Chapt 3 Eolien Aérody PDF [PDF]

Zitiervorschau

Ecole Supérieure en Sciences Appliquées de Tlemcen

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Département: Second cycle Module: Energies renouvelables 3 Partie-2: Energie Eolienne Filière: Electrotechnique Niveau : Quatrième année

Option: Energie et Environnement

CHAPITRE 3: Aérodynamique des éoliennes

Présenté par

Dr. Fouad BOUKLI HACENE Maitre de conférences -A-

1. Introduction 2. LIMITE DE BETZ

3. Potentiel utilisé

4. Aérodynamique

INTRODUCTION

Le potentiel éolien varie selon: la hauteur le type d'environnement

 « Rugosité" du paysage plus ou moins importante source de turbulences. En rouge : on remarque que la vitesse du vent (en m/s) varie selon le type d'environnement (urbain, plaine, mer)  l'échelle indique la hauteur de la nacelle (pour une même nacelle, et une même longueur de pales). Une même éolienne produit environ 2 fois plus d'électricité en mer car

le vent y est plus régulier.

OBJECTIFS EVALUTION DU POTENTIEL ENERGETIQUE EOLIEN La conversion de l’énergie cinétique due au vent en énergie mécanique (mouvement de rotation de l’éolienne), l’énergie potentiel disponible sur le site subit:

Une suite de pertes en cascades, jusqu’à la sortie machine:

Limite de BETZ, Seuils machine Pertes de conversion

Seule une partie de la puissance éolienne disponible sur un site donné,

La puissance utile , qui est réellement obtenue en fin de processus, soit à la sortie de l’éolienne

PUISSANCE ENERGETIQUE DISPONIBLE La puissance du vent

Pvent 1   .V 3 2

La détermination de la vitesse moyenne et cubique moyenne se fait à partir de l’étude statistique de la distribution des fréquences, par classes, de la vitesse du vent

1 3 2   .V . . R 2

POTENTIEL ENERGETIQUE EOLIEN RECUPERABLE

(THEOREME D’Albert BETZ -1919 ) Présentation: L’énergie cinétique disponible est convertie en énergie mécanique en utilisant une machine à aubes (où pâles) dite communément éolienne. La vitesse du vent en aval de la roue n'étant jamais nulle.

Ceci implique que la puissance éolienne disponible n'est pas entièrement récupérée au niveau de l’hélice

Interprétation physique En pratique: 1. Une éolienne sert à capter l'énergie du vent, en contrepartie celleci dévie le vent avant qu'il atteigne la surface balayée par le rotor. 2. Une éolienne ne pourra donc jamais récupérer l'énergie totale fournie par le vent . 3. 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. 4. Or la masse d'air qui traverse la surface balayée par le rotor est identique à celle sortant. 5. Il en résulte un élargissement de la veine d'air (tube de courant) à l'arrière du rotor. 6. 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.

Modélisation

Soit une masse d’air traversant un disque de surface A, à une vitesse V . Soient :

V1 la vitesse en amont V2 la vitesse en aval Distorsion des lignes de courant

Pour un rendement optimum:

1 V2  V1 3 On déduit , la puissance maximale extraite par une roue qui est égale à:

Cp max



Pmax 16   0.59 Pvent 27

Cette limite (environ 0.59) est appelée ‘’limite de BETZ’’.

Masse volumique du fluide ρ: (Air atmosphérique sec, environ : 1,23 kg/m3 à 15 °C et à pression atmosphérique 1,0132 bar) On peut en conclure que la puissance moyenne maximale récupérable est donnée par la formule:

 Prec  0.37 A  V  3

Enfin l’énergie moyenne maximale récupérable sur une année, est égale à:

 Erec  Prec  t  0.37 A  V 3  *t D’où:

 E recup  0.37 A  V  *24 * 365.24

Soit en kWh

3

 Erecup  3.25 A  V  3

A cause de la vitesse non nulle de l’air derrière le rotor;

Péolienne  Pvent On définit le coefficient de puissance de la machine éolienne par la relation:

Péolienne Cp  Pvent

Ainsi la puissance d’une éolienne s’écrit comme suit:

Péolienne  C p Pvent D’où:

1 3 Péolienne  C p AV1 2

Avec comme puissance maximale récupérable celle donnée par la limite de BETZ:

PBetz

16  Pvent  0.59 Pvent 27

avec

0  C p éolienne  0.59

La valeur du coefficient de puissance

Cp

dépend

de la valeur de la vitesse de rotation de la turbine. On définit le rendement aérodynamique par la relation:



Cp 0.592

Limite théorique et implications pratiques de la formule 1-Le calcul suppose qu'on néglige l'énergie thermique contenue dans le fluide, et que la masse volumique de ce fluide reste constante. Or l'extraction d'énergie cinétique aura des effets thermiques sur le fluide, qui peut à son tour faire évoluer la masse volumique (condensation de vapeur d'eau par exemple).

Ce phénomène est d'importance faible pour l'air, il peut être non négligeable dans d'autres cas.

2- La limite de BETZ s'applique à tout type d'éolienne, mais elle ne s'applique pas à une turbine à vapeur par exemple.

3- Le calcul fait un certain nombre d'hypothèses qui font de cette limite un majorant, et non un maximum atteignable ; Des calculs modernes plus élaborés montrent que le maximum réel est plus faible

4- A la limite de BETZ, le vent voit sa vitesse divisée par trois ; Pour maintenir le même débit, la surface de sortie doit donc être multipliée par trois

La vitesse spécifique La vitesse spécifique ou le paramètre de rapidité noté λ (Lambda) en anglais Tip Speed Ratio (TSR) est le rapport entre la vitesse de l'extrémité des pales et la vitesse du vent. Les machines peuvent être classées en fonction de ce paramètre

•Si λ est inférieur à 3, l’éolienne est dite lente •Si λ est supérieur à 3, l’éolienne est dite rapide



R pale V1

Ω: La vitesse de rotation angulaire de la pale λ : La vitesse périphérique ou spécifique de la pale R: Le rayon de la pale

REMARQUE La puissance maximale récupérable par la machine:

𝐶𝑝(𝛽,𝜆) est le coefficient de conversion aérodynamique de la puissance du vent donné par le constructeur de l’éolienne. Il dépend également des caractéristiques de la turbine.

L'angle 𝛽 est l'angle d'inclinaison des pales. 𝜆 est dite la vitesse relative

On définit le couple mécanique par la relation:

 D’où:

P



 Γ : Couple mécanique produit par l'éolienne (en N·m)  P: Puissance mécanique (en W)   fréquence de rotation du rotor (en rad/s)

Pour les éoliennes ayant une vitesse de rotation importante, génèrent un couple faible, ce type d’éolienne est utilisée pour la production d’électricité. Pour les éoliennes qui tourne lentement, elles développent un couple important

Puissance en fonction de la vitesse spécifique

Diagrammes de puissance

Puissance en fonction de la vitesse du vent

v1

¾v1

½v1

Facteur de charge

Facteur de charge varie entre 20% et 37%

Pour l’Algérie: La cartographie de la densité de puissance moyenne annuelle récupérable à 10 mètres du sol est représentée en figure ci dessous. Ce résultat est obtenu par le traitement de 10 années de mesures relatives à 48 stations de l’ONM réparties sur tout le territoire

PUISSANCE EOLIENNE MOYENNE UTILISABLE Etant donné que : La vitesse du vent est variable Chaque machine éolienne est caractérisée par : La vitesse de démarrage V1,  Une vitesse nominale Vn Une vitesse d’arrêt Vs, La puissance éolienne utilisable est donnée par:

La vitesse Vu est déduite de la courbe représentative de la distribution de Weibull entre les limites de la machine

Diagramme de la puissance utile sur l'arbre en fonction de la vitesse du vent

Représentation des vitesses de démarrage, nominale et d’arrêt sur la courbe de distribution des vitesses.

La limite inférieure est représentée par la vitesse de démarrage.

En effet, seules les vitesses du vent supérieures à la vitesse démarrage Vi sont considérées dans le calcul. En second lieu, lorsque la vitesse nominale Vn est atteinte, l'augmentation de la vitesse de vent n'a aucun effet sur le régime de la roue. Enfin, lorsque la vitesse d’arrêt Vs est atteinte, le système est stoppé et les vitesses qui lui sont supérieures n’interviennent pas pour le calcul de Vu

Présence de la Tour 1-Dans le cas des éoliennes « aval » : la tour provoque un phénomène appelé « masque ». À chaque révolution, la pale perçoit une perturbation aérodynamique : Un moindre rendement purement aérodynamique ; Des sollicitations alternées qui peuvent être préjudiciables en terme de durée de vie (phénomène de fatigue).

2-Dans le cas des éoliennes « amont »: la tour provoque un effet équivalent mais moindre dit de «barrage ». La plus utilisée

Dans le 1er cas, l’éolienne ne tourne pas car la résultante est parallèle a l’axe de rotation

Dans les 2ème et 3ème cas, il y a un mouvement de rotation car les coordonnées de la projection sur (y) de la résultante ne sont pas nulles

Aérodynamique de pales La pale

Extrados

Axe deVprofil Intrados

Effet venturi

La portance Une pale d’éolienne, utilise l'effet de portance. Cet effet est du à l'écoulement de l'air autour du profil qui est plus rapide sur l'extrados (le dessus) que sur l'intrados (le dessous) de l'aile, ce qui entraine une dépression sur l'extrados. Le flux d'air circule plus rapidement sur l'extrados car la longueur à parcourir est plus importante que sous l'intrados, l'écoulement d'air devant rester constant à l'avant et à l'arrière de la pale, l'air s'écoule donc plus rapidement. La portance est perpendiculaire à la direction du vent.

ξ : portance (en N) ρ : masse volumique de l’air (1,225 kg/m3 à 15°C au niveau de la mer) Vr : vitesse de déplacement (en m/s) S : surface de référence (surface projetée, surface mouillée, maître couple) Cz : coefficient de portance, il est déterminé en soufflerie et est propre pour chaque profil de pale

La traînée La traînée correspond à la résistance d'air, celle-ci augmente avec la surface exposée à la direction de l'écoulement de l'air. est une force qui agit sur la pale dans la même direction que le vent. Tend à contrer le mouvement d’avancement de la pale et doit donc être la plus faible possible!!!!!

D: trainée (en N) ρ : masse volumique de l’air (1,225 kg/m3 à 15°C au niveau de la mer) Vr: vitesse de déplacement (en m/s) S : Surface de référence (surface projetée, surface mouillée, maître couple) Cx: Coefficient de traînée

Fportan ce

Extrados

Intrados

1  SV 2Cz 2

La finesse

La finesse du profil joue un rôle important. Elle doit être assez grande pour que la traînée n’absorbe pas une partie trop élevée du couple moteur. Cx: coefficient de traînée (sans unité) Cz: coefficient de portance (sans unité) S: finesse du profil (sans unité) Pour maximiser le rendement d'une éolienne, il faut que la finesse soit maximale, autrement dit que la traînée soit minimale et la portance maximale. En général l'utilisation de 3 pales fines fonctionnant à une vitesse bien supérieure à celle du vent permet d'exploiter au maximum la portance tout en générant une traînée la plus faible possible. La finesse d'un profil dépend de plusieurs paramètres : 1. l'angle d'attaque de la pale (c'est à dire l'angle de la pale par rapport au vent apparent) 2. La forme de la pale 3. Son facteur de forme

Aérodynamique de pales Loi de Bernoulli : le long d’une ligne de courant! si La vitesse augmente,

La pression diminue Extrados

La vitesse de l’air augmente, La pression diminue

V Axe de profil

Intrados

La vitesse de l’air diminue, La pression augmente

Aérodynamique de pales Portance Forte dépression Aspiration

Vitesse Réelle du vent

V Axe de profil

Faible dépression

Bernoulli : le long d’une ligne de courant, si la vitesse augmente, la pression diminue

On suppose que la surface de la pale est égale à la surface réelle de celle-ci.

S=L . c L: longueur de la pale (en m) C: corde de la pale (en m) S: surface de la pale (en m2)

Le décrochage L'écoulement de l'air au-dessus de l'aile arrête soudainement de suivre de façon régulière la surface supérieure de l’aile. A la place, l'air commence à tournoyer dans un tourbillon irrégulier (on parle également de turbulence ). La portance résultante de la dépression au dessus de l'aile disparaît. Ce phénomène est appelé décrochage aérodynamique

Inclinaison des pales

La portance Décrochage Cz

Aérodynamique des pales en rotation Vitesse apparente

Vitesse tangentielle

Plan de rotation

Vitesse Réelle du vent

Aérodynamique des pales en rotation b

Plan de rotation

a

Axe de profil b a

portance

W

Vitesse Apparente

Vitesse Tangentielle couple

V Vitesse Réelle du vent

poussée

Axe de rotation

traînée

a = a (R) En pied de pale, a est grand En bout de pale, a est petit

Résultante Traînée axiale

Acheminement des pales

Régulation de la puissance

Régulation par décrochage aérodynamique : Stall contrôle (pas fixe) Ces éoliennes possèdent des pales fixes, de forme vrillées (environ 20° entre le pied et l’extrémité de la pale) afin que l’on ait un fonctionnement progressif pour des vents compris entre 4 et 25 m/s. Lorsque le vent est faible, le pied de pale, dont l’angle est grand par rapport au plan formé par les trois pales, déclenche la mise en rotation des pales. À grande vitesse, au contraire, c’est l’extrémité de la pale qui est sollicitée

Simple, fiable mais moins bonne pour l’exploitation de la puissance du vent.

Sylt 1972

La géométrie de la pale a été conçue de façon à mettre à profit, en cas de vitesses de vent trop élevées, le décrochage aérodynamique en provoquant de la turbulence sur la partie de la pale qui n'est pas face au vent (pâle vrillée). Ce décrochage empêche la portance d'agir sur le rotor. Evite l'installation de pièces mobiles dans le rotor même, Evite un système de contrôle très complexe. Grands défis à la conception aérodynamique des pales, Grands défis à la conception de l'éolienne entière afin d'éviter l'apparition de vibrations par le décrochage. Environ deux tiers des éoliennes qui sont installées actuellement dans le monde sont à pas fixe.

Contrôle à calage variable : Pitch contrôle (pas variable) Les éoliennes pitch possèdent des moteurs qui orientent la pale en fonction de la force du vent. Le vrillage des pales est donc plus faible, puisque la pale entière s’adapte en fonction du vent. Réduire le nombre de tour de la palle. « Ces éoliennes pitch sont plus compliquées à cause du système de contrôle, mais plus performantes que les éoliennes stall, Elles représentent aujourd’hui la quasi-totalité des machines de moyenne et grande puissances, soit 95 % du marché mondial actuel. »

Efficace , complexe et couteux

Le contrôleur électronique vérifie plusieurs fois par seconde la puissance de sortie de l'éolienne. En cas de puissance de sortie trop élevée, le contrôleur électronique de l'éolienne envoie une commande au dispositif de calage qui pivote immédiatement les pales légèrement sur le côté, hors du vent. Inversement, les pales seront pivotées de manière à pouvoir mieux capter de nouveau l'énergie du vent, dès que le vent aura baissé d'intensité. Ralentissement voire immobilisation des pâles. Ingénierie très avancée afin d'assurer le positionnement exact des pales.

Effet de sillage

Si l'on ajoute de la fumée à l'air passant à travers du rotor

Une éolienne crée un effet d’abri dans la direction du vent en poupe. Il y aura toujours un sillage derrière l’éolienne , c’est-à-dire une long trainée de vent qui est bien turbulente que devant le rotor.

L’effet des parcs éoliens On espace en général les éoliennes d'une distance équivalente à cinq fois le diamètre du rotor au minimum,

Afin d'éviter que la turbulence engendrée derrière chaque éolienne n'affecte trop la production énergétique des éoliennes situées plus en aval.

Remarque: Connaissant :

Le diamètre du rotor, La rose des vents, La distribution de Weibull La rugosité du terrain dans les différentes directions de vent.

Les constructeurs sont en mesure de calculer la perte d’énergie due à l’effet d’abri que les éoliennes du parc créent les unes par rapport aux autres

Parc éolien

Effet de Sillage (5 à 9)*D (3 à 5)*D

Direction du vent

Diminution de vitesse en aval du rotor Le modèle le plus courant de calcul de la diminution de vitesse dans le sillage est celui développé par WASP/Park2, logiciel utilisé en standard par l’industrie éolienne. Ce modèle s’appuie sur le développement linéaire d’un Sillage rectangulaire.

constante (A=0,5) hauteur du moyeu (centre du rotor) vitesse du vent dans le sillage, en aval du rotor tournant (en m/s) vitesse du vent non perturbée en amont (en m/s) coefficient de traînée de l’éolienne (sans dimension) diamètre du rotor (en m) distance du rotor au point de calcul (en m) est une constante de décroissance du sillage

Ecole Supérieure en Sciences Appliquées de Tlemcen

Merci pour votre attention

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