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Système électrothermique de dégivrage pour une pale d'éolienne : simulations en soufflerie réfrigérée et impact sur la puissance produite

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Mayer, Christine (2007). Système électrothermique de dégivrage pour une pale d'éolienne : simulations en soufflerie réfrigérée et impact sur la puissance produite. Mémoire. Rimouski, Québec, Université du Québec à Rimouski, Département de mathématiques, informatique et génie, 194 p.

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Résumé

RÉSUMÉ : Dans le cadre de l'amélioration des conditions d'opération des éoliennes en climat nordique, le
dégivrage des pales est une problématique majeure, autant pour les problèmes de performances que
pour des raisons de sécurité, car des morceaux de glace volumineux peuvent être éjectés très loin
par les pales . Des systèmes de dégivrage sont nécessaires pour éviter de devoir arrêter les éoliennes
en période de givrage. Parmi les différents systèmes de dégivrage existants, inspirés principalement
du domaine aéronautique, le système de dégivrage électrothermique est le plus prometteur en
termes de qualité de dégivrage. Malgré des résultats très encourageants en exploitation, aucun test
en laboratoire n' a encore été publié sur les performances de ce type de système. C'est pourquoi un
montage expérimental d'un système électrothermique de dégivrage des pales d' éoliennes a été
conçu et fabriqué pour réaliser des essais en soufflerie réfrigérée en conditions de précipitations
givrantes.
Le montage expérimental consiste en une section de pale, fabriquée avec les mêmes matériaux que
ceux utilisés dans l'industrie éolienne et instrumentée à l'aide de 12 thermocouples. 4 d'entre eux
sont situés à l'intérieur du profil afin de mesurer la température interne et de quantifier les pertes
thermiques internes et 8 sont sur la surface de la section de pale et servent à contrôler les 12
éléments chauffants placés sur le bord d'attaque et le bord de fuite du profil. Ce montage est relié à
un boitier électrique qui gère l'énergie apportée aux éléments chauffants. Ce boitier est connecté à
l'ordinateur dans lequel un programme en Visual Basic contrôle le chauffage à partir de la
température de surface et enregistre les différentes températures mesurées et puissances
consommées. La loi de commande du chauffage est basée sur une analogie avec le transfert de
chaleur convectif.
Les conditions expérimentales de givrage sont obtenues à partir de la rruse à l'échelle d'un
évènement de givrage mesuré sur la station météorologique de Murdochville en Gaspésie (Québec).
Les températures de surface et consommations de puissance de la section de pale sont enregistrées
tout au long de l' essai. Les enregistrements permettent d' observer les phénomènes qui se produisent
lors du givrage et l'évolution de la température et de la puissance consommée lors du dégivrage sur
le bord d' attaque et le bord de fuite. Ces enregistrements permettent également d' étudier l'impact
des différents éléments de la soufflerie sur la puissance consommée et d'optimiser les paramètres du
dégivrage qui interviennent dans la loi de puissance.
Les formes de glace accumulées en givrage puis en dégivrage, ainsi que leur effet sur les propriétés
aérodynamiques de la pale, sont analysées. Elles permettent de quantifier la production énergétique
d'une éolienne recouverte des profils de glace obtenus lorsque le système de dégivrage est arrêté et
lorsqu'il fonctionne. Puis ces résultats sont comparés avec la consommation de puissance du
système de dégivrage afin d'estimer le gain ou la perte énergétique du système de dégivrage.
À terme, les résultats obtenus avec le montage expérimental permettront d'étudier la rentabilité du
système de dégivrage lors de la phase de conception d'un parc éolien en fonction des conditions
climatiques propres au site d'installation du parc. -- ABSTRACT : ln order to improve the working conditions of wind turbines in cold climate, the blades de-icing is a
major problem for both performances and security issue because ice fragments can be ejected far
away from the turbine by the rotating blades. De-icing systems are essentials to avoid stopping the
turbine during icing events. The electro thermal de-icing is the most promising system in terms of
de-icing quality among aU the existing de-icing systems, which are principaUy inspired from the
aircraft field. ln spite of encouraging results in use, no laboratory test about the system
performances has been published yet. That's why an experimental set-up of an electro thermal deicing
system for wind turbine blades has been designed and built in order to perform experiments in
a refrigerated wind tunnel under icing conditions.
The experimental set-up consists in a blade section built in the same materials as in the wind
turbines industry and instrumented with 12 thermocouples. 4 of them are located inside the airfoil
so as to measure the internaI tempe rature and quantify the internaI thermal los ses. The other 8 are
on the airfoil surface and are used to control the 12 heating strips located on the leading edge and on
the trailing edge of the airfoil. This set-up is linked to an electric box that manages the power sent to
the heating strips. This box is connected to the computer in which a Visual basic program controls
the heating from the surface temperature and save the different temperatures and heating powers
consumed. The law leading the heating is based on an analogy with the convective heat transfer.
The experimental icing conditions are obtained from the scaling of an icing event recorded by the
meteorological station of Murdochville in Gaspésie (Québec). The surface temperatures and power
consumptions of the airfoil are saved during the whole experiment. The records aUow the
observation of different phenomenon occurring during the icing and the examination of the
temperature and power consumption evolution on the leading edge and trailing edge. Moreover,
these records permit the study of the impact of different parts of the wind tunnel on the power
consumption and the optimisation of the de-icing parameters that take part in the heating power law.
The ice shapes obtained in icing then in de-icing and their effect on the blade aerodynamic
properties are analysed. At this time it is possible to quantify the power production of a wind
turbine covered with these ice shapes. The results are compared with the power consumption of the
de-icing system in order to estimate the energetic gain or 10ss of the de-icing system for the wind
turbine production.
At the end, the resu1ts obtained with this experimenta1 set-up will allow the study of the de-icing
system pay-back from the designing phase of a wind farm depending on the meteor010gica1
conditions of the site.

Type de document : Thèse ou Mémoire (Mémoire)
Directeur(trice) de mémoire/thèse : Perron, Jean
Co-directeur(s) ou co-directrice(s) de mémoire/thèse : Ilinca, Adrian et Fortin, Guy
Information complémentaire : Mémoire présenté à l'Université du Québec à Rimouski comme exigence partielle du programme de maîtrise en ingénierie pour l'obtention du grade de maître en sciences appliquées (M.SC.A.). Publié aussi en format papier.
Mots-clés : Degivrage Pale Eolienne Systeme Electrothermique Performance Simulation Soufflerie Impact Production
Départements et unités départementales : Département de mathématiques, informatique et génie > Génie
Déposé par : DIUQAR UQAR
Date de dépôt : 15 févr. 2011 21:01
Dernière modification : 15 févr. 2011 21:06
URI : http://semaphore.uqar.ca/id/eprint/352

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