TEST

1. TIPE 2020 - 2021
OPTIMISATION DES PALES
D’UNE ÉOLIENNE
DOMESTIQUE À AXE
HORIZONTAL
Par Kevin FLORIAN
Numéro de candidat : 23267

2. TABLE DES MATIÈRES
1. Préambule. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1. L’éolienne à axe horizontal (HAWT)
2. Conception du système. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Electronique
1. Modélisation de l’éolienne sur Fusion 360
2. Emplacement de la génératrice et système de fixation des pales
3. Etude théorique et conception des pales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1. Les différents types de pales d’éoliennes
2. Notions indispensables
3. Nombre de Reynolds
4. Profils des pales
5. Modélisation des pales et prédictions
4. Etude expérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1. Vitesse du vent en sortie du ventilateur
2. Programme Arduino & Python
3. Comparaison des RPM et puissance à 0° de calage des 3 pales
4. Résultats du simulateur python pour la NACA 4412 et comparaisons
5. Optimisation de la pale NACA 4412 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1. Modèle de pale optimum
2. Objectif de l’optimisation (de l’angle de vrillage)
3. Programme pour rechercher le vrillage optimum
4. Modélisation de la pale optimisée
5. Comparaison avec la pale NACA 4412 vrillée de 15° et limites de cette phase d’optimisation
6. Pale NACA 4412 avec une corde optimale et comparaisons
6. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7. Annexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
3
5
12
20
27
37

3. PRÉAMBULE
3

4. L’ÉOLIENNE À AXE HORIZONTAL
(HAWT)
4

5. CONCEPTION
DU SYSTÈME
5

6. Détermination expérimentale de la résistance nécessaire
utilisée comme charge
Résistance retenue : 100 Ohm
GÉNÉRATRICE DE TENSION
6

7.  Logiciel GeoGebra : courbe de la Puissance en
fonction de la vitesse de rotation du moteur (x)
7

8. MONTAGE ÉLECTRIQUE COMPLET
Logiciel Fritzing
8

9. MODÉLISATION DE L’ÉOLIENNE
9

10. VUE ÉCLATÉE DE L’ÉOLIENNE
10
Les dessins techniques de toutes les pièces sont en annexe

11. 11
EMPLACEMENT DE LA
GÉNÉRATRICE ET SYSTÈME
DE FIXATION DES PALES

12. ETUDE
THÉORIQUE
&
CONCEPTION DES PALES
12

13. LES DIFFÉRENTS TYPES DE PALES
D’ÉOLIENNES DOMESTIQUES
13
https://heliciel.com/
Pales imprimées et étudiées

14. ANGLES ET VITESSES INDISPENSABLES
v_vent : vitesse du vent incident
v_relatif : vitesse du vent relatif
v : vitesse de rotation
v_relatif(r) = sqrt(v(r)**2 + v_vent**2)
α : angle d’attaque
α = arccos(v / v_relatif) - θ
φ = θ + α
α = arctan( v_vent / v ) - θ
14
Thèse de Xin JIN 2014

15.  vitesse relative, v_relative,
augmente avec le rayon
 géométrie adaptée à cette
augmentation de vitesse.
 Modification (diminution) de
l’angle de calage pour garder
l’angle d’attaque constant tout
le long de la pale. : effet de
vrillage
CALAGE / VRILLAGE
15
https://energieplus-lesite.be/

16. Objectif : Finesse maximale
PORTANCE, TRAINÉE ET FINESSE
http://airfoiltools.com/
16

17. APPROXIMATION :
 0,75 fois le rayon de la pale car c’est cet élément où la portance est la pus grande soit
rayon*0,75 = 18,38 cm
 510 RPM soit 8,5 RPS donc 9,82 m/s à 75% du rayon
 Re = (corde * vitesse)/ v
V : viscosité cinématique du fluide(m²/s) = 1,51*10^-5 m²/s à 20° pour l’air
18,0 cm
3,2 cm
NOMBRE DE REYNOLDS
Re = (0,0397 * 9,82)/v = 25818
5,5 cm
Corde max : 5,5 cm
Corde min : 3,2 cm
17
24,5 cm (rayon totale de l’éolienne

18.  NACA 4412
 NACA 2408
 NACA 6409
Biconvexe dissymétrique
Convexe mince
Creux 18
Choix de pales NACA (National Advisory Committee for Aeronautics, prédécesseur de la
NASA) à 4 chiffres, publiés dans les années 1930 (1ers profils de pales parus)
PROFILS DE PALES

19. 4412 2408 6409
MODÉLISATION DES PALES
19
Vrillage de 15° :

20. ÉTUDE
EXPÉRIMENTALE
20

21. Mode 1 : 3,0 m/s Mode 2 : 4,5 m/s Mode 3 : 5,5 m/s
VITESSE DU VENT EN SORTIE DU VENTILATEUR
21
 IMAGE VENTILO
Atelier de travail
Montage d’étude

22. 952;23197;9.67;96.68;934.70
937;23261;9.67;96.68;934.70
952;23324;9.69;96.92;939.42
Programme « Arduino »
Programme « Lecteur et stockeur de données»
PROGRAMMES
22

23. Etude réalisée pour les
3 pales
NACA 4412
Angle de calage de 0° : 950 RPM, 820 RPM, 455 RPM
0,97 W, 0,71 W, 0,21 W
23
Programme « NACA 4412 Traceur des mesures»

24. COMPARAISON DES RPM ET PUISSANCE
À 0° DE CALAGE
Programme « Comparateur des
3 pales »
24
4412 : 950 RPM 2408 : 840 RPM 6409 : 815 RPM
0,97 W 0,71 W 0,21 W

25. Programme « NACA 4412
angle d’attaque »
RÉSULTATS DU SIMULATEUR PYTHON POUR
LA NACA 4412
25
Détermination de l’angle d’attaque le
long de la pale pour optimiser le
vrillage
Les graphiques des autres pales sont en annexe

26. Le profil retenu pour l’optimisation est donc
le NACA 4412 car il présente la vitesse de
rotation la plus élevée et la courbe de
l’angle d’attaque est la plus proche de la
droite de 13° ce qui simplifiera l’étude.
Programme
« Comparateur
angles d’attaques
des 3 pales »
COMPARAISON DES RÉSULTATS DU
SIMULATEUR PYTHON
26
L’étude de la pale NACA 2408 s’avère
compliquée en raison du système de
rotation par cran de 15°
On s’intéresse à la configuration la plus
efficace, c’est-à-dire la courbe rouge

27. OPTIMISATION DE LA
PALE NACA 4412
27

28.  Thèse Xin JIN
(Doctorant à l’Université de Bordeaux)
Zone non modifiable
Notre pale débute
donc à un rayon de
6,5 cm
MODÈLE DE PALE OPTIMUM
28
Thèse de Xin JIN 2014

29.  Angle d’attaque limite avant le
décrochage : 13°
 De 6,5 à 13,5 cm la pale est en
décrochage => ralenti l’éolienne
Programme « Angles d’attaque »
OBJECTIF DE L’OPTIMISATION (DE L’ANGLE DE
VRILLAGE)
29
OBJECTIFS :
Réussir à rendre la courbe noire
constante et qu’elle soit la plus proche
possible de l’angle d’attaque de finesse
maximale

30.  Pour faciliter l’étude, on veut garder un angle de calage de 0° en bout de pale donc on prend la
valeur d’angle d’attaque en bout de pale et on change les angles de calage (donc le vrillage)
pour que l’angle d’attaque soit constant sur toute la pale.
Programme « NACA 4412
Optimisation du vrillage »
PROGRAMME POUR RECHERCHER LE
VRILLAGE OPTIMUM
30
Il est impossible, sans
logiciels de calculer
la vitesse théorique
de la pale optimisée

31.  Pale de profil 4412 vrillé de 15°
 Pale de profil 4412 vrillé de façon optimale
MODÉLISATION DE LA PALE OPTIMISÉE
31

32.  Augmentation de la vitesse de
rotation de 23,7%
(950 RPM à 1175 RPM)
 Augmentation de la puissance
de 40,8%
(0,98 W à 1,38 W)
Programme « Comparateur NACA
4412 et NACA 4412 Vrillage optimisé
»
COMPARAISON AVEC LA PALE 4412 VRILLÉE
DE 15°
32
Programme « NACA 4412 Vrillage
optimisé mesures»

33. Programme « Angle(s) d’attaque réels de
NACA 4412 Vrillage optimisé»
LIMITES DE CETTE PREMIÈRE PHASE
D’OPTIMISATION
33
Comme la vitesse de rotation a augmenté, la vitesse du vent relatif à également augmenté donc
l’angle d’attaque n’est pas une constante (courbe jaune) cependant, on se situe bien au niveau de la
droite cyan.
Il faudrait donc, à partir de cette courbe jaune, refaire tourner le programme pour avoir un nouveau
vrillage et le réessayer expérimentalement : c’est ce travail que font les logiciels de simulation.

34. Solution :
Changer la longueur de la corde de la pale afin d’avoir un
nombre de Reynolds constant puisque Re = (c * V) / v
 Le nombre de Reynolds ne vaut pas 50 000 tout le long de la pale, il faudrait donc recalculer
l’angle d’attaque pour chaque nombre de Reynolds le long de la pale (donc en fonction du rayon)
Programme « Nombre de Reynolds de
NACA 4412 Vrillage optimisé »
34
OBJECTIF DE L’OPTIMISATION (DE LA CORDE)

35. PALE NACA 4412 AVEC UNE CORDE
OPTIMALE
35

36. 36
COMPARAISON DES 3 PALES NACA 4412
 Augmentation de la vitesse de
rotation de 6,4%
(1175 RPM à 1250 RPM)
 Augmentation de la puissance
de 15,9%
(1,38 W à 1,60 W)

37. CONCLUSION
37
La clé pour une pale optimale est d’avoir un angle d’attaque constant le long de la pale qui
correspond à la finesse maximale et ainsi obligatoirement un nombre de Reynolds constant,
obtenable en modifiant la longueur de la corde.
 Pour cela il faut inévitablement utiliser des logiciels qui accélèrent ces calculs
On a donc deux configurations possibles :
D’autres paramètres à considérer :
- Turbulences en bout de pales : on peut limiter les pertes en aillant des pales très longues
- Rapport de réduction (vitesse max de 1175 à 950 RPM mais de 1,38 W à 2,08 W)
- Coefficient de puissance (Cp)
- Tip speed ratio (TPS)

38. ANNEXE

39. SOMMAIRE DE L’ANNEXE
Chronologie d’étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2. Matériel
Imprimantes 3D. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Génératrice de tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Logiciels . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3. Etude des pales
Profils des pales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Epaisseur des pales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Profils sélectionnés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Etude graphique (Finesse, Portance, Décrochage) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4. Dessins techniques
5. Programmes
Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Python . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
4
5
6
8
10
11
12
15
16
15
19
20
21
2

40.  Première approche sur les éoliennes
 Acquisition d’une génératrice de tension et capteurs et vérification de fonctionnement (Arduino)
 Modélisation par CAO de l’éolienne sans pales et impression des pièces (~300 heures)
 Amélioration du système
 Etude théorique des éoliennes (pales en particulier)
 Prise en main des logiciels Qblade et Xfoils
 Modélisation des pales pour différents profils et impression (~50 heures)
 Conception électronique (circuits et Arduino) (~80 heures)
 Ecriture de programmes python (~100 heures)
 Prises de mesures et analyses via des programmes python (~100 heures)
 Simplifications et suppositions pour l’étude
 Choix d’un profil et son amélioration à l’aide de programmes python (simulateur)
 Ajustements géométriques de la pale et vérification de son fonctionnement optimum
 Recherche d’autres axes d’optimisation (rapport de réduction)
CHRONOLOGIE D’ÉTUDE
3
(600 heures de travail)

41. MATÉRIEL
4

42. IMPRIMANTES 3D
5

43. VÉRIFICATION DE LA FICHE TECHNIQUE DE
LA GÉNÉRATRICE
6

44. SIGNAL DE SORTIE DE LA GÉNÉRATRICE À
L’OSCILLOSCOPE
7

45.  Xfoil : la soufflerie numérique du MIT
Écrit par Mark Drela en 1986 et disponible en OpenSource sur le site du MIT
LOGICIELS XFOIL ET QBLADE
8

46.  Qblade : BEM (Blade Element Momentum)
Logiciel de conception d’éolienne (de pales) de « A à Z ». Cependant, efficace pour
des pales de « grande » longueur (minimum 1m).
Ainsi les boucles itératives (reprises par moi-même manuellement) sont erronées et
n’ont « pas de fin ». 9

47. ÉTUDE DES PALES
10

48. Profils NACA à quatre chiffres
Les quatre chiffres décrivent la géométrie du profil.
•Le premier chiffre donne la cambrure du profil en pourcentage de la longueur de la corde ;
•Le second chiffre donne la position de la cambrure maximale en dixième de la corde ;
•Les deux derniers chiffres donnent l’épaisseur maximale du profil en pourcentage de la corde.
Par exemple, un profil NACA 2412 présente une cambrure de 2 % placée à 40 % de la corde et une
une épaisseur relative de 12 %.
Choix de pales NACA (National Advisory Committee for Aeronautics, prédécesseur de la
NASA) à 4 chiffres, publiés dans les années 1930
PROFILS DE PALES
11

49. LES ÉPAISSEURS DE PALES
12

50. Pour un angle d’attaque de 12° , par
ordre d’efficacité:
4412
6409 9%
2408 très peu efficace
Pour un angle d’attaque de 7° :
2408 la pus efficace
13
LES COURBES DE FINESSE

51. L’angle d’attaque ne pourra donc pas dépasser les 13° car sinon on se trouve
dans le cas de décrochage (perte de portance) de la pale.
LES COURBES DE PORTANCE
14

52. DESSINS TECHNIQUES
15

53. 16

54. 17

55. 18

56. PROGRAMMES
19

57. Arduino
20

58. Lecteur et stockeur de données Testeur de la prise de mesures
21

59. NACA 4412 Traceur des mesures
22

60. NACA 2408 Traceur des mesures
23
NACA 6409 Traceur des mesures

61. Comparateur des 3 pales
24

62. NACA 4412 Etude angle d’attaque
25

63. NACA 2408 Etude angle d’attaque
26
NACA 6409 Etude angle d’attaque

64. Angles d’attaque d’étude
27

65. NACA 4412 Optimisation du vrillage
28

66. Comparateur NACA 4412 Vrillage optimisé mesures
29

67. Comparateur NACA 4412 et NACA 4412 Vrillage optimisé
30

68. Angle(s) d’attaque réels de NACA 4412
Vrillage optimisé
31

69. Nombre de Reynolds de NACA 4412
Vrillage optimisé
32

70. 66
33

71. Nombre de Reynolds de NACA 4412
Vrillage optimisé
34