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Etude statique et dynamique d’une pale pour éolienne à axe horizontal
Static and dynamic study of a blade for wind mill with horizontal axis
HAMDI H.1*, MRAD C.2*, NASRI R.3*
1 : Institut Supérieur des Etudes Technologiques de Radès
2, 3 : Ecole Nationale d’Ingénieurs de Tunis
* : Unité de Recherche Génie des Matériaux
RESUME :
Dans ce travail on présente une démarche de calcul des pales pour éolienne à axe horizontal. Une
pale doit fournir le rendement maximal et résister aux efforts aérodynamiques répartis sur sa longueur,
qui sont fonctions de ses caractéristiques géométriques et de la vitesse du vent. Pour cela on a écrit les
relations qui déterminent ces efforts en fonction de la vitesse d’écoulement du vent puis on les a
intégrées dans les lois de mécanique de la structure pour aboutir aux équations de mouvement de la
pale. On a appliqué cette démarche à une pale vrillée de longueur 1,9 mètre, construite par une seule
couche en tôle d’aluminium emboutie et de profil de type NACA 4412. Ce profil donne le meilleur
rendement aérodynamique et la pale est un élément d’une hélice tripale pour éolienne de puissance
maximale 5 kW. Enfin on a visualisé ses déformations puis vérifié sa tenue en service.
MOTS CLES : éolienne, hélice, pale, vent, rendement, efforts, déformations.
I- INTRODUCTION :
L’énergie renouvelable des éoliennes devient aujourd’hui non négligeable avec l’augmentation du
débit du vent dans les régions terrestres ou offshore notamment au Cap Bon de la Tunisie où l’énergie
moyenne annuelle est comprise entre 1,8 et 3,24 GJ/m2 de la surface éolienne installée [1]. Les
éoliennes à axe vertical Darrieus et Savonius ou à axe horizontal sont des systèmes de conversion
d’énergie aérodynamique en énergie électrique. L’énergie aérodynamique est récupérée en plaçant
contre le sens d’écoulement du vent une hélice, à pales multiples, montée sur un rotor à l’entrée d’un
multiplicateur de vitesse qui entraine à son tour un générateur de courant branché, par l’intermédiaire
d’un circuit électrique avec des accumulateurs. Un système de freinage asservi, sert à ralentir la rotation
du rotor pour protéger le générateur électrique en cas d’une rafale de vent. L’ensemble est monté dans la
nacelle pivotante, autour de la matrice implantée verticalement au sol, par un système de gouvernail.
II- EFFORTS AERODYNAMIQUES SUR LA PALE :
Selon la théorie de Betz [2], une pale ne peut avoir un rendement aérodynamique supérieur à 59% qui
est appelé : limite de Betz. Aujourd'hui dans la pratique on arrive tout juste à avoir un rendement de
50% pour les dernières éoliennes et donnant le minimum d’interférence d’écoulement à travers les pales.
La puissance mécanique récoltée par l’hélice croit surtout avec le diamètre de la surface balayée par les
pales comme le montre la figure 1.
Fig. 1 : Relation entre le diamètre de l’hélice
et sa puissance [3]. Fig. 2 : Démarche de validation d’une pale.
Choix du profil de la pale
donnant le rendement maximal
Conception de la pale et choix
des matériaux
Vérification de sa résistance aux
efforts aérodynamiques
Essai pratique de la pale