Problèmes étude éoliennes

[invitec0317693]

Dans le cadre d'une étude sur les éoliennes bipales (TIPE), certains problèmes appraraissent :

- Comment évolue le coefficient de puissance Cp en passant d'une éolienne tripale à bipale? Car d'après la formule de Betz, si Cp ne varie pas, la puissance dépend uniquement de la surface du disque éolien donc non modifiée au passage de 3 à 2 pales.

- Peut-on déterminer théoriquement le Cp à partir des caractéristiques géométriques de l'éolienne? (sans passer par la formule de Betz).

- Quelqu'un aurait-il des documents concernants les éoliennes bipales, données constructeur, modélisation...?

De plus, d'après le post de BertrandR dans un sujet précédent sur les éoliennes (http://forums.futura-sciences.com/thread173828.html), le rendement d'une éolienne bipale et seulement 2% en dessous d'une tripale... Est-il possible de montrer cela par les calculs?

Merci de votre aide,
(Nous sommes ouvert a toute rencontre avec un ingénieur...)
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[BertrandR]

Bonjour,

- Comment évolue le coefficient de puissance Cp en passant d'une éolienne tripale à bipale? Car d'après la formule de Betz, si Cp ne varie pas, la puissance dépend uniquement de la surface du disque éolien donc non modifiée au passage de 3 à 2 pales.

La formule de Betz de donne qu'une limite haute pour le rendement d'une hélice d'éolienne, la théorie sous-jacente ne prend pas en compte le nombe de pale.

L'origine de la perte de rendement entre le rotor tripale et bipale vient des tourbillons en bout de pale. Une pale ou une aile d'avion présentent un coté haute pression et basse pression (succion side et pressure side, je donne des termes en anglais car avec google on a beaucoup plus de chance de tomber sur des documents intéressants).
En bout de pale (ou d'aile) le coté haute pression communique avec le coté basse pression et provoque un flux d'air contournant le bout de pale ou d'aile. Ce mouvement de contournement amorce un tourbillon très puissant dont l'effet se manifeste sur une partie importante de la pale.
Ce tourbillon, aussi appelé tourbillon marginal, perturbe sévèrement l'organisation du champ de pression sur le pourtour du disque balayé par le rotor et cela dégrade le rendement de l'hélice. La parade consiste à utiliser des pales ou des ailes ayant des allongements très importants. L'image que je trouve la plus parlante est celle des planeurs de compétitions pour lesquels on essaye de minimiser ces tourbillons marginaux, pour cela on étire les ailes au maximum.
Sur les éoliennes le problème se présente exactement de la même manière, on essayera d'augmenter au maximum l'allongement de la pale, et une des manières pour y parvenir c'est d'augmenter le nombre de pales, sachant qu'un rotor bipale ou tripale fonctionne exactement de la même manière si la surface totale des pales est la même.
Maintenant pour la modélisation ou du moins la prise en compte dans les calculs des tourbillons marginaux, je ne peux que donner des mots clés ou des noms de chercheurs qui ont travaillé sur la question :
Mots clés : tip loss, vortex sheet, wake, two-bladed rotor, three-bladed rotor.
Auteurs : Prandtl, Goldstein, Glauert

- Peut-on déterminer théoriquement le Cp à partir des caractéristiques géométriques de l'éolienne? (sans passer par la formule de Betz).

Oui bien sûr et effectivement ce n'est pas la théorie de Betz qui permet cela.
voir : Blade Element Method.

- Quelqu'un aurait-il des documents concernants les éoliennes bipales, données constructeur, modélisation...?

Il ya beaucoup d'infos sur le net, le truc c'est qu'il faut charcher avec les bons mots clés (en anglais). Pour info : le rotor bipale est devenu largement minoritaire, ce qu'on lui reproche surtout c'est son aspect visuel perturbant.

De plus, d'après le post de BertrandR dans un sujet précédent sur les éoliennes (http://forums.futura-sciences.com/thread173828.html), le rendement d'une éolienne bipale et seulement 2% en dessous d'une tripale... Est-il possible de montrer cela par les calculs?

J'ai cité 2 % comme ordre de grandeur, cela peut varier en fonction de beaucoup de paramètres. Il est possible de montrer cela par le calcul : voir les références que j'ai citées plus haut.

Cordialement,

[chatelot16]

c'est un peu le meme probleme que les helicoptere les helicoptere francais sont des tripale : les americain des bipale et il n'y a pas de superiorité evidentes des un ou des autres

de meme pour les helices d'avion : les petit avion sont des bipales les plus gros parfois tripale mais pas toujours

[invitec0317693]

Merci beaucoup pour ces explications, cela va permettre de m'orienter plus conctrètement dans mon travail .
Dernière question, est-il possible de mettre en évidence de façon pratique ces tourbillons marginaux, avec des tests en soufflerie par exemple? Il doit y avoir des travaux la dessus, je vais me renseigner.
Merci encore.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Ouk A Passi]

Bonjour à tous,

Les phénomènes de vortex / tourbillons marginaux sont bien connus en aéronautique.

Quel gain pourrait-on espérer de la mise en place de Winglets en bout de pale des éoliennes?

[Jean-Guy]

Bonjour à tous et toutes.

Je remonte ce topic car j'aimerais bien voir une réponse à la question de Ouk A Passi concernant les ailettes ("winglets") en bouts de pales d'éoliennes. (Une autre façon d'aborder la question serait de considérer ce que ferait une ailette en bout d'aile d'un planeur à très grand allongement ("aspect ratio").)

Aussi j'aimerais savoir si quelqu'un a entendu parler de l'éolienne Obidniak. Si oui, serait-il exact que cette éolienne dépasse nettement le rendement limite de Betz?

Merci à l'avance de vos réponses.

[chatelot16]

pour un avion toute amelioration qui peut diminuer les perte d'energie est bonne a prendre , les avion de ligne sont optimisé pour la grande vitesse , il ont des aile de relativenment faible surface qui font des gros tourbillon : les winglet sont indiscutablement utile

les planneur avec des grande surface d'aile pour une faible charge n'en on aparament pas besoin

pour l'eolienne c'est encore plus simple : il n'y a pas de compteur sur le vent , ce n'est pas le vent que l'on paye mais le prix de construction de l'eolienne : il faut donc la faire le plus simple possible ! ce n'est pas forcement le dernier % de rendement qui ameliore la rentabilité

[KATDEN]

les planneur avec des grande surface d'aile pour une faible charge n'en on aparament pas besoin

Besoin non, mais c'est mieux car ça améliore la finesse (taux de chute) du planeur. Ceux qui font de la compétition en ont généralement.

[Jean-Guy]

Bonjour à tous et à toutes

pour l'eolienne c'est encore plus simple : il n'y a pas de compteur sur le vent , ce n'est pas le vent que l'on paye mais le prix de construction de l'eolienne : il faut donc la faire le plus simple possible ! ce n'est pas forcement le dernier % de rendement qui ameliore la rentabilité

Sur ce point, je me permets de ne pas être d'accord. Les chutes d'eau n'ont pas de compteur, pourtant au Québec (où une très grande proportion de l'électricité est d'origine hydraulique) l'électricité n'est pas gratuite ; il n'y a pas de compteurs attachés aux atomes, pourtant dans les pays et zones où l'électricité vient du nucléaire elle n'est pas gratuite, etc. Tu as raison de dire que ce n'est pas le vent qu'on paie mais le prix de l'éolienne. Mais pas seulement sa construction ; ajoutons aussi son entretien et le terrain occupé. Une efficacité plus élevée peut faire une différence. Quelle différence? Cela dépend du pays ou du paysage où est l'éolienne.

D'abord il est clair que dans une zone où il y a beaucoup de vent et où de l'électricité est déjà disponible à bas coût, la demande en énergie éolienne est loin sous l'offre alors on s'en f**t pas mal du rendement. Par contre, si on veut vraiment produire de l'électricité (pour un village par exemple), là je dirais que 20 éoliennes ayant un rendement de 50% font le travail de 40 éoliennes de 25%. Et qu'elles ne coûtent pas deux fois plus cher ni à acheter, ni à entretenir et surtout pas à installer (au contraire!).

La démonstration de Betz place une limite théorique d'environ 59.4% sur les éoliennes à pales (peu importe qu'elles soient bipales, tripales, etc.). Ceci signifie qu'on ne pourra pas trouver plus de 59.4% de l'énergie disponible sur l'arbre de l'hélice. Bien sûr, ceci n'est pas le rendement global puisque ça ne tient pas compte des pertes mécaniques dans le surmultiplicateur et autres frictions, ni des pertes ohmiques et d'hystérésis dans l'alternateur, ni des pertes de désaccord d'impédance mécanique ou électrique ("mechanical or electrical impedance mismatch"), des pertes des rectificateurs, des onduleurs etc. etc. etc. incluant l'âge du capitaine... Il en résulte que peu d'éoliennes ont un rendement supérieur à 35% À LA VITESSE DE VENT OPTIMUM POUR LEUR DESSIN et nettement moins pour d'autres vitesses de vent. Bref, en moyenne, on parle de 20% à 25%. (Dans ces chiffres, j'inclus l'électronique. Bref, le nombre de watts d'électricité produits ramenés à un facteur de puissance unitaire, par rapport au nombre de watts disponibles dans le vent. Pour 100 watts de vent sur l'éolienne, combien de watts utilisables d'électricité sont produits.)

Je crois qu'une éolienne qui n'est pas limitée à 59.4% (autrement dit une éolienne qui n'est pas à pales, comme l'éolienne Obidniak), dont l'efficacité se maintient en-dessous d'une vitesse de vent optimum (on la règle pour un ouragan et elle demeure efficace pour tous les vents moins forts), et qui serait assortie à un convertisseur Larocque ou un équivalent (un convertisseur qui ajuste l'impédance mécanique de l'alternateur à celle de l'éolienne) pourrait obtenir un rendement global entre 70% et 80%.

Ici, dans les mêmes conditions, une éolienne à haute efficacité peut en remplacer 4 "normales". L'économie n'est plus négligeable!!!

Un autre avantage d'une telle configuration est que le rendement est maintenu dans les vents faibles. Je sais qu'un vent faible contient peu d'énergie, mais récupérer ce peu peut être non négligeable dans des zones ou des saisons de vents faibles.

Ceci peut faire une fichue différence dans des pays en voie de développement qui n'ont pas les moyens de se payer des tripales géantes. Non seulement pour l'électricité, mais aussi si on s'en sert pour pomper l'eau, ce qui est un besoin constant même quand le vent est faible.

Dans des applications où l'installation et l'entretien sont coûteux (des "fermes" éoliennes en mer par exemple), installer et entretenir 25 éoliennes plutôt que 100 peut aussi faire une différence...

Ou, pour le même prix, avoir quatre mégawatts au lien d'un...

[wizz]

je ne pense pas que chatelot16 disait qu'il faut faire une éolienne la plus simple possible et la moins chère possible. Dans ce cas là, autant aller à la décheterie pour récupérer des pales des ventilateurs et y accoller des dynamos, toujours du récup

si contruire une éolienne 2 fois plus cheres permet de produire 2 fois plus d'électricité, alors personne n'y voit d'inconvénient à poursuivre cette course à la puissance et au rendement
et si c'est 4 fois plus cher, mais 4 fois plus productif, alors il n'y aura pas de problème non plus

maintenant, si construire une éolienne à 35% de rendement coute 2 fois plus cher qu'une autre à 25%, alors ces éoliennes top performance resteront au stade de laboratoire. Parce que tout comme pour les énergies photovoltaiques, seul compte le ratio le cout du kWh

[chatelot16]

la diference entre hydraulique et eolienne c'est que l'usine hydraulique est limité au debit de la riviere : si le rendement etait moins bon on ne pourait pas augmenter le debit

avec l'eolienne le diametre de l'helice n'est pas limité : on peut preferer une helice simple qui prend un peu plus de vent plutot qu'une helice perfectionné et chere

le limite de betz ne fait que calculer le fait que l'air n'est pas oblige de passer dans l'eolienne , que ce soit une helice ou n'importe quel autre mecanisme , meme une machine volumetrique a piston

donc si la machine oppose une trop grande resistance au vent , le vent passe a coté et la puissance diminue !

si la machine opoose une trop faible resistance au vent elle n'utilise pas non plus toute la puissance disponible

betz a donc calculé l'optimum possible en trouvant la bonne resistance qu'il faut opposer au vent ce calcul est valable quel que soit le principe de la machine que tu met a la place de l'helice

par example avec une turbine et un grand carenage genre entonoir a vent , il ne faut pas apliquer betz au diametre de la turbine mais au diametre de l'entonoir entier

[polo974]

Bonjour à tous et toutes.
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Aussi j'aimerais savoir si quelqu'un a entendu parler de l'éolienne Obidniak. Si oui, serait-il exact que cette éolienne dépasse nettement le rendement limite de Betz?

Merci à l'avance de vos réponses.

Un lien sur une description de cette machine:
http://www.freepatentsonline.com/4915580.pdf (et un brevet n'est pas la preuve des assertions s'y trouvant)

De toute façon, Betz est incontournable dans un flux libre (c'est à dire que si l'air (ou l'eau) peut passer plus facilement à coté, il le fera (cas des éoliennes, des hydroliennes et de certains moulins à roue au fil de l'eau, mais sans barrage).

Si ça allait autrement, ça se saurait...

Pour les winglets, et bien disons que comme ça tourne, il risque d'y avoir des soucis de centrifugation...

[jeangab62]

Bonjour à tous et toutes.

Je remonte ce topic car j'aimerais bien voir une réponse à la question de Ouk A Passi concernant les ailettes ("winglets") en bouts de pales d'éoliennes. (Une autre façon d'aborder la question serait de considérer ce que ferait une ailette en bout d'aile d'un planeur à très grand allongement ("aspect ratio").)

les éoliennes de marque enercon sont munies de winglet en bout de pale.
je ne sais pas si ça améliore le rendement de façon significative, mais c'est surtout utilisé pour réduire le bruit. (personnellement, c'est cette marque que je juge être la plus silencieuse, mais c'est surtout dut à leurs générateurs sans réducteur)
on trouve aussi d'autres systèmes, à l'inverse des winglets, les générateurs de vortex situés eux en pied de pale, ils interviennent pour tenter de recoller le flux d'air.