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Les pales des éoliennes doivent-elles être plates, courbées ou incurvées
Le vent est une ressource énergétique gratuite, jusqu’à ce que les gouvernements y mettent une taxe, mais le vent est aussi une source d’énergie très imprévisible et peu fiable car il change constamment de force et de direction. Pour produire des quantités utiles d’énergie, les éoliennes doivent généralement être grandes et hautes, mais pour fonctionner efficacement, elles doivent également être bien conçues et conçues, ce qui les rend également coûteuses.
La plupart des éoliennes conçues pour la production d’électricité ont consisté en une hélice à deux ou trois pales tournant autour d’un axe horizontal. Il est évident de dire que ces conceptions de pales d’éoliennes de type hélice convertissent l’énergie du vent en puissance d’arbre utilisable appelée couple. Pour ce faire, on extrait l’énergie du vent en le ralentissant ou en le décélérant lorsqu’il passe sur les pales. Les forces qui décélèrent le vent sont égales et opposées aux forces de levage de type poussée qui font tourner les pales.
Comme une aile d’avion, les pales d’éolienne fonctionnent en générant une portance en raison de leur forme incurvée. Le côté le plus courbé génère une faible pression d’air tandis que l’air à haute pression situé en dessous pousse sur l’autre côté de l’aile en forme de pale. Le résultat net est une force de levage perpendiculaire à la direction de l’écoulement de l’air sur la pale de la turbine. L’astuce ici est de concevoir la pale du rotor de manière à créer la bonne quantité de levage et de poussée de la pale du rotor produisant une décélération optimale de l’air et donc une meilleure efficacité de la pale.
Si les pales de l’hélice des turbines tournent trop lentement, elle laisse passer trop de vent sans le perturber, et n’extrait donc pas autant d’énergie qu’elle le pourrait potentiellement. D’autre part, si la pale de l’hélice tourne trop rapidement, elle apparaît au vent comme un grand disque plat en rotation, ce qui crée une grande quantité de traînée.
Dès lors, le rapport optimal de vitesse de pointe, TSR, qui est défini comme le rapport entre la vitesse de la pointe du rotor et la vitesse du vent, dépend du profil de la forme de la pale du rotor, du nombre de pales de l’éolienne et de la conception même de la pale de l’hélice de l’éolienne. Alors, quelle est la meilleure forme et conception de pale pour les pales d’éoliennes.
Généralement, les pales d’éoliennes sont formées pour générer le maximum de puissance à partir du vent au coût de construction minimum. Mais les fabricants de pales d’éoliennes cherchent toujours à développer une conception de pale plus efficace. Les améliorations constantes apportées à la conception des pales d’éoliennes ont donné naissance à de nouveaux modèles d’éoliennes plus compactes, plus silencieuses et capables de générer plus d’énergie à partir de moins de vent. On pense qu’en courbant légèrement la pale de l’éolienne, elles sont capables de capter 5 à 10 % d’énergie éolienne en plus et de fonctionner plus efficacement dans des zones où la vitesse du vent est généralement plus faible.
Conception des pales d’éoliennes
Donc, quel type de forme de pale produirait la plus grande quantité d’énergie pour une éolienne ? – Les pales plates sont la conception de pale la plus ancienne et ont été utilisées pendant des milliers d’années sur les moulins à vent, mais cette forme large et plate devient moins courante que les autres types de conception de pale. Les pales plates poussent contre le vent, et le vent pousse contre les pales.
La rotation qui en résulte est très lente parce que les pales qui reviennent en rotation sur la course ascendante après avoir généré de l’énergie sont en opposition avec la production d’énergie. Cela est dû au fait que les pales agissent comme d’énormes palettes se déplaçant dans la mauvaise direction, poussant contre le vent, ce qui leur donne le nom de pales de rotor basées sur la traînée.
Cependant, les conceptions de pales plates offrent des avantages significatifs pour le bricoleur par rapport aux autres conceptions de pales d’éoliennes. Les pales de rotor plates sont faciles et bon marché à découper dans des feuilles de contreplaqué ou de métal, ce qui garantit que les pales ont une forme et une taille uniformes. Elles sont également les plus faciles à comprendre, nécessitant moins de compétences en matière de conception et de construction, mais leur efficacité et la facilité de générer de l’énergie électrique sont très faibles.
Les pales courbes sont très similaires à une longue aile d’avion (également connue sous le nom d’aérofrein) qui a une surface incurvée sur le dessus. L’air circule autour de la pale courbée, l’air se déplaçant sur le dessus de la pale courbée plus rapidement que sous le côté plat de la pale, ce qui crée une zone de pression plus faible sur le dessus, et donc, en conséquence, est soumis à des forces de levage aérodynamiques qui créent un mouvement.
Ces forces de levage sont toujours perpendiculaires à la surface supérieure de la pale courbée, ce qui entraîne un mouvement de rotation de la pale autour du moyeu central. Plus le vent souffle vite, plus la portance produite sur la pale est importante, donc plus la rotation est rapide. Les avantages d’une pale de rotor incurvée par rapport à une pale plate sont que les forces de portance permettent aux extrémités des pales d’une éolienne de se déplacer plus rapidement que le vent, ce qui génère plus de puissance et des rendements plus élevés. Par conséquent, les pales d’éoliennes basées sur la portance sont de plus en plus courantes aujourd’hui. De plus, les pales d’éolienne en pvc faites maison peuvent être coupées à partir de tuyaux de drainage de taille standard ayant la forme incurvée déjà intégrée leur donnant la meilleure forme de pale.
Débit d’air et performance des pales incurvées
Mais les pales incurvées souffrent également de la traînée sur sa longueur qui tente d’arrêter le mouvement de la pale. La traînée est essentiellement le frottement de l’air contre la surface de la pale. La traînée est perpendiculaire à la portance et est dans la même direction que le flux d’air le long de la surface de la pale. Mais nous pouvons réduire cette force de traînée en courbant ou en tordant la pale et aussi en l’effilant sur sa longueur produisant la conception de pale d’éolienne la plus efficace.
L’angle entre la direction du vent entrant et l’inclinaison de la pale par rapport au vent entrant est appelé « angle d’attaque ». Plus cet angle d’attaque est grand, plus la portance est créée mais lorsque l’angle devient encore plus grand, supérieur à environ 20o, la pale commence à diminuer la portance. Il existe donc un angle d’attaque idéal de la pale de rotor qui crée la meilleure rotation et les pales de rotor des éoliennes modernes sont en fait conçues avec une torsion sur leur longueur, d’un angle d’attaque prononcé à leur racine à un angle d’attaque très faible à leur extrémité.
Comme la vitesse à l’extrémité d’une pale en rotation est plus rapide qu’à sa racine ou à son centre, les pales de rotor modernes sont tordues sur leur longueur de 10 à 20o de la racine à l’extrémité, de sorte que l’angle d’attaque diminue de l’endroit où l’air se déplace relativement lentement près de leur racine, à celui où il se déplace beaucoup plus rapidement à l’extrémité. Cette torsion de la pale maximise l’angle d’attaque sur toute la longueur, obtenant ainsi la meilleure portance et la meilleure rotation.
En conclusion, la longueur de la pale du rotor d’une éolienne détermine la quantité d’énergie éolienne qui peut être capturée lorsqu’elles tournent autour d’un moyeu central et la performance aérodynamique des pales d’éoliennes est très différente entre une pale plate et une pale incurvée. Les pales plates sont bon marché et faciles à fabriquer, mais elles ont des forces de traînée élevées qui les rendent lentes et inefficaces.
Pour augmenter l’efficacité des pales d’éoliennes, les pales du rotor doivent avoir un profil aérodynamique pour créer de la portance et faire tourner la turbine, mais les pales courbes de type aérodynamique sont plus difficiles à fabriquer, mais elles offrent de meilleures performances et des vitesses de rotation plus élevées, ce qui les rend idéales pour la production d’énergie électrique.
Mais pour obtenir le meilleur design pour les pales d’éoliennes, nous pouvons améliorer encore plus l’aérodynamisme et l’efficacité en utilisant des pales de rotor de type hélice torsadées et effilées. La torsion de la pale change l’angle des vents le long de la pale avec l’effet combiné de la torsion et de l’effilement de la pale sur sa longueur améliore l’angle d’attaque augmentant la vitesse, l’efficacité tout en réduisant la traînée. De plus, les pales effilées sont plus solides et plus légères que les pales droites car les contraintes de flexion sont réduites.
La conception des pales d’éoliennes est cruciale pour qu’une éolienne fonctionne selon les attentes. Les innovations et les nouvelles technologies utilisées pour la conception des pales d’éoliennes ne se sont pas arrêtées là, car de nouvelles formules et conceptions sont envisagées pour améliorer quotidiennement leurs performances, leur efficacité et leur puissance de sortie.
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