Optimisation du système éolien par le choix de la vitesse
Rappel : Polaire de force propulsive d'un profil (vent apparent)= modélisation
Nous connaissons l'allure que prend la polaire de force propulsive développée par un profil en fonction de l'orientation du vent apparent.
La valeur de force propulsive est ici donnée en pourcentage de la force aérodynamique générée par le profil.
La couronne extérieure correspond au gisement du vent apparent, c'est à dire sa direction par rapport à l'axe du navire.
Cette courbe est donc la modélisation graphique du système éolien considéré.
Rappel : Vent apparent (vent réel ; vitesse navire)
Le vent apparent est la somme vectorielle du vent réel et du vent relatif induit par le déplacement du navire.
A vent réel constant, toute variation de vitesse du navire impactera le vent apparent.
Polaire de force propulsive d'un profil (vent réel)
Pour un vent réel et une vitesse données, il est possible de visualiser l'efficacité du système éolien à fournir une force propulsive en considérant le rapport de la force propulsive à la force aérodynamique développée ce profil.
La valeur de force propulsive est ici donnée en pourcentage de la force aérodynamique générée par le profil
La couronne extérieure correspond au gisement du vent réel, c'est à dire sa direction par rapport à l'axe du navire
Le vent réel est égal à 11 noeuds
Remarque : Vitesse constante \(\forall TWA\)
Les courbes sont représentées ici en considérant que la vitesse du navire est indépendante du gisement du vent réel.
Autrement dit, on considère qu'une source d'énergie extérieure fournit la puissance additionnelle nécessaire au maintien de la vitesse de déplacement, comme cela peut être le cas sur un navire de charge hybride.
Augmentation de Vref= déformation de la polaire
On voit ici très nettement l'influence de la vitesse du déplacement du navire sur l'efficacité du système éolien à générer une force propulsive.
En se déplaçant à une vitesse de 7 nœuds on voit que la polaire est déformée et que l'angle à partir duquel la force aérodynamique générée peut être intégralement retransmise au navire recule vers l'arrière.
A l'allure de près, le rapport \(\frac{F_{prop_{eol}}}{F_{aero}}\) passe de 50% à seulement 20%.
Remarque : Augmentation de Vref= abattée
Le corollaire est que le simple fait de prendre de la vitesse va obliger le navire à abattre afin de garder la même force propulsive éolienne.
Vitesse navire > vitesse vent = diminution du rendement du système éolien
La courbe grise permet quant à elle de mettre en avant un autre phénomène : lorsque le navire se déplace plus vite que le vent, il devient impossible de récupérer l'intégralité de la force aérodynamique générée, et ce quelque soit le gisement du vent réel.
Fp/ Fa \(\not=\) Fp
Nous avons étudié ci-dessus le rapport de la force propulsive à la force aérodynamique.
Or, la force aérodynamique varie en fonction du gisement du vent apparent qui lui même, rappelons le, dépend du gisement du vent réel.
Ainsi, lorsque le navire abat, le vent apparent diminue, tout comme la force aérodynamique ce qui donne à la polaire l'allure ci-dessous :
La valeur de force propulsive est ici donnée en N/ m2 et correspond donc à la force générée par le profil par unité de surface.
La couronne extérieure correspond au gisement du vent réel, c'est à dire sa direction par rapport à l'axe du navire.
Le vent réel est égal à 11 nœuds.
Au fil de l'abattée, on récupère certes une plus grande part de la force aérodynamique, mais comme celle-ci ne fait que diminuer, la force propulsive diminue également.
Attention : Vent arrière
Au vent arrière, si la vitesse augmente, alors la force de propulsion vélique diminue jusqu'à devenir nulle, lorsque le navire se déplace aussi vite que le vent réel, autrement dit lorsque le vent apparent est nul.
Remarque : Puissance propulsive max pour TWA \(\simeq\) 90°
On remarque que la puissance propulsive maximale est obtenue pour des gisements de vent réel légèrement sur l'avant du travers, ce qui explique les efforts menés par les équipementiers afin d'obtenir des rendements importants aux allures de près, notamment en optant pour des profils à même de générer une force de portance de manière importante, avec une traînée modérée (finesse aérodynamique la plus élevée possible).
On voit que pour TWA sensiblement égal à 90°, la puissance propulsive est maximale.
Fondamental : Vitesse navire élevée = difficulté à optimiser
Ainsi, plus la vitesse commerciale sera élevée, plus il sera difficile de « récupérer » une portion importante de la force aérodynamique générée par le profil, et donc d'optimiser les économies de carburant.
La vitesse de 10 nœuds est utilisée dans ce graphique pour illustrer le propos, mais ne correspond en rien à une valeur absolue. Ce point optimal est à déterminer selon le type de bateau et de technologie.