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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.
