Une étude bibliographique de Bhutta et al. [9], réunit de nombreuses études concernant les diérents types d'éoliennes verticales existants et les diérentes méthodes disponibles pour les mettre au point.
6.2.1 Savonius
Akwa et al. [5] ont réalisé une étude bibliographique concernant les dif-férentes congurations de rotors Savonius et leurs performances. Les études disponibles dans la littérature concernent principalement l'eet de la pré-sence de plateaux au-dessus et en dessous de l'éolienne, l'eet du rapport de forme du rotor, l'inuence de l'espacement entre les deux godets, l'eet de l'empilement de plusieurs éoliennes et de la forme des godets, les interférences du rotor avec l'arbre de l'éolienne, l'inuence du nombre de Reynolds et du
6.2. ÉTAT DE L'ART CHAPITRE 6. ÉOLIENNE
(a) Rotor de Savonius (image issue de [5]) (b) Rotor de Darrieus (image issue de [9])
Figure 6.2 Deux éoliennes à axe vertical
niveau de turbulence de l'écoulement et l'eet des stators. Ils ont noté l'ab-sence de méthode analytique ecace pour l'optimisation du rotor Savonius et mis en avant la nécessité d'utiliser la CFD (Computationnal Fluid Dyna-mics) et les expériences pour améliorer ces éoliennes. Roy et Saha [84] ont écrit une étude bibliographique concernant les méthodes numériques pour le développement des éoliennes Savonius. Les principales études recensées sont réalisées à partir de calculs en volumes nis. Peu d'études en diérences nies ont été faites. Ces dernières donnent d'ailleurs de moins bons résultats. Des techniques intermédiaires entre RANS et LES, comme la DES-k−ω SST (Dettached Eddy Simulations), donnent de très bons résultats, même si le modèle de turbulencek−ω SST seul donnait déjà de bonnes prévisions des performances du rotor. De nouvelles méthodes neuro-oues (ANFIS Adapta-tive Neuro-Fuzzy Interference System), peu coûteuses en ressources de calcul, permettent de prédire de façon prometteuse la puissance produite par les éo-liennes Savonius.
6.2.2 Darrieus
Diérentes études bibliographiques existent concernant les éoliennes Dar-rieus. L'étude bibliographique de Tjiu et al en deux parties [98, 99] traite de la conguration des éoliennes Darrieus et des méthodes de construction pour la production d'électricité à grande échelle. Celle de Jin et al. [49] recense les dif-férentes méthodes de recherche utilisées lors de l'étude du rotor Darrieus. Les trois principales méthodes d'investigation sont les études numériques basées
CHAPITRE 6. ÉOLIENNE 6.2. ÉTAT DE L'ART sur les théories de l'aérodynamique, la simulation numérique des écoulements et les études expérimentales. Les auteurs ont remarqué que les simulations numériques des écoulements, réalisées le plus souvent en deux dimensions, donnaient des résultats plus détaillés sur l'écoulement. Ils ont relevé que les études expérimentales étaient principalement des essais en souerie et de la PIV (Particle Image Velocimetry). Les études expérimentales donnent les résultats les plus précis mais possèdent aussi les coûts les plus élevés.
Beri et Yao [8] ont étudié numériquement l'eet de la cambrure du prol sur le démarrage d'une éolienne Darrieus. Mohamed a étudié numériquement l'impact du prol des pales sur les performances d'une éolienne Darrieus bipale en H (rotor cylindrique) [68], et l'impact de la solidité du rotor et du couplage avec une éolienne Savonius sur le comportement de la machine [69].
Rappelons que la solidité du rotor est dénie par : σ = pc
2R (6.4)
avecp le nombre de pales, cla corde de la pale et R le rayon de l'éolienne.
Kjellin et al. [52] ont étudié une éolienne Darrieus tripale en H (pales droites) d'une puissance de12kW. Le prol de pale utilisé est un NACA0021.
Le coecient de puissance maximum est de 0,29 pour un ratio des vitesses en bout de pale de 3,3. La solidité du rotor est de 0,125.
Lanzafame et al. [55] ont réalisé une étude CFD de type URANS de deux rotors Darrieus tripale en H. L'étude numérique a été validée par des essais expérimentaux. Le premier rotor possède un prol NACA0015. Le coecient de puissance maximum est de0,26, pour un ratio des vitesses en bout de pale de 1,6. La solidité du rotor est de 0,48. Le deuxième rotor possède un prol NACA4518. Le coecient de puissance maximum trouvé expérimentalement est de 0,12, pour un ratio des vitesses en bout de pale de 1,6. La solidité du rotor est de 0,5.
Castelli et al. [15] ont présenté un nouveau modèle, basé sur la CFD, pour la prédiction des performances des éoliennes Darrieus. Il s'agit d'un couplage entre méthode BEM (Blade Element Method) et CFD. Les données numériques sont validées sur des expériences en souerie. L'éolienne Darrieus étudiée est une tripale en H d'une solidité de0,5avec des prols NACA0021.
Le coecient de puissance maximum expérimental est de 0,31pour un ratio de vitesses en bout de pales de 2,6.
Lee et Lim [58] ont réalisé une étude en RANS instationnaire avec maillage tournant d'une éolienne Darrieus de500 W, dotée de pales NACA0015, pour diérents angles de pales et diérents angles hélicoïdaux et diérents dia-mètres de rotors. Les meilleures performances ont été trouvées pour un angle d'attaque de −2° et un angle hélicoïdal de 0°. Les résultats expérimentaux
6.2. ÉTAT DE L'ART CHAPITRE 6. ÉOLIENNE viennent valider les résultats numériques. Le coecient de puissance maxi-mum trouvé expérimentalement est de 0,22, pour un ratio des vitesses en bout de pale de1,3. On observe sur la courbe du coecient de puissance que les auteurs donnent très peu de points pour la partie gauche de la courbe, c'est-à-dire, à faible λ, ce qui laisse supposer qu'ils ont eu des dicultés à obtenir des points expérimentaux dans cette zone.
Howell et al. [39] ont étudié numériquement et expérimentalement deux éoliennes Darrieus en H : une bipale et une tripale. Des pales lisses et des pales rugueuses sont testées. Le prol est un NACA0022. Comme pour Lee et Lim, la partie gauche des courbes CP/λ laisse supposer que les points à faible vent ou à faible vitesse de rotation sont diciles à atteindre. Il semble que l'éolienne bipale (qui a une solidité plus faible) ait les meilleures perfor-mances. Les résultats expérimentaux donnent, pour la bipale à pales lisses, unCP maximum de 0,24pour λ= 2,6.
Singh et al. [94] ont étudié expérimentalement les capacités d'auto-démarrage d'une éolienne Darrieus tripale en H avec un rotor à forte solidité. Les pales suivent un prol S1210. Dans le dispositif expérimental, les auteurs ont choisi de réaliser les pales en balsa, qui est un matériau peu coûteux et facile à tra-vailler. La mesure du couple se fait par un système de frein à corde dont le fonctionnement rappelle celui du frein de Prony. C'est un système qui, se-lon les auteurs, est assez précis, et, à nouveau, peu coûteux. Les meilleurs résultats sont trouvés pour une solidité égale à1. Ils correspondent à unCP
maximum de 0,32 pour un λ de 1. La plage de λ sur laquelle l'éolienne est utilisable est malheureusement faible.
Gavaldà et al. [28] ont réalisé une étude expérimentale, en souerie, de deux couplages. Le premier est fait entre une éolienne Darrieus et une éo-lienne Savonius, le deuxième entre une éoéo-lienne Darrieus et un rotor Flettner (cylindre en rotation). Dans la conguration expérimentale, les auteurs se servent d'un moteur pour imposer la vitesse de rotation au système. La vi-tesse débitante de la souerie est de4,5m.s−1 ce qui est très proche, nous le verrons plus loin, de la vitesse de vent d'une des soueries dont nous dispo-sons. L'éolienne Darrieus de ce couplage a beaucoup de points communs avec celle que nous allons étudier plus loin : c'est une éolienne en H bipale avec des prols NACA0012, de 20cm de rayon et 20 cm de hauteur. Les auteurs annoncent que l'éolienne Darrieus seule à un CP maximum de 0,45 pour λ de5. La solidité de leur rotor est de σ = 0,2.
On retiendra, de manière générale, que les éoliennes de type Darrieus ont des performances très variables selon leur conception. Leur coecient de puissance peut aller de 0,1, jusqu'à 0,45. Il est dicile de discerner une corrélation entre les géométries et le bon rendement d'une éolienne tant les paramètres et les résultats sont variables et variés. Néanmoins, nous
pou-CHAPITRE 6. ÉOLIENNE 6.3. DIMENSIONNEMENT