Dynamic wind turbine

Principe

L'éolienne classique, soit tripale, soit tout autre type, est installée sur un véhicule mobile: char à voile, automobile, voilier ou paquebot. Lorsque le mobile se déplace face au vent, les pales sont soumises à une pression cinétique de la part du vent supérieure à celle qui serait exercée si elles n'étaient pas en mouvement relatif par rapport au sol.

Cette technologie en est encore au stade de l'expérimentation mais son application industrielle pourrait conduire à de substancielles économies dans le domaine des transports terrestres ou maritimes.

Limites cinétiques de propulsion éolienne face au vent

Etude théorique développée par Pascal HA PHAM

Mise en situation

On considère un mobile avançant contre le vent avec la seule force du vent via une éolienne
Il y a 4 entités en relation :

1. Le sol qui est le support du déplacement,
2. Le mobile qui se déplace,
3. L’éolienne montée sur le mobile,
4. Le vent traversant l’éolienne.

Tous ces éléments sont animés de vitesses par rapport à un référentiel fixe Rg supposé galiléen. Dans cette étude, le repère ( O, ex ) constitue l’unique axe de déplacement des 4 entités précédentes. On supposera que le sol (1) est immobile et que les vitesses sont par convention positives par rapport à Rg :

• : vitesse absolue du mobile (2)

• : vitesse absolue du vent (4)

Calcul des limites

Un mobile avance contre le vent avec la seule puissance du vent recueillie par une éolienne. La traînée de l’éolienne est prise en compte comme seule force s’opposant au mouvement et l’on suppose aussi que la puissance recueillie par l’éolienne est totalement et parfaitement transmise au mobile.

1. La puissance cinétique incidente sur l’éolienne vaut :



2. La puissance mécanique extraite :



où η est le rendement éolien.



3. La force de traînée induite par le ralentissement du vent vaut:



où k est le facteur de réduction, durant la traversée de l’éolienne, des vitesses du vent relativement au mobile.



4. La puissance de freinage, due à la traînée éolienne, vaut:

La limite en vitesse est atteinte lorsque la puissance mécanique vaut la puissance freinante:

soit,

d'où 

et finalement

Résultats pour différents types d'éoliennes

Eolienne type ROBIPLAN

Le rendement η est optimum quand le vent est freiné d’un facteur 2 (k = 1/2).

• En MONOROBIPLAN: η = 2 / 10, d'où
  

• En BIROBIPLAN: η = 4 / 10, d'où

Eolienne type tripale

Le rendement η = 48/100 est optimum quand le vent est freiné d’un facteur 3 (k = 1/3), d'où:

Limite ultime

Le rendement η =  16/27 maximum de Betz intervient quand le vent est freiné d’un facteur 3 (k = 1/3), d'où:

Synthèse des résultats

Type d'éolienne
Monorobiplan	25%
Tripale	56%
Birobiplan	66%
Ultime	80%

Exemples d'application

Propulsion de bateaux

Le Revelation II

Le catamaran de 36 pieds (12 mètres), Revelation II, est motorisé par trois pales de 20 pieds de longueur (6,7 m) en fibre de carbone installées sur un mât tournant de 30 pieds (10 m).  Le moulin à vent transmet la puissance à une hélice 6 pales sous-marine, avec le résultat net que le bateau peut se mouvoir même directement contre le vent.

A l'heure actuelle, vous êtes soit étonné, en pensant: «Pourquoi n'y avons-nous pas pensé avant?", ou vous réfléchissez dans votre tête aux raisons pour lesquelles ces bateaux ne sont pas actuellement en train de sillonner les mers en grand nombre.

Par exemple, comment un tel voilier peut-il se mouvoir dans le vent si les traînées produites dans le vent et dans l'eau sont compensées par la propulsion motrice générée?

Maquette de taille réduite

Le modèle remonte rapidement le vent de face.

Projet InVentus des étudiants de l'Université de Stuttgart

Ce projet développé par des étudiants de Stuttgart a permis d'expérimenter la traction du véhicule terrestre VentoMobile.