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Performance d’une éolienne sur un bateau

Energie fournie par le vent par unité de surface

L’énergie utilisée par l’éolienne est l’énergie cinétique fournie par le vent. L’énergie cinétique en joules s’exprime par: La masse de l’air traversant l’éolienne pendant une seconde est proportionnel à sa vitesse et à la surface de l’éolienne, la puissance (énergie disponible pendant une seconde) peut donc s’écrire :


La masse de l’air traversant l’éolienne pendant une seconde est proportionnel à sa vitesse et à la surface de l’éolienne, la puissance (énergie disponible pendant une seconde) peut donc s’écrire. La puissance disponible en watts est donc égale à :

L’énergie disponible pour l’éolienne est proportionnelle au cube de la vitesse du vent, ce qui explique que les performances des éoliennes augmentent notablement avec la vitesse du vent.

A noter que cette énergie est celle fournie par le vent (pas celle transformée en énergie électrique par l’éolienne).

Le théorème de Betz indique que 60% au maximum de l’énergie peut être récupérée.
D’autre part, si l’on considère la masse volumique de l’air en moyenne, on en déduit la limite de Betz. Ainsi la puissance fournie par une éolienne ne sera jamais supérieure à:

En fonction du diamètre de l’éolienne, ceci s’exprime :
Ceci est la puissance théorique maximum que peut récupérer l’éolienne, cette puissance maximum sera affectée par les différents rendements des composants de l’éolienne (hélice, alternateur, redresseur…). Les éoliennes disponibles sur le marché ont un rendement situé entre 30 et 50% de la limite de Betz. Les éoliennes les plus performantes qui ont été construites ont atteint des rendements de 70%, mais pour atteindre de tels résultats les coûts sont importants, c’est pour celà que le rendement des éoliennes actuelles est plutôt moins élevé.

Force de trainée d’une éolienne

Un autre point à prendre en compte lors de l’installation d’une éolienne est la force de trainée, c’est la force exercée par l’éolienne dans le sens du vent (horizontal) et qui doit être prise en compte pour dimensionner le pilône pour les installations terrestres ou le portique sur un bateau ou se trouve l’éolienne.
Cette force de traînée s’exprime :

Dans la notice des fabricants, il est mentionné la force horizontal que doit être en mesure de supporter le support dans le sens horizontal ainsi pour la air X , le support doit être en mesure de supporter 68kg de force horizontal alors que pour l’éolienne de 400 watts pourtant plus lourde, la force horizontale exercée n’excède pas 50kg.
Dans tous les cas, c’est la force maximum exercée en latéral plus que le poids qui exerce le plus de force sur le support.

Influence du nombre de pales d’une éolienne

Une différence notable est le nombre de pales. Il existe deux principales catégories :

  • Les bi ou tripales
  • Les multipales

Moins il y a de pales, meilleur est le rendement (lorsqu’il y a trop de pales, la pâle précédente perturbe l’air arrivant sur la pale suivante). Par contre une éolienne avec un plus grand nombre de pales démarrera plus tôt, c’est pour cette raison que des éoliennes multipales sont utilisées pour les pompes à eau (elles ont un couple de démarrage plus élevé).
Pour une éolienne destiné à produire de l’électricité sur une installation autonome, il vaut mieux privilégier les modèles à trois pales (c’est le meilleur compromis entre la vitesse de démarrage et le rendement).

Nombre de pales Rendement Vitesse de vent minimum pour le démarrage
Bi ou tri pales entre 40 et 50% environ 10 noeuds
Multipales entre 30 et 35% environ 6 noeuds

Voici la production d’énergie en Ah de deux éoliennes marines (Air X marine (tripale) et Rutland (multipales) en fonction de la vitesse du vent :

Production d’énergie en Watts en fonction de la vitesse du vent en noeud

Dés 10 noeuds de vent, celles ci apportent une énergie significative (plus de 25 watts) qui peut être utilisé pour alimenter un réfrégirateur. Enfin, l’énergie produite par les deux éoliennes est comparable pour les vents faibles (jusque 15 nœuds) et l’air X produit nettement plus d’énergie dans les vents forts.

Caractéristiques

Caractéristiques Commentaires
Diamètre du rotor La puissance maxi d’une éolienne est proportionnelle au diamètre. Pour une utilisation marine les diamètres varient de 0.8 m à 1.4 m.
Vitesse de démarrage Vitesse du vent minimum pour la mise en rotation des pales.
Tension 12 Volts ou 24 Volts
Puissance Maxi de 200 à 400 W. Toutefois cette valeur doit être associée à une vitesse de vent. (Voir courbe ci dessous)

Autres caractéristiques :

Encombrement :

Une éolienne mal positionnée sur un bateau peut être extrêmement dangereuse. Il est important de prendre en compte les zones d’évitage horizontales et verticales (rotation des pales et rotation de l’éolienne par rapport à l’axe vertical). D’autre part, il faut porter une attention particulière à son installation.

Schéma d’une éolienne

Branchement électrique

Le branchement électrique est très simple car seulement deux fils sont à connecter. La puissance d’une éolienne étant variable il est nécessaire d’utiliser un régulateur pour éviter de surcharger les batteries ou pour exploiter au mieux l’énergie disponible. Selon les modèles les régulateurs sont soit intégrés soit déportés de l’éolienne. Dans le premier cas le branchement s’effectuera directement vers les batteries et pour l’autre cas le raccordement se fera sur le régulateur. Voir le chapitre régulation pour avoir un aperçu des particularités d’un régulateur d’éolienne.