MODULE DES SCIENCES APPLIQUÉES PALES POUR ÉOLIENNE 25 kW PROJET D’ÉTUDES EN INGÉNIERIE DANS LE CADRE DU PROGRAMME DE BACCALAURÉAT EN GÉNIE MÉCANIQUE Présenté par : M. Jean-Fabrice Kouakou M. David La Roche-Carrier Superviseur : M. Guyh Dituba Ngoma, ing., Ph.D., Professeur, UQAT Représentant industriel : M. Pierre Prévost 11 AVRIL 2011
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MODULE DES SCIENCES APPLIQUÉES
PALES POUR ÉOLIENNE 25 kW
PROJET D’ÉTUDES EN INGÉNIERIE DANS LE CADRE DU PROGRAMME DE
BACCALAURÉAT EN GÉNIE MÉCANIQUE
Présenté par : M. Jean-Fabrice Kouakou
M. David La Roche-Carrier
Superviseur : M. Guyh Dituba Ngoma, ing., Ph.D., Professeur, UQAT
Représentant industriel : M. Pierre Prévost
11 AVRIL 2011
PEI : Pales pour éolienne 25 kW
Jean-Fabrice Kouakou Hiver 2011 II David La Roche-Carrier
PEI : Pales pour éolienne 25 kW
Jean-Fabrice Kouakou Hiver 2011 III David La Roche-Carrier
REMERCIEMENTS
Nous tenons à exprimer nos plus sincères remerciements à notre représentant industriel,
Monsieur Pierre Prévost, pour son accueil et la transmission de son expérience dans le
domaine de l’éolien.
Nos remerciements sont aussi transmis à notre professeur Monsieur Guyh Dituba Ngoma,
ing., Ph.D., pour son aide, son implication et sa disponibilité tout au long du projet. Ses
connaissances dans le domaine des turbines furent un atout important dans la réalisation du
projet.
Nous remercions Messieurs Massinissa Djerroud et Abdellah Bouakra étudiants à la maîtrise
en ingénierie à l’Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue pour leur précieuse aide
dans l’utilisation du logiciel ANSYS CFX.
Enfin, nous aimerions remercier tous intervenants qui ont contribué de près ou de loin à
l’avancement du projet.
PEI : Pales pour éolienne 25 kW
Jean-Fabrice Kouakou Hiver 2011 IV David La Roche-Carrier
RÉSUMÉ
Ce projet d’études en ingénierie consiste en la conception des pales pour une éolienne
pouvant produire une puissance de 25 kW à la sortie d’un alternateur synchrone. Le projet
implique nécessairement la conception du moyeu, le dimensionnement de certaines
composantes mécaniques tel que l’arbre de transmission ainsi que la sélection du
multiplicateur de vitesse et des roulements.
La tâche est ardue en raison du nombre significatif de paramètres à prendre en considération
aussi bien au niveau aérodynamique que mécanique. Il faudra partir d’une plage de profils de
pales initialement suggérée ainsi que de certaines caractéristiques mécaniques imposées pour
aboutir à une solution satisfaisant le mandat.
La méthodologie utilisée consiste à alterner les simulations informatiques et les calculs, dans
l’optique de sélectionner le profil de pale le plus apte à répondre aux besoins énoncés dans le
cahier de charge. Le rotor de l’éolienne sera finalement modélisé à partir du profil de pale
choisi, dans le but de pouvoir analyser son comportement au niveau de la fatigue et des
phénomènes vibratoires.
Compte tenu de l’envergure du projet et du temps imparti, certains aspects de la conception ne
seront pas étudiés. Cependant, ceux-ci seront passés en revues au chapitre 6 sur les
modifications pertinentes et recommandations.
PEI : Pales pour éolienne 25 kW
Jean-Fabrice Kouakou Hiver 2011 V David La Roche-Carrier
ABSTRACT
This project consists of engineering the design of blades for a wind turbine that can produce
an output power of 25 kW from a synchronous generator. The project involves necessarily the
hub design, the design of some mechanical components such as the shaft and the selection of
the gearbox and bearings.
The task is enormous because of the significant number of parameters to be considered
aerodynamically and mechanically. From a range of blade profiles initially suggested a
solution satisfying the mandate must be achieved.
The methodology is to alternate computer simulations and calculations in view of the blade
profile to select the most responsive to the needs outlined in the specifications. The wind
turbine rotor will eventually be modeled from the blade profile chosen in order to analyze its
behaviour in terms of fatigue and vibration.
Given the scale of this project and the time available, some aspects of the design will not be
considered. However, some of them are further developed in the recommendations section.
PEI : Pales pour éolienne 25 kW
Jean-Fabrice Kouakou Hiver 2011 VI David La Roche-Carrier
Figure 4-1 : Classification des profils de pales suivant le rapport épaisseur sur corde[23] ..... 30
Figure 4-2 : Trainée en fonction du rapport épaisseur-corde [23] ........................................... 31
Figure 4-3 : Vue élargie du maillage du profil NACA4412 dans le volume de contrôle ........ 32
Figure 4-4 : Distribution de pressions sur le profil NACA 4412 pour un vent de 6m/s .......... 34
Figure 4-5 : Distribution de pressions sur le profil NACA 4418 pour un vent de 6m/s .......... 34
Figure 4-6 : Écoulement sur le profil NACA 4412 .................................................................. 35
Figure 4-7 : Écoulement du vent sur le profil NACA 4418 ..................................................... 35
Figure 4-8 : Finesse du profil en fonction de l’angle d’attaque ............................................... 39
Figure 4-9 : Lecture du coefficient de portance à partir des polaires du profil [21] ................ 40
Figure 4-10 : Vrillage de la pale sur toute la longueur ............................................................ 42
Figure 4-11 : Distribution de la force axiale et tangentielle ..................................................... 43
Figure 5-1 : capture d’écran de la pale d’éolienne modélisée .................................................. 52
Figure 5-2 : Vue en perspective du rotor sans déflecteur ......................................................... 53
PEI : Pales pour éolienne 25 kW
Jean-Fabrice Kouakou Hiver 2011 XI David La Roche-Carrier
LISTE DES SYMBOLES ET ABRÉVIATIONS
Symbole Unité Désignation CP - Coefficient de puissance Fa N Force axiale exercée sur le rotor Fum N Force tangentielle exercée sur le rotor c m Corde du profil de pale CL - Coefficient de portance CD - Coefficient de trainée λ - Vitesse spécifique α ° Angle d'attaque V m/s Vitesse axiale du vent dans l’éolienne U m/s Vitesse tangentielle du déplacement de l’aubage W m/s Vitesse relative du déplacement de l’aubage
R m Rayon d’une pale (du centre du rotor à l’extrémité de la pale)
A m² Surface balayée par les pales ρ kg/m³ Masse volumique de l’air Rh m Rayon du moyeu Rt m Rayon au sommet de la pale N RPM Vitesse de rotation Zb - Nombre de pales ω rad/s Vitesse angulaire de rotation de la pale du rotor Ps Watt Puissance à l'arbre du rotor ηm - Rendement mécanique ηA - Rendement à l'alternateur
FACTEURS DE CONVERSION
Impérial Métrique 1 po 0,0254 m 1 pi 0,3048 m 1 lb 2,205 kg 1 HP 746,0 Watt
PEI : Pales pour éolienne 25 kW
Jean-Fabrice Kouakou Hiver 2011 1 David La Roche-Carrier
Introduction
Depuis des siècles, les hommes ont toujours cherché un moyen d’exploiter l’énergie
contenue dans les vents. Aujourd’hui, cette énergie propre et renouvelable est
généralement exploitée au moyen d’un dispositif appelé éolienne. Une éolienne est
constituée d’un mat, d’une nacelle et d’un rotor composé de pales. La rotation des pales
entrainées par le vent permet de transformer l'énergie cinétique du vent en énergie
mécanique puis électrique.
Aujourd’hui, pour bien des gens, les éoliennes sont devenues un moyen de réaliser des
économies substantielles sur leurs consommations d’énergie et ainsi réduire leurs factures
d’électricité. Aussi, le secteur de l’éolien est en plein essor. Cependant, pour devenir un
acteur de poids dans ce secteur concurrentiel, il faut offrir une éolienne dotée de pales dont
les caractéristiques aérodynamiques permettent de tirer le maximum de puissance du vent.
L’objectif de ce projet d’étude en ingénierie est donc d’effectuer la conception des pales
d’une éolienne afin qu’elle puisse fournir une puissance électrique de 25kW dans une
région aussi peu venteuse que l’Abitibi-Témiscamingue. Les notions d’aérodynamique et
de mécanique seront utilisées à cet effet tout au long du projet.
Jean-Fabrice Kouakou Hiver 2011 2 David La Roche-Carrier
Chapitre 1 Étude des besoins et mandat
PEI : Pales pour éolienne 25 kW
Jean-Fabrice Kouakou Hiver 2011 3 David La Roche-Carrier
1.1 Présentation de l’entreprise
Le représentant industriel du projet, M. Pierre Prévost, est chef de section en
automatisation à Hydro-Québec. Après sa formation de technologue en électrodynamique,
il a acquis suffisamment d’expertise dans le domaine de l’énergie pour pouvoir se lancer
en affaire. Son premier contact avec le monde entrepreneurial a pris fin pour des raisons
de conflit d’intérêts avec son employeur. Cependant, les règlements internes et restrictions
concernant l’entreprenariat chez Hydro-Québec ayant changés, M. Prévost est dorénavant
en mesure de se lancer à nouveau en affaire. Aussi, il a choisi le secteur de l’énergie
éolienne et conçu un prototype d’éolienne qui est présentement installée à sa résidence de
Bellecombe à Rouyn-Noranda (figure 1-1). Il souhaiterait concevoir un nouveau
prototype, par le biais de l’UQAT, beaucoup plus efficace énergiquement et ayant des
pales plus résistantes et plus légères. Son objectif est de démarrer une nouvelle entreprise
visant à commercialiser son nouveau produit. Par conséquent, il n’existe pas de structure
d’entreprise à ce jour. Cependant, lorsque l’éolienne sera fonctionnelle et réputée
commercialisable, M. Prévost a l’intention de démarrer une entreprise autour de son
produit.
Figure 1-1 : Vue d'ensemble du prototype existant
PEI : Pales pour éolienne 25 kW
Jean-Fabrice Kouakou Hiver 2011 4 David La Roche-Carrier
1.2 Formulation du mandat
Bien que l’objectif à atteindre soit la conception d’une éolienne, le mandat qui nous
incombe se limite à la conception des pales. Elle devra être faite en tenant compte des
critères suivants :
• la puissance de l’alternateur devra être de 25 kW avec un rendement de 65 %
• la vitesse de rotation des pales devra être de 90 tr/min
• le nombre de pales est fixé à 3
• les pales sont à pas fixes tandis que la nacelle doit pouvoir se désorienter
• les pales devront pouvoir résister aux poussées latérales produites à basse
vitesse
• les pales actuelles de type Göttingen 548 sont suggérées pour la géométrie
• le procédé de fabrication est le moulage
• Les matériaux suggérés sont la fibre de verre et de carbone, cependant nous
sommes libres d’en proposer d’autres, pourvu qu’ils répondent aux attentes du
client
• Le niveau sonore de l’éolienne devra être faible
Il est important de mentionner que l’atteinte du 25 kW est un aspect primordial du projet.
Le réseau de distribution d’Hydro-Québec fonctionnant sur le 25 kV, le client désire
profiter de l’entière possibilité d’atteindre cette limite de 25 kW en étant relié au réseau.
PEI : Pales pour éolienne 25 kW
Jean-Fabrice Kouakou Hiver 2011 5 David La Roche-Carrier
1.3 Description de l’éolienne existante
Les caractéristiques du prototype d’éolienne existant sont présentées au tableau 1-1 :
Tableau 1-1 : Caractéristiques de l’éolienne existante
Type d’éolienne Axe horizontal Nombre de pales 3 Matériaux des pales Bois laminé Profil de pale Göttingen 548 Longueur des pales 4 m Hauteur de la nacelle 13 m Type de transmission chaine Puissance produite à la sortie de l’alternateur 11 kW
Le prototype conçu par M. Prévost comporte quelques lacunes :
- les pales en bois laminé sont trop lourdes pour les faibles vents, ce qui réduit les
performances de l’éolienne,
- la tête de l’éolienne se désoriente de temps à autre, ce qui a causé le bris de
certaines pales dans le passé.
La figure 1-2 présente la chaîne de transmission et la configuration de la fixation des pales
sur le moyeu
Figure 1-2 : Transmission par chaine et configuration de la fixation des pales
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Jean-Fabrice Kouakou Hiver 2011 6 David La Roche-Carrier
1.4 Description et caractéristiques des éoliennes
Une éolienne permet de transformer l’énergie cinétique contenue dans les vents en énergie
électrique (figure 1-3). La transformation peut se résumer à partir des étapes suivantes :
- le vent fait tourner les pales de l’éolienne en lui transmettant son énergie cinétique,
- la rotation des pales permet de produire une énergie mécanique qui sera
transformée en énergie électrique grâce à un alternateur,
- il faut ajouter un multiplicateur de vitesse avant la génératrice afin d’accroitre la
vitesse de rotation du rotor,
- un transformateur augmente la tension du courant électrique produit,
- l’énergie électrique produite est ensuite envoyée sur le réseau électrique pour être
utilisée par les consommateurs ou stockée,
- le fonctionnement (arrêt, marche) est géré par un système de contrôle.
Figure 1-3 : Principe de conversion de l’énergie éolienne est énergie électrique
Les éoliennes peuvent être classées en deux grandes catégories :
- Les éoliennes à axe vertical
- Les éoliennes à axe horizontal.
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Jean-Fabrice Kouakou Hiver 2011 7 David La Roche-Carrier
Les éoliennes à axe vertical ont une base très courte allant de 0,1 à 0,5 fois la base la
hauteur du rotor. Leur mécanisme de conversion de l’énergie se trouve plus proche du sol
et est plus accessible pour la maintenance. Les deux types d’éolienne à axe vertical les
plus répandus sont le rotor Savonius et le rotor Darrieus. La figure 1-4 présente une
éolienne de type Darrieus située sur le site de l’UQAT.
Figure 1-4 : Éolienne à axe vertical de type Darrieus présente sur le site de l’UQAT [20]
Les éoliennes à axe horizontal possèdent de 1 à 5 pales bien qu’il est plutôt commun de
rencontrer des éoliennes à 3 pales, car elles offrent un bon compromis entre le rendement,
le coût et la vitesse de rotation. La majorité des éoliennes construites actuellement sont de
type à axe horizontal parallèle au sens du vent.
Figure 1-5 : Éolienne tripale à axe horizontal
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1.5 Normes applicables
Lors de la conception d’une éolienne, plusieurs normes doivent être respectées afin
d’obtenir une meilleure fiabilité de celle-ci au moment de sa mise en place. Le respect des
normes permet de suivre les standards rattachés au domaine d’application étudié et ainsi
éviter les accidents. Avant l’installation d’une éolienne, il faut se conformer aux normes
de zonage, du code électrique, du raccordement électrique.
Il existe plusieurs normes attrait aux éoliennes, cependant le projet vise l’aspect de la
conception donc les normes en lien avec la conception d’une éolienne sont les suivantes :
- La hauteur de l’installation ne doit pas dépasser 100 m en zone urbaine
- CAN/CSA-C61400-1, Éoliennes — Partie 1 : Exigences de conception
- CAN/CSA-C61400-2, Aérogénérateurs — Partie 2 : Exigences en matière de
conception des Petits aérogénérateurs
Après avoir réalisé l’étude des besoins et du mandat, la prochaine étape consiste à définir
le cadre théorique et élaborer les hypothèses qui serviront de base aux calculs impliqués
dans les solutions possibles.
PEI : Pales pour éolienne 25 kW
Jean-Fabrice Kouakou Hiver 2011 9 David La Roche-Carrier
Chapitre 2 : Cadre théorique et
élaboration des hypothèses
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Jean-Fabrice Kouakou Hiver 2011 10 David La Roche-Carrier
2.1 Termes conventionnels pour décrire les performances d’une éolienne
2.1.1 Distribution du vent [1]
Les conditions de fonctionnement d’une turbine éolienne dépendent essentiellement des
conditions de vent. Puisque la puissance est fonction de la vitesse du vent (figure 2-1), les
sites sont d'abord choisis en fonction de la constance de la vitesse et de la fréquence des
vents présents. L'efficacité d'une éolienne dépend donc de son emplacement.
Figure 2-1 : Variation de la puissance en fonction de la vitesse vent [14]
2.1.2 Théorie de Betz et coefficient de puissance [2]
La théorie de Betz indique la limite de puissance récupérable du vent. Elle introduit un
coefficient de puissance Cp dans le calcul de la puissance. Ce coefficient représente
l’efficacité de l’éolienne à transformer l’énergie cinétique du vent en énergie électrique. Il
est fonction de la vitesse avant les pales V1 ainsi que la vitesse après les pales V2. La
figure 2-2 présente la variation de l’écoulement autour de la turbine.
PEI : Pales pour éolienne 25 kW
Jean-Fabrice Kouakou Hiver 2011 11 David La Roche-Carrier
Figure 2-2 : Variation de l’écoulement autour de la turbine [2]
La puissance à l’entrée des pales est définie comme suit :
( )WAQvPentrée312
1=
(2.1)
Tandis que la puissance à la sortie des pales est définie comme suit :
( )( ) ( )WvvvvQAPsortie 212
22
141
+−= (2.2)
Le coefficient de puissance Cp indique le ratio entre la puissance de sortie et d’entrée
( )( )
AQv
vvvvQA
PP
Centrée
sortiep
31
212
22
1
21
41
+−== (2.3)
Après simplification :
1
2
2
1
2 1121
vv
vvC p +
−= (2.4)
Le rapport de vitesses donnant le Cp maximal est le suivant :
31
1
2 =vv (2.5)
Finalement,
5926.0311
311
21max,
2
=+
−=pC (2.6)
PEI : Pales pour éolienne 25 kW
Jean-Fabrice Kouakou Hiver 2011 12 David La Roche-Carrier
Autrement dit, d’après la théorie de Betz, le maximum d’énergie récupérable du vent est
d’environ 59,30%.
Dans le cas d’une éolienne tripale, il a été déterminé que le coefficient de puissance Cp
devrait se situer entre 0,4 et 0,48 tel que le montre la figure 2.3.
Figure 2-3 : Coefficient de puissance des différents types d’éolienne [2]
Après avoir énoncé la théorie de Betz et présenté le coefficient de puissance, il convient de
définir les différentes catégories de puissance dans une turbine éolienne.
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2.1.3 Puissances générées par une turbine éolienne [1]
La puissance se divise en trois catégories pour une turbine éolienne, soit : la puissance
récupérable directement du vent, la puissance mécanique et la puissance électrique.
Au niveau de la puissance du vent, elle peut être exprimée par la relation suivante :
3
21 VCpAPs ρ= (2.7)
Où A est l’aire balayée par les pales du rotor
En tenant compte du critère de Betz suivant l’équation (2.6) la puissance maximale à
l’arbre s’exprime selon la relation :
3max, 27
8 AVPs ρ= (2.8)
Il faut aussi préciser que la puissance mécanique varie en fonction des rendements de tous
les éléments mécaniques, qui sont généralement estimés à 95%. Finalement, l’énergie
électrique est générée à partir de l’énergie mécanique par le biais d’un arbre en rotation
qui entraine l’alternateur à haute vitesse.
2.1.4 Courbes de performances
Les courbes de performance peuvent être caractérisées par trois indicateurs qui sont :
- la puissance
- le couple
- les forces de poussée.
Dans le cas d’une éolienne tripale, la plage admissible de valeur peut se lire directement
sur la figure 2-3. La méthode consiste à identifier la plage de valeurs de coefficient de
puissance ou de vitesse spécifique correspondante au type d’éolienne.
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Jean-Fabrice Kouakou Hiver 2011 14 David La Roche-Carrier
2.1.5 Zones de fonctionnement [15]
La courbe de puissance convertie d’une turbine présentée à la figure 2-4 permet de définir
quatre zones de fonctionnement pour l’éolienne suivant la vitesse du vent :
Figure 2-4 : Zone de fonctionnement d’une éolienne [15]
Où V (m/s) et PT (W)
La figure 2-4 peut être interprétée de la façon suivante :
- V1 est la vitesse du vent correspondant au démarrage de la turbine;
- V2 est la vitesse du vent pour laquelle la puissance extraite correspond à la
puissance nominale de la génératrice;
- V3 = 25m/s (vitesse de décrochage)
- zone I (V < V1) la turbine peut tourner mais l’énergie à capter est trop faible;
- zone II (V1 < V < V2) le maximum de puissance est capté pour chaque vitesse de
vent;
- zone III (V2 < V < V3), la puissance disponible devient trop importante; cette zone
correspond au fonctionnement à pleine charge,
- zone IV (V > V3), la vitesse du vent devient trop forte. La turbine est arrêtée et la
puissance extraite est nulle.
PEI : Pales pour éolienne 25 kW
Jean-Fabrice Kouakou Hiver 2011 15 David La Roche-Carrier
2.2 Paramètres caractéristiques des pales [1]
Le rendement, le bon fonctionnement et la durée de vie l’éolienne dépendront de leur
conception. Il est donc primordial de présenter certains de leurs paramètres
caractéristiques :
- le profil
- la corde
- les angles d’attaque et de calage
- les coefficients de portance et de trainée
- les rapports des paramètres caractéristiques
- la distribution de la corde
- le nombre de Reynolds
2.2.1 Profil [1]
Le profil aérodynamique d’une pale correspond à la forme que possède la pale vue en
coupe. Il existe plusieurs classes de profils. Elles sont définies en fonction de la forme du
squelette, du pourcentage d'épaisseur par rapport à la longueur de la corde et de la
symétrie. Le «National Advisory Committee for Aeronautics» (NACA) a fait un travail de
recherche et de classification très important et on peut trouver dans sa documentation les
caractéristiques recherchées pour des profils d’utilisation diverse. La surface supérieure
d’un profil est appelée extrados, tandis que la surface inférieure est appelée intrados
(figure 2-4).
Figure 2-1 : Profil d’une pale à partir d’une vue en coupe
PEI : Pales pour éolienne 25 kW
Jean-Fabrice Kouakou Hiver 2011 16 David La Roche-Carrier
2.2.2 Corde [1]
Les profils d'ailes ont généralement un bord d'attaque arrondi en avant et un bord de fuite
fin sur l'arrière. La distance du bord d'attaque au bord de fuite s'appelle la corde.
2.2.3 Angle d’attaque et de calage et vrillage [1]
La corde du profil sert aussi de référence afin de définir certains angles. Ainsi, l’angle qui
existe entre la corde C et la vitesse de l'air en amont, V s'appelle l'angle d'attaque α. Plus
cet angle est important, plus les filets d'air « streamlines » sont déviés par le profil. De
même, l’angle qui existe entre la corde et le plan de rotation s’appelle angle de calage θ.
La variation de la grandeur de l’angle de calage sert à définir le vrillage d’une pale lorsque
l’angle d’attaque reste constant sur toute la longueur de la pale. La figure 2-5 présente les
angles d’attaque α et de calage θ.
Figure 2-2 : Angles définis à partir de la corde du profil
Jean-Fabrice Kouakou Hiver 2011 17 David La Roche-Carrier
2.2.4 Coefficients de portance et de trainée [1]
Pour des angles d’attaques faibles, l’écoulement de l’air le long de la pale est laminaire et
est plus rapide sur l'extrados que sur l'intrados. La dépression qui en résulte à l'extrados
crée une force qui aspire la pale vers le haut (l’avant). Cette force s’appelle la portance L
pour «Lift» :
lACVL 2
21 ρ= (2.9)
Où Cl représente le coefficient de portance.
Lorsque la surface exposée à la direction de l’écoulement de l’air augmente, une force de
résistance à l’air apparait. Cette force de résistance appelée trainée et notée D pour «Drag»
s’exprime par la relation :
dACVD 2
21 ρ= (2.10)
Où Cd représente le coefficient de trainée.
La portance et la trainée s’appliquent au centre aérodynamique du profil, situé à
approximativement 25% la corde. Les coefficients de portance Cl et de trainée Cd
dépendent fortement de l’angle d’attaque α et du profil.
Figure 2-3 : Portance et trainée appliquée au centre aérodynamique
PEI : Pales pour éolienne 25 kW
Jean-Fabrice Kouakou Hiver 2011 18 David La Roche-Carrier
2.2.5 Rapports des paramètres caractéristiques [1]
Plusieurs rapports des paramètres cités précédemment sont souvent utilisés dans la
sélection de profils de pale. Il s’agit notamment :
- De la finesse ou le rapport du coefficient de portance sur celui de la trainée
d
l
CC
finesse = (2.11)
- Du rapport de l’épaisseur e du profil sur la corde C
Ce
cordeépaisseur
= (2.12)
- Du rapport µ du rayon local r, vis-à-vis du moyeu, sur le rayon balayé par les pales
Rr
=µ (2.13)
2.2.6 Distribution de la corde [1]
La distribution de la corde des profils définit la géométrie des pales de l’éolienne et est un
facteur déterminant de leur performance. Les pertes en bout de pales sont d’autant
importantes que l’allongement de la pale est faible. La distribution des cordes doit donc
respecter un allongement suffisant pour éviter le gaspillage d'énergie suivant la relation :
( )µλ
πµ 2916
bl ZCRc = (2.14)
Où Zb représente le nombre de pales
La répartition de la portance doit être faite de manière à ce que le maximum de portance
soit concentré le plus loin possible des bouts de la pale.
PEI : Pales pour éolienne 25 kW
Jean-Fabrice Kouakou Hiver 2011 19 David La Roche-Carrier
2.2.7 Nombre de Reynolds [1] [16]
Le nombre de Reynolds sert à identifier les courbes qui permettront de déterminer les
coefficients de portance et de trainée ainsi que les angles d’attaque et de décrochage.
νWL
=Re (2.15)
Avec :
W : vitesse relative du vent sur la pale (figure 2-7)
L : longueur caractéristique, dans notre cas la corde de la pale
ν: viscosité cinématique de l’air, ν ≈ 15,10-6 m²/s
La vitesse du vent W est la résultante de la vitesse absolue V (vitesse apparente du vent) et
de la vitesse d’entrainement U. La figure 2-4 présente le triangle de vitesses incluant le
facteur d’interférence axial a et tangentiel a’ qui sont liés respectivement aux vitesses U et
V.
Figure 2-4 : Triangle de vitesses
PEI : Pales pour éolienne 25 kW
Jean-Fabrice Kouakou Hiver 2011 20 David La Roche-Carrier
2.3 Méthodologie de la réalisation du mandat
La méthodologie adoptée est représentée par l’algorithme de la figure 2-5 :
Figure 2-5 : Démarche de la réalisation du mandat
PEI : Pales pour éolienne 25 kW
Jean-Fabrice Kouakou Hiver 2011 21 David La Roche-Carrier
Chapitre 3 Recherche de solutions
PEI : Pales pour éolienne 25 kW
Jean-Fabrice Kouakou Hiver 2011 22 David La Roche-Carrier
3.1 Solutions et hypothèses communes
La première hypothèse concerne la vitesse du vent. Selon l’Atlas canadien d’énergie
éolienne, la moyenne du vent dans la région de l’Abitibi est d’environ 5,5 m/s à 30 m de
hauteur. Cependant, le client ayant spécifié que la vitesse moyenne qu’il a répertoriée est
de 6,1 m/s, dans le cadre du projet, la vitesse moyenne du vent a été fixée à 6 m/s.
De plus, puisque la puissance à l’alternateur doit être de 25kW, il fallait déterminer la
puissance récupérable directement du vent en tenant compte des rendements mécanique et
électrique. La puissance à l’arbre est donc :
mA
ralternateuPPs
ηη *=
(2.15)
( )95,0*85,0
25000 wPs =
kWPs 96,30=
Finalement, l’équation (2.7) permet d’obtenir le rayon de la surface balayée par le rotor :
=3
21 VCp
PR S
ρπ
( ) ( )
=3/6**³/225,1*
21*44,0
30960
smmkg
WRπ
mR 13=
PEI : Pales pour éolienne 25 kW
Jean-Fabrice Kouakou Hiver 2011 23 David La Roche-Carrier
Il faut préciser que le coefficient de puissance Cp utilisé dans le calcul du rayon a été lu
directement sur la figure 2-2 par identification du nombre de pales de l’éolienne.
Puisque pour une éolienne tripale :
48,040,0 ≤≤ Cp
Il a été convenu de prendre comme valeur Cp = 0,44 ainsi que la vitesse spécifique λ
correspondante sur la figure 2-2, soit λ = 6. La vitesse de rotation des pales a pu être
obtenue à partir de :
VRωλ = (2.10)
Ainsi,
( ) sradm
sm /77,213
/6*6==ω
et,
RPMN 44,2630*==
πω
Les hypothèses communes peuvent être récapitulées dans le tableau 3-1 :
Tableau 3-1 : Récapitulatif des hypothèses communes aux solutions envisagées
Métrique Impérial Diamètre (aire balayée) 13 m 42,65 pi Longueur pale 12 m 39,37 pi Diamètre moyeu 2 m 6,57 pi Coefficient de puissance 0,44 - Vitesse spécifique (Tip ratio) 6 - Puissance requise 30,96 kW 41,52 Hp Vitesse de rotation des pales 26,44 tr/min -
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3.1.1 Solution no. 1- Pale de profil NACA-2512
Tel que mentionné dans la formulation du mandat, le profil de type Göttingen 548 a été
suggéré pour la fabrication des pales. Cependant, les informations précises sur les
paramètres aérodynamiques du profil étant pratiquement inexistantes, il a été convenu de
le remplacer par le profil NACA 2512 possédant des caractéristiques similaires. La
comparaison des profils est présentée au tableau 3-2 :
Tableau 3-2 : Comparaison des caractéristiques des profils NACA 2512 et Göttingen 548
NACA 2512 Göttingen 548 Épaisseur (% de la corde) 12 11,900 Cambrure (% de la corde) 2 2,300 Angle du bord de fuite (degré) 14,511° 14,066° Épaisseur de l'intrados(%) 41,468 77,546 Portance maximale (CL) 1,214 1,208 Maximum (L/D) 49,786 46,818
Figure 3-1 : Profil NACA 2512 [21]
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3.1.2 Solution no. 2 - Pale de profil NACA-4412
Les tracés de profil sont obtenus à partir de calculs théoriques et de tests en soufflerie. La
N.A.C.A a testé et publié des profils d’ailes destinés à l’aviation, cependant ces profils
sont utilisés pour des pales en raison de leurs caractéristiques aérodynamiques. Les noms
des profils, ici composés d’une série de quatre chiffres, possèdent la signification
suivante :
• Le premier chiffre exprime la cambrure en pourcentage de la corde
• Le second chiffre indique la position de la cambrure maximale en dixième de la
corde
• Les deux derniers chiffres représentent l’épaisseur relative en pourcentage de la
corde.
Ainsi, le profil NACA 4412 a une cambrure relative de 4 % dont la valeur maximale se
situe à 4% de la corde et possède une épaisseur relative de 12 % de la corde.
Tableau 3-3 : Caractéristiques du profil NACA 4412
NACA 4412 Épaisseur (% de la corde) 12,0 Cambrure (% de la corde) 4,0 Angle du bord de fuite (degré) 14,4° Épaisseur de l'intrados (%) 76,1 Portance maximale (CL) 1,507 Maximum (L/D) 57,209
Figure 3-2 : Profil NACA 4412 [21]
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3.1.3 Solution no. 3 - Pale de profil NACA-4418
Tout comme le profil NACA 4412, le profil NACA 4418 a une cambrure relative de 4 %
dont la valeur maximale se situe à 4% de la corde sauf qu’il possède une épaisseur relative
de 18 % de la corde.
Tableau 3-4 : Caractéristiques du profil NACA 4418
NACA 4418 Épaisseur (% de la corde) 18,0 Cambrure (% de la corde) 4,0 Angle du bord de fuite (degré) 21,5° Épaisseur de l'intrados (%) 27,8 Portance maximale (CL) 1,797 Maximum (L/D) 44,447
Figure 3-3 : Profil NACA 4418 [21]
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3.2 Critères d’évaluation
Les critères d’évaluation utilisées dans la matrice de décision sont les suivants :
- Matériaux,
- Paramètres aérodynamiques (e/C, Cl/Cd, présence de turbulences à l’écoulement),
- Fabrication,
- Installation.
La pondération du critère des matériaux se base sur le coût du matériel et du poids utilisés
pour la fabrication des pales. Au niveau de la fabrication, on pourra mettre l’emphase sur
l’impact que peut avoir la complexité de la géométrie dans la fabrication des pales ou
encore de la complexité du procédé qui sera requis. Finalement, le critère d’installation de
la solution permet de quantifier la facilité d’installation des pales.
Certains critères n’ont pas été pris en compte dans la matrice. Il s’agit entre autres du
critère d’émission de bruit et celui de sécurité (dans l’utilisation). Le critère de bruit
n’étant pas quantifiable autrement qu’à travers des simulations du rotor, il n’était pas
possible d’en tenir compte. Il en est de même du critère de sécurité pour les pales. Étant
donné que les pales font partie d’une installation complète (éolienne) et ne seront pas
manipulées directement par des personnes, il n’était pas possible d’intégrer ce critère dans
la matrice.
Cependant, il est bon de préciser que la distance sécuritaire du bas du rotor par rapport au
sol « ground clearance » a été prise en compte dans la conception.
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3.3 Matrice de décision
Le barème ainsi que la matrice de décision incluant les critères d’évaluation et la
pondération qui leur est attribuée sont présentés dans le tableau qui suit :
Tableau 3-5 : Barème utilisé pour la matrice
Critère Pondération en pourcentage Barème
Détaillée Générale Repère quantitatif ou qualitatif
Total 87% Total 88% Total 84% Total 89% Total 90% Total 86%
Matériaux : F.V pour Fibre de verre; Rem pour remplissage; F.C pour Fibre de carbones
Pondération : S-T pour Sous-Total
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Finalement, après avoir tenu compte des critères d’évaluation, la solution qui obtient le
plus grand total est celle qui sera retenue. Il s’agit de la solution 2 : le profil NACA4418
en fibre de verre avec remplissage ayant les spécifications suivantes :
Tableau 4-4 : Paramètres aérodynamiques du profil NACA4418
NACA 4418 Épaisseur (% de la corde) 18,0 Cambrure (% de la corde) 4,0 Angle du bord de fuite 21,5o Épaisseur de l'intrados (%) 27,8 Angle d’attaque optimal 6,5o Maximum (L/D) 44,447
Le profil NACA4418 sera donc utilisé dans la conception de la pale.
4.4 Distribution de la corde du profil NACA4418
Le diamètre de la surface balayée étant de 13 mètres, longueur de la pale est évaluée à
partir de la relation :
moyeudurayonpaleladelongueurR +=
(4.1)
Finalement,
mpaleladeLongueur 12=
mmoyeuduRayon 1,1=
Le dimensionnement de la pale consiste principalement à déterminer la distribution de la
corde sur toute sa longueur ainsi que l’angle de calage θ pour le vrillage tel que l’illustre la
figure 4-8.
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Le concept de «design» utilisé consiste à conserver l’angle d’attaque α et le coefficient de
portance CL constants sur toute la longueur de la pale. Ce choix de conception permet
d’obtenir une éolienne à pas fixe.
La longueur de la pale a donc été divisée en 17 stations et pour chacune d’entre-elles,
l’angle de vrillage ainsi que la corde ont été calculés. Il a fallu faire appel aux notions de
triangle de vitesses et de facteurs d’interférence axial et tangentiel (figure 2-6).
En supposant que le facteur d’interférence axiale a est optimal (relation 4.2), les facteurs
d’interférence tangentiels spécifiques aux stations ont été calculés aux rayons locaux r en
nous basant sur l’équation (2.13).
33,031==a (4.2)
2232µλ
=′a (4.3)
On peut ainsi évaluer l’angle βm (figure 2-7) à partir de la relation :
)1(1tan
aa
m ′+−
=λµ
β (4.4)
Finalement, le calcul de la corde c pour chaque station s’exprime comme suit :
( )µλ
πµ 2916
bl ZCRc = (4.5)
L’angle de calage correspondant au vrillage de la station devient :
αβθ −= m (4.6)
L’angle d’attaque α optimal à utiliser correspond à l’angle pour lequel la finesse est
maximale (meilleur rapport portance/traînée). Pour cela, les courbes de rapports pour
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différents nombres de Reynolds Re ont été tracées et lu directement sur le graphique
(figure 4,8).
Figure 4-8 : Finesse du profil en fonction de l’angle d’attaque
Ici, pour un nombre de Reynolds maximal de 100000, l’angle d’attaque obtenue est de 6,5
degrés. L’étape qui suit consiste à déterminer le CL et le CD correspondant à un angle
d’attaque. Pour cela, il suffit de tracer sur la figure 4-9 une droite verticale (rouge) passant
par l’angle d’attaque jusqu'à la courbe de Reynolds puis de projeter horizontalement sur
l’axe Y qui représente les valeurs de CL.
Il est important de préciser que sur les valeurs de Re sur la figure 4-9 sont de l’ordre de
106 parce qu’ils ont été obtenus pour l’aviation (ailes). Cependant, ces mesures sont
valables pour des pales éoliennes si on utilise un ordre de grandeur proportionnelle :
seconde valeur de Re sur la figure 4-8, seconde valeur de Re sur la figure 4-9 (seconde
valeur en termes de grandeur).
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Figure 4-9 : Lecture du coefficient de portance à partir des polaires du profil [21]
On procède de la même manière pour obtenir le coefficient de trainée Cd. La polaire est
présentée à l’annexe II.
Le nombre de Reynolds se calcule à partir de la relation (2.15) avec comme longueur
caractéristique, la corde minimale et maximale sur toute la longueur de la pale.
Ainsi,
469230Re256538 ≤≤
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Pour des longueurs de corde variant entre :
mcm 788,1667,0 ≤≤
Finalement, à l’aide d’un tableur Excel, les différentes valeurs de la corde et de l’angle de
calage ont été déterminées et regroupées dans le tableau 4-5 :
Tableau 4-5 : Distribution de la corde pour les différentes stations de la pale
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La force axiale par unité de longueur étant:
( )2
sincos2mDmLm
aCCcWF ββρ +
= (4.9)
Et la force tangentielle par unité de longueur s’exprimant par:
( )2
cossin2mDmLm
uCCcWF ββρ −
= (4.10)
On obtient,
( ) ( ) ( )( ) mNmsmmkgFa /90,2542
63,8sin0175,063,8cos95,0*)1(*)²/2,21(*³/225,1=
°+°=
Et,
( ) ( ) ( )( ) mNmsmmkgFu /90,332
63,8cos0175,063,8sin95,0*)1(*)²/2,21(*³/225,1=
°−°=
De plus, la relation permettant, d’exprimer la puissance à l’arbre en fonction du couple
produit par le profil s’exprime par :
bm ZrFumrPs **** ω∆≈ (4.11)
Et les forces Fa et Fu doivent être multipliés par la longueur de pale en contact avec le
vent pour exprimer la force totale créée par la rotation des pales :
btaaxialeTotale ZrFF **, = (4.12)
bttgentielleTotale ZrFF **tan, = (4.10)
Ainsi,
NmmNF axialeTotale 93,99403*13*/90,254, ==
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NmmNF gentielleTotale 93,13213*13*/90,33tan, ==
La force centrifuge engendrée par la rotation des pales se calcule de la façon suivante :
2tan
2
30.*
.*
==
NgDcmgDc
VmF pale
gentiellepalec
π (4.11)
( ) VII annexeen calculéest pale chaque de masse la250kgmpale =
Où, Dc.g est la distance entre le centre de l’arbre et son centre de gravité
NRPMmkgFc 44,506630
27*535,2*2502
=
=π
En considérant une charge répartie sur la longueur de la pale, le moment maximal est
calculé au point de l’encastrement. La charge répartie étant la force ayant le plus d’effet
sur la pale, soit la force axiale, le moment maximal se calcul comme suit :
Figure 4-12 : Représentation de la charge répartie sur la pale [27]
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2²
maxwlM =
(4.12)
( ) mNmmNM ⋅== 05,539212
²13*/90,254max
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4.6.2 Dimensionnement de l’arbre [1]
La grosseur de l’arbre est déterminée à partir des deux étapes suivantes :
- Application du code ASME pour trouver une première approximation du diamètre
- Application du code Von Mises-Hencky en imposant le facteur de sécurité désiré
afin d’obtenir la valeur du diamètre
La figure 4.-13 illustre la représentation du système de l’arbre avec les roulements :
Figure 4-13 : Configuration de l’arbre [27]
Le code ASME s’exprime suivant la relation :
( ) ( )( )3/1
2/122 **1,5
+= TCtMCmSp
d (4.13)
Où,
Cm, Ct : facteur de charge (MPa)
[ ])30,0;18,0min(* yut SSbSp = (MPa)
Sut : résistance du matériau à la traction (MPa)
Sy : résistance du matériau à l’écoulement (MPa)
b : constante de concentration de contraintes
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T : couple de torsion maximal (N.m)
M : Moment fléchissant résultant maximal (N.m)
le couple en torsion T s’exprime suivant :
ωsPT =
(4.14)
De plus, le code Von Mises-Hencky s’énonce suivant la relation :
( ) ( )
+
++
=
Se
TaM
Su
TmdF
dSF222
2
43
43
8*
32
³*. π
(4.15)
Pour des raisons de concisions, les calculs relatifs au diamètre de l’arbre suivant les deux
méthodes ont été regroupés à l’annexe VI
On obtient donc selon le code ASME
mmmd 16,96096,0 ==
Et selon la théorie de Von Mises-Hencky, en itérant avec le logiciel Excel, le diamètre le
plus proche d’un FS de 1,5 est de 114,42 mm
Finalement, le diamètre de l’arbre est :
pommd 5,4115 ==
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4.6.3 Choix des roulements [1]
Pour effectuer la sélection des roulements, il faut déterminer les charges axiales et radiales
agissant sur le système afin de trouver le taux de charge dynamique:
Figure 4-14 : Représentation de la charge radiale
Figure 4-15 : Représentation de la charge axiale
ad HN
C1
10
500*3133*
Re
=
(4.16)
Où,
Nd : vitesse de rotation désirée (tr/min),
H10 : nombre d’heures d’opération désirées à une fiabilité de 90% selon L’AFBMA,
a = 10/3 (roulements à rouleaux),
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et,
( )arr FYFVXFV ***;*maxRe += (4.17)
Avec :
Fr : force radiale appliquée (N)
Fa : force axiale appliquée (N)
V=1 (bague intérieure tourne)
V=1,2 (bague extérieure tourne)
Finalement, après calculs (annexe VII) le chargement dynamique est :
kNRPMNC 57,224500*3133
00080*2793,1885210/3
=
=
Et le chargement statique est :
kNNC 19,5293,18852Re0 ===
4.6.4 Choix du multiplicateur de vitesse
Les paramètres du multiplicateur de vitesse sont regroupés dans le tableau suivant :
Tableau 4-6 : Paramètres de fonctionnement pour le multiplicateur de vitesse
Puissance à l’arbre d’entrée (kW) 31 Vitesse de rotation de l’arbre à l’entrée (RPM) 27 Vitesse de rotation de l’arbre à la sortie (RPM) 1800 Configuration des arbres Parallèle Type de choc Modéré Utilisation quotidienne 10 heures et +
Le multiplicateur de vitesse sélectionné est le modèle QHPD3RLN45 de marque
Browning. La fiche descriptive est présentée à l’annexe VII)
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Chapitre 5 Modélisation de la solution
finale
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Afin de pouvoir simuler la solution retenue, l’analyser et fournir des plans de fabrication,
elle a été modélisée à l’aide du logiciel Autodesk Inventor. Les coordonnées du profil de
pale NACA4418 ont été utilisées pour tracer le contour au pied de pale, puis pour chacune
des stations définies dans le tableau 4-5, l’angle de vrillage a appliqué.
5.1 Modélisation de la pale et du moyeu
La figure 5-1 présente la pale et le moyeu modélisés.
Figure 5-1 : capture d’écran de la pale d’éolienne modélisée
Comme le montre la figure 5-1, le moyeu est tri-cylindrique et chacune des pales peut être
insérée dans un des cylindres.
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Les caractéristiques de la pale et du moyeu sont résumée dans le tableau
Tableau 5-1 : Caractéristiques du rotor
Pale Moyeu tri-cylindrique Matériaux Fibre de verre et T-Foam Fer forgé Masse 250 kg 870 kg Dimensions Longueur = 12 m Diamètre = 2,2 m
Épaisseur max = 0,32 m épaisseur = 0,850 m
Corde max = 1,788 m
5.2 Assemblage du rotor
La figure 5.5 présente le rotor qui est composé des trois pales et du moyeu.
Figure 5-2 : Vue en perspective du rotor sans déflecteur
La figure 5-2 présente un rotor sans déflecteur afin d’avoir une image représentative de
l’assemblage.
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Chapitre 6 Éolienne et environnement
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6.1 Santé et sécurité
La santé et la sécurité peuvent se diviser en deux parties dans le cadre des éoliennes, soit
les risques liés à la construction et la maintenance ainsi que les risques liés au
fonctionnement de l’éolienne.
Premièrement, les risques les plus élevés lors de l’élévation d’une éolienne sont dus aux
manipulations de pièces mécaniques en mouvement. Les personnes à risque sont les
travailleurs qui exécutent les manipulations des pièces à plusieurs dizaines de mètres de
hauteur. Pour réduire les risques, il est préférable d’effectuer l’installation de l’éolienne
lorsque les conditions météorologiques sont favorables. De plus, lorsqu’une personne doit
travailler en hauteur pour l’installation, celle-ci doit s’attacher à l’aide d’un harnais de
sécurité et d’une ligne de vie (câble en acier) pour se protéger contre les chutes
éventuelles. D plus, lors des maintenances, le rotor doit être immobilisé par un système de
freinage.
Deuxièmement, les risques liés au fonctionnement de l’éolienne sont les probabilités de
bris de pale. Si un morceau se détache de l’éolienne, cela peut engendrer des blessures
graves advenant le contact avec une personne à proximité. Au niveau de la santé, les
éoliennes produisent des basses fréquences. Les basses fréquences peuvent avoir des effets
néfastes sur la santé humaine, mais dans le cas des éoliennes elles demeurent inoffensives.
Une fois encore, il est bon de préciser qu’une distance sécuritaire du bas du rotor par
rapport au sol « ground clearance » doit être respectée dans la conception du mat de
l’éolienne.
6.2 Impacts environnementaux
À défaut de présenter une liste exhaustive d’impacts que peuvent avoir les éoliennes, en
général, sur l’environnement, nous nous contenterons de citer quelques impacts
spécifiques au projet.
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6.3 Impact positif
La production d’électricité par l’éolienne aura pour avantage d’utiliser une source
d’énergie renouvelable. Aussi, elle évitera d’avoir recours à des sources d’énergie fossile
émettant des gaz à effet de serre (charbon, gaz, fioul).
6.4 Impacts négatifs
La plupart des impacts négatifs généralement recensés sont attribués aux parcs éoliens.
Dans le cadre du projet, il faut citer :
- L’incidence de l’aménagement sur la faune et la flore
- Le bruit généré par les installations (s’il est au-dessus de 50 dB)