Les pales d'éolienne, faucheuses de vent pour une récolte de kWh

Ce n'est pas un secret, les pales d'une éolienne ont pour rôle de capter la vitesse de l'air et de la transformer en force mécanique, utilisable par la génératrice.

Mais à y regarder de plus près, l'effet utilisé par les pales pour travailler efficacement est plutôt complexe. Cet effet porte un nom célèbre, surtout connu dans l'aviation : la portance. Voici une vue en coupe de pale d'éolienne :

profil pale eolienne
Profil aérodynamique d'une pale de Bergey XL.1

La portance est une effet aérodynamique d'aspiration vers le haut d'un profil spécial, dû à une dépression générée par la vitesse du flux d'air :

portance pale eolienne
Effet de portance sur une pale d'éolienne

La partie bombée au dessus du profil est appelée extrados, et la partie plate en dessous, intrados. Le point à l'extrême gauche est le bord d'attaque, et celui à l'extrême droite le bord de fuite.

 

L'ingéniosité des pales d'éoliennes à axe horizontal vient du fait qu'en tournant, elles créent un vent dû à leur propre vitesse. Ce "vent vitesse" vient s'ajouter au vent réel de la météo pour donner une résultante appelée "vent apparent".

 

Les gens ont inventé un ratio entre le vent généré en bout de pales par la rotation de celles-ci, et le vent réel. Ce ratio est appelé λ(lambda) ou encore TSR en Anglais (pour Tip Speed Ratio), et varie entre 4 et 10 suivant les caractéristiques de la pale, telles que l'épaisseur, l'état de surface ou la largeur (appelée la corde).


En proportion, le vent vitesse est donc 4 à 10 plus élevé que le vent météo, ce qui permet d'obtenir un « effet multiplicateur » qui rend la portance générée très efficace.

 

Ce mode fonctionnement basé sur la portance atteint des valeurs de rendement très élevées, mais est tributaire d'un minimum de vent vitesse pour fonctionner. Le couple au démarrage des hélices à portance est donc très faible et nécessite la mise en œuvre d'alternateurs à faible résistance au démarrage. C'est le coût à payer pour bénéficier d'une excellente puissance à haute vitesse de rotation.

Les pales sont probablement les éléments les plus sollicités d'une éolienne. Elles doivent posséder une excellente résistance mécaniques aux sollicitations répétées (fatigue), avoir un état de surface très lisse, être légère pour limiter l'intensité des effets gyroscopiques, et très bien endurer les intempéries, les UV et l'usure des particules de l'air.

Aujourd'hui, l'immense majorité des pales de machines commerciales (grandes et petites) est fabriquée en fibre/résine par des procédés variés. Encore quelques éoliennes possèdent des pales en bois, comme les Piggott. Certaines essences de ce matériau présente de très bonnes qualités pour faire des pales d'éolienne solides et très durables (certaines fonctionnent pendant plus de 20 ans). Le bois est un matériau composite fait de fibres, très résistant aux sollicitations intenses et répétées.

pale eolienne en bois

Le bois est de plus très facile à travailler et disponible partout dans le monde. C'est un matériau issu de l'économie locale, écologique à produire et à travailler, contrairement aux résines et aux fibres.

fabrication pale en bois

Pour fabriquer des pales en bois de plus de 2m de long, il est difficile de se procurer une planche brute suffisament grande et propre. On a alors recours à des techniques de collage avec de la résine Epoxy. Ces pales lamellées-collées sont en général plus homogènes en poids et qualité que les pales taillées dans un seul et même morceau de bois.

pale lamellé collé epoxy

Les pales finies sont peintes ou vernies, puis assemblées au niveau du pied par de solides fixations, vissées ou boulonnées. Un soin très particulier doit être apporté pour équilibrer statiquement (et dynamiquement si possible) le rotor complet. Le moindre balourd provoque des vibrations sur l'éolienne complète et le mât, qui peuvent rapidement entrainer la destruction de certains éléments. Bien souvent, le safran trinque en premier car les vibrations y sont amplifiées, et les soudures lâchent. Un balourd excessif pénalise aussi le démarrage de l'éolienne par vent faible

equilibrage pales eolienne
De fines bandes de plomb sont utilisées pour équilibrer le rotor
autoconstruire une micro eolienne