Les pales d’éoliennes doivent-elles être plates, courbées ou inclinées ?
Le vent est une ressource énergétique gratuite, jusqu’à ce que les gouvernements imposent des taxes, mais le vent est également une source d’énergie très imprévisible et peu fiable, car il change constamment d’intensité et de direction. Pour tirer le meilleur parti de l’énergie éolienne disponible, il est donc important que la conception des pales d’éoliennes soit optimisée pour la performance.
Pour produire des quantités d’énergie utiles, les éoliennes doivent généralement être grandes et hautes, mais pour fonctionner efficacement, elles doivent également être bien conçues et fabriquées, ce qui les rend coûteuses. La plupart des éoliennes conçues pour produire de l’électricité sont constituées d’une hélice à deux ou trois pales tournant autour d’un axe horizontal. Il est évident que ces conceptions de pales d’éoliennes semblables à des hélices convertissent l’énergie du vent en énergie utilisable à l’arbre appelée couple.
Cela se fait en extrayant l’énergie du vent en le ralentissant ou en le décélérant alors qu’il passe au-dessus des pales. Les forces qui décélèrent le vent sont égales et opposées aux forces de levage type poussée qui font tourner les pales.
Tout comme une aile d’avion, les pales d’éoliennes fonctionnent en générant une portance grâce à leur forme courbée. Le côté le plus courbé génère une basse pression d’air, tandis que l’air à haute pression en dessous pousse sur l’autre côté de l’aile en forme de pale. Le résultat net est une force de levage perpendiculaire à la direction d’écoulement de l’air sur la pale de l’éolienne. L’astuce ici est de concevoir la pale rotative de manière à créer le bon montant de levée de pale et de poussée, produisant une décélération optimale de l’air et, par conséquent, une meilleure efficacité des pales.
Si les pales de l’hélice tournent trop lentement, elles laissent passer trop de vent sans perturbation, et n’extraient donc pas autant d’énergie que cela pourrait être le cas. D’un autre côté, si la pale de l’hélice tourne trop rapidement, elle apparaît au vent comme un grand disque tournant plat, ce qui crée une grande résistance.
Le rapport de vitesse optimum pour les extrémités (TSR), défini comme le rapport de la vitesse de l’extrémité du rotor à la vitesse du vent, dépend du profil de forme de la pale, du nombre de pales de l’éolienne et de la conception de la pale de l’hélice elle-même. Alors, quelle est la meilleure forme et conception pour une pale d’éolienne ?
En général, les pales d’éoliennes sont conçues pour générer la puissance maximale du vent au coût de construction le plus bas. Mais les fabricants de pales d’éoliennes cherchent toujours à développer une conception de pale plus efficace. Les améliorations constantes dans la conception des pales d’éoliennes ont engendré de nouveaux designs d’éoliennes qui sont plus compacts, plus silencieux et capables de générer plus de puissance avec moins de vent. On estime qu’en courbant légèrement la pale d’éolienne, elles peuvent capter 5 à 10 % de plus d’énergie éolienne et fonctionner plus efficacement dans des zones qui ont généralement des vitesses de vent plus faibles.
Conception des Pales d’Éoliennes
Alors, quel type de forme de pale produirait la plus grande quantité d’énergie pour une éolienne ? Les pales plates sont le design de pale le plus ancien et ont été utilisées pendant des milliers d’années sur les moulins à vent, mais cette forme plate et large devient moins courante que d’autres types de conception de pales. Les pales plates poussent contre le vent, et le vent pousse contre les pales.
La rotation qui en résulte est très lente parce que les pales qui tournent en arrière au retour après la production d’énergie s’opposent à la sortie d’énergie. C’est parce que les pales agissent comme de grandes pagaies se déplaçant dans la mauvaise direction, poussant contre le vent, d’où le nom de pales rotatives à traînée.
Cependant, les conceptions de pales plates offrent des avantages significatifs pour les bricoleurs comparées à d’autres conceptions de pales. Les pales rotatives plates sont faciles et peu coûteuses à couper à partir de feuilles de contreplaqué ou de métal, garantissant que les pales ont une forme et une taille cohérentes. Elles sont également les plus faciles à comprendre, nécessitant moins de compétences en conception et en construction. Cependant, leur efficacité et la facilité de production d’énergie électrique sont très faibles.
Les pales courbées sont très similaires à une longue aile d’avion (également connue sous le nom d’aérodynamique) qui a une surface courbée sur le dessus. La pale courbée a de l’air qui s’écoule autour d’elle, l’air se déplaçant plus rapidement sur le dessus courbé de la pale que sur le côté plat de la pale, ce qui crée une zone de basse pression sur le dessus et, par conséquent, est soumis à des forces de levage aérodynamiques qui créent un mouvement.
Ces forces de levage sont toujours perpendiculaires à la surface supérieure de la pale courbée, ce qui provoque le mouvement de la pale en rotation autour du moyeu central. Plus le vent souffle rapidement, plus il y a de levée produite sur la pale, d’où une rotation plus rapide.
Les avantages d’une pale rotative courbée par rapport à une pale plate résident dans le fait que les forces de levée permettent aux extrémités des pales d’une éolienne de se déplacer plus rapidement que le vent ne se déplace, générant ainsi plus d’énergie et des rendements plus élevés. En conséquence, les pales d’éoliennes à portance deviennent de plus en plus courantes. De plus, des pales d’éoliennes en PVC fait maison peuvent être découpées à partir de tuyaux de drainage de taille standard ayant déjà la forme courbée intégrée, leur conférant ainsi la meilleure forme de pale.
Flux d’Air et Performance des Pales Courbées
Cependant, les pales courbées souffrent également de traînée le long de leur longueur, ce qui tente de freiner le mouvement de la pale. La traînée est essentiellement la friction de l’air contre la surface de la pale. La traînée est perpendiculaire à la portance et est dans la même direction que l’écoulement de l’air le long de la surface de la pale. Mais nous pouvons réduire cette force de traînée en courbant ou en tordant la pale et également en l’effilant le long de sa longueur, produisant ainsi la conception de pale d’éolienne la plus efficace.
L’angle entre la direction du vent qui arrive et la pente de la pale par rapport au vent qui arrive est appelé l’« angle d’attaque ». À mesure que cet angle d’attaque devient plus grand, plus de levée est créée, mais si l’angle devient encore plus grand, supérieur à environ 20o, la pale commencera à diminuer la levée. Donc, il existe un angle de pente idéal pour la pale rotative qui crée la meilleure rotation, et les pales de rotor modernes d’éoliennes sont effectivement conçues avec une torsion le long de leur longueur, d’une pente raide à la racine à une pente très douce à la pointe.
Comme la vitesse à l’extrémité d’une pale tournante est plus rapide qu’elle ne l’est à sa racine ou son centre, les pales de rotor modernes sont tordues le long de leur longueur entre 10 et 20o de la racine à la pointe, de sorte que l’angle d’attaque diminue d’où l’air se déplace relativement lentement près de leur racine, à l’endroit où il se déplace beaucoup plus rapidement à la pointe. Cette torsion de la pale maximise l’angle d’attaque le long de sa longueur, obtenant le meilleur levée et rotation.
En conclusion, la longueur de la pale d’une éolienne détermine combien d’énergie éolienne peut être captée alors qu’elles tournent autour d’un moyeu central et les performances aérodynamiques des pales d’éoliennes sont très différentes entre une pale plate et une pale courbée. Les pales plates sont peu coûteuses et faciles à fabriquer, mais présentent de fortes forces de traînée les rendant lentes et inefficaces.
Pour augmenter l’efficacité des pales d’éoliennes, les pales rotatives doivent avoir un profil aérodynamique pour créer de la levée et faire tourner l’éolienne. Cependant, les pales de type aérodynamique courbées sont plus difficiles à fabriquer mais offrent de meilleures performances et des vitesses de rotation plus élevées, les rendant idéales pour la génération d’énergie électrique.
Cependant, pour obtenir la meilleure conception pour les pales d’éoliennes, nous pouvons améliorer encore plus l’aérodynamique et l’efficacité en utilisant des pales de rotor de type hélice torsadées et effilées. Tordre la pale change l’angle du vent le long de la pale, avec l’effet combiné de torsion et d’effilement le long de sa longueur améliorant l’angle d’attaque, augmentant la vitesse et l’efficacité tout en réduisant la traînée. De plus, les pales effilées sont plus solides et plus légères que les pales droites, car les contraintes de flexion sont réduites.
La conception des pales d’éoliennes est cruciale pour faire fonctionner une éolienne selon les attentes. Les innovations et les nouvelles technologies utilisées pour concevoir les pales d’éoliennes ne s’arrêtent pas ici ; de nouvelles formules et conceptions sont envisagées pour améliorer leurs performances, leur efficacité et leur production d’énergie chaque jour.
Pour en savoir plus sur les « Pales d’Éoliennes » et comment elles fonctionnent dans un système de production d’énergie éolienne, cliquez ici pour commander votre livre “Wind Power For Dummies” sur Amazon aujourd’hui et en apprendre davantage sur les éoliennes, l’énergie éolienne et les générateurs éoliens pour produire votre propre énergie gratuite.