Pale d’éolienne – Aérodynamique
Les pales d’éoliennes sont profilées pour générer la puissance maximum à partir du vent, à un coût minimum. La conception découle d’abord des exigences aérodynamiques, mais la forme de la pale est compromise par des exigences économiques comme un coût de construction raisonnable. La pale tend en particulier à devenir plus épaisse que l’optimum aérodynamique à proximité de la racine où les efforts de flexion sont les plus importants.
Pale d’éolienne – Conception
Le procédé de conception des pales commence par un compromis entre l’aérodynamique et l’efficacité structurale. La sélection des matériaux et le procédé de fabrication auront également un impact sur la finesse (et donc l’aérodynamique idéale) de la pale qu’il est possible de construire. La forme aérodynamique choisie donne naissance à des charges qui sont intégrées dans le procédé de conception structurale ; tout problème identifié à ce stade peut alors être utilisé pour modifier la forme et recalculer la performance aérodynamique.
Longueur
La longueur de la pale détermine la quantité d’énergie éolienne qui peut être captée selon la « surface balayée » du disque rotor. Sur la quantité totale d’énergie éolienne, seule la moitié peut être extraite en toute vraisemblance (limite de Betz).
Section aérodynamique
Les pales présentent un profil aérodynamique dans leur section transversale pour créer une portance et faire tourner l’éolienne.
Forme du plan
La forme du plan se resserre vers l’extrémité pour maintenir un effet de ralentissement constant sur la surface balayée. Ainsi, aucune quantité d’air ne quitte la turbine trop lentement (provoquant des turbulences), bien qu’aucune partie ne puisse traverser trop rapidement (ce qui représenterait un gaspillage d’énergie).
Épaisseur du profil
L’épaisseur augmente vers la racine pour supporter les charges structurales et les moments de flexion. Si les charges n’étaient pas importantes, alors l’épaisseur de cette section / rapport de la corde serait d’environ 10 % à 15 % sur toute la longueur. Les sections à « revers plats » peuvent être utilisées à proximité de la racine pour améliorer l’efficacité aérodynamique.
Vrillage de la pale
L’angle apparent du vent change le long de la pale à cause de l’augmentation de la vitesse de la pale, qui s’accentue aux extrémités. Alors, pour maintenir l’angle d’attaque optimal de la section de la pale par rapport au vent, elle doit être vrillée sur toute sa longueur.
Nombre de pales et vitesse de rotation
En général, la vitesse de rotation est choisie afin que les extrémités se déplacent sept à dix fois la vitesse du vent. Par conséquent, il est rare que le nombre de pales dépasse trois. À des vitesses supérieures et avec un nombre de pales plus élevé, chaque pale doit être plus étroite, et donc plus fine. Assurer une bonne solidité de la pale devient donc plus difficile. À des vitesses de rotation très élevées, les pales commencent également à perdre en efficacité aérodynamique, à devenir bruyantes et sont davantage soumises à l’érosion et aux collisions avec des oiseaux. À des vitesses de rotation basses, les pertes de tourbillons au niveau du sillage et de l’extrémité réduisent l’efficacité tandis que les poussées axiales sur les autres composants augmentent.
Commande de pas
Étant donné que l’énergie éolienne varie considérablement, la turbine doit pouvoir générer de l’électricité à partir de vents faibles et supporter les charges des vents plus forts. En conséquence, au-delà de la vitesse optimale du vent, les pales sont en général régulées en fonction du vent (pas variable) ou sans en tenir compte (régulation active par décrochage) pour réduire l’électricité produite et réguler les charges.
Pale d’éolienne – Conception des composites
La sélection des matériaux et le procédé de fabrication auront également un impact sur la finesse (et donc l’aérodynamique idéale) de la pale qu’il est possible de construire, et à quel coût. En conséquence, la technique des structures joue un rôle primordial pour rassembler toutes les disciplines de la conception et de la fabrication, et créer une solution optimale en termes de performance et de coût, en définissant l’aérodynamique optimale.
Pale d’éolienne – Méthode de fabrication
La conception structurale d’une pale est étroitement liée à la méthode de fabrication ; ces deux facteurs doivent être pris en compte pour créer une pale rentable et fiable. Il existe deux approches principales pour fabriquer des pales d’éoliennes avec la possibilité d’utiliser la technologie de la préimprégnation ou de l’infusion. Le choix du procédé de fabrication fait l’objet de nombreux débats au sein de l’industrie éolienne. Le procédé d’infusion est couramment perçu comme étant le moins onéreux grâce à un faible coût. Les pales en préimprégnés permettent d’utiliser davantage les propriétés de la résine, d’employer un niveau d’automatisation supérieur et un procédé plus uniforme, permettant ainsi de réduire le poids de la pale. Une diminution du poids de la pale réduit les charges à la fois sur la pale mais également sur le générateur, permettant de réduire les coûts et l’usure sur les autres composants de l’aérogénérateur.
Pale d’éolienne – Fourniture des matériaux
Depuis 1995, Gurit fournit des matériaux au marché de l’énergie éolienne pour la fabrication de pales en composites et a joué un rôle actif pour développer des matériaux spécialisés car la conception des pales a rapidement pris de l’ampleur en termes de volume et de complexité. Gurit dispose d’un portefeuille de produits qui couvre toutes les approches de fabrication actuelles, notamment la stratification par voie humide, l’infusion de résine et la préimprégnation. Alors que Gurit fabrique également des systèmes de résines pour la stratification par voie humide, le développement s’est orienté sur la technologie de la préimprégnéation et de l’infusion, et leurs produits associés.