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Pertes énergétiques d'une éolienne à partir des formes de glace simulées numériquement

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Dimitrova, Mariya Hristova (2009). Pertes énergétiques d'une éolienne à partir des formes de glace simulées numériquement. Mémoire. Rimouski, Québec, Université du Québec à Rimouski, Département de mathématiques, informatique et génie, 176 p.

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Résumé

RÉSUMÉ : Les milieux nordiques disposent généralement de régions très bien exposées au vent
et ces régions semblent idéales pour l'exploitation des éoliennes. Malheureusement, les
problèmes liés au givrage y sont fréquents et ont des sérieuses conséquences sur la
production des éoliennes, leur maintenance et leur durée de vie.
Le givrage, qui est caractéristique des régions au climat froid, est le phémomène
d'accumulation de glace sur les pales des éoliennes. Il est causé par la pluie verglaçante, la
bruine et le brouillard givrant au niveau du sol ou le givrage dans les nuages en altitude, ou
le gel, lorsque l'éolienne est installée à proximité des masses d'eau. Le givrage diminue les
performances aérodynamiques en provoquant des pertes de puissance et par conséquent des
pertes énergétiques.
L' impact du givrage est difficile à quantifier sans essais expérimentaux et simulations
numériques en raison du manque de données réelles sur le terrain. Le coût des essais en
soufflerie étant élevé, une approche par simulations numériques permet de fournir
rapidement des informations sur les pertes de performances aérodynamiques et
énergétiques dans différentes configurations d'éoliennes et de conditions météorologiques.
Combiner des mesures météorologiques nombreuses à des modèles numériques puissants
est essentiel pour évaluer adéquatement l'impact du givre sur le fonctionnement d'une
éolienne et sa production annuelle.
Un modèle numérique, nomé PROICET, est développé pour calculer la production
annuelle d'une éolienne lors de givrage et est présenté dans ce mémoire. Ce modèle, bon
marché et relativement simple, simule la formation de glace sur les pales des éoliennes,
calcule les coefficients de portance et de traînée et les courbes de puissance. Puis, lorsqu'il
est couplé à des scénarios du vent et d'évènement givrant, il permet de quantifier les pertes
de production annuelles d'une éolienne induites par la glace. L'originalité de ce modèle
consiste en l'intégration de trois logiciels, à savoir CIRALIMA, XFOIL et PROPID, avec le
modèle éolien générique, dans un processus séquentiel dans lequel les résultats du premier
logiciel sont les entrées du deuxième et ainsi de suite. Ceci permet d'évaluer les pertes de
performances aérodynamiques, les pertes de puissance et enfin les pertes de production
annuelle d'une éolienne dues au givrage. De plus, c'est la première fois qu'une telle étude
est produite pour prédire numériquement les pertes énergétiques d'une éolienne dues au
givre.
Le modèle éolien générique MEG, intégré dans PROICET, est aussi présenté dans ce
mémoire. II est une représentation technique de la pale de l'éolienne qui se compose d'un
profil aérodynamique NACA 63-415, d'un angle de calage et d'une distribution de l'angle
de vrillage et de la corde le long de la pale. Dans la suite, l'éolienne MEG signifie une
éolienne Vestas V80 1.8 MW qui est modélisée en utilisant le modèle éolien générique.
Les modèles numériques PROICET et MEG sont validés pour l'éolienne Vestas V80
de 1.8 MW non givrée et pour le site de Murdochville (Québec) aux conditions
atmosphériques standards. PROICET a été utilisé pour calculer la production de l'éolienne
MEG lors de précipitations givrantes légères. Des scénarios du vent et du givrage, basés sur
le site de Murdochville, ont été utilisés pour calculer les pertes annuelles induites par la
glace. Les pertes de performances aérodynamiques et de puissance, induites par la glace,
sont aussi estimées.
Les résultats de PROICET concernant les simulations des coefficients de portance et
de traînée ont montré que les performances aérodynamiques sont globalement détériorées:
les pertes du coefficient de portance ne dépassent pas 30 %, l'augmentation du coefficient
de traînée ne dépasse pas 140 %.
Les résultats de PROICET concernant les simulations de la courbe de puissance ont
montré que la détéoration des performances aérodynamiques conduit à des pertes de
puissance de l'ordre de 3.4 %. Les pertes de puissance calculées pour des vitesses de vent
de 5 mis à 12 mis, où l'éolienne est supposée opérer le plus souvent, sont de 1 %.
Les résultats de PROICET concernant les pertes de production annuelles du MEG
sous précipitations givrantes calculées sont faibles, moins de 1 %. Ceci est dû aux
conditions non sévères de givrage qui ont été modélisées et au faible nombre d'heures de
givrage (74h) qui ont conduit à une faible quantité de glace accumulée sur les pales du
MEG (1.33 kg/m au maximum en bout de pale) . Les résultats obtenus se comparent avec
ceux disponibles en littérature pour des sites à faible risque de givre mais seulement sousestiment
les pertes sur le site de Murdochville, caractérisé par des phénomènes plus sévères
de givrage. Ces résultats confirment quand même le bon fonctionnement du modèle
numérique PROICET lors de givrage léger. Par contre les résultats de modèle PROICET ne
permettent pas de conclure que les pertes du site de Murdochville sont insignifiantes, car
les conditions de givrage, simulées numériquement, sont basées sur des événements de
givrage léger observés à une altitude moins élevée que celle à laquelle les éoliennes sont
instalées. Pour avoir les vraies pertes pour ce site il est nécessaire de simuler l'ensemble des
conditions givrantes qui apparaissent durant une année, une partie d'entre elles étant
beaucoup plus sévères que celles simulées numériquement dans ce mémoire. ABSTRACT : Generally, the northem regions benefit of a high wind potential and are ideal for the
wind turbines operation. Unfortunately, the icing problems are cornrnon and have serious
consequences on the wind turbines energy production and their maintenance and service
life.
Icing, which is characteristic of cold regions, is caused by freezing rain, drizzle and
freezing fog at ground level or by clouds at high altitudes, or by frost, when the turbine is
installed near water bodies. The ice accumulation on the wind turbines blades reduces the
aerodynamic performance and results in loss of power and therefore energy.
Impact of ice is difficult to quantify without experimental tests and numerical
simulations due to the lack of real data from the field. The high cost of wind tunnel testing,
conducted to the necessity to develop a numerical approach that can accurately evaluate the
aerodynamic performance degradation and energy losses for different configurations of
wind and weather conditions at lower cost and over a shorter period.
A numerical model, named PROICET, was developed to calculate the wind turbine
annual energy production considering the impact of icing. The model, inexpensive and
relatively simple to use, simulates the ice shape on the wind turbine blades, calculates the
lift and drag coefficients and the power curves. Then, when coupled with wind and icing
scenarios, it allows quantifying the annual production losses due to ice. The originality of
this numerica! mode! is the combination of three softwares (ClRALIMA, XFOIL and
PROPID) with a wind turbine generic mode! in a sequential process in which the results of
the frrst software are the entries of the second and so on. This allows the eva!uation of
aerodynamic performance degradation, power loss and wind turbine production !osses due
to icing. Moreover, it is the frrst time such a study is made to predict numerically the wind
turbine energy losses due to icing.
A wind turbine generic model MEG, integrated into PROICET and presented in this
project, is a technical representation of the wind turbine b!ade which includes a
NACA 63415 airfoil, a chord, pitch angle and twist distribution along the blade. The MEG
wind turbine has been build starting from the available information about the
Vestas V80 1.8 MW wind turbine.
The numericals mode!s PROICET and MEG are validated for the clean wind turbine
Vestas V80 1.8 MW on Murdochville's site (Quebec) at the standard atmospheric
conditions. PROICET is used to calculate the annua! energy production of the MEG wind
turbine during light precipitation icing. The wind and ice scenarios, based on data mesured
at Murdochville site are used to calculate the annual energy losses caused by the ice. The
loss of aerodynamic performance and power, induced by the light ice, is estimated.
The aerodynamic performance of the MEG wind turbine is generally deteriored by
the light ice: the loss of the lift coefficient is 30 % and the drage coefficient increase by
140 %. The aerodynamic performance deterioration leads to approximately 3.4 % power
10ss. The annual energy production of the MEG wind turbine under light icing is estimated
at less than 1 %. This is due to ice conditions, which are not severe, and the low duration of
icing (74h), which led to a small ice accumulation on the blades (1.33 kg/m maximum).
These results are comparable to the ones available in the literature for the sites at lower risk
of ice. However the real losses in Murdochville, characterized by more severe icing
conditions will be higher. The results validate the functioning of PROICET in light icing.

Type de document : Thèse ou Mémoire (Mémoire)
Directeur(trice) de mémoire/thèse : Ilinca, Adrian
Co-directeur(s) ou co-directrice(s) de mémoire/thèse : Perron, Jean
Information complémentaire : Mémoire de recherche présenté à l'Université du Québec à Rimouski comme exigence du programme de maîtrise en ingénierie pour l'obtention du grade de maître en science[s] appliquées (M.Sc.A.). Publié aussi en version papier.
Mots-clés : Givre Givrage Effet Impact Performance Aerodynamique Pale Eolienne Simulation Numerique Modelisation Production Energie
Départements et unités départementales : Département de mathématiques, informatique et génie > Génie
Déposé par : DIUQAR UQAR
Date de dépôt : 24 janv. 2011 16:23
Dernière modification : 24 janv. 2011 16:23
URI : http://semaphore.uqar.ca/id/eprint/275

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