Structure de l`éolienne - Technologie, Sciences de l`Ingénieur et des

Première STI2D
M
I
E
Nom :
Prénom :
ETT
Classe :
LAMPADAIRE LUMEA
Référence : M2-ACT7
Structure de l'éolienne – choix de la forme
CENTRE D'INTÉRÊT
O4 - Décoder l'organisation fonctionnelle, structurelle et logicielle d'un système.
Compétences visées
CO4.1 - Identifier et caractériser les fonctions et les constituants d'un système ainsi que ses entrées/sorties.
CO4.2 - Identifier et caractériser l'agencement matériel d'un système.
CO4.4 - Identifier et caractériser des solutions techniques relatives aux matériaux, à la structure, à l'énergie
d'un système.
Prérequis
Notions d’énergie mécanique et de rendement.
Nature de l'activité
Objectifs
La première partie de ce TP portera sur l’ajustement de paramètres
Partie N°1
géométriques, en particulier le recouvrement relatif (rapport e/d) afin
TP
Conditions de réalisation
d'améliorer les performances aérodynamiques de l’éolienne.
Le rendement énergétique d’une éolienne de type Savonius (20 % en
conditions optimales) reste relativement bas. Sachant que le rendement
Partie N°2
TP
énergétique est le rapport de la puissance électrique de sortie sur la
puissance cinétique fournie par le vent, nous allons rechercher les raisons
qui nous amènent à avoir un rendement si faible.
3 heures
Durée de l’étude
I. DESCRIPTION DU ROTOR SAVONIUS
Le choix de l’éolienne présente sur le système LUMEA s’est porté sur une éolienne de type SAVONIUS. Cette
machine a été inventée par l’ingénieur finlandais Sigurd Savonius en 1924 et a été brevetée en 1929.
Elle est constituée schématiquement d’un minimum de deux demi-cylindres légèrement désaxés.
Figure 1 : Le rotor Savonius est constitué de deux demi-cylindres désaxés
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V : vitesse du vent
d
Figure 2 : représentation d’une éolienne Savonius conventionnelle
Avec les notations de la figure 2, la vitesse spécifique de l’éolienne notée λ est le rapport entre la vitesse à
l'extrémité des pales et la vitesse du vent : coefficient de vitesse d'une éolienne vaut :
Ω : vitesse angulaire en rad/s
R : rayon en mètre
V : vitesse du vent en m/s
Les éoliennes peuvent être classées en fonction de la vitesse spécifique :
si λ est inférieur à 3, l’éolienne est dite lente (Eolienne de type Savonius),
si λ est supérieur à 3, l’éolienne est dite rapide (Eolienne tripale par exemple).
II. PARTIE N°1 : INFLUENCE DE L’ÉCARTEMENT RELATIF SUR LA VITESSE DE
ROTATION
A travers cet essai, nous nous attacherons à estimer le rôle de l’écartement relatif e/d sur la vitesse de rotation de
l’éolienne mesurée en tr/min. Les différents essais seront réalisés avec :
- une vitesse de vent constante.
- le paramètre géographique a (voir figure 2) nul : a=0.
- une maquette permettant de régler très facilement le rapport e/d qui devra prendre successivement les valeurs
suivantes : e/d = 0 ; e/d = 0,1 ; e/d = 0,15 ; e/d = 0,2 ; e/d= 0,25 ; e/d = 0,3 ; e/d = 0,4 et e/d = 0.5.
Avec les conditions citées précédemment (vitesse du vent = constante et le paramètre géographique a =0), mettre en
œuvre les matériels afin de compléter le tableau de mesures suivant :
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Écartement
relatif e/d
e/d = 0
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e/d = 0,1
Nom :
Prénom :
e/d= 0,15
e/d= 0,2
ETT
Classe :
e/d= 0,25
e/d = 0,3
e/d = 0.4
e/d = 0.5
Vitesse de
l’éolienne en
tr/min après
stabilisation (1
à 2 minutes)
Q1. Le rapport e/D a-t-il une influence sur la vitesse de l’éolienne ?
Q2. Si oui, donner la valeur de l’écartement relatif permettant d’obtenir la vitesse de rotation maximale :
Pour aller plus loin …
Depuis plusieurs années, de nombreuses études ont permis d’améliorer sensiblement les performances des rotors
Savonius. Celles-ci ont permis de montrer l'influence de la configuration géométrique sur le rendement
énergétique. En effet, un recouvrement relatif (e/d) compris entre 20 et 30 % et un angle β (Angle d’inclinaison des
aubes) de 55° semble présenter les meilleures performances en termes de rendement énergétique.
a
D’autres types d’éoliennes présentant des agencements particuliers (comme celle installée sur le système LUMEA)
laissent présager non seulement d'un comportement aérodynamique plus stable que celui du rotor Savonius
conventionnel, mais aussi des rendements sensiblement améliorés.
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III. PARTIE N°2 : JUSTIFICATION DU FAIBLE RENDEMENT GLOBAL SUR L’ÉOLIENNE
DE TYPE SAVONIUS
Malgré l’optimisation de certains paramètres géométriques, le rendement d’une éolienne de type Savonius reste très
faible. Sachant que le rendement énergétique global est le rapport de la puissance électrique de sortie (Pélec) sur la
puissance cinétique fournie par le vent (P vent), il est intéressant de savoir quelles transformations énergétiques
(transformation de l'énergie du vent en énergie mécanique de rotation et transformation de l'énergie mécanique de
rotation en énergie électrique) entraînent des rendements si faibles.
Eolienne :
ƞR = Ptr/Pvent
Pvent :
puissance
cinétique
fournie par le
vent
ȠG = Pélec/Ptr
Rotor de type
Générateur
Savonius
électrique
Ptr : puissance
mécanique transmise
à l’alternateur
(Alternateur)
Pélec :
puissance
électrique
fournie par
l’éolienne
Rendement global :
Ƞ = ȠR * ȠG = Pélec / Pvent
Étape N°1 : calculer la puissance théorique fournie par le vent (Consulter le dossier technique mis à
disposition).
Étape N°2 : mesurer, en fonction de la vitesse du vent, la puissance électrique fournie par l’éolienne
(en sortie de l’alternateur).
Étape N°3 : calculer le rendement global et mettre en évidence le coefficient de puissance (Cp)
propre à chaque type d’éolienne.
III-1) Étape N°1 : calcul de la puissance théorique fournie par le vent
Après avoir consulté le dossier technique accompagnant ce sujet, répondre aux questions suivantes :
Q1. Calculer, pour l’éolienne équipant le système LUMEA et en fonction de certains paramètres géométriques (hauteur :
H, diamètre extérieur : D), la surface balayée par le vent.
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Réponse :
H
D
Q2. Calculer alors la puissance cinétique théorique fournie par le vent pour les vitesses suivantes :
Vitesse du vent en
km/h
Vitesse du vent
en m/s
Puissance théorique fournie par le vent : Pvent en W
10
15
20
30
40
50
III-2) Etape N°2 : mesure de la puissance électrique fournie par l’éolienne
Q3. Mettre en place les matériels (ventilateur, éolienne, résistance en sortie du générateur électrique) et les appareils
de mesure (tachymètre, anémomètre à fil chaud, ampèremètre et voltmètre en sortie de l’alternateur) afin de
pouvoir relever, en fonction de la vitesse du vent, la puissance électrique fournie par l’éolienne :
R= 150 Ω
V
A
uALT
G
iALT
Alternateur : Génératrice synchrone (24V ~)
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Appeler le professeur avant de commencer les essais.
Compléter, par la suite, le tableau ci-dessous :
Vitesse du vent en
km/h
10
15
20
30
40
50
Vitesse du vent en m/s
Valeur de la tension
efficace aux bornes de
la génératrice en V
Valeur du courant
efficace délivré par
l’alternateur en A
Puissance fournie par
l’éolienne : Pélec =
Ualt*Ialt
III-3) Étape N°3 : calculer le rendement global et mettre en évidence du coefficient de puissance (Cp) propre
à chaque type d’éolienne
Q4. Calculer ci-dessous le rendement global de l’éolienne : ƞ
Vitesse du vent en
km/h
10
15
20
30
40
50
Vitesse du vent en m/s
Puissance théorique
fournie par le vent :
Pvent en W
Puissance fournie par
l’éolienne en W :
Pélec = Ualt*Ialt
Rendement global :
Ƞ = Pélec / Pvent
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Quelle constatation pouvez-vous faire quant au rendement global ?
En considérant le rendement de l’alternateur proche de 80%, donner sur la plage de vitesse « 10/50 km/h », le
rendement maximum du rotor Savonius (ƞR max)
Coefficient de puissance / Limite de Betz :
La puissance fournie par le vent (Pvent) est une puissance théorique, il est bien sûr impossible qu'elle soit récupérée tel
quelle par une éolienne (cela reviendrait à arrêter le vent).
Les éoliennes détournent le vent : En pratique, une éolienne dévie le vent avant qu'il atteigne la surface balayée par le
rotor. Une éolienne ne pourra donc jamais récupérer l'énergie totale fournie par le vent (voir loi de Betz). Lorsque
l'énergie cinétique du vent est convertie en énergie mécanique par le rotor, le vent est freiné par celui-ci, la vitesse du
vent en amont du rotor est toujours supérieure à celle en aval. Or la masse d'air qui traverse la surface balayée par le ro tor est identique à celle sortant. Il en résulte un élargissement de la veine d'air (tube de courant) à l'arrière du rotor. Ce
freinage du vent est progressif, jusqu'à ce que la vitesse de l'air à l'arrière du rotor devienne à peu près constante.
Limite de Betz / Formule de Betz : La puissance récupérable est inférieure, puisque l'air doit conserver une énergie cinétique résiduelle pour qu'il subsiste un écoulement. L'allemand Albert Betz a démontré en 1919 que 60% de la puis sance cinétique fournie par le vent peut être récupérée.
Coefficient de puissance (Cp) :
Les valeurs de Cp sont données par la courbe caractéristique de l’éolienne en
fonction du coefficient de
vitesse ��qui est le rapport
entre la vitesse à l’extrémité des pales et la vitesse du
vent (Voir à la page 2)
Abstraction faite des rendements des divers organes de transmission et de conversion d’énergie, on définit le coeffi cient de puissance Cp d’une éolienne interceptant une surface S de vent, à partir de la puissance P fournie, suivant
la relation :
P = Cp *½ * ρ * S* V3
ρ : masse volumique de l’air (1,225kg/m3) ; S : surface balayée par les pales en m² ; V: vitesse du vent en m/s.
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A partir de la courbe donnant le coefficient de puissance (Cp), compléter le tableau ci-dessous :
Type d’éolienne
Coefficient de puissance
Classer par ordre de rendement
maximum
(croissant) les différentes éoliennes
Savonius
Darrieus
Hélice tripale
Hélice bipale
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Malgré son faible rendement aérodynamique, les avantages de ce type d’éolienne sont nombreux :
- un rotor Savonius ne nécessite aucun dispositif d’orientation.
- son couple statique important lui permet de démarrer aux vitesses de vent faibles, lorsque les éoliennes
rapides restent le plus souvent immobiles.
- sa grande robustesse lui permet de supporter les vitesses de vent élevées, lorsque les éoliennes rapides
doivent être freinées ou arrêtées pour des raisons de sécurité.
- il est enfin aisé à réaliser et donc moins coûteux en cas de production en grande série.
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