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AERODYNAMIQUE DES EOLIENNES
Pr DEBBARH
AERODYNAMIQUE DES EOLIENNES
INTRODUCTION
I NOTIONS DE MECANIQUES DES FLUIDES
II NOTIONS DAERODYNAMIQUE
III LE VENT
IV FONCTIONNEMENT AERODYNAMIQUE DES
EOLIENNES
INTRODUCTION
I NOTIONS DE MECANIQUE DES FLUIDES
I Concepts fondamentaux de la Mcanique des Fluides
I Equations locales
I Equations globales
II NOTIONS DAERODYNAMIQUE
II Caractristiques gomtriques dun profil
II Trane et portance dun obstacle
II Ecoulement autour dun profil
II Coefficients arodynamiques
III LE VENT
III Origine du vent
III Vents locaux
III Cisaillement
III La mesure du vent
III Origine du vent
Vents globaux ou gostrophiques
III Vents locaux
III Brise de mer
III Vents locaux
III Effet de colline
III Vents locaux
III Effet de tunnel
III Vents locaux
III Effet dobstacle
III Vents locaux
III Effet de parc
III Cisaillement
Rpartition de vitesse du vent en fonction du relief
rencontr et de laltitude
III Cisaillement suite
III La mesure du vent
IIIAnmomtre
III La mesure du vent
III Analyse statistique des donnes
III La mesure du vent
III Analyse statistique des donnes suite
IV FONCTIONNEMENT
AERODYNAMIQUE DES EOLIENNES
IV Principe gnral et classification
IV Eoliennes axe horizontal
IV Eoliennes axe vertical
IV Comparaison des diffrentes oliennes
IV Principe gnral et classification
Lorgane capteur de lnergie olienne est un
aubage de surface S
c
Exemple rotor
constitu de pales qui intercepte lair vent
sous une certaine surface S
v
veine dair
intercept
Deux grandes catgories
Eoliennes axe horizontal
Eoliennes axe vertical
IV Principe gnral et classification
suite
Le paramtre de vitesse
V vitesse du vent
u vitesse maximale de dplacement de laubage
u R vitesse rotation R rayon maximum
lev intressant
Le coefficient dutilisation daubage
S
c
/S
v
petit conomique
S
c
/S
v
grand grand couple au dmarrage
V
u
v
c
S
S
IV Eoliennes axe horizontal
IV Puissance disponible
IV Coefficients de puissance, de pouss et de
couple
IV Thorie du disque sustentateur
IV Thorie de llment de pale
IV Orientation
IV Rgulation
IV Puissance disponible
dm .dV .S.V.dt S R
Energie cintique dE dm.V
.S.V
.dt
Puissance disponible P
d
.S.V
.
T
Z
e
T
.
IV Coefficients de puissance, de
pouss et de couple
lt
p
d
p
C
SV
P
P
P
C
Le coefficient de puissance
Si toute cette puissance tait convertie, elle
correspondrait une pousse axiale F
ad
SV
lt
f
a
d
a
a
f
C
SV
F
F
F
C
Le moment du couple disponible est M
d
F
ad
.R
lt
m
d
m
C
SRV
M
M
M
C
IV Coefficients de puissance, de
pouss et de couple suite
e
ee
V
R
C
C
rotation de vitesse M P
C SRV M
C SV F
C SV P
m
p
m
fa
p
Donc
a On
IV Coefficients de puissance, de pouss et de couple suite
IV Coefficients de puissance, de
pouss et de couple suite
Exercice Soit une olienne avec un rotor de m de
diamtre. La vitesse de rotation du rotor, avec un
vent de m/s est de tr/min. Le coefficient de
puissance est de ..
. Calculer le paramtre de vitesse de cette olienne.
. Calculer le coefficient de couple.
. Quel sera le moment disponible sur larbre du
rotor On donne . kg/m
IV Thorie du disque sustentateur
Tube de courant
Ecoulement permanent, rectiligne, incompressible
IV Thorie du disque sustentateur suite
mvt de Qt Eqn
axiale Force
aval Bernoulli
amont Bernoulli
Continuit
V V SV V S V S F
VVVVS
VVSSppF
VpVp
VpVp
SV V S V S cste SV m
a
DUa
Da
Ua
IV Thorie du disque sustentateur suite
BETZ de limite la est C .
pour maxi puissance de Coef.
.
Puissance
rotor le par rcupre Energie
a coef
et
max
A
p
p
c
C
aaaC
a a SV P
V V SV V V m P
VVmE
aVVaVV
V
VV
a
VV
V
IV Thorie du disque sustentateur suite
Graphe densit de puissance
IV Thorie de llment de pale
Caractristiques gom.de la pale
Longueur Rayon de S
v
Forme du profil polaire
Corde du profil pour des
raisons structurales
Angle de vrillage pour
maintenir une incidence optimum
IV Thorie de llment de pale suite
IV Thorie de llment de pale suite
xRx
zRz
C V dS dF
dr l dS C V dS dF
.
cos . sin .
sin . cos .
xzr
xza
dF dF dF
dF dF dF
Polaire portance et trane de llment de pale
dF pousse axiale dF
a
et force radiale dF
r
IV Thorie de llment de pale suite
dr C C V l
N
F
C C V dr l dF
R
xzRa
xzRa
. sin cos . .
sin cos . . .
Pousse axiale
Force radiale
cos sin . . .
xzRr
C C V dr l dF
Moment de dF
r
par rapport laxe de rotation
r
dF r M .
Couple exerc sur laxe de lolienne
dr r C C V l
N
M
R
xzR
. . cos sin . .
N nbre de pales
IV Thorie de llment de pale
suite
Correction
u compose avec celle due au sillage de la
pale prcdente
V multiplie par le facteur a d
llargissement du tube de courant voir la
thorie du disque sustentateur
IV Orientation
IV Orientation suite
Eolienne amont
Pales rigides
Ecoulement peu perturb
Orientation avec un dispositif spcifique
Eolienne avale
Pales flexibles
Ecoulement perturb
Autoorientable
IV Rgulation
Si V alors risque davoir
F
a
trop grand dangereux pour la tour
M trop lev risque demballement
rgulation pour contrler ces effets
IV Rgulation
a Leffacement densemble
Le plan du rotor subit une rotation de
pour devenir tangent la vitesse du vent.
Solution utilise pour les oliennes marche
lente multipales.
IV Rgulation
b Le dcrochage arodynamique
ViF
z
i lt i
d
ViF
z
i gt i
d
Le profil des pales est conu
pour quil dcroche une
certaine vitesse du vent
vitesse de rupture
profils fins
IV Rgulation
c Variation de langle de calage
Les pales du rotor pivotent autour
de leurs axes c i F
z
On peut profiter du moment
arodynamique de tangage piqueur
la pale est rappele par un ressort
qui commence se dtendre partir
dune certaine incidence.
Grandes oliennes microprocessor
vrins hydrauliques
IV Rgulation
d Les freins
Solution purement mcanique
Activs partir dun seuil
Autre avantage pouvoir arrter compltement
la machine entretien, rparation
IV Eoliennes axe vertical
IV Rotor de Savonius
IV Rotor de Darrieus
IV Avantages et inconvnients des
oliennes axe vertical
IV Rotor de Savonius
Principe trane diffrentielle
IV Rotor de Savonius suite
IV Rotor de Savonius suite
Problme au dmarrage
coupler deux Savonius
Simple et conomique
IV Rotor de Darrieus
Principe variation
cyclique dincidence
ou pales de
profil symtrique
biconvexe lies
rigidement entre
elles et tournant
autour dun axe
vertical
IV Rotor de Darrieus suite
IV Rotor de Darrieus suite
Le fonctionnement faisant appel la rotation
des pales, un systme de lancement est
ncessaire
monter un rotor Savonius sur laxe
vertical
utiliser la gnratrice lectrique en
moteur
IV Avantages et inconvnients des
oliennes axe vertical
a Avantages
Convertisseur sur le sol pas besoin de tour
de supportage
Fonctionne quelle que soit la vitesse du vent
pas besoin dun systme dorientation
Aucun contact tournant
Plus simples et moins coteuses la
construction
IV Avantages et inconvnients des
oliennes axe vertical
b Inconvnients
Capteur prs du sol zone dfavorable
gradient du vent, turbulence, accidents terrain.
Problmes darolasticit dus au principe de
fonctionnement bas sur des variations
permanentes des charges arodynamiques.
Grande occupation du sol cause des
haubanages oliennes de grande puissance
IV Comparaison des diffrentes
oliennes
IV Comparaison des diffrentes
oliennes suite
Rotors marche lente axe horizontal, multipale et
rotors de Savonius ont des performances
analogues peu puissantes mais ont un couple au
dmarrage lev adapts pour le pompage de
leau quelques kW.
Les rotors marche rapide axe horizontal, bi ou tri
pales sont plus performants que les rotors Darrieus
avec des paramtres de vitesse nettement
suprieurs
IV Comparaison des diffrentes
oliennes suite
La rentabilit dune olienne ne doit pas tre
base uniquement sur son rendement, mais sur
sa production totale dnergie durant sa dure de
vie qui doit tre dune vingtaine dannes,
compare linvestissement et au cot de
lentretien, la source dnergie le vent tant
gratuite.
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