Rendement énergétique d’un capteur éolien
Si l’énergie cinétique d’une masse d’air qui se déplace avecla vitesse v pouvait être complètement récupérée à l’aide
d’un dispositif ayant la surface A, située perpendiculairement
à la direction de la vitesse du vent, la puissance instantanée
serait :
avec ρ masse volumique de l’air (1,225 kg/m3 au niveau de la mer).
Mais en réalité une turbine éolienne extrait une puissance P
inférieure à la puissance disponible Pe, par suite de la vitesse non
nulle des masses d’air derrière l’aéromoteur. L’aptitude de
conversion de l’énergie éolienne est donnée par le coefficient
de puissance Cp, définit par la relation :
Si m représente la masse d’air qui traverse la surface A par unité de
temps à la vitesse moyenne v0, on obtient :
Avec :
v1 vitesse axiale d’écoulement en amont de la turbine,
v2 vitesse axiale en aval de la turbine,
v0 vitesse moyenne d’écoulement sur la surface A balayée par la
turbine :
On montre, en calculant, dp/dv2= 0 que le maximum de la puissance
est donné par :
L’efficacité de la captation d’énergie, qui dépend des caractéristiques
aérodynamiques et des réglages de la chaîne de conversion, est
inférieure à cette limite.
On introduit une variable sans dimension appelée vitesse spécifique
pour caractériser les performances aérodynamiques d’une éolienne :
Avec : Ω vitesse angulaire de rotation de la turbine,
R rayon de la turbine.
Le rendement aérodynamique
max η est, de ce fait, représentatif de la « qualité
aérodynamique » de l’éolienne dans les meilleures conditions de
réglage. Les performances aérodynamiques sont reflétées
également par la variation du coefficient de couple:
