Le but de ce didactitiel est de montrer qu’héliciel permet de quantifier l’influence de différents  paramètres influençant le point de fonctionnement d’une éolienne de n’importe quelle taille, ici une micro éolienne( < 1 Watt )

Nous allons étudier 3 paramètres en gardant deux d’entre eux fixes et en faisant varier un unique :

-         Le nombre de pale

-         La longueur des pales

-         La largeur des pales

Etudions l’impact des paramètres nommés ci-dessus sur l’éolienne en conception.

1)      Nombre de pale

Pour jouer sur le nombre de pales, il est préférable de lancer manuellement une analyse multiple pour un nombre de pale fixe que l’on itère dans l’onglet « Optimiser ».

Application : Prenons pour références les caractéristiques suivantes :

Vitesse du vent : 3m/s ( 10.8 km/h )

Rayon de la pale : 16.8 mm                         Rayon bout de pale : 120 mm

Largeur de la pale : 30 mm                          Corde bout de pale : 30 mm

Les caractéristiques ci-dessus sont considérées comme fixes , car nous cherchons à caractériser l’influence du nombre de pales. Nous ne reviendrons donc pas sur cet écran une fois ces caractéristiques fixées.

Faisons à présent varier le nombre de pale, que nous fixons pour une première  itération à  1 pale dans l’onglet «  Optimiser »

A présent lançons une analyse multiple  .

Il est important pour notre cas de faire cette analyse en fonction de la vitesse de rotation (rpm) car la vitesse du vent est fixée à 3 m/s (vitesse du vent minimum pour notre cas).

De même l’analyse doit être faite en actualisant le vrillage  car elle permet d’obtenir  les caractéristiques optimales en fonctionnement.

Lançons à présent à proprement parlé l’analyse multiple :

Nous obtenons alors une première courbe que l’on exporte au format .xls (EXCEL ) dans notre dossier d’études.

L’analyse multiple de notre éolienne pour 1 pale est alors effectuée, il reste à itérer le nombre de pale et de comparer les résultats obtenus.

On revient alors tout simplement dans l’onglet « optimiser » en fixant le nombre de pale à 2.

On lance alors à nouveau une analyse multiple que l’on exporte au format  .xls dans notre dossier d’études, et on continue l’itération jusqu’au nombre de pale maximum desiré.

Quelques minutes plus tard, en regroupant les données sur excel de couple calculé en fonction de la vitesse de rotation on obtient le aisément graphique suivant :

Le résultat obtenu est cohérent avec la théorie puisque le couple de notre éolienne augmente considérablement avec le nombre de pale.

Mais la conclusion ne s’arrete pas à cette étude qualitative car si l’on connait la courbe de couple de notre générateur (alternateur)  electrique cela permet de diriger sa conception vers un point de fonctionnement précis.

Pour notre cas, si nous ne pouvons pas jouer sur la longueur ou la largeur des pales, le nombre de pale à prendre en compte doit etre supérieur à 5 pour pouvoir  dépasser le couple resistant de notre alternateur (droite en rouge sur le graphique)

2)      La largeur des pales

Sur le même principe, nous allons prendre une éolienne à 7 pales avec une longueur imposée tel que cela peut-etre très fréquent pour les éoliennes domestiques, et regarder quelle est la largeur optimale.

Application : Prenons pour références une fois encore les caractéristiques suivantes :

Vitesse du vent : 3m/s ( 10.8 km/h )

Rayon de la pale : 16.8 mm                         Rayon bout de pale : 120 mm

Largeur de la pale : notre variable                           Corde bout de pale : notre variable

Nombre de pales : 7

 

Prenons pour notre première itération une largeur de parle de 10 mm et une corde constante.

Largeur de la pale : 10mm                           Corde bout de pale : 10 mm

Sans oublier de   pour obtenir le profil de pale suivant :

Une fois les conditions géométriques rentrées, vérifier le nombre de pale et lancer l’analyse multiple dans l’onglet « optimiser ».

Lancer l’analyse multiple en fonction de la vitesse de rotation et en calculant pour le vrillage optimum :

Puis lancer l’analyse multiple :

L’analyse multiple de notre éolienne pour une largeur de 10 mm effectuée, on l’exporte au format .xls (EXCEL ) dans notre dossier d’études.

Il reste alors à itérer cette largeur dans l’onglet géométrie de la pale et recommencer l’opération avec l’incrémentation désirée.

Une fois les calculs effectués par Héliciel et exportés au format .xls, il suffit de filtrer les données qui nous intéressent, ici le couple en fonction de la vitesse de rotation, et comparer avec notre couple résistant pour trouver le point de fonctionnement.

Le résultat obtenu permet une fois encore de vérifier qu’en augmentant la largeur des pales, le couple de l’éolienne est plus grand au départ, mais chute après une certaine vitesse de rotation.

Ainsi pour le cas présent, la largeur minimale pour une éolienne à 7 pales de longueur ne pouvant excéder 10 cm de longueur doit avoir une largueur minimale de 2 cm et la vitesse de rotation ne pourra excéder 900 rpm dans tous les cas.

3 ) Longueur de l’éolienne

A présent le nombre de pale et la largeur étudiés, il reste la longueur des pales.

Le principe étant exactement identique à celui présenté pour la largeur, l’explication sera allégée.

Les modifications se font une fois encore uniquement sur l’onglet « Géométrie de la pale », en jouant sur la longueur et le rayon pied de pale.

ATTENTION : lors de l’agrandissement des pales dans l’onglet géométrie des pales, si le rotor a une dimension fixe, il faut recalculer son pourcentage à chaque itération pour que le pourcentage corresponde bien à  celui de l’éolienne.
Par exemple, pour l’éolienne présentée ci-dessus, le rayon pied de pale doit faire 16.8 mm quelque soit la longueur de la pale, donc pour une pale de longueur 20 mm le pourcentage sera de 84 % et pour une longueur de 250mm le pourcentage sera de 7%.

En reprenant donc le principe éxpliqué pour le dimensionnement de la largeur des pales, on effectue plusieurs analyses multiples en fonction de la vitesse de rotation avec une actualisation du vrillage, en les exportant au format excel dans le dossier d’études.

Les données obtenues, le traçage des courbes est une fois encore assez aisé et l’on obtient la courbe de couple en fonction de la vitesse de rotation nous permettant de dimensionner le caractère étudié :

 

Le résultat obtenu permet une fois encore de vérifier qu’en augmentant la longueur des pales, le couple de l’éolienne est plus grand au départ, mais chute rapidement après une certaine vitesse de rotation.

Par exemple pour notre cas, une éolienne à 7 pales de 3 cm de largeur devra avoir une longueur minimum de 10 cm pour pouvoir entrainer le générateur, mais sa vitesse de rotation ne pourra en aucun cas exceder 800 rpm.

Ainsi, en jouant sur ces 3 paramètres, la conception de tout type d’éolienne est possible, et se rapprocher d’un point de fonctionnement à partir d’une courbe caractéristique du générateur  est extrêmement facilité.

Alexis PASZKIER
Ingénieur UTC
Génie des Procédés - Thermique & Énergétique