Principes et paramètres physiques des éoliennes

Résumé du document

Ce document traite des aspects physiques du fonctionnement des éoliennes. On aborde successivement : la portance, le décrochage aérodynamique, la trainée. Puis on s'intéresse à l'aérodynamique du rotor et au dispositif de contrôle de puissance. Enfin, on étudie le coefficient et la limite de Betz.
Une éolienne peut obtenir de l'énergie pour des vitesses de vent allant de 3 à 25 m.s-1.
Mais elles sont conçues de façon à avoir une puissance nominale pour 15 m.s-1 car ces
vitesses de vent sont plus fréquentes. Au-delà de cette valeur, l'énergie supplémentaire
contenue dans le vent doit être canalisée afin de ne pas endommager l'éolienne. Pour ce faire
on utilise divers dispositifs de contrôle de puissance.
L'écoulement de l'air autour de ce profil obéit à une loi de la physique qui est que le
débit massique est conservé. Afin de conserver ce débit, l'extrados, plus bombée, force l'air à
effectuer un trajet plus long, la vitesse de l'écoulement est alors plus grande que le long de
l'intrados. On observe alors une dépression et une surpression exerçant une force vers le haut
que l'on appelle la portance

Extraits

[...] Bien sûr, lorsque la puissance diminue, les pales se remettent plus dans le vent. Cependant ce système est très complexe, requiert une ingénierie très avancée et donc revient plus cher à la fabrication. Mais le rendement s'en trouve optimisé car les pales s'orientent en permanence de la bonne façon. Une seconde méthode utilise également des pales à pas variable. Mais cette fois-ci, lorsque le vent devient trop intense, les pales se placent de façon à ce qu'il y ait un décrochage aérodynamique. [...]

[...] On note Q le débit massique (en kg.s-1)du vent : Q = ρ.S.V avec ρ la densité volumique de l'air et S la surface balayée par le rotor. Puissance transmise à l'hélice : Puissance incidente : P = F.V =Q.(V1−V2).V Pi = 1 .Q.V Pa = 1 .Q.V Precueillie = Pi Pa = 1 .Q.(V12 2 Puissance en aval : On égalise la puissance recueillie et la puissance transmise à l'hélice et on obtient : V =V1 On cherche maintenant la valeur de V2 pour avoir une puissance maximale. [...]

[...] S'il n'y a plus de portance, l'éolienne ne tourne plus. En pratique, on n'incline pas les pales, c'est l'angle d'attaque, c'est-à-dire l'angle d'incidence par rapport à la direction du vent, qui varie. La traînée La traînée est la résistance de l'air qui s'exerce sur le profil et qui empêche la pale de tourner plus vite. Plus la surface exposée à la direction du vent augmente, plus la traînée augmente. 1.b. Aérodynamique appliquée au rotor La majorité des éoliennes ont une vitesse de rotation constante. [...]

[...] Principes et paramétres physiques des Éoliennes PRINCIPES ET PARAMÈTRES PHYSIQUES DES ÉOLIENNES 1. Fonctionnement d'une éolienne 1.a. L'aérodynamique des éoliennes La portance Profil d'une pale L'écoulement de l'air autour de ce profil obéit à une loi de la physique qui est que le débit massique est conservé. Afin de conserver ce débit, l'extrados, plus bombée, force l'air à effectuer un trajet plus long, la vitesse de l'écoulement est alors plus grande que le long de l'intrados. On observe alors une dépression et une surpression exerçant une force vers le haut que l'on appelle la portance. [...]

[...] La première est le vent incident lui-même et la seconde est le vent issu du déplacement de la pale. Pour que la pale tourne, il faut de la portance, il faut donc que la direction du vent ne soit pas perpendiculaire au profil. Pour cela, on fait varier l'angle α de la pale par rapport à l'horizontale afin que la direction du vent fasse un angle constant β0 optimal avec la pale. La relation qui montre la variation de l'angle α en fonction de la distance r par rapport au centre du rotor s'écrit : α ) = β 0 + arctan( avec u0 : vitesse du vent incident rΩ ) u0 La direction résultante du vent varie en fonction de la vitesse de rotation de la pale et donc de sa longueur. [...]