Apres avoir vu les paramètres de base dans construire helice eolienne et dans eolienne et puissance du vent, nous allons voir maintenant, comment procéder avec HELICIEL pour construire le rotor éolien de notre éolienne.

 

Redacteur Article : JF Iglesias (developpeur Heliciel)

 

• Organisation et phases de conception :

1. Sélection du fluide. (densité en fonction de l'altitude)
2. Vitesse de vent reference.
3. Diametre de l'éoilenne .(choix de la puissance)
4. Determiner la vitesse de rotation.
   • a)recherche de la vitesse optimum.
   • b)optimisation de la géometrie donnant la vitesse de rotation optimum.
5. Sélectionner un profil optimum

Pour commencer, ouvrons un modèle "éolienne" dans le logiciel héliciel. Dans un premier temps nous allons construire une helice simple, à pas fixe qui est étudiée pour une vitesse de vent optimum.

• 1:sélection du fluide: Dans l'onglet données projet / "selectionner fluide ambiant" ouvrez l'editeur de fluide et selectionnez air à 20 degrés puis "utiliser ce fluide", et cliquer "oui" pour entrer l'altitude definissant la masse volumique:

imaginons que l'altitude de notre site soit de 500 metres , Entrez la valeur de 500 metres:

Ceci met à jour la masse volumique de votre fluide:1.143KG/m3

• 2:Vitesse de vent reference: Utilisons la carte des vents d'HELICIEL accessible sous l' onglet "objectif" du logiciel:

En cliquant sur la carte à la position de notre site (zone 4), les données de puissance et de vent s' actualisent en haut de la carte :

Nous avons vu sur la page eolienne et puissance du vent, que des corrections peuvent être apportées à la vitesse de vent, suivant la hauteur et le terrain. Dans ce didacticiel simple utilisons les vitesses données par la carte. Nous choisissons la vitesse de vent à 10 mètres =5.5 m/sec

• Vitesse de référence choisie=5.5 m/sec
• La puissance instantanée par m² = 0.5 X masse volumique X S X (Vitesse)³ = 0.5 X 1,143 X 1 X (5,5)³= 95 w par m²
• Nous constatons ici que la puissance instantanée est differente de la puissance moyennée mentionnée sur la carte ...(voir:Eolienne puissance vitesse vent.htm#vitesse_site)

 

• 3:Diametre de l'éolienne (choix de la puissance): Le diametre de notre éolienne détermine sa puissance:

• avec la vitesse de vent et la masse volumique nous pouvons donc calculer notre puissance par m²:La puissance instantanée par m² = 0.5 X masse volumique X S X (Vitesse)³ = 0.5 X 1,143 X 1 X (5,5)³= 95 w par m²,
• Betz nous a expliqué que nous ne pourrons effectivement récupérer que 60% de l'énergie instantanée ce qui nous ramène à une puissance de 95X0.6 = 57 w/m²
• Nous savons que les pertes dues aux divers rendements des organes du système ne nous laisserons que 80% de cette puissance: 57 X 0.8 = 45.6 w/m².
• La formule de notre puissance pour notre éolienne est donc: 3.14 X rayon² x 45.6. Avec cette formule nous etablissons les différentes puissances en fonction des diametres de notre rotor éolien:

nous avons décidé que la grandeur de nos pales sera de 2 metres (diametre=4 metres). La surface captée sera donc de 3.14 X 2²=12.56m² et la puissance de 12.56 x 45.6 = 572.7 Watts

 

Nous pourrions faire le choix de la vitesse de rotation de l'hélice en fonction de la vitesse du générateur produisant approximativement la puissance estimée a l'arbre mais rien ne nous dirait que notre hélice tourne a la vitesse optimum pour la vitesse de vent sélectionnée et notre rendement serait certainement médiocre. Avec heliciel nous allons donc chercher la vitesse de rotation optimum de notre hélice:

• 4:Determiner la vitesse de rotation:

4 a) recherche de la vitesse optimum:

• Sous l' onglet données projet>point de fonctionnement entrons la vitesse du fluide :5.5m/sec
• et une vitesse de rotation au hasard de 1000 tours/minutes

• Sous l' onglet 2:Géométrie pale>dimensions pale entrez le rayon en bout de pale(2000) et un rayon au pied de pale avec le curseur de 10% par exemple

• Entrez une corde au pied de pale de 200 et une corde de bout de pale de 50 mm et n'oubliez pas de cliquer sur "linéariser" pour mettre a jour la distribution des cordes le long de la pale

• dans l'onget 3.2"loi de profil", vérifiez que votre loi de profil est bien réglée sur profil constant , si le profil n'est pas le naca1408, en cliquant sur choisir un autre profil sélectionnez le profil NACA 1408 dans la base de données.

• Nous allons reconstruire maintenant notre hélice (cliquer sur ) pour voir si les paramètres sont valides. Notez au passage la vitesse en bout de pale générée par notre vitesse de rotation et notre longueur de pale (754 km/h cela frise la vitesse du son).

La listes des alertes vous signale des erreurs et des solutions proposées.Parmis les erreurs vous trouvez "Défaut d'induction nulle ou négative de l' élément n°...". Ceci est révélateur d'une vitesse de rotation inadaptée. (nous avions pris 1000rpm par hasard...) Dans les solutions proposées vous trouvez "optimiser vitesse rotation".

Ceci vous renvois à l' onglet 3 : Optimiser: cliquez sur "recherche automatique rendement optimum" Une procédure de recherche de vitesse de rotation optimum pour la vitesse de vent et la géométrie de pale sélectionnée est lancée. Une vitesse de rotation optimum (350 tours minutes) vous est proposée,

cliquez sur oui pour que héliciel reconstruise l'hélice et actualise les performances de votre hélice.

Notre eolienne et le vrillage de ses pales , est reconstruite, ses performances sont données dans le volet de résultat en bas de l'ecran., la puissance à l'arbre est de 523 Watts et le rendement de notre rotor est de 0.443. Heliciel a vrillé des pales, de maniere à ce que les profils percoivent le fluide, avec un angle d'incidencegenerant un rapport trainée portance optimum (en tenant compte des vitesses induites) . Notre hélice, dans sa géometrie actuelle, et au point de fonctionnement actuel, est a son vrillage otimum, tout autres reglages de vrillages donnerons des performances inferieures.

 

Tentons maintenant d'ajuster la répartition des cordes de nos pales pour gagner un peu de rendement...

 

4.b):optimisation de la géometrie donnant la vitesse de rotation optimum.

nous allons modifier les cordes de notre pale et voir comment la vitesse optimum et le rendement evoluent:nous passons les cordes au double de leur valeur precedente: 400 au pied de pale et 100 en bout, n'oubliez pas de "linéariser" pour actualiser la répartion des cordes intermediaires:

Dans l'onglet "3:"optimiser" relançons une recherche de vitese optimum. Pendant la recherche de la vitesse optimum observez l'évolution du rapport vitesse bout de pale/ vitesse vent et du rendement se rapprochant de la limte de betz. vous constaterez que le rendement atteint un maximum lorsque ce parametre atteint 7...(pour un rotor 3 pales)

• L'augmentation de cordes a eu pour effet de diminuer la vitesse de rotation optimum, elle est passée a 188 rpm. Le rendement est passé à 0.46 et notre puissance à légerement augmentée nous avons maintenant 546 w. La remarque que l'on peu faire, est que lorsque l'on augmente la surface occupée par les pales en augmentant leurs cordes ( ou leur nombre) , on diminue la vitesse de rotation optimum. Nous retiendrons ce phénomene pour ajuster sa vitesse de rotation optimum. Par exemple, pour une génératrice lente ou une pompe.

 

Gardons une géometrie de pale de 400 mm au pied et 200 mm en bout . Dans l'onglet "optimiser" vous avez la possibilité de faire une recher couplée de la vitesse de rotation et du nombre de pales optimum, cette fonction est un peu longue et peu prendre jusqu'a 15 minutes de recherches..., pour vous eviter cette attente, passez directement le nombre de pale à 13 et lancez une recherche de vitesse optimum. vous devriez obtenir ceci:

Nous obtenons une vitesse optimum de 122 rpm, cette baisse de vitesse de rotation est comforme au phénomene decrit plus haut, par contre le rendement frise la limite de Betz donc l'optimum théorique. Il est theoriquement impossible de réaliser une éolienne offrant de meilleures performances. Le seul inconveniant c'est que 13 pales, c'est un peu cher a fabriquer...mais comment expliquer cette hausse de rendement?

 

Prenez un tasse de café, faites une petite pause car ce qui suit est , à mon humble avis, le concept clé, de la maitrise de la conception des éoilennes, donc une concentration particuliere est requise ici:

 

• Lorsque la vitesse de rotation est faible, le vent apparent et les angles d'incidences des profils génerent des portances mieux alignées avec le plan de rotation, et la trainée ralentit moins la rotation.
• Mais lorsque l'on ralentit, l'espace apparent entre les pales augmente, si on ne veut pas perdre l'énergie de l'air qui passe entre les pales, il faut ajouter des pales, mais pas trop car elles pourraient se perturber entre elles. Il existe donc une vitesse de rotation idéale pour chaque nombre de pales.
• Pour que le rapport rendement/cout de fabrication soit optimum, un nombre minimum de pale est recherché.
• Mais pour bien utiliser tout l'air avec un faible nombre de pales il faut tourner plus vite pour que " l'espace apparent" entre les pales se reduise à sa taille idéale.
• Mais les grandes vitesses de rotations produisent des projections des portances trainées, moins favorables au rendement...
• Ces désavantages des grandes vitesses sont contre balancés par le fait que les profils produisent de meilleures performances aux grandes vitesses, et que pour une même puissance, une grande vitesse de rotation génere moins de couple en réaction, donc moins de mise en rotation du flux, donc moins de pertes...

• En fait les profils aerodynamiques ou hydrodynamiques, c'est un peu comme les gens, ils y en a des grands, des petits, des costauds, des fins et ils ont tous, les defauts de leurs qualités. Il suffit que les conditions soient propices à l'expression de leur qualités pour que le meilleur se produise...Bon treve de philosophie et revenons à nos profils: Les performances de notre rotor eolien sont en fait celles des profils constituant les pales. Les performances d'un profil donné sont exprimées par le rapport Cz/Cx nommé finesse du profil. Suivant la vitesse du fluide dans lequel le profil évolue, sa finesse varie. Ainsi certains profils ont une bonne finesse à faible vitesse (profils cambrés) et deviennent moins bons aux plus grandes vitesses (voir finesse profils aerodynamiques).

Donc pour résumer: Utilisons la vitesse spécifique (Vitesse en bout de pale/Vitesse vent) pour evaluer la vitesse.

• Grandes vitesses spécifiques

  Avantages	Inconvenients
  Permet de capter l'energie avec un faible nombre de pale, donc apporte les avantages du faible nombre de pales: economique en cout de fabrication	Projection des forces trainées et portances moins favorables, ce qui éxige des profils de bonnes qualités parfois complexes à réaliser.
  La mise en rotation tangentielle du flux en aval de l'hélice révelle l'énergie perdue par le systeme. A puissance égale (Pw= couple n.m x vitesse rotation rad/sec), une grande vitesse de rotation utilise moins de couple donc génere moins de pertes.	Couple de démarrage souvent insuffisant pour démarrer a de faibles vitesse de vent, donc nécessite parfois une assistance de démarrage
  vitesse de rotations plus proche des systeme de generatrice (le prix de la generatrice et du reducteur sera moins élevé)	vitesse de rotations et couples innadaptés pour le pompage
  faible prise au vent violents par mise en drapeau

• petite vitesse spécifique

  Avantages	Inconvenients
  Permet d' utiliser des pales de formes simples économiques en cout de fabrication	pour obtenir un bon rendement il faut beaucoup de pales (plus cher, plus lourd, plus de prise au vent en cas de tempetes...)
  démarrage meme aux faibles vitesses de vent	La mise en rotation tangentielle du flux en aval de l'hélice révelle l'énergie perdue par le systeme. à puissance égale (Pw= couple n.m x vitesse rotation rad/sec), une faible vitesse de rotation utilise plus de couple donc génere plus de pertes.
  vitesse de rotations et couples bien adaptés pour le pompage	vitesses de rotations inadaptées aux systemes de géneratrice (le prix de la generatrice et du reducteur sera plus élevé)

Cette liste est loin d'etre complete car chaque éolienne resulte d'un compromis argumenté par les contraintes du projet . Dans ce didacticiel nous avons opté pour un faible nombre de pales produisant de l'électricité. Nous prendons 3 pales car 2 ou une pale nous pose des problemes de vibrations et endurance mécanique. La vitesse spécifique (Vitesse en bout de pale/Vitesse vent) optimum pour des éoliennes 3 pales est généralement de 7.

 

5: Sélectionner un profil optimum:Du fait des pertes en bout de pales et des faibles vitesses tangentielles au pied de pales, la zone de l'hélice travaillant le plus et le mieux se trouve autour 0.75 rayon de pale, nous allons donc preter une attention particuliere à cette zone et choisir un profil dont la finesse est la meilleure possible aux vitesses (nb Reynolds) rencontrées dans cette zone.

• Gardons une géometrie de pale de 400 mm au pied et 200 mm en bout avec une vitesse de rotation de 188 RPM (appliquez la vitesse dans l'onglet 1.3"point de fonctionnement") et appliquons lui 3 pales (onglet 3"optimiser") et reconstruisez (cliquer sur )
• cherchons un autre moyen de gagner de la performance:
  • Pour connaitre la vitesse d'évolution, ou plus exactement le Nombre de Reynolds de la zone "precieuse" selectionnez ll'élément numero 4 dans la Zone 3D. Ceci affiche un shema des profils encadrant et definissant cet élément de pale:

Le nombre de Reynolds pour cet élément est de 370 000 environs et le profil naca 1408 nous procure une finesse max de 50. Cherchons dans notre base de données de profils, un profil plus performant à ce nombre de Reynolds:

• Sous l'onglet 2.2 geometrie pale / loi de profil cliquer sur "choisir un autre profil

• Trier la base de données par finesse max(cliquer sur la tete de colonne f_max)
• selectionner une bonne finesse pour un reynolds de 300 000 (5 zeros uniquement, ne pas confondre avec 3 000 000) en cliquant sur la ligne "naca 64a410 f_max de 89.17 a 300 000:

 

• et appliquer ce profil par defaut pour notre eolienne en cliquant "Profil par defaut

 

Heliciel applique à votre éolienne le profil sélectionné et reconstruit le vrillage optimum. Le résultat est sans appel, on obtient une performance optimum dépassant légèrement la limite de Betz, ce qui est théoriquement impossible ! (pas d'affolement on dépasse de 0.9 watts pour 688 watts, ceci est juste révélateur d'une imprécision de calcul ).

 

Nous pourrions augmenter le nombre d'éléments (onglet "outils optionnels") pour augmenter la précision (faites l'essais à 10 éléments et vous retomberez à 675 watts)

 

Nous Voici à la fin de ce didacticiel qui, avec un coup de pouce du logiciel Heliciel, participera à faire de vous un expert en conception de rotor éolien. Je reste à votre disposition pour toutes remarques ou compléments d'information via __contact@heliciel.com_

• JF Iglesias developpeur Heliciel.