Turbine axiale avec diffuseur

Présentation

Cette solution se compose d'une éolienne axiale bi ou tri pale similaire à l'actuelle RAT sauf que celle ci se retrouve entourée d'un diffuseur afin de profiter des effets potentiels. Son utilité est similaire à celle du convergent que l'on développera plus tard pour l'éolienne de Savonius.

L'objectif est double, se rapprocher de la limite de Betz qui est la limite théorique de puissance que l'on peut récolter dans un écoulement et qui vaut environ 60% et augmenter la puissance de l'écoulement grâce à l'effet Bernoulli. Nous conservons une éolienne axiale puisque c'est celle ci qui sont naturellement les plus proches de cette limite.   

 

Modèle 3d d'éolienne tripale avec diffuseur , schéma d'un possible dispositif

Mise en pratique

Cette solution a déjà été testé dans l'éolien civil en Nouvelle-Zélande par la société Vortec bien que originellement développée par la Grumann Aerospace Corporation. Le gain sur la puissance de l'éolienne est supposée être de l'ordre de 6 par vent favorable par rapport à une éolienne nue.

Cependant dans l'éolien civil ce fut un échec commercial du fait de l'existence des vents transversaux. En effet les vents atmosphériques sont chaotiques (notamment aux niveau des quarantièmes rugissant où se situe la Nouvelle Zélande) et ils avaient tendance à malmener les installations. Dans le cas qui nous intéresse il n'existe qu'une seule direction d'écoulement, celle induite par la marche de l'avion et que l'on ressent lorsqu'on se met dans son référentiel.

M. Ragheb propose qu'un diffuseur bien conçu doit faire entre 7 et 10 diamètres de rotor pour avoir un impact significatif sur le gain de l'éolienne. Ce qui rendrait notre solution trop encombrante. Cependant le gain en puissance nous permet de réduire la taille de l'éolienne pour les même capacité d'un facteur $\sqrt{6}$ idéalement.

En effet la puissance d'un écoulement s'écrit:

$ P= \frac{1}{2} \rho V_{inf}^3 A$

Avec $\rho$ la densité du fluide Vinf‚Äč la vitesse impactante et A l'aire de la section $A=\pi R^2$ avec R le rayon du rotor. les puissances étant dans un rapport 6

$\frac{P_2}{P_1}=\frac{R_2^2}{R_1^2}=6$ donc $\frac{R_2}{R_1}=\sqrt{6}$  on a bien les rayons qui sont dans un rapport $\sqrt{6}$

Malgré cette réduction, cette solution ne règle pas le problème du déploiement, comment ranger ce diffuseur pour qu'il prenne le moins de place possible? De plus même si l'éolienne est réduite l'ajout de ce diffuseur peut rendre la solution plus lourde que l'actuelle RAT. Un tel dispositif n'a été testé en soufflerie que pour des vents à vitesses modérées (10m/s à 20m/s). En effet  il était destiné à l'éolien civil, donc tous les nombres précédents même si ils sont adimensionnels sont à prendre avec précaution.

C'est à cause de tous ces facteurs que nous n'avons pas souhaité pousser plus loin l'exploration.