Eolienne urbaine à pales annulaires Jacky BRESSON, Didier DUCLOS, Fabrice FRUGIER IUT de Perpignan, département G.I.M. Ch. de la Passio Vella, BP 79905 - 66962 PERPIGNAN Cédex 9 E.mail : bresson@univ-perp.fr Site internet : http://gim.iut.univ-perp.fr

Introduction Etude menée, depuis 2014, lors de projets tuteurés par les étudiants GIM  Concours National Gim’Eole « les éoliennes urbaines ». L’avion français à décollage vertical « LE COLÉOPTÈRE » utilisait une aile annulaire (1957). Concept de l’aile annulaire : L’avion le Blériot III construit en 1906 par Louis BLÉRIOT et Gabriel VOISIN L’intérêt principal est de minimiser les « tourbillons marginaux » de bout d’aile  traînée diminuée  performances améliorées

Eolienne à pales annulaires Rotor de 6 pales annulaires  12 pales enroulées Chaque pale : D=300mm, L=70mm et e=8mm Profil asymétrique type N-11 Profil sur le demi-périmètre extérieur et intérieur  augmente la portance.

Objectif de l’étude Détermination du Cp de l’éolienne Méthode tourbillonnaire : Veine d’air à l’arrière de l’éolienne  entraînée en rotation Modèle « Blade Element Momentum » - BEM Théorie de l’aile portante Loi de la conservation de la quantité de mouvement

Théorie de BETZ  Poussée axiale sur le disque de surface A : Eolienne Poussée axiale sur le disque de surface A : L’équation de Bernoulli en amont et en aval permet d’écrire :  En introduisant le facteur d’induction axial :  Force axiale élémentaire  sur un élément annulaire de section

Théorie de l’élément de pale Elément de pale La pale est découpée en plusieurs tranches, Considérons un élément de pale de largeur dl=D/2.d à la côte  Plan horizontal HH r dq q Plan équatorial Plan radial RR Les forces aérodynamiques de la traînée et de la portance sont obtenues, Par intégration sur tout le profil, les caractéristiques aérodynamiques du rotor sont calculées. D rp Pale annulaire de face

Théorie de l’élément de pale – Les plans Plan horizontal HH Plan radial RR

Théorie de l’élément de pale – Les vitesses Cet élément de pale  vent de vitesse résultante W : Où b=/ : facteur d’induction tangentiel indiquant que l’air en aval de la veine tourne à la vitesse  dans le sens opposé à celui du rotor . Plan horizontal HH Plan radial RR q i W Elément de pale W=2pN V1 Axe de rotation Weq ii a Plan de rotation W V=V1(1-a) Axe de la pale annulaire a i f U=Wr(1+b) Dans le plan du profil de pale ou plan radial, la vitesse apparente devient : Plan horizontal HH Et l’angle d’incidence :

Théorie de l’élément de pale – Les forces Plan horizontal HH dTr=dTh Plan de rotation Axe de rotation V1 W=2pN Les forces de portance et de traînée appliquées sur l’élément de pale sont respectivement  : ii Weq dNh=dNr.cos(q) dNr dTr dFaxial dFtang dFz Portance dFx Traînée Plan radial RR Au final, la TEP : Avec :

Théorie de GLAUERT – Modèle tourbillonnaire La vitesse de rotation de la veine d’air passe de 1 à 2 soit de 0 à 2 (avec =bW) La variation de la quantité de mouvement de l’air dans la direction tangentielle  force tangentielle qui s’exerce sur la pale : Le couple généré dans la section annulaire devient : La puissance est donc : Que l’on peut mettre aussi sous la forme suivante : 

Coefficients d’induction a et b Glauert Betz = = TEP TEP   Coefficient d’induction axial a : Coefficient d’induction tangentiel b : Avec La détermination des coefficients a et b nécessite la connaissance de l’angle  , qui lui-même dépend de a et b. Seule une méthode itérative convergente permet d’accéder aux valeurs de a et b

Modélisation Pour chaque position de l’élément de pale  après convergence  a et b dFaxial, dQ, dP et dCp. L’intégration se fait en cumulant ces résultats depuis rp jusqu’à R (de  = -90° à +90°). La boucle la plus externe réitère le calcul pour plusieurs valeurs de la vitesse du vent V1. VisualBasic

Coefficient de puissance Cp Plusieurs valeurs de la vitesse du vent V1 et de la vitesse de rotation du rotor N,  coefficient de puissance Cp =f(o).

Caractéristiques élémentaires Pour chaque position de l’élément de pale  dF, dQ, dP et dCp. Profil de pale

Expérimentation et comparaison Où élec = 0,7 : rendement génératrice/redresseur. La puissance électrique, sur la charge vaut : Protor Pélec La puissance récupérée par le rotor de l’éolienne est égale à :

Conclusion Nouveau concept d’éolienne à pales annulaires Pale enroulée sur elle-même  plus de bout de pale  moins de « tourbillons marginaux » :  meilleures performances (Cp=0,35 pour lo=1,5)  plus silencieuse. Palmarès au concours Gim’Eole : 2014 : 2ème/23 2015 : 1ère /22 2016 : 2ème/18