eolienne aéro moteur l' helice de captage eolien

eolienne tripales

Voir aussi :Didacticiel construire helice éolienne

L ' eolienne ou l'aéro moteur est une hélice de captage d'énergie. Les composants de l' éolienne permettent la transformation de l'énergie du vent. Nous avons définis la notion de rendement et de limite dans l' article sur les Hélices de captage en général.

La définition géométrique d'une eolienne commence par choisir son diamètre en fonction du vent sur le site et de la puissance que nous désirons produire. En connaissant la vitesse moyenne du vent nous savons rapidement estimer le diamètre d'hélice de l' eolienne nécessaire pour produire l'énergie souhaitée.(Voir Hélices de captage et puissance vitesse vent).

Pour construire une eolienne et choisir la forme et le nombre des pales de l' eolienne, il est nécessaire d' établir quel sera son point de fonctionnement. Le point de fonctionnement de l' eolienne est définit par la vitesse de vent et la vitesse de rotation du rotor. Le point de fonctionnement de notre hélice d' éolienne étant composé de la vitesse du vent, sur laquelle nous ne pouvons pas agir, et de la vitesse de rotation, nous pouvons dire que définir le point de fonctionnement de notre eolienne c'est définir la vitesse de rotation optimum de notre eolienne. Nous allons donc réfléchir sans trop approfondir sur les paramètres déterminants cette vitesse de rotation qui caractérise l'éolienne. La page consacrée a l' optimisation de la vitesse de rotation pourra être consulté pou approfondir le sujet.

De ce point de fonctionnement découlera le vrillage des pales de notre eolienne. Une hélice à pas fixe est dessinée, vrillée pour un point de fonctionnement, une hélice à pas variable est elle aussi vrillée pour un unique point de fonctionnement. Le pas variable ne modifie pas le vrillage et est souvent utilisé pour une adaptation du pas ou une régulation de la vitesse, mais le vrillage de la pale reste étudié pour un unique point de fonctionnement où l' éolienne sera à son meilleur rendement.Le vrillage ne pourra plus être modifié un fois la pale construite.

Ceci implique que notre éolienne aura une vitesse de rotation adaptée a une vitesse de vent nominale a laquelle elle aura un rendement maximum. Il est important de bien choisir la vitesse du vent en analysant les données météorologiques et statistique du lieu d'implantation. Les statistiques de vents devront être observées en terme de puissance et non de vitesse! 2 heures de vents à 10 km/h ne donnent pas la même puissance qu 'une heure de vent a 20 km/h car la puissance évolue avec le cube de la vitesse! (voir vitesse de vent nominale)

Petit survol des paramètres déterminants le choix des vitesses de rotation d'une éolienne:

Pour une éolienne de petite taille, les forces centrifuges en bout de pale nous permettent des vitesses de rotation assez importantes pour entraîner directement un générateur, mais les plus grandes éoliennes se voient souvent équipées d'un multiplicateur de manière à conserver une vitesse de rotation raisonnable. Certaines grandes éoliennes ont des générateurs lents sans démultiplicateurs et certaines petites éoliennes possèdent un multiplicateur... Il existe une infinité de combinaisons "vitesses de rotation/démultiplicateur/générateur" et les choix se font généralement d'apres les coûts de fabrication (cuivre des générateur) et d' entretient (vitesse de rotation élevé = usure rapide.).

Étude d'une éolienne tripales avec héliciel:

etude eolienne tripale

Le point de fonctionnement est donc lié à une stratégie de fabrication. Suivant votre choix de vitesse de rotation vous déciderez donc d'un point de fonctionnement.

La notion de rendement et de vitesse est aussi à évaluer.La puissance de notre hélice c'est le couple(N.m) sur l'arbre X la vitesse de rotation (Rad/sec)

Le couple est la force exercée sur les pales par le vent, plus on à de pales plus on à de couple.

Comme pour une aile c'est la portance qui génère le couple.Plus la portance est importante, plus la différence de pression entre l'avant et l'arriere de l'hélice est importante.Plus cette différence de pression est importante, plus l'air contournera l'hélice par les bouts de pales.Ces pertes par contournement sont autant d'énergie perdue...Notre rendement baisse! Donc si il y a trop de pale le vent préférera contourner notre hélice que la traverser(voir limite de betz dans helices de captage)

Pour éviter les contournements génèrés par la portance il est préférable de générer le minimum de portance mais pour conserver de la puissance en sortie il faut tourner plus vite.Plus on tourne vite avec peu de portance moins on perd d'énergie de contournement.La limite est atteinte lorsque la pale précédente perturbe ou cache la pale suivante .L'éolienne la plus rentable est donc monopale!

En théorie, et juste au regard des pertes par contournement de bouts de pales,car la vitesse élevée augmente la traînée de la pale et détériore les performances...Nous voyons que les paramètres et les options sont nombreuses.

Si l'on désire faire fonctionner une machine à faible vitesse avec peu de vent(pompes éoliennes) on préféra perdre sur le rendement mais être sur de pouvoir démarrer même avec peu de vent, donc on mettra beaucoup de pales.

. eolienne multipales

Si on désire revendre de l' électricité produite avec un minimum de matière (le coût de fabrication des pales est un facteur de rentabilité) on cherchera le minimum de pales.

Pourquoi les hélices monopales ne sont pas plus nombreuses? C'est purement mécanique, le déséquilibrage autour de l'axe de rotation et l' alternance des efforts du vent autour du pivot de l'hélice génère des vibrations et des effets destructeurs que l'on doit équilibrer par des contre-poids.

Certains fabricants ont quand même exploré cette voie . eolienne monopale

L'hélice bipale comporte elle aussi des problèmes d' équilibrage et de vibration, liés au fait que l' inertie de rotation est maximum lorsque les pales sont horizontales, et devient nulle lorsque les pales sont verticales.

Les hélices trois pales offrent une stabilité que les fabricants semblent avoir préféré. eolienne tripale

L' optimisation d'un projet doit donc prendre en compte les paramètres de rendement mais aussi de coût de fabrication, de durée de vie , de bruit, d' esthétique, de facilité de fabrication.

Par exemple si l'on optimise (avec héliciel) cette éolienne tripales au niveau du rendement

rendement eolienne tripale

On obtient un nombre de 8 pales pour gagner que très peu de rendement.Le coût de fabrication est il vraiment justifié.De plus qu 'un nombre de pale paire produit plus de vibrations qu 'un nombre impair.

rendement eolienne 8 pales