NOTIONS RELATIVES AUX EOLIENNES

Nous ne nous intéressons dans ces pages seulement à l'éolien moyen de 10 de KW à 100 KW. Les éoliennes en question, pourraient être adaptées pour un montage dans un ballon gonflé à l'hélium. Les altitudes de travail pourraient se trouver dans la zone 100m à 1000 m, typiquement vers 300 m.

Actuellement de nombreuses recherches et de nombreux articles futuristes concernent les éoliennes de haute altitude. Trop compliqué pour nous de juger ces projets, nous nous contentons de la première étape avec l'éolien de basse altitude.

Les études scientifiques le prouvent, en haute altitude les vents sont plus importants qu'au sol.

Par contre vers 1000 m, la vitesse du vent est le double de celle au sol. Et quand on sait que la puissance produite varie comme le cube de la vitesse du vent, on peut donc récupérer beaucoup plus d'énergie en altitude. ( Christina Archer Université de Californie ).

Ex : La vitesse du vent passe par exemple de 15 m/s à 100 m à 20 m/s entre 300 et 500 m. Le rendement est doublé ( 1.25)³ .

Une cartographie des vents au-dessus de 50 m existe déjà ( Ken Caldeira Institution Carnégie ). Beaucoup d'organismes fournissent des atlas de distribution de vent et de qualité de vent. Exemple canadien

Vitesse du vent : Voici un document ( voir site ) qui donne la vitesse du vent en fonction de l'altitude H2 quand on connaît la vitesse à l'altitude H1

Classe de rugosité	Longueur de rugosité z₀	Types de surfaces
0	0.0002 m	Eau: mers, lacs
0.5	0.0024 m	Terrains découverts avec surfaces nues, p. ex: béton, pistes d'atterrissage, gazon tondu, etc.
1	0.03 m	Terrains agricoles découverts, sans clôtures ni haies, év. avec des constructions éparpillées et des collines peu profilées
1.5	0.055 m	Terrains agricoles avec quelques bâtiments et des haies de 8 m de hauteur distantes de plus de 1 km
2	0.1 m	Terrains agricoles avec quelques bâtiments et des haies de 8 m de hauteur distantes d'env. 500 m
2.5	0.2 m	Terrains agricoles avec de nombreux bâtiments, des buissons et des plantes ou des haies de 8 m de hauteur distantes d'env. 250 m
3	0.4 m	Villages, petites villes, terrains agricoles avec de nombreuses haies ou de hauts arbres, forêts, terrains très accidentés
3.5	0.6 m	Grandes villes avec de hauts bâtiments
4	1.6 m	Grandes villes avec de hauts bâtiments et des gratte-ciel

Exemple : près du sol à 2 m; le vent est à 10 m/s, sur un sol de champs cultivés sans construction. L'indice de rugosité vaut Zo = 0.03, la vitesse du vent à 300 m d'altitude est de 13.8 m/s, donc un gain de 38 % qui conduira à une puissance multipliée par 2.64, ce qui est très important.

Calcul de performance : le site suisse ci-dessus fournit, une étude probabiliste ( certainement intéressante à mettre en place ) permettant d'estimer au mieux la production d'énergie connaissant la distribution annuelle des vents et de leur vitesse. Le site permet de simuler une production

Les éoliennes sont conçues pour démarrer avec un vent de 3 à 4 m/s, trouve le bon régime entre 12 et 15 m/s et atteignent leur limite de sécuritévers 325 à 30 m/s.

Faut-il rappeler que la production d'énergie propre et durable est d'actualité? L'idée est donc d'amener en altitude avec des engins volants ( de tout type ), des générateurs activés par le vent et produisant de l'électricité. ci dessous Skystream 2.5 kW , 3.7 m wind turbine voir http://www.altaerosenergies.com/

- Le vent est une ressource durable et gratuite. Certes les régions à fort contraste de température dans les couches atmosphériques, sont mieux loties que d'autres.

- Encombrement au sol limité, sans infrastructure au sol, permettant la mobilité des équipements

Plus réguliers, plus rapides qu'au sol ( voir plus haut ) et s'affranchissent des remous, des reliefs ....

a) Comme en témoignent de nombreux articles, un dispositif pour des altitudes de l'ordre de 500 m, peut se transporter d'un lieu à l'autre, assez facilement.

b) Cette mobilité pourrait être très utile pour des populations vivant dans des territoires extrêmes, isolés avec quelquefois des populations en voie de développement. Un peu d'électricité permettrait à l'enseignement d'atteindre des régions très isolées.

c) Cette mobilité permettrait aussi une alimentation électrique de fortune, rapide en cas de catastrophes naturelles, surtout pour des hôpitaux.

- Rapatriement au sol rapide pour des éoliennes à moins de 1000 m, ce qui n'est pas le cas des systèmes à haute altitude. Un orage qui se développe en 1 heure, permet le rapatriement du ballon, alors que pour les systèmes au dessus de 1000 m l'opération devient rapidement impossible.

- Récupération de l'énergie électrique et automatisation surveillée du système, par le câble de sustentation.

- Paraît-il, la surface du globe terrestre exploitable en éolien, pourrait passer de 13 à 43% par rapport à l'éolien au sol.

- Peu de déchets en fin de vie, aucun danger pour la santé ( particules, gaz à effet de serre, ...radioactivité, CO² ..)

- La mobilité qui est un atout pour les petites éoliennes dont l'encombrement ne dépasse pas 10-12 m, donc de puissances entre 10 et 50 KW, devient un inconvénient pour des structures plus grandes. Le déplacement routier pose problème, de même que la protection, au sol, par vent violent.

- Surveillance en cas de tempête, un automatisme de rapatriement semble "difficile"

- Équipement de détection d'engins civils volants, pour prévenir tout accident.

- Multiplication du nombre d'installations, vue la puissance limitée d'un système.

Tiré d'un document internet la puissance réelle maximum P ( compte tenu de tous les rendements des éléments de la chaîne de production ) est donné par une formule simple, où D est le diamètre de l'hélice en m et V la vitesse du vent en m/s :

Par exemple un diamètre de 6 m et une vitesse de vent de 15 m/s pourraient donner une puissance de 24.7 KW

NB : On retiendra que cette puissance évolue comme le cube de la vitesse du vent. D'où un intérêt évident à rechercher des vents forts et réguliers. Les éoliennes volantes profitent en altitude de ces 2 qualités du vent. Le site indiqué plus haut montrait un abaque

que j'ai essayé de vérifier pour la ligne tracée D=2 m, V= 45 km/h = 12.5 m/s ce qui devrait donne P = 0.203*2^2*1253 = 1.59 KW au lieu de 1 KW annoncé. Ce doute m'a conduit à tenter de déchiffrer l'abaque!!

1 - la colonne de gauche concernant la vitesse est graduée en échelle logarithmique comme une variable Y1 = 3*log(V)

2 - L'échelle de droite concernant le diamètre est graduée en échelle logarithmique comme une variable Y2 = 2*log(D)

3 - Celle du milieu ( demi somme des bases d'un trapèze ) est aussi graduée en échelle logarithmique comme Y3 = ( Y1 + Y2 )/2 = 3*log(V)+ 2*log(D)

La relation donnant P fournit log(P) = 3*log(V)+ 2*log(D)+log(0.203) donc log(P) = 2*Y3+log(0.203) et

Conclusions : l'axe central peut être facilement gradué en puissance. Ce que j'ai refait avec Matlab, ce qui donne l'abaque ci-dessous, limitée aux puissance de l'éolien moyen.

NB : L'abaque peut etre reconfigurée sans problème avec une autre constante que 0.203. Programme utilisé abaque0.m Récupérer ce programme

Comment utiliser l'abaque? On joint les 2 points indiquant sur chaque axe vitesse et diamètre et on lit la puissance sur l'axe médian.

Remarque : de manière générale ce type de représentation fonctionne pour toute loi comprenant le produit de 2 puissances Z = A Xⁿ Y^m avec A, m, n réels

Notre projet d'éolienne volante/ Le diamètre pourrait être sensiblement de 7 m, ce qui donne pour un vent de 10 à 20 m/s, une puissance possible réaliste de l'ordre de 10 à 80 KW

Elle évolue sensiblement comme le cube du diamètre de l'éolienne. C'est un point capital, car pour les éoliennes volantes, la croissance de la puissance, évoluant aussi comme le carré du diamètre, nécessite une augmentation de la longueur des pales et donc de la masse. On peut en déduire que la masse est proportionnelle à la puissance fournie. Le volume d'hélium est lui aussi proportionnel à la dimension des pales, car 1 m³ d'hélium permet sensiblement de sustenter 1 kg de matériel en plus ( grâce à la poussée d'Archimède ).

Bien évidemment, l'éolien volant sera d'autant plus attractif que des progrès conséquents apparaîtrons sur la technologie du processus. De ça que je relate ci-dessous, rien n'est de moi, je reporte simplement ce que j'ai pu lire, intéressant l'éolien de basse altitude, au hasard de mes recherches.

1°) Éolienne à lentille : ( Attention: ce n'est pas Yuji Ohyav qui écrit !!! )

L’invention d’un chercheur japonais, Yuji Ohyav, travaillant à l’Université de Kyushu, a permis de faire un grand pas en avant car elle permet de multiplier le rendement des éoliennes d’une nouvelle génération capable de produire de 2 à 3 fois plus d’énergie. L’invention est aussi simpliste que géniale. Il suffit d’ajouter une paroi, une sorte de court cylindre de forme conique appelle « lentille » positionné autour des pales.

L’ajout de cette « lentille » ( "Wind Lens" ou « Wind Lens Turbine » en anglais) permet de créer une zone de dépression qui aspire le vent, concentrant et accélérant le flux à travers les hélices.

Les éoliennes avec « lentille » sont particulièrement efficace avec des vents faibles comparé aux éoliennes classiques, grâce à la lentille qui crée une zone de dépression qui aspire le vent, concentrant et accélérant le flux à travers les hélices.
2°) Câble à iso contrainte :

J'espérais un gain appréciable en imposant une contrainte en traction constante tout le long du câble. En effet la tension maximale se produit sous le ballon, et donc la section est calculée pour cette force maximale, ce qui n'est pas le cas, au sol.

Le calcul révèle en fait que la tension évolue peu entre le sol et le ballon, car le poids du câble devient très faible devant la force du 'pire cas'.

- Maintenir, en toute sécurité, le ballon en altitude, tant que le vent ne dépasse pas 30 m/s par exemple.

- l'un présentant un câble d'ascenseur en fibre de carbone, dont validant la fiabilité d'un concept carbone pour le câble

- l'autre expliquant que EDF commençait une expérience de transport de son énergie avec des conducteurs en carbone.

Il est clair que les fibres carbone ont une limite d'élasticité de l'ordre typiquement 10 fois supérieure à celle de l'acier et une masse volumique 4 fois inférieure. Ce rapport de 40 plaide fortement en faveur du choix d'un câble en fibre de carbone. Reste à choisir la forme, cylindrique ou une bande?

NB : Dans le cas de la bande, il faut simuler la traînée sur le câble. Rappelons qu'en cas de section cylindrique.

2°) Avancement du concept : Bien évidemment, pour certains projets la faisabilité n'est pas encore acquise. Une seule certitude aujourd'hui, des éoliennes entre 300 et 600 m d'altitude sont réalisables, certaines déjà au stade des essais en vol. Restent des problèmes de sécurité et de rapatriement rapide en cas de tempête.