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Modélisation et simulation des effets du givrage sur les performances aérodynamiques des éoliennes

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Martini, Fahed (2022). Modélisation et simulation des effets du givrage sur les performances aérodynamiques des éoliennes. Thèse. Rimouski, Université du Québec à Rimouski, Département de mathématiques, informatique et génie, 232 p.

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Résumé

« Le phénomène de l'accumulation de glace affecte sérieusement le fonctionnement des turbines éoliennes. C'est une préoccupation importante pour l'exploitants des parcs éoliens en climat froid. L'impact principal du givrage sur les turbines éoliennes est la perte de production en raison de la déformation géométrique des profils des pales. Des pertes importantes de l'énergie produite durant la vie d'un parc éolien doivent être estimées et atténuées.Le givrage est un problème complexe dont la résolution fait appel à plusieurs domaines de connaissances. Puisque le givrage est affecté par divers paramètres fluctuant rapidement dans le temps, on n'est pas en mesure de prévoir avec exactitude le type, l'intensité et la durée des épisodes de givrage. En outre, ces paramètres varient considérablement selon le site du parc éolien. Par conséquent, les méthodes de protection contre le givre et leurs scenarios d'opération doivent être optimisées et adaptées aux conditions locales. Le manque de connaissances reliées au phénomène, l'absence des méthodes efficaces de détection de givre et la faible rentabilité des systèmes de protection contre le givre (SPCG) existants, rendent difficile l'exploitation des éoliennes dans les conditions givrantes et forcent les opérateurs, dans certains cas de givrage extrêmes, à arrêter les éoliennes même dans des jours particulièrement venteux. Cette recherche tente de mettre en évidence la problématique du givrage et l'état actuel de la recherche sur l'exploitation des éoliennes en climats nordiques afin de proposer une solution technique facile à implanter pour pouvoir évaluer instantanément les pertes énergétiques dues au givrage. Cette solution permettra aux opérateurs d'optimiser l'exploitation des éoliennes dans des conditions givrantes en fonction de la sévérité du givre ainsi que d'évaluer à long terme l'impact du givrage sur la production d'un parc éolien. Elle consiste dans une approche qui utilise plusieurs sources de données, comme les résultats des recherches sur le givrage et des outils efficaces de simulation pour finalement prédire les pertes aérodynamiques des profils givrés dans différentes conditions météorologiques et opérationnelles de l'éolienne. L'originalité de l'approche proposée est de pouvoir estimer les pertes aérodynamiques directement à partir des données météorologiques sans besoin d'analyser à chaque fois les profils givrés par des simulations numériques coûteuses. Une nouvelle méthode a été développée pour estimer les pertes aérodynamiques en fonction de conditions météorologiques et opérationnelles des éoliennes. Deux bases de données des pertes aérodynamiques ont été élaborées. Une a été alimentée à partir des résultats des études de simulation de givrage dans la littérature. La deuxième a été élaborée en utilisant un modèle analytique décrit dans la norme ISO 12494 pour calculer rapidement l'accrétion de la glace sur un cylindre dans plusieurs scénarios de givrage sans besoin de faire des simulations coûteuses. L'analyse de sensibilité sur les scénarios étudiés et sur les deux bases de données montre l'importance de certains paramètres sur l'estimation des pertes aérodynamique via simulation.Les résultats obtenus ont été examinés avec le réseau de neurones artificiels et ont démontré une cohérence entre les différents scénarios. Ils ont aussi mis en évidence l'influence importante de certains paramètres, comme la vitesse relative de l'aire. La méthode proposée permet de créer des corrélations entre les conditions météorologiques et les pertes aérodynamiques des profils givrés. Des recommandations pour utiliser le réseau de neurones artificiels et l'analyse adimensionnelle avec des techniques de réduction de paramètres sont faites afin d'optimiser l'efficacité des éoliennes dans des conditions de givrage.Deux articles de synthèse ont été publiés et intégrés sous forme de chapitres dans la thèse. Le premier est une revue des approches de modélisation du givrage des éoliennes. La seconde porte sur la méthode CFD-BEM pour l'estimation de pertes de puissance d e au givrage des éoliennes. Un troisième article de résultats de recherche sur la méthode utilisée pour l'estimation rapide des pertes aérodynamiques a été soumis pour publication et également intégré à cette thèse.Ce projet contribue au développement des nouvelles connaissances en lien avec le phénomène de givrage et l'optimisation des performances des éoliennes aux climat nordique. -- Mot(s) clé(s) en français : givrage des éoliennes, accrétion de glace, pertes aérodynamiques, modélisation et simulation, CFD. »
« The phenomenon of ice accretion seriously affects the operation of wind turbines. This is a major concern for operators of wind farms in cold climates. The main impact of icing on wind turbines is the loss of production due to geometric deformation of the blade airfoils. Significant losses of the energy produced during the life cycle of a wind farm must be estimated and mitigated.Icing is a complex problem whose resolution calls for several areas of knowledge. Given that icing is affected by a variety of rapidly fluctuating parameters, it is not possible to accurately predict the type, intensity, and duration of icing episodes. Furthermore, these conditions vary considerably depending on the site of the wind farm. Therefore, icing protection systems and their operating scenarios must be optimized and adapted to local conditions. The lack of knowledge related to the phenomenon, the absence of effective ice detection methods, and the low profitability of existing Ice Protection Systems (IPS), make it challenging to operate wind turbines in icing conditions and force operators, in some cases of extreme icing, to shut down wind turbines even on particularly windy days.This research attempts to highlight the problem of icing and the current state of research on the operation of wind turbines in northern climates to propose a technical solution that is easy to implement in order to be able to instantly assess the energy losses due to icing. This solution will allow operators to optimize the operation of wind turbines in icing conditions based on the severity of the icing and assess the long-term impact of icing on the production of a wind farm. It consists of an approach that uses multiple data sources, such as the results of icing research and efficient simulation tools, to ultimately predict the aerodynamic losses of iced airfoils under different meteorological and operational conditions of the wind turbine. The originality of the proposed approach is to be able to estimate aerodynamic losses directly from meteorological data without the need to analyze each time the iced airfoils by expensive numerical simulations.A new method has been developed to estimate aerodynamic losses as a function of meteorological and operational conditions of wind turbines. Two databases of aerodynamic losses have been developed. One was fed from the results of simulation studies of icing in the literature. The second was developed using an analytical model described in ISO 12494 to quickly calculate ice accretion on a cylinder under multiple icing scenarios without the need for expensive simulations. The sensitivity analysis on the scenarios studied and on the two databases shows the importance of specific parameters on the estimation of aerodynamic losses via simulation.The results obtained were examined with the artificial neural network and demonstrated consistency between the different scenarios. They also demonstrated the important influence of specific parameters, such as the relative air velocity. The proposed method makes it possible to create correlations between the meteorological conditions and the aerodynamic losses of the iced airfoils. Recommendations for using the artificial neural network and dimensionless analysis with parameter reduction techniques are proposed in order to optimize the efficiency of wind turbines in icing conditions.Two review papers have been published and integrated as chapters in the thesis. The first is a review of wind turbine icing modelling approaches. The second is on the CFD-BEM method for the estimation of power loss due to Icing in wind turbines. A third research paper about the method used for the rapid estimation of aerodynamic loss has been submitted to publication and also integrated into this thesis.This project contributes to the development of new knowledge related to the phenomenon of icing and the optimization of the performance of wind turbines in northern climates. -- Mot(s) clé(s) en anglais : wind turbine icing, ice accretion, aerodynamic losses, modelling and simulation, CFD »

Type de document : Thèse ou mémoire de l'UQAR (Thèse)
Directeur(trice) de mémoire/thèse : Ilinca, Adrian
Information complémentaire : Thèse présentée dans le cadre du programme de doctorat en ingénierie en vue de l'obtention du grade de Philosophiae Doctor. The`ses et e´crits acade´miques.
Mots-clés : Pales ; Éoliennes ; Givrage ; Formation ; Glace ; Aérodynamique ; Modèles mathématiques ; Simulation ; Ordinateur.
Départements et unités départementales : Département de mathématiques, informatique et génie > Génie
Déposé par : DIUQAR UQAR
Date de dépôt : 05 oct. 2022 15:59
Dernière modification : 05 oct. 2022 15:59
URI : https://semaphore.uqar.ca/id/eprint/2072

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