5.4 Essais expérimentaux
5.4.7 Rendements
La gure 5.19 présente les rendements issus des simulations et ceux issus du banc d'essais. Comme vu plus haut, les erreurs de mesures sur le ren-dement sont importantes, de plus nous ne connaissons pas celui du moteur avec précision. Sur la courbe 5.19, pour pouvoir comparer simulations et ex-périences, une estimation du rendement du moteur a été prise en compte.
Pour le MV4, le rendement moteur est issu de données constructeur et envi-ron égal à 40%. Pour les prototypes, nous ne connaissons pas le rendement exact du moteur utilisé. Nous avons pris arbitrairement celui d'un moteur semblable et l'avons donc considéré constant et égal à 60%. La mesure du rendement sur le banc expérimental n'a pas été faite pour le MV4 et cette donnée n'est donc pas validée.
Comme nous ne pouvons pas nous er aux résultats expérimentaux concer-nant les rendements, nous utiliserons les résultats des rendements des simu-lations pour réaliser des choix de géométrie. Nous voyons malgré tout que le classement des géométries est conservé et que c'est le ventilateur A (5 pales) qui a les meilleures performances dans les deux cas. Même si elle dé-veloppe une puissance aéraulique plus faible que la géométrie E pour une vitesse de rotation donnée, elle atteindra sa puissance maximale d'utilisation lorsque l'éolienne travaillera à des vitesses de vent plus élevées que la vitesse
5.5. CONCLUSIONS CHAPITRE 5. VENTILATEUR
Figure 5.19 Rendements en fonction du coecient de débit. Comparaison entre le MV4 (gris) et les ventilateurs A (bleu) et E (rouge). Résultats expéri-mentaux (banc d'essais en carrés, référence CETIAT en ronds) et numériques (triangles).
minimale de4 m.s−1.
5.5 Conclusions
Dans ce chapitre, nous avons adapté une méthode de dimensionnement des ventilateurs qui a permis le pré-dimensionnement de plusieurs géomé-tries. Parmi ces géométries, trois ont été sélectionnées et testées à l'aide de simulations RANS MRF. Les résultats des simulations ont permis de ne gar-der que deux ventilateurs. Un banc d'essais a ensuite été monté pour tester les ventilateurs. Il a d'abord été validé à partir des données expérimentales disponibles pour le MV4. Les mesures expérimentales des débits et pressions ont permis de conrmer les résultats obtenus par simulations numériques.
La très bonne concordance entre les deux permet de valider la méthode de simulation RANS MRF. Les mesures du rendement étant liées à de fortes incertitudes sur la mesure de la puissance électrique, et le manque de don-nées ables sur le rendement du moteur utilisé, font que la bonne adéquation trouvée entre simulations numériques et expériences pour le coecient de pression ne se retrouve pas pour le rendement. Finalement, la géométrie A a été sélectionnée car c'est celle qui a les meilleures performances. Le fait que sa vitesse de rotation nécessite des valeurs plus élevées n'empêchera pas son
CHAPITRE 5. VENTILATEUR 5.5. CONCLUSIONS couplage avec l'éolienne et pourra au contraire être un avantage en cas de forts vents.
5.5. CONCLUSIONS CHAPITRE 5. VENTILATEUR
Chapitre 6 Éolienne
Dans ce chapitre, nous allons dimensionner et tester expérimentalement une éolienne adaptée à un couplage avec le ventilateur sélectionné précé-demment. Le choix est fait de travailler sur une éolienne verticale et plus précisément, une éolienne Darrieus. Deux modèles seront testés : un d'une hauteur de 18,5 cm et l'autre d'une hauteur de70 cm.
6.1 Introduction aux éoliennes
Depuis quelques années, les énergies renouvelables ont retrouvé une place importante dans la production énergétique. Des ressources utilisées depuis l'Antiquité telles l'énergie hydraulique, l'énergie solaire ou l'énergie éolienne, abandonnées lors du développement de l'exploitation des énergies fossiles (dont le nucléaire), bénécient d'un regain d'attention, de recherches scien-tiques et de développements technologiques. Dans notre projet, c'est une éolienne qui apportera la part d'énergie "propre" à l'extracteur d'air.
Il existe principalement deux types géométriques d'éoliennes : celles à axe horizontal comme les éoliennes de pompage américaines ou encore les éoliennes tripales que l'on croise dans nos régions ventées pour produire de l'électricité ; et les éoliennes à axe vertical, que l'on aperçoit plus rarement.
L'éolienne qui peut le plus facilement être couplée à un ventilateur avec un minimum de pièces mécaniques est une éolienne dont l'axe est dans la même direction que celui du ventilateur. Nous choisirons donc de travailler avec des éoliennes à axe vertical. Elles présentent aussi l'avantage d'être plus simples de conception que les éoliennes à axe horizontal et sont capables de recevoir le vent dans toutes les directions, ce qui est adapté à un usage urbain.
On voit sur la gure 6.1 les principaux types d'éoliennes existants et leurs coecients de coupleCM et de puissanceCP en fonction de leur vitesse
6.1. INTRODUCTION AUX ÉOLIENNES CHAPITRE 6. ÉOLIENNE spécique λ.
Le ratio des vitesses en bout de pales s'écrit : λ = ωR
Vvent = 2πN R
Vvent (6.1)
Il représente la vitesse tangentielle à l'extrémité de la pale de l'éolienne adi-mensionnée par la vitesse du vent Vvent reçu par celle-ci. R est le rayon du rotor,ω la vitesse de rotation en rad.s−1 que l'on peut écrire en fonction de N la vitesse de rotation en tr.s−1.
Le coecient de puissance s'écrit : CP = P
1
2ρSVvent3 (6.2)
Il représente la puissance P récupérée à l'arbre, adimensionnée par la puis-sance dynamique du vent passant au travers de la sectionS de l'éolienne.
Le coecient de couple s'écrit :
CM = CP
λ (6.3)
Les deux éoliennes à axe vertical les plus connues et les plus documentées sont l'éolienne Savonius (voir 6.2a) et l'éolienne Darrieus (voir 6.2b). L'éo-lienne Savonius est une éoL'éo-lienne à traînée diérentielle. Elle est composée d'au moins deux godets sur lesquels le vent engendre une surpression. Cette surpression étant toujours plus importante sur la face concave du godet que sur sa face convexe, l'éolienne se met en rotation. De manière globale, les éoliennes Savonius ont un ratio des vitesses en bout de pales et un coecient de puissance faibles. Elles ont en revanche, comme on le voit sur les courbes 6.1, un coecient de couple relativement élevé à faible λ. Ceci leur donne l'avantage de démarrer seules et de tourner à des vents de basse intensité.
L'éolienne Darrieus est une éolienne à portance. Son rotor est composé en général de deux ou plusieurs pales prolées. Selon le même principe qu'une aile d'avion, l'air parcourant l'extrados a un chemin plus long à faire que l'air parcourant l'intrados. Cette diérence de vitesses entraîne une diérence de pression entre l'intrados et l'extrados qui génère la force de portance et met l'éolienne en rotation. La force de traînée est bien évidemment présente comme sur les éoliennes à traînée diérentielle mais a tendance à contrer le mouvement de rotation de l'éolienne. Elles possèdent un couple faible et leur ratio de vitesses en bout de pale est plus élevé que celui de l'éolienne Savonius. Ce sont des éoliennes qui nécessitent souvent une assistance pour démarrer, ce qui est peut être un problème pour l'application à un extracteur
CHAPITRE 6. ÉOLIENNE 6.2. ÉTAT DE L'ART d'air. Il faut en eet que les pales atteignent une vitesse relative par rapport au vent susante pour que la portance des pales soit eective. Elles ont par contre un coecient de puissance en général bien plus élevé que les éoliennes Savonius.
(a) Coecient de puissance (b) Coecient de couple Figure 6.1 Caractéristiques des principaux types d'éoliennes (images issues de [5])