Principe de la conception du rotor pour les éoliennes à axe horizontal
INTRODUCTION
Les humains ont utilisé le feu comme première sorte d’énergie, à l’exception de la nourriture. Les humains vivaient seulement avec la nourriture jusqu’à l’utilisation du feu. En outre, les humains se sont séparés avec l’utilisation du feu des autres vivants. Ensuite, ils utilisaient le bois pour que le feu brûle et ne s’éteigne pas. Ils ont dû diviser le travail avec la vie sociale. Les humains ont donc utilisé une nouvelle sorte d’énergie. Cette nouvelle forme d’énergie était celle d’un autre humain. En raison de la vie nomade, ils devaient se déplacer d’un endroit à l’autre. Le résultat de la vie nomade était l’utilisation d’animaux pour le transport. Une autre forme d’énergie utilisée par les humains est l’énergie hydraulique. Elle a été utilisée par les humains à la fin de la vie nomade. Et les humains ont utilisé le vent pour faire naviguer les bateaux et au 12ème siècle (D.C.) avec les moulins à vent. Après le 16. siècle, la consommation d’énergie a particulièrement augmenté en raison de la production de charbon. Le pétrole a été utilisé au 19ème siècle. Les âges de l’industrie ont commencé avec le pétrole et la grande municipalité humaine affectée. Après les humains ont découvert l’énergie nucléaire (Inan, 1995).
La fin du 20ème siècle a commencé il problèmes avec l’environnement. Et cela nous a conduit à des énergies propres et renouvelables. Ces énergies propres et renouvelables sont le soleil, la géothermie, la biomasse, l’énergie hydraulique, le vent, etc. (Inan, 1995).
Toute l’énergie dont la surface de la terre a besoin provient du soleil. Environ 1 à 2% de cette énergie est transformée en énergie éolienne (Vindmolleindustrien, 2006). Ainsi, nous pouvons dire que l’énergie éolienne est de l’énergie solaire qui est transformée en énergie de vitesse (énergie cinétique) (Karadeli, 1999). Le vent est défini comme le mouvement de l’air dans l’atmosphère pour équilibrer le déséquilibre thermique qui est causé par le chauffage inégal de l’air par la principale source d’énergie, le Soleil (Ozdamar et Colak, 2000).
Les principales forces dans l’atmosphère qui produisent le vent et affectent sa vitesse est ; la force de gradient de pression, la force de déviation, la force centrifuge et la force de friction (Yavuzcan, 1974). La force de gradient de pression agit pour déplacer l’air de la haute pression vers la basse pression. La force de déviation affecte l’air de deux manières : l’une est la force de déviation de la rotation de la terre pour les mouvements qui sont créés le long des cercles de latitude et la seconde est la force de déviation de la rotation de la terre pour les mouvements de l’équateur aux pôles ou dans la direction opposée. Les vents, en général, sont sous l’effet d’une force qui veut les dévier de leur centre car ils s’enroulent autour d’un centre. Cette force est appelée force centrifuge. La force de frottement tente de diminuer la vitesse du vent. L’effet de cette force est le plus grand quand on est près de la surface de la terre (Yavuzcan, 1994).
IMPORTANCE DU ROTOR
Le rotor est l’organe qui transforme l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique. Pour cette raison, il est très important pour les éoliennes. Il est très important que le rotor et les pales du rotor aient des caractéristiques optimales, car celles-ci ont un effet direct sur le rendement des éoliennes.
| Fig. 1: | Coefficient de puissance (Cp) selon Betz (1926) |
Un écoulement massique possède une énergie cinétique du fait de sa vitesse (Klug, 2001).
La réalisation découle de l’énergie par temps. Calcul du débit massique:
Dans ces conditions, nous pouvons calculer la puissance avec l’équation suivante (Klug, 2001);
L’équité de puissance donne la puissance théorique qui peut être obtenue à partir de l’énergie cinétique qui est stockée dans le vent comme Watt. Cette puissance théorique doit être transformée en puissance utile à l’aide du rotor de la turbine. A ce stade, une constante, qui est influencée par la vitesse du vent, la vitesse de l’arbre de la turbine et le choix des pales, doit être prise en considération. Cette constante est appelée constante de puissance idéale (Cp). Le type et la forme des pales, l’angle d’inclinaison et la vitesse de l’extrémité des pales sont des facteurs efficaces à cet égard. Dans la Fig. 1 le diagramme du coefficient de puissance idéal. Théoriquement, la constante de puissance idéale ne peut pas dépasser 0,59. Cette constante est appelée constante de Betz. Dans la pratique, cette valeur est encore plus petite (Becenen et Eker, 2001). Car les pertes mécaniques (η) entrent en jeu dans la pratique. Mais la valeur du rendement mécanique peut être négligée dans les calculs, car elle est proche de 1. Notre équation avec cette connaissance est ci-dessous:
Une chose qu’il ne faut pas oublier ici est que la densité de l’air est de 1,225 kgm-3 dans des conditions météorologiques standard (température : 15°C et pression de l’air : 1013,3 hPa) (Klug, 2001). Les changements de température et de pression de l’air vont modifier la densité de l’air.
| Fig. 2: | Nombre de cycles de différentes structures au cours de la durée de vie (Klug, 2001) |
LE ROTOR DE LA TURBINE ÉOLIENNE ET LES AUTRES CONSTRUCTIONS
Dans la Fig. 2 nombre de cycles de différentes structures pendant la durée de vie.
Les avions commerciaux ont plus de contraintes que les ponts et les hélicoptères. A l’opposé, le nombre de révolutions est plus faible que celui des ponts et des hélicoptères. Dans cette séquence, les ponts viennent après les avions commerciaux. Les hélicoptères ont plus de contraintes qu’après les ponts. Et les éoliennes viennent à la dernière séquence. Cette connaissance nous montre les éoliennes pas très beaucoup de stress, bien qu’a un plus grand nombre de révolutions travaille.
INTENTION QUE LA CONCEPTION DU ROTOR
| – | À faible vitesse du vent haute alimentation en énergie. |
| – | Fournir la puissance élevée à faible hauteur de moyeu. |
| – | Fournir la puissance élevée dans les petits diamètres de rotor. |
| – | Les coefficients de puissance du rotor augmentent. |
| – | Optimal le rapport de vitesse de pointe du rotor produire. |
Principes de conception du rotor
L’obtention d’une production maximale d’énergie d’une éolienne dépend de divers facteurs. Ces facteurs sont la hauteur de l’éolienne, la surface de balayage des pales de l’éolienne et la structure aérodynamique, la densité de l’air et la vitesse du vent. Les plus importants de ces facteurs sont la hauteur de l’éolienne et la structure aérodynamique des pales de l’éolienne. La hauteur de l’éolienne est importante car la vitesse du vent augmente au fur et à mesure que l’on s’éloigne de la surface de la terre (Yavuzcan, 1994 ; Klug, 2001). La structure aérodynamique de la pale de l’éolienne est importante, car elle peut transformer au maximum 59% de l’énergie cinétique que possède le vent en énergie utile (Klug, 2001).
Aérodynamique du rotor de l’éolienne : Dans la transformation de l’énergie éolienne, qui est formée par le chauffage de différents points de l’atmosphère par la principale source d’énergie qu’est le soleil, en énergie électrique ; le rotor éolien, qui est le premier anneau de la chaîne de transformation, peut être conçu selon Betz ou Glaubert-Schmitz dans le but de transférer l’énergie éolienne existante avec un minimum de pertes (Ozdamar et Kavas, 1999).
| Fig. 3: | Ajustement des angles β (Piggott, 2006) |
| Fig. 4: | Quelques angles de profils de tôles (Piggott, 2006) |
Calcule la vitesse de rotation d’un élément de pale du rotor, qui se trouve à une distance r du centre du rotor, comme vers le bas (Ozdamar et Kavas, 1999) :
Et le rapport de vitesse de pointe du rotor peut être calculé avec l’équation suivante (Ozdamar et Kavas, 1999).
Dans une conception de lame doit ajuster les angles bêta (Fig. 3), afin d’utiliser la corde à la lame (Piggott, 2006).
Le vent soufflant dans la direction opposée, rassemble le vent réel afin de donner le vent visible qui fournit des forces de levage et de traînée (Piggott, 2006).
Si l’on veut concevoir un rotor d’éolienne, alors l’angle d’assaut dépend des vents visibles Φ angle et l’angle de la lame (Fig. 4).
| Fig. 5: | Ce volume de vent que les éléments de la pale travaillent (Piggott, 2006) |
L’angle de la pale contrôle l’angle d’assaut, il contrôle donc la quantité de soulèvement et d’entraînement dans la pale (Piggott, 2006).
Dans la pratique, la plupart des profils produisent la meilleure courbe de soulèvement/traînement lorsque l’angle d’assaut est de 5 degrés. En tant que principe général, lorsque des données détaillées ne peuvent être obtenues, donner cet angle d’assaut signifie exposer l’angle de la lame (Piggott, 2006).
Lorsque l’angle de la lame est préparé, la largeur du cordon doit également être préparée. En voici la raison ; chaque élément de pale est sous l’effet d’un certain vent comme une corde pour pouvoir fonctionner. Une corde avec un rayon r est petite près du centre et devient plus grande en s’éloignant du centre et la quantité de vent dans la corde est maintenue basse. La partie la plus importante de la chose est la lame la plus éloignée du centre (Fig. 5). La partie la plus proche du centre est moins importante, mais inévitablement elle est sous une forme différente (Piggott, 2006).
Selon Betz, le vent décélère sa vitesse dans un rapport de 1/3 dans chaque partie de la zone de balayage des rotors et cette décélération est réalisée par une force de poussée qui est étroitement liée à la force de levage. De cette réglementation découle l’équation suivante (Piggott, 2006).
Le calcul du nombre de pales peut utiliser l’équation suivante (Piggott, 2006) :
Le cordon dans la partie extérieure de la pale peut être calculé avec l’équation suivante (Piggott, 2006):
La partie extérieure des pales est plus importante pour le mouvement des rotors. Mais la partie intérieure des pales doit être conçue plus large afin d’aider la puissance de rotation au début (Piggott, 2006).
Hauteur du rotor de l’éolienne : Lorsque la vitesse du vent s’éloigne de la surface terrestre, il se libère de l’effet de friction causé par la rugosité de la surface terrestre. Il se déplace donc plus librement. En s’éloignant des obstacles qui ralentissent sa vitesse, sa vitesse augmente. On suppose que les vents qui se trouvent à 1000 m au-dessus de la surface terrestre, c’est-à-dire les vents géostrophiques, ne sont pas affectés par la rugosité de la surface terrestre et les pertes par frottement. À la lumière de ces réflexions, nous pouvons dire qu’il existe une relation entre la vitesse du vent et sa hauteur. C’est la raison pour laquelle les éoliennes sont construites aussi haut que possible (Becenen et Eker, 2001).
Les valeurs de la vitesse du vent avec la hauteur de l’axe du rotor peuvent être calculées avec l’équation suivante (Klug, 2001).
Le coefficient de rugosité des valeurs dans cette équation provient de l’observation, de l’hypothèse et de l’expérience (Klug, 2001).
Le diamètre du rotor de l’éolienne : En plus de déterminer la hauteur de l’éolienne, il faut déterminer le diamètre du vent que balaie la pale du rotor. Le diamètre du vent que balaie la pale du rotor a un effet direct sur la puissance qui sera obtenue de la turbine. Le diamètre de nos rotors déterminera la surface de la section du vent que le rotor balaie (Klug, 2001).
Le potentiel éolien dans lequel le rotor de l’éolienne fonctionnera : Le potentiel éolien dans l’endroit où l’éolienne sera installée est très important. Pour cette raison, il est l’un des paramètres qui doivent être pris en compte dans la conception du rotor. Le potentiel de vitesse du vent dans la zone où l’éolienne sera installée doit être observé au moins pendant 6 mois. Le potentiel éolien a un effet direct sur l’efficacité du rotor de l’éolienne.
La vitesse du vent est le facteur le plus important concernant l’énergie du vent. La puissance qui sera obtenue du vent est directement proportionnelle à la vitesse du vent troisième puissance.
| Fig. 6: | Retenir le vent contre cet obstacle (Klug, 2001) |
| Fig. 7: | Profil vertical du vent |
Par exemple, en gros, si la vitesse du vent est de 1 m sec-1, alors la puissance qui sera obtenue est de 13 = 1 W et lorsque la vitesse augmente à 2 m/sec, alors la puissance qui sera obtenue sera de 23 = 8 W, lorsque la vitesse augmente à 2 m sec-1, alors la puissance qui sera obtenue sera de 33 = 27 W et ainsi de suite (Vindmolleindustrien, 2006).
Lorsque la vitesse du vent a autant d’effet sur la puissance qui sera obtenue de l’éolienne, le potentiel éolien dans l’endroit où l’éolienne sera construite est très important. L’objectif principal est de trouver le point où la vitesse du vent est maximale et d’y installer l’éolienne.
Structure du terrain de l’endroit où le rotor de l’éolienne fonctionnera : Il existe une relation entre la vitesse du vent et la hauteur du vent. Cette relation dépend de certaines conditions. Ces conditions proviennent de la forme du terrain. Les mêmes conditions ne s’appliquent pas à une surface de terrain plate et à une surface avec des obstacles. Sur une surface plane, lorsque la hauteur augmente, la vitesse augmente également dans un rapport direct, mais ce n’est pas le cas sur une surface avec des obstacles. Dans une surface avec des obstacles, le vent devra franchir des obstacles pour reprendre sa course et cela provoquera une pause dans la vitesse des vents.
Si les critères les plus importants pour obtenir de l’énergie à partir du vent sont la vitesse du vent, alors il est très important de trouver les zones où la vitesse du vent est élevée et d’y installer le rotor des éoliennes. Mais nous ne devons pas faire une fausse supposition que lorsque nous augmentons la hauteur, nous attraperons toujours des vents qui contiennent plus d’énergie (Fig. 6).
Les facteurs dont la vitesse du vent est affectée en fonction de la hauteur sont ; la constante de Von Karman, la vitesse de friction de surface et la longueur de rugosité.
La constante de Von Karman est prise dans différentes valeurs entre 0 et 4 ; la longueur de rugosité est prise entre 0 et 5. Un graphique concernant ces valeurs est donné ci-dessous (Fig. 7).
Les performances exigées du rotor de l’éolienne : Avant de choisir une éolienne pour une entreprise, il faut d’abord déterminer la quantité d’énergie électrique dont notre entreprise a besoin. De cette façon, la puissance de l’éolienne qui sera installée peut être déterminée. La performance demandée au rotor doit être déterminée en fonction de la puissance installée de l’entreprise. A ce stade, la quantité d’énergie dont l’entreprise aura besoin dans le futur doit également être considérée (Yavuzcan, 1978).
Puissance totale de la centrale (Yavuzcan, 1978) :
Pour la consommation maximale la puissance utilisée est ici (Yavuzcan, 1978);
La puissance de la lumière de l’entreprise est (Yavuzcan, 1978) ;
Principes des rotors conçus
Calculs sur les pales d’essai conçues : Détermination de la gravité spécifique de l’air : Il faut mesurer les valeurs de la température de l’air dans la soufflerie pendant le travail des pales d’expérience. Et elle peut être calculée avec l’équation suivante. Ainsi, cette valeur déterminera la densité atmosphérique (Vardar, 2002).
Détermination de la surface de la section du rotor : Le plan de section le rotor est une valeur stable et il dépend du diamètre du rotor. Au calcul du plan de section du rotor utilise l’équation suivante.
Calcul de la puissance théorique du vent qui va au rotor : Le vent a une énergie cinétique à cause de sa vitesse. A cause de l’énergie cinétique, ici donne une puissance. Et cette puissance est la puissance maximale du vent vient et est utilisable. Cette la puissance maximale peut calculer avec l’équation suivante (Klug, 2001).
Détermination de la valeur de la puissance électrique sur le moteur électrique : En raison de la vitesse du vent, le rotor va tourner. Et donc dans le moteur électrique du courant et de la tension vont sortir. La valeur de ce courant et de cette tension peut être mesurée avec les analyseurs de circuit. Et ces deux valeurs s’écrivent dans l’équation suivante, dans ici obtient la puissance électrique (Erna, 1977).
Détermination du rapport de vitesse de pointe des pales : Le rapport de vitesse de pointe est la relation avec la vitesse de rotation (De point sur la distance de la r (rayon) du centre du rotor est la vitesse de rotation) et la vitesse du vent. Cette vitesse de rotation peut être déterminée avec l’équation suivante (Ozdamar et Kavas, 1999).
Et le rapport de vitesse de pointe peut être calculé avec l’équation suivante (Ozdamar et Kavas, 1999).
Calcul du coefficient de puissance : La totalité de la puissance théorique du vent ne peut pas se transformer en puissance pratique (Betz, 1926). Pendant la transformation, il y a des pertes de puissance. A cette condition, il faut calculer la relation de transformation de la puissance théorique du vent en puissance à l’essieu. Dans les calculs peuvent utiliser l’équation suivante (Ozdamar et Kavas, 1999).
Dans le tableau 1 la valeur de la perte de vortex.
| Tableau 1: | Valeurs de CPschmitz en fonction de λ (Ozdamar et Kavas, 1990) |
La perte de profil peut se calculer avec l’équation suivante (Ozdamar et Kavas, 1999).
Le numéro de glissement peut être calculé avec l’équation suivante (Ozdamar et Kavas, 1999).
La valeur de ce ε change en fonction du profil de la lame.
Les valeurs de vitesse obtenues avec les expériences s’écrivent dans l’équation suivante (Piggott, 2006).
Si les valeurs de Re calculées et le profil utilisé observe, peut obtenir la valeur optimale CK/CD et α (angle d’attaque) (avec l’aide du logiciel Snack 2.0).
La perte de pointe peut être calculée avec l’équation suivante (Ozdamar et Kavas, 1999).
Détermination de la puissance de l’arbre : Avec les équations 18 et 22 peut déterminer la puissance théorique du vent et le coefficient de puissance. Cette deux valeurs écrit dans l’équation suivante, peut mettre la puissance d’essieu pratique des profils de pales (Ozdamar et Kavas, 1999).
Calculs sur les pales réelles : En prenant en considération les résultats des essais, la valeur de la puissance qui peut être obtenue à partir de l’arbre du rotor qui sera installé sur l’éolienne peut être calculée par la méthode suivante.
Détermination de la surface de la section du rotor : Aussi le plan de section le rotor de la lame réelle peut calculer avec l’équation 17 (Birnie, 1999). Les valeurs du diamètre du rotor doivent être les mêmes pour comparer les rotors après les calculs.
Détermination de la puissance de l’arbre du rotor : La valeur de Cp, qui est utilisée à la puissance de l’axe du rotor, a été calculée la valeur avec l’Eq. 22. Les valeurs de la densité atmosphérique et de la vitesse du vent doivent être stables pour comparer les rotors après les calculs. La puissance de l’axe du rotor des pales réelles peut être calculée avec l’équation suivante (Klug, 2001).
Adaptation des pales réelles aux régions de présence du vent : Les valeurs de vitesse du vent qui sont utilisées ici sont des valeurs qui ont été mesurées et observées pendant au moins 6 mois. Les valeurs de vitesse du vent qui sont utilisées ici sont des valeurs mesurées à 10 m au-dessus du sol. La valeur du coefficient de puissance utilisée ici est importante. Pour comparer les rotors à la fin des calculs, la valeur de la gravité spécifique de l’air doit être prise comme une valeur constante.
Calcul de l’aire de la section des rotors : Le plan de section du rotor aux adaptations réelles des pales dans la région, peut calculer avec l’aide de l’Eq. 17 (Birnie, 1999).
Détermination de la vitesse du vent sur la hauteur de l’axe du rotor : La vitesse du vent à la hauteur du moyeu du rotor peut être calculée à l’aide de l’équation suivante (Klug, 2001).
Calcul de la puissance de l’arbre des rotors : La puissance dans l’axe peut être calculée à l’aide de l’équation. 25 (Klug, 2001).
CONCLUSIONS
Pour augmenter l’efficacité des éoliennes, les principes de planification du rotor sont très importants pour les éoliennes à axe horizontal. Il n’est pas possible d’attendre l’efficacité maximale d’une éolienne qui est installée sans faire les processus d’optimisation.
Comme dans chaque sujet, pour réussir à utiliser l’énergie éolienne, les valeurs de base doivent être basées sur des données scientifiques. Lorsque le sujet est considéré de ce point de vue, les paramètres de conception du rotor doivent être mis en avant dans les éoliennes. En partant de là, les systèmes les plus adaptés peuvent être développés en prenant les données de base.
La stratégie de base est de mettre en pratique des systèmes performants qui peuvent être compétitifs.
Nomenclature
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