Kite Power System

[cmole]

Bonjour à tous,

Je suis tombé il y a quelques jours (et pourtant ce n'est pas nouveau !) sur un mode de conversion d'énergie du vent utilisant des voiles (ou cerf-volant), comme présenté ici : https://kitepower.nl/tech/ .

On peut lire à ce sujet qu'il s'agit d'un système "révolutionnaire" ,mais là n'est pas ma question, et qu'il peut, à surface comparable, produire deux fois plus d'électricité qu'une éolienne classique (même si je n'arrive pas à retrouver la citation...).

Seulement, j'ai du mal à voir comment on peut arriver à de telles performances avec ce système. J'ai griffoné deux trois notes et je n'arrive pas du tout à ce résultat :

Si on considère le vent venant par "dessous" la voile, alors la voile subit une force de trainée 0.5pSCx(Vent-Vvoile)². On a donc une puissance récupérable théorique Pth = 0.5pSCx(Vent-Vvoile)².Vvent, et si on divise cette puissance par Pmax = 0.5pSVvent³ on obtient le rendement. Si on considère Vvent comme une donnée on peut arriver en dérivant Pth par rapport à Vvoile à un rendement de 29% lorsque Vvoile = Vvent/3 et avec Cx = 2, qui est totalement arbitraire.

Où est mon erreur dans la modélisation de ce problème (en dépit du fait que j'ai considéré la direction du vent comme m'arrangeant) ?

Merci à tous ceux qui prendront le temps de m'aider !
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[obi76]

Révolutionnaire, dans les BD des années 90 il y en avait déjà ... (dans Yoko Tsuno)

[cmole]

Effectivement ! Après je ne fais que retranscrire ce que j'ai pu lire sur des articles pas si vieux que ça (5/6 ans tout au plus)

[Gwinver]

Bonsoir.

La modélisation est complexe puisqu'il faut considérer la vitesse de l'air au niveau de l'aile. Il y a deux composantes: la vitesse du vent, et la vitesse de l'aile relativement au vent. Le vent vient grosso modo de dessous l'aile, mais, grâce à son mouvement, l'aile génère un vent apparent. La combinaison de ces deux "vents" est un flux d'air quasiment parallèle à la voile, ce qui génère une grande portance.

L'expérience est simple à faire avec un cerf volant à double commande. En position statique, la traction sur les fils est modeste. Mais, dès que l'on fait faire des huits au cerf volant, l'effort de traction est très renforcé.
Il faut aussi regarder un kite surfer, pour aller vite, il imprime un mouvement de 8 à sa voile. C'est d'ailleurs aussi la méthode utilisée pour la traction de cargos.

Durant la phase de traction, l'aile fait des huits, ce qui développe une grande force de traction. En phase de re-bobinage, l'aile est en situation fixe, et la force générée est bien moindre.

[A voir en vidéo sur Futura]

[cmole]

Bonsoir, merci pour toutes ces précisions !

La force intéressante n'est donc pas la trainée mais bien la portance si j'ai bien compris. Il faut donc imprimer à la voile un mouvement de translation (et par quel moyen d'ailleurs ?) pour que le vent apparent soit le plus parallèle à la voile pour générer un maximum de portence c'est bien ça ?
Dans ce cas, la vitesse de translation à imprimer à la voile est une fonction de la vitesse du vent non ? De manière à avoir l'angle d'incidence optimal par rapport au vent apparent ?

J'ai par contre du mal à comprendre pourquoi physiquement le vent seul produit une force (de trainée donc) plus faible que la portance du vent apparent.

Merci à vous !

[Gwinver]

Bonjour.

Il faut donc imprimer à la voile un mouvement de translation (et par quel moyen d'ailleurs ?)

L'un des schémas du site indique qu'il y a un "kite control unit" avec une liaison radio, ce module sert à contrôler les mouvements du kite.

J'ai par contre du mal à comprendre pourquoi physiquement le vent seul produit une force (de trainée donc) plus faible que la portance du vent apparent.

Dans le cas d'une poussée simple par un flux d'air perpendiculaire à la surface, l'écoulement est turbulent, autrement dit, derrière la surface, il y a des tourbillons.
Lorsque le vent apparent est bien orienté, les tourbillons disparaissent et l'écoulement devient laminaire. Dans ce cas, sous la surface, il y a une surpression, et de l'autre côté, il y a une dépression, l'ensemble provoque une force de succion très puissante.
C'est expliqué ici : https://fr.wikipedia.org/wiki/Profil_(aérodynamique)

C'est la raison pour laquelle un voilier avance plus vite avec le vent reçu par le travers que par vent arrière. Par vent arrière, il n'y a guère d'autre possibilité que de subir 'écoulement turbulent, mais par vent de travers, il est possible d'orienter les voiles pour disposer de l'écoulement laminaire. Bien que la voile soit moins bien orientée pour l'avancement du bateau, le gain de force est suffisant pour que le bateau aille plus vite.

[cmole]

Bonjour,

Avec toutes ces réponses, j'ai de nouvelles questions !

Premièrement, et c'est très certainement basique, mais pourquoi dans le cas d'une poussée simple par un flux d'air perpendiculaire à la surface l'écoulement serait-il turbulent ? pour qualifier de l'état d'écoulement d'un fluide on utilise le nombre de Reynolds qui fait intervenir une dimension caractéristique, une vitesse et une viscosité cinématique, non ? Ou alors la turbulence serait due à "l'angle d'attaque" de la voile ?

Si c'est la portance qui est à l'origine de la force que l'on ressent dans les fils d'un cerf-volant (et donc de l'énergie récupérée par le système) il faut alors que le vent apparent subit par la voile ait un angle d'incidence optimal (entre 15 et 20° ?). Il faut donc ajuster la vitesse à laquelle l'aile effectue les "huits" pour garder cet angle et ce en fonction de la vitesse du vent ? (et donc plus le vent naturel a une vitesse importance plus l'énergie nécessaire au déplacement de la voile est importante)

Et, dernière question (pour l'instant ! ), l'énergie récupérée par ce système ne dépendrait-elle pas à la fois de la portance et de la trainée ? La portance a tendance a faire "monter" la voile verticalement, tandis que la trainée elle aurait tendance à faire "avancer" la voile horizontalement ? On a donc deux forces qui tirent sur le cable, en somme on utiliserait la résultante aérodynamique dans sa globalité ?

Merci pour votre aide !

[Gwinver]

Bonsoir.

Premièrement, et c'est très certainement basique, mais pourquoi dans le cas d'une poussée simple par un flux d'air perpendiculaire à la surface l'écoulement serait-il turbulent ?

Expérimentalement, il y a des turbulences.
Intuitivement, cela se conçoit, car l'air doit contourner l'obstacle sans laisser de vide.

Il faut donc ajuster la vitesse à laquelle l'aile effectue les "huits" pour garder cet angle et ce en fonction de la vitesse du vent

C'est le rôle du module de contrôle de la voile. Il faut garder l'angle, mais aussi réguler l'effort de traction.

La portance a tendance a faire "monter" la voile verticalement, tandis que la trainée elle aurait tendance à faire "avancer" la voile horizontalement ?

La portance fait monter la voile et fournit la force de traction. La traînée, elle limite la vitesse de déplacement de la voile, elle ne la fait pas avancer.

[cmole]

Bonjour,

C'est beaucoup plus clair sur deux des trois points, merci ! il n'en reste plus qu'un à éclaircir.

J'ai fait un schéma pour essayer d'exprimer plus clairement ce que je pense : Kitepower.PNG
Ici la voile est "vue du dessus" j'aurais donc tendance à dire que la force de traction ressentie serait Ft = Lcos(a) + Dsin(a) suivant X, tandis que la force qui met en mouvement la voile s'exprimerait comme Fm = Lsin(a) - Dcos(a) suivant Y.

Ai-je fait une erreur ? Je suis bien d'accord que si l'angle a se rapproche de 0° alors les termes en sinus deviennent négligeables, mais dans un cas quelconque ils sont tout de même présents.


Enfin dernière question, plus une confirmation (j'espère) : sur l'image suivante Traction.PNG est-ce qu'on peut dire que c'est bien la force de trainée qui fait avancer le bateau ? j'aurais tendance à dire que oui (cf les flèches dessinées) mais je prefère demander confirmation !

[Gwinver]

Bonjour.

Voici un site donnant les figures pour le cas du cerf volant : http://miztral.com/www/index.php/tec...ynamisme/75-24 voir le chapitre composition des vents.

La force motrice de la voile est la composante de la portance qui est parallèle à l'aile. La traînée, elle s'oppose au mouvement.

Dans le cas de la traction d'un bateau, la force de la portance est transmise au bateau par les suspentes. Cette force se décompose au niveau du bateau en deux composantes, une vers le haut, et une vers l'avant, c'est cette dernière qui fait avancer le bateau.

[cmole]

Bonjour,

J'avais déjà lu cet article avant de créer cette discussion, mais malheureusement cela n'a pas répondu à mes questions.

La force motrice de la voile est la composante de la portance qui est parallèle à l'aile.

Pourquoi parallèle ? j'aurais eu tendance à dire que la foce motrice (donc celle qui "tire" sur le cable) serait celle perpendiculaire.

En reprenant votre lien, chapitre composition des vitesses, il y a un schéma (mieux fait que le miens d'ailleurs) qui reprend parfaitement mon incompréhension. La force de traction dans le fil du cerf-volant est dûe à la projection de la portance sur le même axe que le fil, mais il existe également une composante de la trainée qui peut être projetée sur cet axe, en addition à la portance.

Dans le cas de la traction d'un bateau, la force de la portance est transmise au bateau par les suspentes. Cette force se décompose au niveau du bateau en deux composantes, une vers le haut, et une vers l'avant, c'est cette dernière qui fait avancer le bateau.

Même dans le cas que j'ai partagé avec l'image (voile ne décrivant pas de "8") ? J'ai beau faire des schémas et quelques PFS je me retrouve toujours, dans le cas d'une voile fixe avec le vent arrière, à ce que ce soit la trainée qui est responsable de la traction du bâteau.

Je suis désolé si mes questions peuvent paraitre simple et mes connaissances limitées, mais j'essaye d'apprendre tant bien que mal, alors merci pour votre aide !

[Gwinver]

Bonjour.

La force motrice de la voile est la composante de la portance qui est parallèle à l'aile.
Pourquoi parallèle ? j'aurais eu tendance à dire que la force motrice (donc celle qui "tire" sur le cable) serait celle perpendiculaire.

Désolé, c'est un défaut de précision.
Je voulais parler de la force motrice de la voile. La force de traction sur la code étant la force motrice du système, celle qui fournit l'énergie qui est récupérée.

Un peu la même chose pour la traînée. La traînée de l'aile, qui par définition est parallèle à l'aile, s'oppose à l'avancement de l'aile.
La traction de l'aile n'étant pas perpendiculaire à l'aile, il y a une composante de la traînée qui participe à la traction.

C'est problème de référentiel, il y a celui relatif à l'aile et son mouvement relativement à l'air, et un référentiel relatif au fil de traction.

Attention, la voile avance, elle n'est pas fixe, ce mouvement fait qu'elle n'est pas en situation de "vent arrière", comme le serait une voile perpendiculaire à la direction du vent.

J'ai essayé de reporter portance et traînée sur l'image du site évoqué plus haut.



Pour que l'aile avance, il faut que la portance ne soit pas alignée avec le fil. Mais, il est vrai qu'en fait, c'est la somme portance + traînée. Par prince, la traînée est très faible devant la portance. Dans la réalité, le fil est accroché à l'aile plus en arrière. En règle générale, la portance est appliquée en un point situé à environ 1/3 de l'avant de l'aile.

[cmole]

Bonjour, je pense que maintenant, j'ai compris !

J'ai également continué les recherches de mon côté, et je partage deux liens s'ils peuvent être utiles à quelqu'un :

- http://www.ac-clermont.fr/discipline...lectricite.pdf
- https://api-mecaspa.pagesperso-orang...u_vol_en_8.htm

Ces liens reprennent (globalement) les discussions précédentes mais rentrent plus dans le concret et les calculs.

Merci pour votre aide et vos éclaircissements !

[Gwinver]

Bonjour.

Merci pour les liens, bonne continuation.