Pales

Pales de remplacement mesurant environ 15 m de long.

Les pales sont une partie très importante de l'aéromoteur, le rendement, le bon fonctionnement et la durée de vie de la machine dépendront de leur conception. Lorsqu'elles sont assemblées on parle d’hélice ou de rotor. Il existe très peu de fabricants dans le monde capables de construire ces pales qui sont maintenant en fibre de verre et en fibre de carbone. Du fait de leur longueur (30 à 40 mètres) il faut des convois exceptionnels pour les transporter sur le site.

Les pales sont caractérisées par :

• leur longueur
• leur largeur
• leur profil
• leurs matériaux de construction
• leur nombre

Le diamètre de l'hélice est en fonction de la puissance désirée et fixe la fréquence de rotation maximum que l'hélice ne devra pas dépasser (force centrifuge en bout de pale). Il faudra prendre en considération la fatigue et les risques de vibration, en particulier pour les longues pales.

Il est à noter que pour une vitesse de vent donnée, la masse de la turbine est environ proportionnelle au cube de la longueur de ses pales, alors que l'air intercepté par l'éolienne est proportionnel au carré de cette longueur. Les pressions exercées sur une éolienne augmentent donc très rapidement à mesure que sa taille augmente. Ainsi la longueur maximale d'une pale est limitée par la résistance de ses matériaux.

• Juin 2012 : Le constructeur allemand Siemens produit une pale de 75 mètres de long dans le cadre de son prototype baptisé B75 Quantum Blade, destiné à produire 6 MW au Danemark d’ici la fin de l’année
• Le constructeur Français Alstom produit une pale de 73,5 mètres pour son éolienne Haliade 150

Le poids d'une pale d'éolienne de 2MW en matière composite carbone est de 6,5 tonnes pour une longueur de 45 mètres (par exemple la V90/2000 de Vestas). L'éolienne V164-8MW de Vestas d'une puissance de 8MW est composée de 3 pales pesant 35 tonnes chacune pour une longueur de 80 mètres.

Le profil aérodynamique d’une pale correspond à la forme que possède la pale vue en coupe.

Il est nécessaire de choisir le profil en fonction du couple désiré. Contrairement aux aérogénérateurs de grande puissance (> 100 kW), pour la grande majorité des aérogénérateurs de faible et moyenne puissance les pales ne sont pas vrillées, l’angle d'incidence est donc optimal seulement sur une partie de la pale.

Les caractéristiques des différents profils ont en général été étudiés pour l’aviation (ailes ou hélices) et déterminés en soufflerie.

Ce profil ressemble plus ou moins à celui d’une aile d’avion : courbé sur un côté et plus ou moins plat de l’autre côté. Ce profil offre un bon rendement et un fonctionnement silencieux mais le coût de fabrication est élevé.

Les deux côtés de la pale suivent une ligne plus ou moins parallèle. Ce profil offre un coût de fabrication moindre par rapport au profil traditionnel mais le rendement est plus faible et son fonctionnement est plus bruyant que le profil traditionnel.

Le point de fonctionnement est défini par la vitesse de rotation et la vitesse du fluide, ce point de fonctionnement détermine le vrillage de la pale. Le vrillage de la pale doit permettre d’obtenir un point de fonctionnement constant tout le long de la pale.

Le vrillage de la pale est l'angle entre la corde du profil de bout de pale et la corde du profil de pied de pale, ce vrillage permet de régler l'angle d'incidence des profils en fonction de la variation des angles apparents perçus par les profils du pied au bout de pale. Si l'on regarde la pale par tranches on constate que pour une même vitesse de rotation (en rad/s), la vitesse linéaire (en m/s) d'une tranche en bout de pale est bien plus élevée que la vitesse d'une tranche proche de l'axe. Le vrillage de la pale permet de conserver un angle d'incidence optimal des profils en faisant varier le calage (angle entre le plan de rotation et la corde) du profil.

La largeur des pales n'a pas d'influence sur la puissance de l'aérogénérateur (qui est fonction de la surface balayée), mais elle influence le couple de démarrage (plus la pale sera large et plus le couple de démarrage sera bon). Cependant si l'on veut obtenir des vitesses de rotation élevées on utilisera plutôt des pales fines et légères..

Pour la réalisation des pales, l'un des meilleurs matériaux disponibles actuellement est l'époxy. Le carbone composite permet de construire des éoliennes de 60 m de rayon, suffisantes pour obtenir quelques mégawatts. Les éoliennes plus petites peuvent être construites dans des matériaux moins chers, tels que la fibre de verre, l'aluminium ou le bois lamellé.

Le matériaux utilisé pour la fabrication des pales n'implique pas de difficultés d'ordre aérodynamique mais plutôt des difficultés dans la construction et dans la résistance des matériaux. Les pales doivent répondre à plusieurs exigences :

• légèreté
• non déformables
• homogènes
• résistantes
  • fatigue mécanique, vibrations
  • corrosion et érosion (plus particulièrement dans le cas des éoliennes offshore)
• mise en œuvre et usinage simple
• faible coût (rentabilité de l'aérogénérateur)

Du hêtre peut être utilisé pour la réalisation de pales en bois, mais on utilisera de préférence le pin d'Oregon traité industriellement qui présente une bonne résistance à la fatigue ou le pin sylvestre du Nord (provenant de Suède ou de Finlande) avec un traitement hydrofuge qui possède d'excellentes caractéristiques mécaniques permettant la construction d'hélices de 3 à 4 m de longueur. L’épinette de Sitka et le tilleul d’Amérique offrent une grande légèreté et une grande flexibilité et ont déjà fait leurs preuves dans le secteur de l’aéronautique et de la marine

• simplicité
• facile à travailler
• légèreté
• bonne résistance à la fatigue

• manque d'homogénéité
• masse variable dans le temps (induit des vibrations destructives)

Le traitement et la protection du bois permettent de diminuer les inconvénients de ce matériau tout en gardant ses avantages :

• lames collées et lame collées bakelisées
• protection du bord d'attaque par un clinquant collé
• protection contre l'humidité par traitement hydrofuge
• protection totale par revêtement synthétique souple ou dur (résines polyester), revêtement de néoprène

L'aluminium Al Si7Mg0.6 peut être également utilisé. La technologie utilisée est alors le moulage sable par gravité avec un noyau interne pour évider la pale.

La fibre de verre est également un excellent matériau pour la construction de pales, elle est souvent combinée à de la fibre de carbone ou de la résine d'époxy. Les matériaux composites à base de fibres de verre ou de carbone imprégnées de résines polyester ou époxyde se sont généralisés. Les caractéristiques mécaniques de ces matériaux sont très intéressantes (bon rapport rigidité/masse). Les pales incorporent souvent des dispositifs mécaniques particuliers tels que volets, aérofreins, extrémités articulées, ayant pour but le contrôle de la vitesse de rotation de la machine et freinage aérodynamique du rotor.

Les matériaux composites sont habituellement mis en œuvre par imprégnation manuelle ou automatisée de tissus secs, par utilisation de produits pré imprégnés ou, plus récemment, par moulage par transfert (RTM : Resin Transfer Molding). Les structures de pales composites peuvent faire appel à un ou plusieurs longerons recouverts d’une peau, les parties creuses étant éventuellement remplies de mousse, ou à une configuration multi-caissons à noyaux de polystyrène expansé ou de mousse.

Dans le cadre du procédé IntergralBlade, le constructeur Allemand Siemens fabrique une pale d’une seule pièce en fibres de verre et sans aucun joint, permettant ainsi de renforcer sa résistance et son efficacité.

Une équipe de chercheurs de l'Université américaine de Case Western (CW) a récemment développé des pales à nanotube de carbone en polyuréthane renforcé offrant une meilleure légèreté et une plus grande solidité que les pales classiques en fibre de verre ¹⁾.

Les rotors multipales procurent un couple élevé au démarrage mais sont peu efficaces par vent forts. Pour plus de détails concernant le nombre de pales, voir la partie conception d'une éolienne.

Une pale s'use dans le vent à cause du frottement avec les particules de poussière, de sable ou de glace. Il est rare que la durée de vie d'un jeu de pales dépasse une quinzaine d'années pour une éolienne régulièrement en fonction. Mais ceci varie avec la hauteur de l'éolienne et son environnement.

Transport des pales par rail

Transport des pales par camion

Le transport des pales peut se faire de différente façon, suivant les infrastructures disponibles :

• transport ferroviaire
• transport terrestre par route

Ce type de transport nécessite l'utilisation de véhicules modulaires permettant ainsi une manœuvrabilité une capacité de franchissement du convoi.

• transport maritime ou fluvial

Le recyclage des matières composites (principalement fibre de verre) est encore problématique²⁾. Ces matières représentent moins de 10% du poids total de l'éolienne. La seule solution pour le moment est l'incinération pour récupération de la chaleur produite. Les déchets résiduels sont ensuite déposés dans un centre d'enfouissement (déchets industriels et ménagers non dangereux de classe II). Cependant le processus de recyclage peut intervenir en amont, lors de la fabrication des pales, qui peut être issue de verre recyclé.

• Conception d'une éolienne - Le nombre de pales
• éolienne