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9ième Congrès de Mécanique, FS Semlalia, Marrakech 280
Modélisation d’un rotor éolien HAWT par la méthode
Elément de pale/Quantité de mouvement.
R. DIZENE 1, N. AMROUCHE 1 R. GHOUBALI 1 et S.
HAINE1
Laboratoire de Mécanique Avancée
Faculté de Génie Mécanique et Génie des Procédés
Université USTHB
BP 32, El Alia 16111 Bab Ezzouar Alger
I-Introduction :
Dans la conception d’une éolienne, le rotor est certainement
l’un des éléments les plus essentiels. En effet, il s’agit d’un
ensemble tournant, éventuellement de grande dimension,
qui peut être amené à fonctionner pendant plus de vingt ans
dans un environnement aérodynamique souvent perturbé et
engendrant des contraintes de « fatigue » quelques fois
importantes, dans un environnement climatique sévère. A
partir de ce constat, le rapprochement avec les rotors
d’hélicoptères devient évident. C’est pour cette raison que
les machines les plus répondues actuellement sont les
machines munies de rotor à axe horizontal, parallèles à la
direction du vent (bipales ou tripales). Leur conception
aérodynamique a beaucoup profité de l’essor technologique
aéronautique d’hélicoptères surtout en ce qui concerne la
forme aérodynamique des pales et des matériaux
composites utilisés. Ainsi, l’apport particulièrement
important de l’industrie aéronautique et même spatiale peut
constituer une aide efficace au profit des applications très
diverses. Cette contribution concerne l’expérience acquise
sur le plan des connaissances de base et des moyens de
calcul.
Les méthodes appliquées et les principes de fonctionnement
des rotors des éoliennes sont inspirés de ceux des hélices et
des rotors d’hélicoptère. Différentes approches ont été
utilisées. Nous citerons par exemple la théorie classique du
moment axial généralement appliquée pour une étude
préliminaire ou simplifiée : la théorie des cascades [1].
Particulièrement adaptée aux éoliennes lentes, la théorie de
la ligne portante [2,3] ou la théorie de la surface portante
[4] qui permettent une évaluation plus précise des
performances aérodynamiques des rotors éoliens. Dans
notre cas, le modèle retenu est basé sur la méthode
tourbillonnaire qui consiste à combiner la théorie de l’aile
portante avec la loi de la conservation de la quantité de
mouvement [5].
Un certain nombre de chercheurs ont conçu des méthodes
pour prévoir les performances des rotors des éoliennes.
L’analyse classique des éoliennes a été à l’origine
développée par Betz et Glauret (Glauret, 1935) dans les
années trente. Plus tard, ces théories ont été développées et
adaptées pour des résolutions numériques [6]. Dans ces
méthodes, la théorie de quantité de mouvement et de
l’élément de pale sont combinés dans une seule théorie qui
permet le calcul des caractéristiques d’une section annulaire
du rotor. Les caractéristiques pour le rotor entier sont alors
obtenues par l’intégration, ou l’addition des valeurs
obtenues pour chacune des sections annulaires. Dans la
littérature cette méthode se présente sous différentes
appellations : méthode Glauert, méthode tourbillonnaire,…;
mais pour notre cas nous avons retenu le nom suivant :
« méthode de l’élément de pale /quantité de mouvement ».
II-Analyse physique:
Généralement, les performances aérodynamiques des
profils d’ailes des rotors éoliens à axes horizontal (HAWT)
sont évaluées numériquement par deux méthodes : la
méthode de l’écoulement potentiel/couche limite [7] et la
méthode basées sur la résolution des équations de Navier
stokes CFD [8]. L’écoulement autour d’un profil est dit
attaché si l’écoulement couvre la surface du profil du bord
d’attaque au bord de fuite, toutefois si l’angle d’attaque
excède une certaine valeur alors on remarque que
l’écoulement ne peut plus atteindre le bord de fuite et
décroche de la surface du profil sur une ligne de
décollement. Dans cette région la direction de l’écoulement
est inversée et on parle alors d’écoulement de retour,
provoquant une forte décroissance de la portance et une
forte augmentation de la traînée, donc le profil de la pale du
rotor ne peut plus tirer assez d’énergie de l’écoulement.
C'est le phénomène de décrochage utilisé pour la régulation
de puissance.
L’angle d’attaque de l’écoulement incident par rapport à la
pale est déterminé par la vitesse de la pale du rotor et la
vitesse du vent mais puisque les pales régulées par
décrochage n’opèrent qu’à vitesse de rotation constante, la
variation de cet angle ne dépendra théoriquement que de la
vitesse du vent. L’art dans la conception des pales à
régulation passive réside donc dans sa faculté á permettre
un décrochage graduel le long de l’axe longitudinal de la
pale et ainsi maintenir un puissance constante pour une très
large gamme de vitesse. Mais en réalité le comportement du
phénomène de décrochage est beaucoup plus compliqué et
difficile à cerner car il met en jeux l’influence du caractère
instationnaire et tridimensionnel de l’écoulement.
La régulation par décrochage aérodynamique a avant tout
l'avantage d'éviter l'installation de pièces mobiles dans le
rotor, ainsi qu'un système de contrôle complexe et onéreux.
L'inconvénient d’une telle régulation se pose donc au
niveau des grands défis qu’elle lance à la conception
aérodynamique des pales, mais également à la conception
de l'éolienne entière soumise à des vibrations causées par
des variations instantanées des charges aérodynamiques
induites par le phénomène de décrochage. Actuellement
environ deux tiers des éoliennes qui sont installées dans le
monde le sont à pas fixe. Les modèles existants et utilisés