de vent faible, ce qui augmente le
coût.
Seuil physique de capacité « Limite de BETZ » : seulement 59 % de
l’énergie cinétique apportée par le vent peuvent être au maximum
récupérés pour être convertis.
Le bruit généré par les éoliennes.
Risque de collision des oiseaux avec les pales.
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VI. Quantification des performances d’une éolienne
VI.1 L’énergie disponible :
On considère une colonne d’air de longueur
volumique
animée d’une vitesse
, de section
, de masse
conformément à la figure suivante :
%&
S
!" #
$#!
Colonne d′air
L’énergie cinétique de cette colonne d’air est donc :
=
Or nous savons que
1
2
ù
=
, d’où :
=
=
1
2
On en déduit ainsi l’expression de la puissance disponible :
=
=
Cette formule montre trois choses importantes :
La puissance du vent dépend du cube de sa vitesse, d’où la nécessité
de placer des éoliennes dans des sites très venteux, et le plus en
hauteur possible, car le vent est fortement ralenti au contact du sol.
La puissance dépend du carré du rayon du rotor, d’où l’intérêt d’avoir
les pales le plus long possible. Par exemple, un rotor deux fois plus
long donnera quatre fois plus de puissance.
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La puissance dépend enfin de la masse volumique de l’air, dont les
variations en fonction de la température et de la pression peuvent faire
varier de 20% la puissance du vent.
Cette formule donne la puissance d’une éolienne « parfaite », mais
ce résultat doit être ajusté avec le rendement de l’éolienne.
VI.2 L’énergie récupérable :
On définit un coefficient de performance 12 propre à chaque éolienne,
comparable au rendement d’un moteur thermique, qui dépend directement
des caractéristiques de l’éolienne.
Ainsi ce coefficient de performance varie avec la vitesse du vent,
comme le montre le graphique ci-contre, correspondant à l’éolienne haute
performance NORDEX S77/1500kW dont les caractéristiques sont :
•
diamètre de rotor : 77m avec 3 pales,
•
vitesse de rotation : 9,6 à 17,3 t/min,
•
puissance nominale : 1500kW (pour un vent de 13m/s),
•
poids 88 000 Kg (sans la tour).
La puissance récupérable
3 sur l’éolienne est alors définie par :
3 = 45
Où 67 est la puissance disponible.
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VI.3 La théorie de BETZ :
D’après la théorie de BETZ, on peut modéliser le passage de l’air avant
et après les pales de l’éolienne par un tube de courant comme indique la
figure suivante :
Avec :
8
8
@
@
∶ " ! ! :
! # "!; !;
∶ # <
! à ′!; é! # #?! !
∶ # <
! #
∶ # <
!à ′ "
∶ " ! ! # "!;
;
#
#
;
# ; "! # # A ; #
∶ " ! ! # "!; à ′ "
#
#
On supposera l’air incompressible (l’air est bien souvent considéré
comme incompressible dans le cas d’écoulements lents), ce qui permettra
d’écrire la conservation du débit volumique :
B B =
=
Le théorème d’Euler (variation de la quantité de mouvement de la veine
de vent entre l’amont et l’aval de l’hélice) permet d’écrire que la force C
s’exerçant sur les pales de l’aéromoteur est donnée par l’expression :
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C = DE F B −
H=
F B−
H
On obtient ainsi l’expression de la puissance mécanique fournie à
l’aéromoteur (puissance absorbée par le rotor) :
=C
F B−
=
H
F H
Variation de l’énergie cinétique :
E traversant l’éolienne pendant le temps
La masse d’air élémentaire
élémentaire
est :
E=
La variation de l’énergie cinétique de cette masse E lorsque la vitesse passe
de la valeur
8 à la valeur
∆
=
(récupérable par l’éolienne) est définie par :
EF B −
H=
F B −
H
La puissance récupérable par l’éolienne (due à la variation de l’énergie
cinétique du vent) est donnée donc par :
=
JK3LMK 3KçO ∆
=
KE5P
=
F B −
H
F H
En exprimant que (1)=(2), on en déduit que :
=
B+
Ainsi la puissance récupérable selon la théorie de BETZ s’énonce :
3 =
R
F B−
HF B +
H
VI.4 La limite de BETZ :
Comme on a déjà vu, chaque éolienne a un coefficient de performance 12
(rendement) défini par :
45 =
3
F OMPPSJ K 3é O5é3STUKH
F OMPPSJ K MP5VJMTUKH
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En remplaçant 6W et 67 par ses expressions, on trouve :
45 =
X −
B
YX +
B
Y
Cherchons maintenant les extremums de la fonction 12 .
Pour cela, on pose : comme étant le rapport des deux vitesses
:=
8
et
8 :
; F : ∈ \0,1_ H
L’expression de 12 devient alors :
45 =
F − `HF + `H
Etudions la variation de cette fonction sur l’intervalle \0,1_ :
45
=
`
:
\−F + `H + F − `HF + `H_ =
−∞
45 ′F`H
+
+∞
45
+∞
1/3
-1
−
F + `HF − `H
−
d
e
0
−∞
L′intervalle \0,1_
D’après cette étude, on constate que 12 admet un maximum pour :
:=
1
3
⟺
=
1
3 8
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Ce qui correspond à un coefficient de performance qui vaut :
12 =
16
= 0.59
27
D’où l’expression de la limite de BETZ est :
3é O5é3STUK ES` =
d
e
MP5VJMTUK
Ce qui signifie que la puissance maximale récupérable ne pourra
jamais représenter plus que 59.26 % de la puissance disponible (puissance
du vent).
En réalité, la puissance récupérée est inférieure à cette puissance
maximale car « du vent au réseau électrique » il y a plusieurs étapes de
conversion d’énergie, chacune avec son propre rendement. De plus, en
pratique tous les organes ne sont pas à leur rendement maximum en même
temps, ce qui réduit encore le rendement global.
VII. Puissance d’une éolienne
VII.1 Puissance d’une éolienne en fonction de la vitesse du vent
L’énergie éolienne est une énergie qui dépend directement de la force du
vent (au cube !). Pour qu’une éolienne commence à fournir de l’énergie
électrique, il faut des vents.
D’une manière générale, la puissance d’une éolienne varie en fonction
de la vitesse du vent selon la courbe ci-dessous.
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On peut distinguer 4 parties sur cette courbe :
de 0 à la vitesse de démarrage (ici 5 m/s) : la puissance de sortie est
nulle, le vent n’est
est pas suffisamment important pour entraîner la
rotation du rotor.
de la vitesse de démarrage à la vitesse nominale (ici 15 m/s) : la
puissance de sortie augmente jusqu’à atteindre la puissance nominale
no
(ici 750 kW).
de la vitesse nominale à la vitesse de coupure (ici 25 m/s) : la
puissance de sortie est maintenue à la puissance nominale presque
constante.
après la vitesse de coupure : l’éolienne est mise à l’arrêt pour
protection, la puissance de sortie est nulle.
Cela signifie que toute éolienne,
éolienne, quelle que soit sa puissance, a une
plage de fonctionnement bien délimitée en fonction de la vitesse du vent.
vent
VII.2 Puissance d’une éolienne en fonction du diamètre du rotor
Les deux figures ci-dessous
dessous démontrent clairement que la
l taille d’une
éolienne, notamment le diamètre de son rotor,
rotor est en relation directe avec sa
puissance.
Si un constructeur double le diamètre du rotor,
rotor, il obtiendra une surface
qui est quatre fois plus grande (l’unité
unité de surface étant le m² : 2² = 4). Cela
signifie également une augmentation de quatre fois de la puissance de sortie
du rotor.. Les diamètres de rotor peuvent varier un peu par rapport aux
chiffres indiqués sur les
es figures,
figures étant donné qu’une
une grande partie
pa
des
fabricants cherchent à optimiser leurs éoliennes.
éoliennes
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ER
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VIII. L’aérodynamique des pales
Comme toutes les machines, les éoliennes ont un rendement que l’on
appelle
rendement
aérodynamique.
Pour
estimer
les
performances
aérodynamiques des éoliennes et en déduire l’énergie qui peut être fournie, il
est nécessaire de faire une étude aérodynamique des pales du rotor. Cette
étude est également nécessaire pour optimiser le design des pales du
rotor.
Pour commencer, on simplifie le problème. En effet, lorsque l’on regarde
une aile, qu’il s’agisse d’une aile d’avion ou d’éolienne, il s’agit d’un corps à
3 dimensions spatiales.
De manière générale, il est assez difficile de considérer ces trois
dimensions simultanément. On prend uniquement les deux dimensions (2D) qui contiennent le phénomène physique dominant et ensuite on intègre la
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troisième dimension comme étant la superposition de comportements en
deux dimensions.
Pour cela, on introduit la notion du profil aérodynamique d’une pale (la
forme que possède la pale vue en coupe). Comme montrent les deux figures
ci-dessous,
la
pale
aérodynamiques)
est
que
divisée
en
une
série
nous
considérons
d’éléments
qu’ils
(profils
fonctionnent
indépendamment les uns des autres.
Extrados
Bord d’attaque
Bord de fuite
Intrados
Bord d’attaque : Partie avant de la pale (première zone attaquée par le
vent).
Bord de fuite : Partie arrière et amincie de la pale.
Extrados : Surface supérieure de la pale (partie bombée ou convexe).
Intrados : Surface inférieure de la pale (surface plane ou parfois
convexe).
Action du vent sur les pales :
On sait que le rotor assure une fonction essentielle : transformer l’énergie
cinétique du vent, une énergie naturelle, en énergie mécanique. A titre de
rappel, l’énergie cinétique est l’énergie que possède un corps du fait de son
mouvement. Ici, l’éolienne se sert de l’énergie cinétique fournie par la
rotation des pâles.
Cette rotation est due à deux facteurs principaux :
La force du vent qui s’exerce sur les pâles.
La position oblique (inclinée) des pales face au vent (« angle d’attaque »,
appelée également angle d’incidence).
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Corde
Vent relatif
Angle d’attaque : Angle entre la direction du vent relatif (apparent) et la
corde du profil.
Vent relatif ou apparent : Le vent vu par la pale est en faite une
composition du vent réel et du vent créé par le déplacement de la pale.
Ce vent résultant est appelé vent apparent ou vent relatif.
Pour bien comprendre l’action du vent sur les pales, on doit penser à
l’effet d’une masse d’air en mouvement sur une surface qu’elle la traverse.
En effet, lorsque le vent souffle sur une surface oblique, d’une part il pousse
cette surface vers l’arrière (force de traînée), mais d’autre part soulève cette
surface (Force de portance). A l’échelle d’une pâle, le vecteur représentant
l’action
du
vent
en
un
point
est
la
résultante
de
deux
forces
aérodynamiques : la portance (Lift force) et la traînée (Drag force).
:
Portance
Vent
Résultante
Trainée
Elément caractéristique d’une pale
•
La portance est perpendiculaire à la direction du vent.
•
La traînée est une force qui agit sur la pale dans la même direction que le
vent.
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Force de Trainée :
Puisque l’éolienne est fixée sur le sol, la trainée a un effet nul et
n’apporte rien au fonctionnement de l’éolienne. C’est donc la force de
portance qui soulève les pales et qui fait tourner l’hélice autour de son axe,
dans un plan perpendiculaire à la direction du vent.
Force de Portance :
Dans le profil d’une pâle, c’est-à-dire la forme d’une coupe transversale
de cette pâle, on distingue l’extrados (le dessus de la pâle) et l’intrados (les
dessous de la pale). L’écoulement de l’air est plus rapide sur l’extrados que
sous l’intrados. Or, le principe de Bernoulli dit qu’à mesure que la vitesse
d’un fluide augmente, la pression exercée sur un corps diminue (6 +
1/2 " =
!). On en déduit que la pression exercée par l’air sur la pale est
inférieure sur l’extrados que sous l’intrados. Cette différence de pression
provoque une aspiration vers le haut qui explique la portance.
Formulation :
La force verticale de portance op d’une aile en Newton (N) vaut :
Cq =
r 4q
où :
•
: masse volumique de l’air
•
: Surface de la pale
•
•
" : vitesse du vent
1p : coefficient de portance (nombre adimensionnel)
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La
a force horizontale de traînée os d’une aile en Newton (N) vaut :
C`
•
IX.
r 4`
Cs : coefficient de traînée
Paramètres de classification des capteurs éoliens
Une classification méthodique, universellement adoptée fait apparaître
les groupes, les noms et les formes de ces capteurs. On distingue trois
principaux paramètres de fonctionnement pour caractériser un capteur
éolien et notamment son efficacité.
La vitesse spécifique
Le coefficient de puissance
Le coefficient de couple
a) La vitesse spécifique
La vitesse spécifique u,, dit aussi paramètre de rapidité ou rapport de
vitesse en bout de pale (TSP : Tip-Speed Ratio), est définie comme étant le
rapport de la vitesse de
e l’extrémité
l
des pales sur la vitesse du vent :
u
v
r
wx
r
• t : vitesse de l’extrémité des pales (en m/s).
• " : vitesse du vent (en m/s).
m/s)
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• y : Rayon du rotor qui est aussi la longueur de la pale (en m).
• z : vitesse de rotation du rotor (en rad/s).
Les éoliennes peuvent être classées en fonction de ce paramètre :
Si u < 3 : l’éolienne est dite lente
Si u > 3 : l’éolienne est dite rapide
b) Le coefficient de puissance (ou de performance)
Le second paramètre qui caractérise le capteur éolien est le coefficient de
puissance noté 45 . Il est défini par le rapport de la puissance
3 recueillie
sur l’arbre moteur du capteur à la puissance cinétique qui passerait dans le
disque du rotor en son absence :
45 =
•
3
r
6W : puissance recueillie par le capteur
•
: surface balayée par les pales
•
: masse volumique de l’air
•
" : vitesse instantanée du vent
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45 caractérise le niveau de rendement d’une turbine éolienne.
La valeur maximale du 45 , définie par BETZ, est égale à 0.592.
Seule une certaine quantité d’énergie peut être extraite du vent.
c) Le coefficient de couple
Le troisième paramètre important est le coefficient du couple noté CC :
c’est le rapport du couple moteur 1} qui s’exerce sur l’arbre de sortie du
capteur éolien F 1} = 6}~s / zH au couple aérodynamique 4S .
44 =
X.
4E 45
=
4S
u
Variation de la vitesse du vent avec l’altitude
La variation de la vitesse du vent avec l’altitude dépend essentiellement
de la nature du terrain au-dessus duquel se propagent les masses d’air.
Cette variation est donnée par la formule suivante :
• €
=X Y
•B
B
8 : vitesse du vent à la hauteur de référence ℎ8 au dessus du sol.
: vitesse du vent à une hauteur quelconque ℎ.
‚ : coefficient caractéristique du lieu qui varie entre 0,1 et 0,4.
Ci-dessous les valeurs prises par ‚ pour les différents types de terrains
partagés généralement en 4 familles :
Nature du terrain
Exposant €
Plat : neige, glace, mer,…
0,1 à 0,12
Peu accidenté : champs et pâturages, cultures,…
0,13 à 0,16
Accidenté : zones peu habitées
0,20 à 0,23
Très accidenté : villes
0,25 à 0,4
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