• construire hélice éolienne
• Didacticiel construire helice éolienne

L 'éolienne ou l'aéro-moteur est une hélice de captage d'énergie. Les composants de l' éolienne permettent la transformation de l'énergie du vent. Nous avons définis la notion de rendement et de limite dans l' article sur les Hélices de captage en général.

 

La définition géométrique d'une eolienne commence par choisir son diamètre en fonction du vent sur le site et de la puissance que nous désirons produire. En connaissant la vitesse moyenne du vent nous savons rapidement estimer le diamètre d'hélice de l' eolienne nécessaire pour produire l'énergie souhaitée.(Voir Hélices de captage et puissance vitesse vent).

Pour construire une eolienne et choisir la forme et le nombre des pales de l' eolienne, il est nécessaire d' établir quel sera son point de fonctionnement. Le point de fonctionnement de l' eolienne est définit par la vitesse de vent et la vitesse de rotation du rotor. Le point de fonctionnement de notre hélice d' éolienne étant composé de la vitesse du vent, (sur laquelle nous ne pouvons pas agir), et de la vitesse de rotation. Choisir le point de fonctionnement de notre eolienne c'est définir la vitesse de rotation optimum de notre eolienne. Nous allons donc voir les paramètres déterminants cette vitesse de rotation qui caractérise l'éolienne La page consacrée à l'optimisation de la vitesse de rotation pourra être consultée pour approfondir le sujet.

Du point de fonctionnement découle le vrillage des pales de notre eolienne. Une hélice à pas fixe est dessinée, vrillée pour un point de fonctionnement, une hélice à pas variable est elle aussi vrillée pour un unique point de fonctionnement. Le pas variable ne modifie pas le vrillage et est souvent utilisé pour une adaptation du pas ou une régulation de la vitesse, mais le vrillage de la pale reste étudié pour un unique point de fonctionnement où l' éolienne sera à son meilleur rendement.Le vrillage ne pourra plus être modifié un fois la pale construite.

Ceci implique que notre éolienne aura une vitesse de rotation adaptée a une vitesse de vent nominale a laquelle elle aura un rendement maximum. Il est important de bien choisir la vitesse du vent en analysant les données météorologiques et statistique du lieu d'implantation. Les statistiques de vents devront être observées en terme de puissance et non de vitesse! 2 heures de vents à 10 km/h ne donnent pas la même puissance qu 'une heure de vent a 20 km/h car la puissance évolue avec le cube de la vitesse! (voir vitesse de vent nominale)

 

Petit survol des paramètres déterminants le choix des vitesses de rotation d'une éolienne:

Pour une éolienne de petite taille, les forces centrifuges en bout de pale nous permettent des vitesses de rotation assez importantes pour entraîner directement un générateur, mais les plus grandes éoliennes se voient souvent équipées d'un multiplicateur de manière à conserver une vitesse de rotation raisonnable. Certaines grandes éoliennes ont des générateurs lents sans démultiplicateurs et certaines petites éoliennes possèdent un multiplicateur... Il existe une infinité de combinaisons "vitesses de rotation/démultiplicateur/générateur" et les choix se font généralement d'apres les coûts de fabrication (cuivre des générateurs) et d' entretient (vitesse de rotation élevée = usure rapide.).

 

Étude d'une éolienne tripales avec héliciel:

 

Le point de fonctionnement est donc lié à une stratégie de fabrication. Suivant votre choix de vitesse de rotation vous déciderez donc d'un point de fonctionnement. La notion de rendement et de vitesse est aussi à évaluer.La puissance de notre hélice c'est le couple(N.m) sur l'arbre X la vitesse de rotation (Rad/sec). Le couple est la force exercée sur les pales par le vent,

• Lorsque la vitesse de rotation est faible, le vent apparent et les angles d'incidences des profils génerent des portances mieux alignées avec le plan de rotation, et la trainée ralentit moins la rotation.
• Mais lorsque l'on ralentit, l'espace apparent entre les pales augmente, si on ne veut pas perdre l'énergie de l'air qui passe entre les pales, il faut ajouter des pales, mais pas trop car elles pourraient se perturber entre elles. Il existe donc une vitesse de rotation idéale pour chaque nombre de pales.
• Pour que le rapport rendement/cout de fabrication soit optimum, un nombre minimum de pale est recherché.
• Mais pour bien utiliser tout l'air avec un faible nombre de pales il faut tourner plus vite pour que " l'espace apparent" entre les pales se reduise à sa taille idéale.
• Mais les grandes vitesses de rotations produisent des projections des portances trainées, moins favorables au rendement...
• Ces désavantages des grandes vitesses sont contre balancés par le fait que les profils produisent de meilleures performances aux grandes vitesses, et que pour une même puissance, une grande vitesse de rotation génere moins de couple en réaction, donc moins de mise en rotation du flux, donc moins de pertes...

• En fait les profils aerodynamiques ou hydrodynamiques, c'est un peu comme les gens, ils y en a des grands, des petits, des costauds, des fins et ils ont tous, les defauts de leurs qualités. Il suffit que les conditions soient propices à l'expression de leur qualités pour que le meilleur se produise...Bon treve de philosophie et revenons à nos profils: Les performances de notre rotor eolien sont en fait celles des profils constituant les pales. Les performances d'un profil donné sont exprimées par le rapport Cz/Cx nommé finesse du profil. Suivant la vitesse du fluide dans lequel le profil évolue, sa finesse varie. Ainsi certains profils ont une bonne finesse à faible vitesse (profils cambrés) et deviennent moins bons aux plus grandes vitesses (voir finesse profils aerodynamiques).

Donc pour résumer: Utilisons la vitesse spécifique (Vitesse en bout de pale/Vitesse vent) pour evaluer la vitesse.

• Grandes vitesses spécifiques

  Avantages	Inconvenients
  Permet de capter l'energie avec un faible nombre de pale, donc apporte les avantages du faible nombre de pales: economique en cout de fabrication	Projection des forces trainées et portances moins favorables, ce qui éxige des profils de bonnes qualités parfois complexes à réaliser.
  La mise en rotation tangentielle du flux en aval de l'hélice révelle l'énergie perdue par le systeme. A puissance égale (Pw= couple n.m x vitesse rotation rad/sec), une grande vitesse de rotation utilise moins de couple donc génere moins de pertes.	Couple de démarrage souvent insuffisant pour démarrer a de faibles vitesse de vent, donc nécessite parfois une assistance de démarrage
  vitesse de rotations plus proche des systeme de generatrice (le prix de la generatrice et du reducteur sera moins élevé)	vitesse de rotations et couples innadaptés pour le pompage
  faible prise au vent violents par mise en drapeau

• petite vitesse spécifique

  Avantages	Inconvenients
  Permet d' utiliser des pales de formes simples économiques en cout de fabrication	pour obtenir un bon rendement il faut beaucoup de pales (plus cher, plus lourd, plus de prise au vent en cas de tempetes...)
  démarragememe aux faibles vitesses de vent	La mise en rotation tangentielle du flux en aval de l'hélice révelle l'énergie perdue par le systeme. à puissance égale (Pw= couple n.m x vitesse rotation rad/sec), une faible vitesse de rotation utilise plus de couple donc génere plus de pertes.
  vitesse de rotations et couples bien adaptés pour le pompage	vitesses de rotations inadaptées aux systemes de géneratrice (le prix de la generatrice et du reducteur sera plus élevé)

Cette liste est loin d'etre complete car chaque éolienne resulte d'un compromis argumenté par les contraintes du projet . Dans ce didacticiel nous avons opté pour un faible nombre de pales produisant de l'électricité. Nous prendons 3 pales car 2 ou une pale nous pose des problemes de vibrations et endurance mécanique. La vitesse spécifique (Vitesse en bout de pale/Vitesse vent) optimum pour des éoliennes 3 pales est généralement de 7.

 

• Si l'on désire faire fonctionner une machine à faible vitesse avec peu de vent (pompes éoliennes) et être sur de pouvoir démarrer même avec peu de vent, on mettra beaucoup de pales.

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• Si on désire revendre de l' électricité produite avec un minimum de matière (le coût de fabrication des pales est un facteur de rentabilité) on cherchera le minimum de pales.

Pourquoi les hélices monopales ne sont pas plus nombreuses? C'est purement mécanique, le déséquilibrage autour de l'axe de rotation et l' alternance des efforts du vent autour du pivot de l'hélice génère des vibrations et des effets destructeurs que l'on doit équilibrer par des contre-poids.

Certains fabricants ont quand même exploré cette voie .

L'hélice bipale comporte elle aussi des problèmes d' équilibrage et de vibration, liés au fait que l' inertie de rotation est maximum lorsque les pales sont horizontales, et devient nulle lorsque les pales sont verticales. Les hélices trois pales offrent une stabilité que les fabricants semblent avoir préféré.

 

L' optimisation d'un projet doit donc prendre en compte les paramètres de rendement mais aussi de coût de fabrication, de durée de vie , de bruit, d' esthétique, de facilité de fabrication.

Pour approfondir la conception de la pale d 'eolienne: Un didacticiel de conception de pales eolienne