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Article

1 - PUISSANCE DU VENT

2 - PHYSIQUE DES PALES

3 - ÉOLIENNE

4 - PARC D'ÉOLIENNES

5 - GESTION DES PARCS D'ÉOLIENNES

6 - PROBLÈME DE L'INTERMITTENCE

7 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : BE8584 v1

Conclusion
Physique des éoliennes

Auteur(s) : Hervé NIFENECKER

Relu et validé le 30 nov. 2018

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RÉSUMÉ

La physique de la pale de l'éolienne permet de montrer comment la recherche d'un rendement optimal aboutit à la définition d'un angle de calage qui dépend de la distance à l'axe de rotation. Le rendement optimal des grandes éoliennes n'excède pas 15 %. Le passage des pales de l'éolienne crée un sillage dont la persistance permet de comprendre pourquoi il est généralement possible de caractériser les éoliennes par la surface balayée par les pales en rotation. La densité maximale d'éoliennes correspond à une production électrique de l'ordre de 55 kWh/(m2.an). Malgré l'effet de foisonnement, à l'échelle européenne, la puissance garantie n'excède pas quelques pourcents. En France, pour diminuer le nombre de réacteurs de 10 %, on devrait équiper environ 3 500 km de côtes en STEP.

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ABSTRACT

The physics of windmills

One describes the physics of the blade. Optimizing its efficiency requires to find the best angle between the blade surface and the wind direction. This angle depends on the distance to the rotation axis, which leads to the intricate shape of the blades of large mills. The best efficiency of large mills, with respect to the wind energy, does not exceed 15%. Flying of the blade creates a wake whose persistence explains why it is generally possible to characterize wind mills by the area swept through by the blades. When mills are grouped into parks one finds that, in order to prevent mutual negative interferences, their power density should not exceed 10 W/m2. Wind variability at the European scale does not allow a guaranteed power larger than a few per cent . In order to stop 10% of French reactors, the necessary area of marine PSS reservoirs would require equipment of 3500 km of coast.

Auteur(s)

  • Hervé NIFENECKER : Professeur à l'université inter-âge du Dauphiné Physicien nucléaire - Président d'honneur de l'association « Sauvons le climat »

INTRODUCTION

Les éoliennes font désormais partie du paysage français et européen. Elles sont devenues les prototypes des énergies renouvelables seulement concurrencées par les panneaux photovoltaïques, au point qu'on semble avoir oublié les massifs ouvrages de l'hydroélectricité. Certes, les réacteurs nucléaires sont présents tous les jours dans les médias, mais rarement de façon positive. Les Français au fait de la technique ont une idée sur les principes de fonctionnement des réacteurs, des barrages hydroélectriques et des cellules photovoltaïques. Paradoxalement, alors que les moulins à vent sont parmi les plus anciens dispositifs de production d'énergie mécanique, les principes de fonctionnement des éoliennes sont largement ignorés. La loi de Betz  qui relie la puissance de l'éolienne à la vitesse du vent et à la surface balayée par les pales, qui est donc une approche globale de l'éolienne, est assez bien connue par les initiés. À l'autre extrême, on trouve des livres de référence, tel celui de Cunty (physique très proche de celle de la propulsion à voile), qui expliquent comment une pale isolée réagit aux forces exercées par le vent sur sa surface . Mais il est difficile de trouver comment réconcilier ces deux approches apparemment contradictoires  . Bien plus étonnant, si les forces du vent sont correctement traitées, celles dues à la résistance de l'air ne le sont pas. C'est l'ambition de cet article de donner une présentation unifiée et analytique de l'ensemble de phénomènes intervenant dans la transformation de l'énergie du vent en électricité. La dérivation de la loi de Betz donne une valeur maximale du rendement d'une éolienne. La présentation classique de l'interaction entre le vent et une pale d'éolienne  permet de définir les forces de traînée et de portance, ainsi que les coefficients correspondants. Cette approche permet d'optimiser l'angle d'attaque mais reste statique et ne permet pas de calculer le rendement de l'éolienne, ni sa vitesse de rotation. Il faut donc, dans une première étape, traiter des effets de la résistance de l'air qui conduit à une vitesse limite de rotation dépendant essentiellement de l'angle d'attaque du vent. Dans la deuxième étape, il y a lieu d'introduire le freinage induit par le couplage à la génératrice électrique. La force de ce couplage est elle-même optimisée par rapport à la puissance électrique produite. Ajoutons qu'il est utile d'optimiser la forme des pales en faisant varier l'angle d'attaque selon la position radiale de l'action du vent, ce qui explique leurs formes complexes.

En tournant, les pales créent un sillage. Pour qu'une approche globale à la « Betz » ait un sens, il faut que la vitesse de rotation de la pale soit supérieure à une valeur limite qu'on trouve égale à environ 1 tr/min, ce qui est pratiquement toujours le cas.

La vitesse de rotation maximale des éoliennes est déterminée par la vitesse en bout de pale au-delà de laquelle des turbulences de l'air apparaissent.

Les éoliennes sont généralement regroupées en parc. Chaque éolienne extrayant une part de l'énergie du vent, la géométrie du parc doit être telle que la présence d'une éolienne ne réduise pas significativement la puissance du vent incident sur ses voisines. Cette condition commande la densité d'éoliennes du parc. L'emplacement des parcs doit également être optimisé eu égard au régime des vents.

Enfin, il existe des possibilités de pallier au moins partiellement l'intermittence de l'électricité éolienne soit par un effet de foisonnement, soit par des dispositifs de stockage de l'électricité.

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MOTS-CLÉS

Weibull Betz Vent

KEYWORDS

Weibull   |   Betz   |   wind

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-be8584


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7. Conclusion

La mise en œuvre d'une production d'électricité éolienne doit être analysée à plusieurs échelles.

La première est l'échelle de la pale qui consiste, essentiellement, à analyser les forces qui s'exercent sur elle : forces du vent, force de résistance de l'air et résistance due au couplage de la génératrice. La vitesse de rotation d'une éolienne est limitée par l'apparition d'instabilités aérodynamiques en bout de pale, soit environ 350 km/h. Cette vitesse correspond à une vitesse optimale du vent d'environ 66 km/h. Le rendement calculé est de l'ordre de 25 % de la limite de Betz, elle-même égale à 60 % de la puissance du vent intercepté par la surface balayée par les pales. Le rendement global des grandes éoliennes est ainsi de l'ordre de 15 %. Cette valeur optimale est obtenue pour des vitesses de vent de 15 à 20 m/s. Typiquement une éolienne de 4 MW tourne à 20 tr/min, et a une longueur de pale de l'ordre de 50 m.

À l'échelle du parc d'éoliennes, on trouve que la distance entre éoliennes situées dans un plan perpendiculaire à la direction du vent doit être entre 3 et 5 diamètres d'éoliennes et la distance entre plans doit être comprise entre 3 et 9 diamètres. Une telle densité d'éoliennes conduit à une production inférieure à 55 kWh/m2/an soit 5 fois moins que pour une centrale photovoltaïque.

À un niveau représentant environ 10 % de la puissance installée d'un parc de production électrique, l'intermittence de la production éolienne commence à poser sérieusement question. À l'échelle de la France, la production garantie du parc éolien n'excède pas 3 % de la puissance nominale. La nécessité d'une disponibilité permanente d'une production complémentaire est donc évidente. Les espoirs mis dans un foisonnement de la production sur un territoire suffisamment grand se sont avérés vains. Il est faux de penser, même à l'échelle de l'Europe, que le « vent souffle toujours quelque part ». Pour l'Europe, la puissance garantie n'excède pas 6 %.

Le phénomène de foisonnement ayant un intérêt limité, il convient d'examiner les possibilités de stockage de l'énergie. Pour ce qui concerne le stockage de l'électricité en tant que telle (stockage puis réinjection sur le réseau ou localement), seuls les stockages électrochimiques (batteries)...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BETZ (A.) -   Das maximum der theoretisch möglichen ausnutzung des windes durch windmotoren.  -  20 sept. 1920.

  • (2) - CUNTY (G.) -   Éoliennes et aérogénérateurs.  -  Edisud (2001).

  • (3) - MANWELL (J.F.), McGOWAN (J.G.), ROGERS (A.L.) -   Wind energy explained : theory, design and application.  - 

  • (4) - LANDAU (L.), LIFCHITZ (E.) -   Mécaniue des fluides.  -  MIR (1971).

  • (5) -   European wind atlas.  -  (c) Risø National Laboratory, Denmark (1989).

  • (6) -   *  -  http://www.en.wikipedia.org/wiki/Weibull_distribution

  • ...

DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES

1 Sites Internet

https://en.wikipedia.org/wiki/Wind_power

http://www.windeis.anl.gov/index.cfm

http://www.windpower.org

http://www.windpowerwiki.dk/

https://www.sauvonsleclimat.org/fr/

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2 Annuaire

Delft University Wind energy research institute DUWind (États-Unis)

Texas Tech University's National Wind Institute NW (États-Unis)

National Wind Technology Center (États-Unis)

Risø DTU National Laboratory for Sustainable Energy (Danemark)

Fraunhofer Institute for Wind Energy and Energy System Technology (Allemagne)

CENER (Espagne)

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