Structure de l'éolienne – choix de la...

ENom : Classe : Prénom :

MPremière STI2D

LAMPADAIRE LUMEALAMPADAIRE LUMEA RéférenceRéférence : : M2-ACT7M2-ACT7

Structure de l'éolienne – choix de la forme

CENTRE D'INTÉRÊTCENTRE D'INTÉRÊT O4 - Décoder l'organisation fonctionnelle, structurelle et logicielle d'un système.

Compétences viséesCompétences visées CO4.1 - Identifier et caractériser les fonctions et les constituants d'un système ainsi que ses entrées/sorties.CO4.2 - Identifier et caractériser l'agencement matériel d'un système. CO4.4 - Identifier et caractériser des solutions techniques relatives aux matériaux, à la structure, à l'énergie d'un système.

PrérequisPrérequis Notions d’énergie mécanique et de rendement.

Conditions de réalisationConditions de réalisation

Nature de l'activitéNature de l'activité ObjectifsObjectifs

Partie N°1TP

La première partie de ce TP portera sur l’ajustement de paramètres

géométriques, en particulier le recouvrement relatif (rapport e/d) afin

d'améliorer les performances aérodynamiques de l’éolienne.

Partie N°2 TP

Le rendement énergétique d’une éolienne de type Savonius (20 % en

conditions optimales) reste relativement bas. Sachant que le rendement

énergétique est le rapport de la puissance électrique de sortie sur la

puissance cinétique fournie par le vent, nous allons rechercher les raisons

qui nous amènent à avoir un rendement si faible.

Durée de l’étudeDurée de l’étude 3 heures

I. DESCRIPTION DU ROTOR SAVONIUS

Le choix de l’éolienne présente sur le système LUMEA s’est porté sur une éolienne de type SAVONIUS. Cette machine a été inventée par l’ingénieur finlandais Sigurd Savonius en 1924 et a été brevetée en 1929. Elle est constituée schématiquement d’un minimum de deux demi-cylindres légèrement désaxés.

Figure 1 : Le rotor Savonius est constitué de deux demi-cylindres désaxés

Document élève / M2-ACT7 /9 03/09/2012

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Avec les notations de la figure 2, la vitesse spécifique de l’éolienne notée λ est le rapport entre la vitesse à l'extrémité des pales et la vitesse du vent : coefficient de vitesse d'une éolienne vaut :

Les éoliennes peuvent être classées en fonction de la vitesse spécifique :si λ est inférieur à 3, l’éolienne est dite lente (Eolienne de type Savonius),si λ est supérieur à 3, l’éolienne est dite rapide (Eolienne tripale par exemple).

II. PARTIE N°1 : INFLUENCE DE L’ÉCARTEMENT RELATIF SUR LA VITESSE DE ROTATION

A travers cet essai, nous nous attacherons à estimer le rôle de l’écartement relatif e/d sur la vitesse de rotation de

l’éolienne mesurée en tr/min. Les différents essais seront réalisés avec :

- une vitesse de vent constante.

- le paramètre géographique a (voir figure 2) nul : a=0.

- une maquette permettant de régler très facilement le rapport e/d qui devra prendre successivement les valeurs

suivantes : e/d = 0 ; e/d = 0,1 ; e/d = 0,15 ; e/d = 0,2 ; e/d= 0,25 ; e/d = 0,3 ; e/d = 0,4 et e/d = 0.5.

Avec les conditions citées précédemment (vitesse du vent = constante et le paramètre géographique a =0), mettre en

œuvre les matériels afin de compléter le tableau de mesures suivant :


Figure 2 : représentation d’une éolienne Savonius conventionnelle

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Ω : vitesse angulaire en rad/s

R : rayon en mètre

V : vitesse du vent en m/s

V : vitesse du vent d


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Écartement

relatif e/de/d = 0 e/d = 0,1 e/d= 0,15 e/d= 0,2 e/d= 0,25 e/d = 0,3 e/d = 0.4 e/d = 0.5

Vitesse de

l’éolienne en

tr/min après

stabilisation (1

à 2 minutes)

Q1. Le rapport e/D a-t-il une influence sur la vitesse de l’éolienne ?

Q2. Si oui, donner la valeur de l’écartement relatif permettant d’obtenir la vitesse de rotation maximale :

Pour aller plus loin …Depuis plusieurs années, de nombreuses études ont permis d’améliorer sensiblement les performances des rotors Savonius. Celles-ci ont permis de montrer l'influence de la configuration géométrique sur le rendement énergétique. En effet, un recouvrement relatif (e/d) compris entre 20 et 30 % et un angle β (Angle d’inclinaison des aubes) de 55° semble présenter les meilleures performances en termes de rendement énergétique.

D’autres types d’éoliennes présentant des agencements particuliers (comme celle installée sur le système LUMEA) laissent présager non seulement d'un comportement aérodynamique plus stable que celui du rotor Savonius conventionnel, mais aussi des rendements sensiblement améliorés.


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a


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III. PARTIE N°2 : JUSTIFICATION DU FAIBLE RENDEMENT GLOBAL SUR L’ÉOLIENNE DE TYPE SAVONIUS

Malgré l’optimisation de certains paramètres géométriques, le rendement d’une éolienne de type Savonius reste très faible. Sachant que le rendement énergétique global est le rapport de la puissance électrique de sortie (Pélec) sur la puissance cinétique fournie par le vent (Pvent), il est intéressant de savoir quelles transformations énergétiques (transformation de l'énergie du vent en énergie mécanique de rotation et transformation de l'énergie mécanique de rotation en énergie électrique) entraînent des rendements si faibles.

Étape N°1 : calculer la puissance théorique fournie par le vent (Consulter le dossier technique mis à disposition).Étape N°2 : mesurer, en fonction de la vitesse du vent, la puissance électrique fournie par l’éolienne (en sortie de l’alternateur).Étape N°3 : calculer le rendement global et mettre en évidence le coefficient de puissance (Cp) propre à chaque type d’éolienne.

III-1) Étape N°1 : calcul de la puissance théorique fournie par le ventAprès avoir consulté le dossier technique accompagnant ce sujet, répondre aux questions suivantes :

Q1. Calculer, pour l’éolienne équipant le système LUMEA et en fonction de certains paramètres géométriques (hauteur : H, diamètre extérieur : D), la surface balayée par le vent.


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Rotor de type

Savonius

Générateur

électrique

(Alternateur)

Pvent : puissance cinétique

fournie par le vent

Pélec : puissance électrique fournie par l’éolienne

Ptr : puissance mécanique transmise

à l’alternateur

Eolienne :

ƞR = Ptr/Pvent ȠG = Pélec/Ptr

Rendement global :

Ƞ = ȠR * ȠG = Pélec / Pvent


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Q2. Calculer alors la puissance cinétique théorique fournie par le vent pour les vitesses suivantes :

Vitesse du vent en km/h

Vitesse du vent en m/s Puissance théorique fournie par le vent : Pvent en W

10

15

20

30

40

50

III-2) Etape N°2 : mesure de la puissance électrique fournie par l’éolienne

Q3. Mettre en place les matériels (ventilateur, éolienne, résistance en sortie du générateur électrique) et les appareils de mesure (tachymètre, anémomètre à fil chaud, ampèremètre et voltmètre en sortie de l’alternateur) afin de pouvoir relever, en fonction de la vitesse du vent, la puissance électrique fournie par l’éolienne :


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Réponse :

G

R= 150 Ω

VA

Alternateur : Génératrice synchrone (24V ~)

uALT

iALT

D

H


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Appeler le professeur avant de commencer les essais.Compléter, par la suite, le tableau ci-dessous :

Vitesse du vent en km/h 10 15 20 30 40 50

Vitesse du vent en m/s

Valeur de la tension efficace aux bornes de

la génératrice en V

Valeur du courant efficace délivré par l’alternateur en A

Puissance fournie par l’éolienne : Pélec =

Ualt*Ialt

III-3) Étape N°3 : calculer le rendement global et mettre en évidence du coefficient de puissance (Cp) propre à chaque type d’éolienne

Q4. Calculer ci-dessous le rendement global de l’éolienne : ƞ

Vitesse du vent en km/h 10 15 20 30 40 50

Vitesse du vent en m/s

Puissance théorique fournie par le vent :

Pvent en W

Puissance fournie par l’éolienne en W :

Pélec = Ualt*Ialt

Rendement global : Ƞ = Pélec / Pvent


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Quelle constatation pouvez-vous faire quant au rendement global ?

En considérant le rendement de l’alternateur proche de 80%, donner sur la plage de vitesse « 10/50 km/h », le rendement maximum du rotor Savonius (ƞR max)

Coefficient de puissance / Limite de Betz : La puissance fournie par le vent (Pvent) est une puissance théorique, il est bien sûr impossible qu'elle soit récupérée tel quelle par une éolienne (cela reviendrait à arrêter le vent).Les éoliennes détournent le vent : En pratique, une éolienne dévie le vent avant qu'il atteigne la surface balayée par le rotor. Une éolienne ne pourra donc jamais récupérer l'énergie totale fournie par le vent (voir loi de Betz). Lorsque l'énergie cinétique du vent est convertie en énergie mécanique par le rotor, le vent est freiné par celui-ci, la vitesse du vent en amont du rotor est toujours supérieure à celle en aval. Or la masse d'air qui traverse la surface balayée par le ro -tor est identique à celle sortant. Il en résulte un élargissement de la veine d'air (tube de courant) à l'arrière du rotor. Ce freinage du vent est progressif, jusqu'à ce que la vitesse de l'air à l'arrière du rotor devienne à peu près constante.Limite de Betz / Formule de Betz : La puissance récupérable est inférieure, puisque l'air doit conserver une énergie ci-nétique résiduelle pour qu'il subsiste un écoulement. L'allemand Albert Betz a démontré en 1919 que 60% de la puis -sance cinétique fournie par le vent peut être récupérée.

Coefficient de puissance (Cp) :

Les valeurs de Cp sont don-nées par la courbe caracté-

ristique de l’éolienne en fonction du coefficient de

vitesse �� qui est le rapport

entre la vitesse à l’extrémi-té des pales et la vitesse du

vent (Voir à la page 2)


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Abstraction faite des rendements des divers organes de transmission et de conversion d’énergie, on définit le coeffi -cient de puissance Cp d’une éolienne interceptant une surface S de vent, à partir de la puissance P fournie, suivant la relation :

P = Cp *½ * ρ * S* V3

ρ : masse volumique de l’air (1,225kg/m3) ; S : surface balayée par les pales en m² ; V: vitesse du vent en m/s.


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A partir de la courbe donnant le coefficient de puissance (Cp), compléter le tableau ci-dessous :

Type d’éolienneCoefficient de puissance

maximum

Classer par ordre de rendement

(croissant) les différentes éoliennes

Savonius

Darrieus

Hélice tripale

Hélice bipale


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Malgré son faible rendement aérodynamique, les avantages de ce type d’éolienne sont nombreux : - un rotor Savonius ne nécessite aucun dispositif d’orientation.- son couple statique important lui permet de démarrer aux vitesses de vent faibles, lorsque les éoliennes

rapides restent le plus souvent immobiles.- sa grande robustesse lui permet de supporter les vitesses de vent élevées, lorsque les éoliennes rapides

doivent être freinées ou arrêtées pour des raisons de sécurité.- il est enfin aisé à réaliser et donc moins coûteux en cas de production en grande série.


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