Aérodynamique des éoliennes à axe horizontal
Extraire l'énergie cinétique du vent
Une éolienne est un dispositif d’extraction cinétiquel'énergie du vent. En supprimant une partie de son énergie cinétique, le vent doit ralentir mais seule la masse d'air traversant le disque du rotor est affectée.
En supposant que la masse d'air affectée resteSéparée de l'air qui ne traverse pas le disque du rotor et ne ralentit pas, on peut tracer une surface de délimitation contenant la masse d'air affectée et cette délimitation peut être étendue aussi bien en amont qu'en aval en formant un long tube de flux de section transversale circulaire. Aucun air ne traversant la limite, le débit massique de l'air circulant dans le tube de flux sera donc le même pour toutes les positions du flux le long du tube.
Étant donné que l'air dans le tube de flux ralentit, mais ne se compresse pas, la section transversale du tube de flux doit s'étendre pour permettre à l'air se déplaçant plus lentement (Figure 1).
Bien que l’énergie cinétique soit extraite de laflux d'air, un changement brusque de vitesse n'est ni possible ni souhaitable en raison des énormes accélérations et forces nécessaires. L'énergie de pression peut toutefois être extraite par paliers et toutes les éoliennes, quelle que soit leur conception, fonctionnent de cette manière.
Figure 1 Tube de courant d'extraction d'énergie d'une éolienne
La présence de la turbine provoque un ralentissement progressif de l'air en approche, en amont, de sorte que lorsque l'air arrive sur le disque du rotor, sa vitesse est déjà inférieure à la vitesse du vent en flux libre.
Le courant-tube se dilate à la suite de laralentissant et, comme aucun travail n’a encore été effectué, sa pression statique augmente pour absorber la diminution de l’énergie cinétique. Lorsque l'air traverse le disque du rotor, il est prévu que la pression statique chute à une valeur telle que, à la sortie, l'air est en dessous du niveau de pression atmosphérique. L'air passe ensuite en aval avec une vitesse et une pression statique réduites - cette région de l'écoulement s'appelle le sillage.
Finalement, loin en aval, la pression statiquedans la foulée doit revenir au niveau atmosphérique pour atteindre l’équilibre. L'augmentation de la pression statique se fait aux dépens de l'énergie cinétique et provoque donc un ralentissement supplémentaire du vent. Ainsi, entre les conditions très éloignées en amont et très éloignées du sillage, il n’ya pas de changement de pression statique, mais une énergie cinétique est réduite.