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Effet de l'érosion par des particules de sable sur
la performance des pales d'éoliennes dans les
zones arides et semi-arides
Ahmida Rezig1,*, Ahmed Yousfi1, Sylvain Fréour2, Frédéric Jacquemin2.
1 Mechanical Laboratory, University Amar Telidji of Laghouat, Algeria.
2 GeM – Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique, UMR CNRS 6183, Université de Nantes-
École Centrale de Nantes, 58 rue Michel Ange, BP 420, 44606 Saint-Nazaire, France.
Résumé: Cet article présente les résultats d'une recherche expérimentale
visant à étudier la dégradation de la surface des pales d'éoliennes situées
dans des zones arides causée par les impacts de particules de sable et
l'influence qui en résulte sur leur performance énergétique. Les essais sont
effectués dans une sableuse à érosion puis dans la soufflerie pour la pale en
fibre de verre / polyester non revêtue sous différents angles et durées
d'impact. Les forces aérodynamiques sur les profiles NACA 4412 sont
déterminées expérimentalement. Tous les profiles (AR = 0,571) sont testés
dans une soufflerie à une vitesse de l'air de 10 m/s au nombre de Reynolds
6.5x105. Les résultats montrent les différences de comportement détectées
pour les échantillons avec T = 160s, T = 240s et T = 340s (quand Ra
augmente) en les comparant avec l'échantillon lisse (T = 0s, Ra = 0,94).
Les coefficients de force (CL et CD) montrent des changements
significatifs qui conduisent à une diminution du rapport portance-traînée et
donc une perte de performance notable.
1 Introduction
Les éoliennes situées dans des zones arides où il y a abondance de poussière sont plus
sensibles à l'érosion qu'une éolienne située dans une zone où ces facteurs ne sont pas
présents. Le projet d'installation d'un parc éolien dans la zone venteuse de Laghouat, dans le
sud de l'Algérie, s'avérera utile dans les années à venir. C’est bien connu que le vent de
sable est un phénomène météorologique commun à cette région. Le bord d'attaque d'une
pale est la partie principale qui entre en contact avec l'air. Cependant, le vent transportant
de grandes quantités de sables peut éroder le bord d'attaque d'une pale d’une éolienne. En
conséquence, la rugosité de surface augmente et altère ainsi les performances
aérodynamiques. Il est généralement, admis que le bord d'attaque constitue un défi critique
pour les fabricants et les opérateurs. Wood [1] déclare que certains opérateurs ont constaté
que l'érosion de bord d'attaque peut devenir un problème après seulement deux ans de
fonctionnement de l’éolienne; beaucoup plus tôt que prévu. L'industrie de l’énergie
* Corresponding author: rezigah_go@yahoo.fr
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éolienne a fortement tendance à attirer l'attention sur l'impact potentiellement grave de
l'environnement sur les bords d'attaque des éoliennes et donc sur leur taux de production
énergétique. La perte annuelle de production d'énergie peut atteindre 20% en raison de
l'érosion selon les recherches les plus récentes [2]. LM Wind Power a mené une étude sur
plus de 400 éoliennes afin de déterminer le degré de fiabilité du bord d'attaque de leurs
aubes dans plusieurs sites. Les lames ont été soigneusement inspectées et les défauts sur les
bords d'attaque ont été enregistrés. Tous les défauts sont classés en plusieurs modes de
défaillance. Les modes de défaillance observés ont montré que les approches et les normes
de test sont insuffisantes pour assurer une bonne protection du bord d'attaque. Une
meilleure corrélation des conditions environnementales telles que l'intensité des UV, la
température et les précipitations, ainsi que des conditions de fonctionnement telles que la
vitesse de pointe nominale et le temps de fonctionnement de la turbine, peut donner de
nouveaux protocoles d'essai efficaces [3].
1.1 Effets de la rugosité sur la performance
Outre la forme aérodynamique, la rugosité de la surface d’une pale joue un rôle essentiel
dans la séparation du flux ou la transition du flux laminaire vers le flux turbulent et, par
conséquent, elle a une influence significative sur les performances des éoliennes. Afin de
quantifier la perte de performance due à la rugosité, plusieurs chercheurs Ferrer et
Munduate [4]; Gregory et O'Reilly [5] ont effectué des expériences en soufflerie et des
simulations numériques sur des pales. Les dommages aux pales peuvent être classés en
deux types: les dommages mineurs, qui ne causent qu'une perte dans l’action du vent sans
entraîner d'arrêt de l’éolienne, et les dommages majeurs (catastrophiques) qui arrêtent
l'éolienne et ne peuvent être corrigés que par remplacement [6]. Dans ce contexte, nous
effectuerons une étude de corrélation profonde des conditions environnementales (plage de
température, taux d'émission de poussière et durée des vents de sable) et des conditions
d'essai (temps d'impact, vitesse d'écoulement et taille des particules) sur la performance
énergétique des pales d'éoliennes.
2 Procédure, matériaux et appareils
2.1 Spécimens
Le profil aérodynamique sélectionné est le NACA 4412 (Fig.1) conçu pour les sections
radiales des pales d'éoliennes. Il a été choisi pour effectuer des essais expérimentaux et peut
donner un rapport portance / traînée très élevé à Re ≈ 6.5x105. L'échantillon a une section
de 175x100 mm2 (AR = 0,571). Tous les échantillons sont conçus pour avoir la même
rugosité (Ra = 0,94 μm).
Fig. 1 : Photos de l'échantillon lisse dans la vienne.
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Nous avons tenu compte de divers temps d'exposition au sablage pour l'échantillon: 160 s,
240 s et 340 s. Après le sablage, il faut nettoyer les spécimens, puis prélever les poids pour
déterminer la perte de masse de chaque spécimen. Ensuite, avant de tester les échantillons
dans la soufflerie, il faut mesurer Ra sur le plan tangent à 0 ° AOA. Ces quatre formes
aérodynamiques seront étudiées à Re = 6,5 x 105 sur une plage de - 4,5 ° < α <20 °.
Après chaque exposition au sablage, la valeur de la rugosité est mesurée à l'aide d'un
Rugotest) (Tab.1).
Fig.2: Effet de la durée de l'impact Fig.3: Comparaison des coefficients
sur le coefficient de portance. d'efficacité des profils
3 Conclusion
Des investigations expérimentales effectuées à différents angles d'impact montrent que les
taux d'usure érosifs ainsi que la rugosité de surface sont étroitement liés. Le profil lisse
atteint des coefficients de portance plus élevés que le profil aérodynamique (t = 240 s), dont
les coefficients de portance sont souvent inférieurs aux autres profils érodés (t = 160 s et t =
340 s) dans la plage 0 ° <α <12 ° (voir fig.1). En comparant les profils dégradés par l'érosion
du sable avec celui qui est lisse à α = 4,5 °, le profil lisse a la performance la plus élevée. On
peut dire que les profils érodés perdent leur performance avec un taux moyen de 45,44%
(voir fig.2). Cela signifie que la production d'énergie des pales d'éoliennes diminue dans cet
environnement sévère et que sa durabilité est également réduite.
Références
1. K. Wood, Blade repair: Closing the maintenance gap. Composites Technology, April,
2011.
2. 3M, [Online]. Available: www.3M.com/wind. 2012.
3. E. Ferrer, X. Munduate, CFD predictions of transition and distributed roughness over a
wind turbine airfoil. In: 47th AIAA aerospace sciences meeting. January, 2009.
4. MD.Haag, Advances in leading Edge protection of wind turbine blades, conference
proceeding LM Wind Power, Denmark, 4 February, 2013.
5. N. Gregory, L. O'Reilly,. Low speed aerodynamic characteristics of NACA 0012 aerofoil
section, including the effects of upper-surface roughness simulating hoar frost.
Aeronautical Research Council reports and memoranda. London, UK 1973.
6. M. Shafiee, , M. Patriksson, A. Strömberg, An Optimal Number-Dependent Preventive
Maintenance Strategy for Offshore Wind Turbine Blades Considering Logistics,
Advances in Operations Research Volume, 2013.
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Angle of attack, α
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