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LES CARACTÉRISTIQUES PHYSIQUES DU GIVRAGE ET SA MODÉLISATION
Description des éoliennes à axe horizontal
Les éoliennes à axe horizontal sont mues par les mêmes forces aérodynamiques qui entrent en jeu dans le fonctionnement d’un aéronef. Les éoliennes modernes sont automatisées et asservies par des anémomètres et girouettes qui mesurent continuellement la vitesse et la direction du vent. Lorsque la vitesse est assez élevée pour compenser la friction du rotor, les mécanismes de commande démarrent réolienne qui produit une faible puissance. Cette vitesse, appelée vitesse de démarrage, est généralement de l’ordre de 4 m/s, soit la force d’une brise légère. La puissance produite croît rapidement à mesure que la force du vent augmente. Lorsqu’elle atteint le niveau maximum admissible pour l’éolienne installée, les mécanismes d’asservissement assurent la régulation à la puissance nominale. La vitesse du vent à laquelle une machine fournit sa puissance nominale est appelée vitesse nominale; en général, elle est approximativement de 15 m/s. Si la vitesse du vent continue à augmenter, le système de commande arrête le rotor pour éviter que des
dommages ne soient causés à I’éolienne. Cette vitesse d’arrêt est généralement de 25 m/s.
Les principales composantes d’une éolienne à axe horizontal sont :
• un rotor, bipale ou tripale, qui convertit l’énergie du vent en énergie mécanique par l’entraînement de son arbre ;
• une tour sur laquelle est fixé le rotor et qui est assez élevée pour exploiter les vents en altitude qui sont plus constants et forts ;
• une fondation solide qui assure la résistance de l’ensemble par grands vents et/ou dans des conditions de givrage ;
• un multiplicateur (boîte de vitesses), qui relie le rotor au générateur ;
• une génératrice triphasée ;
• un dispositif d’interconnexion et un système de contrôle qui commande le démarrage et l’arrêt de réolienne et surveille son fonctionnement.
Exploitation des éoliennes en milieu nordique
En milieu nordique, les basses températures augmentent la densité de l’air. Une densité d’air plus élevée augmente l’énergie cinétique du vent et par conséquent la puissance captée par l’éolienne. L’air est par exemple 27 % plus dense à -33°C qu’à +35°C.
La puissance fournie par une éolienne, qui est directement proportionnelle à la densité de l’air, est donc 27 % plus importante à -33°C qu’à +35°C [13]. 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 et aux très basses températures y sont fréquents et ont de sérieuses conséquences sur la production des éoliennes, leur maintenance et leur durée de vie.
La présence de glace sur les pales d’éoliennes diminue considérablement les performances du rotor. Lors de conditions d’événements givrants, un dépôt de glace se forme sur les pales, celles-ci perdent leurs caractéristiques aérodynamiques , le couple rotatif s’affaiblit et la puissance électrique fournie par I’éolienne diminue. Lorsque l’événement givrant est très sévère , la production électrique est interrompue en raison d’un couple rotatif nui qui conduit à l’arrêt de l’éolienne .
Le givrage
Le givrage des éoliennes est un problème important qui ne peut être négligé car il est une source des pertes de production qui peuvent être importantes; il peut causer des dommages matériels, mettre en danger la sécurité du public, et dans des cas extrêmes conduire à l’effondrement des éoliennes.
Le givrage se produit lorsque l’éolienne est soumise à un hydrométéore givrant contenant des gouttelettes d’eau à l’état liquide à des températures inférieures au point de congélation (0°C). De telles gouttelettes d’eau sont nommées surfondues. Elles se retrouvent souvent en altitude, sous forme de nuages à des températures entre 0°C et- 40°C, au sol, sous forme de brouillard givrant, de neige mouillée, de bruine ou de pluie verglaçante. Les gouttelettes d’eau en surfusion vont heurter la surface de l’objet ou la glace qui le recouvre. Sous l’impact, elles vont geler instantanément ou partiellement, se fragmenter ou s’unir et former des gouttes de surface plus ou moins grosses. Ces dernières gouttes vont s’écouler sous forme de ruisselets pour former un film liquide qui va geler partiellement, alors que la partie liquide continue à s’écouler.
Un paramètre fondamental de l’évaluation de l’importance du phénomène de givrage est la teneur en eau liquide. Elle indique la quantité de gouttelettes d’eau en surfusion contenue dans un volume d’air donné.
Types et formes de glace
Deux types de glace se retrouvent principalement dans la nature. Ce sont le givre et le verglas. Le givre se forme lorsque les gouttelettes d’eau en surfusion gèlent instantanément en heurtant la surface. Les gouttelettes gèlent l’une sur l’autre, ce qui engendre une surface rugueuse. Le givre est une glace opaque de faible densité (comprise entre 250 kg/m3 , pour le givre léger, et 850 kg/m3 , pour le givre dur). Il est caractérisé par une couleur laiteuse en raison de la présence des bulles d’air qui restent emprisonnées dans la structure cristalline durant le rapide processus de solidification. Généralement, le givre épouse la forme du profil. Ces gouttes vont croître et se solidifier partiellement. Elles vont s’unir et ruisseler sur la surface du profil sous l’effet des forces aérodynamiques. Si la teneur en eau liquide est plus élevée, les gouttes d’eau vont s’unir et s’écouler sous forme de ruisselets. Si la teneur en eau liquide augmente encore, les ruisselets vont s’unir et former des films d’eau. La glace ainsi formée, appelée verglas, possède une surface très peu rugueuse et une densité de 917 kg/m3. Le verglas est clair et transparent en raison de la très faible quantité de bulles d’air emprisonnées à l’intérieur.
Les formes résultantes sont très variables, soit des cornes simple ou double, soit de bec ou arrondi dus au ruissellement. Le givre et le verglas ont des effets négatifs sur les caractéristiques aérodynamiques mais peuvent être enlevés à l’aide des systèmes antigivrant ou dégivrant. Le verglas a des conséquences nettement plus sévères que le givre sur les performances aérodynamiques.
Ceci est dû à l’irrégularité et l’asymétrie des formes obtenues par le verglas, ce qui rend difficile la détermination du profil aérodynamique .
Modèles numériques de givrage
Plusieurs modèles numériques ont été développés pour simuler la formation de glace (le givrage) sur un profil aérodynamique en deux dimensions afin de prédire le type de glace, la forme et la location du dépôt, ainsi que leur effet sur l’aérodynamique des avions et des hélicoptères en fonction des conditions atmosphériques mesurées. Ils utilisent comme conditions d’entrée la température et l’humidité relative de l’air, la pression barométrique, la vitesse de vent, la teneur en eau liquide de l’air (LWC), le diamètre volumétrique médian (MVD) des gouttelettes d’eau en surfusion et la durée de l’événement, et font des calculs successifs de l’écoulement autour du profil et des trajectoires des gouttelettes d’eau pour prédire l’efficacité de collection, la couche limite et les coefficients de transfert, du bilan de masse et transfert de chaleur à la surface de l’objet pour prédire la masse de glace accumulée, et des changements de géométrie pour prédire la forme de dépôt de glace. Les codes validés pour l’aéronautique, en deux dimensions, sont LEWICE développé aux ÉtatsUnis par Wright en 1995, ONERA développé en France par Gent en 1990, TRAJICE2D développé en Grande-Bretagne par Guffond en 1992, CANICE développé au Canada (École polytechnique) par Paraschivoiu en 1994, CIRA développé en Italie par Mingione en 1996, CIRALIMA développé au Québec par G.
Fortin en 2003. Le code FENSAPICE 3D, développé au Canada (Université McGill) par Habashi en 2002, est le seul qui peut prédire la formation de glace sur un avion en 3D. Ces différents codes sont décrits et comparés plus en détail dans la thèse de doctorat de G. Fortin .
Menu e Vestas V801.8 MW
Soixante éoliennes de type Vestas V80 1.8 MW sont en service depuis 2004-2005 à Murdochville en Gaspésie. Cet endroit possède un fort potentiel éolien, mais il est régulièrement soumis à des brouillards givrants . En raison de son utilisation dans ce parc, l’éolienne Vestas V80 1.8 MW est choisie pour la modélisation numérique.L’éolienne V80 1.8 MW possède une hauteur de moyeu de 67 m et un diamètre de rotor de 80 m pour une surface de capture de 5 027 m2 . La vitesse de rotation nominale du rotor est de 15.5 tours/min. La vitesse de démarrage est de 4 m/s, la vitesse nominale du vent est de 16 m/s et la vitesse de coupure est de 25 m/s. La vitesse de rotation de l’éolienne varie de 15 tours/min pour de vent de 4 m/s à 15.5 tours/min pour des vents de 9 m/s à 11 m/s .L’éolienne Vestas V80 est une éolienne à pas variable. Elle dispose d’un système de calage des pales nommé OptiTip®. Ce système gère par microprocesseurs la rotation de la pale autour de son axe longitudinal, assurant un réglage continu qui permet de conserver un angle de pale optimal en fonction des vents dominants . Le pas de la paie varie de 10° à 20° avec un pas initial de 11.75°.La pale de Féolienne Vestas V80 1.8 MW est composée simplement de deux profils aérodynamiques, sont le NACA 63 XXX et le FFA W3 XX. Les rendues publiques de Vestas ne donnent pas des détails techniques en ce qui concerne le profil exact composant la pale. La corde des profils varie le long de la pale de 3.52 m à la racine de la pale à 0.48 m en bout de pale. L’angle de vrillage varie le long de la pale de 13° à la racine de la pale à 0° en bout de pale.
Pale du modèle éolien générique
La pale du rotor est l’élément clé dans Féolienne pour convertir l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique. L’énergie mécanique développée par l’éolienne dépend de son efficacité et de sa stabilité structurelle et son efficacité dépend de la géométrie de la pale.
La conception optimale de la pale est un compromis entre la performance aérodynamique et la résistance de la structure. Tout d’abord, différents profils sont distribués le long de la pale ce qui permet d’extraire des puissances aussi élevées que possible de l’air, en tenant compte des distributions de la longueur de la corde, de l’épaisseur et de l’angle de vrillage et par la suite, la résistance de la structure doit être vérifiée .
La conception d’une pale du rotor consiste également à prendre en considération certains critères comme le rapport des coefficients de portance et de traînée (Q/Co) qui doit être aussi élevé que possible et la vitesse spécifique X, choisie de sorte que le coefficient de puissance Cp, qui représente les performances aérodynamiques, soit assez élevé . Toutes ces considérations sont prises en compte lors de la modélisation de la géométrie de la pale de MEG.
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Table des matières
CHAPITRE 1 :INTRODUCTION
1.1. CONTEXTE DU PROJET
1.1.1. Description des éoliennes à axe horizontal
1.1.2. Production annuelle d’une éolienne
1.1.3. Exploitation des éoliennes en milieu nordique
1.2. PROBLÉMATIQUE
1.3. OBJECTIFS
1.3.1. Objectif principal
1.3.2. Objectifs spécifiques
1.4. LES CARACTÉRISTIQUES PHYSIQUES DU GIVRAGE ET SA MODÉLISATION
1.4.1. Le givrage
1.4.2. Types et formes de glace
1.4.3. Modèles numériques de givrage
1.4.4. Résultats aérodynamiques des profils givrés
1.4.4.1. Impact de givrage et de la forme du dépôt de glace
1.4.4.2. Impact de la rugosité
1.4.5. Courbes de puissance des éoliennes givrées
1.4.6. Pertes de production annuelle dues au givrage
1.5.CONTENU DU MÉMOIRE
CHAPITRE 2: MODÈLE NUMÉRIQUE DE PRODUCTION ANNUELLE D’UNE ÉOLIENNE À AXE
HORIZONTAL
2.1. INTRODUCTION
2.2. CALCUL DE LA PRODUCTION ANNUELLE D’UNE ÉOLIENNE
2.2.1. Calcul de l’énergie extraite par une éolienne
2.2.2. Production énergétique non corrigée
2.2.2.1. Distribution de la vitesse du vent
2.2.2.2. Courbe d’énergie
2.2.2.3. Production énergétique non corrigée
2.2.3. Production énergétique corrigée
2.3. LOGICIEL PROPED
2.4. LOGICIEL XFOIL
2.4.1. Description générale
2.4.2. Modèle physique
2.4.3. Modèle numérique
2.4.4. Inconvénients de XFOIL
2.5.LOGICIEL CIRALIMA
2.6. CONCLUSION
CHAPITRE 3: MODÈLE ÉOLIEN GÉNÉRIQUE REPRÉSENTATIF D’UNE ÉOLIENNE VESTAS V80 L8 MW
3.1. INTRODUCTION
3.2. ÉOLIENNE VESTAS V801.8 MW
3.3. PALE DU MODÈLE ÉOLEN GÉNÉRIQUE
3.3.1. Passage de la pale 3D au profil aérodynamique 2D
3.3.2. Vitesses et angles sur un élément de pale
3.3.3. Choix du profil. Distribution de l’épaisseur le long de la pale
3.3.4. Distribution de la corde le long de la pale
3.3.5. Distribution de l’angle de vrillage le long de la pale
3.3.6. Discrétisation de la paie
3.3.7. Synthèse
3.4. CALCUL DES COEFFICIENTS DE PORTANCE ET DETRAÎNÉE
3.5. CALCUL DE LA COURBE DE PUISSANCE AUX CONDITIONS ATMOSPHÉRIQUES STANDARDS
3.6. VALIDATION DU MEG
3.7. CALCUL DE LA PRODUCTION ANNUELLE
3.7.1. Calcul de la production annuelle de la Vestas V801.8 MW
3.7.2. Calcul de la production annuelle du MEG
3.7.3. Validation de PROICET
3.8. CONCLUSION
CHAPITRE 4:SIMULATION NUMÉRIQUE DE LA COURBE DE PUISSANCE DU MEG ET CALCUL DE SA PRODUCTION ANNUELLE SOUS PRÉCIPITATIONS GIVRANTES
4. 1. INTRODUCTION
4.2. CONDITIONS MÉTÉOROLOGIQUES AU SOL
4.3. CONDITIONS ATMOSPHÉRIQUES DE GIVRE
4.4. TEMPÉRATURE DE- 6 °C
4.4.1. Calcul des formes de glace
4.4.2. Calcul des coefficients de portance et de traînée
4.4.3. Calcul de la courbe de puissance
4.5. TEMPÉRATURE DE-2° C
4.5.1. Calcul des formes de glace
4.5.2. Uniformisation de la surface de glace
4.5.3. Calcul des coefficients de portance et de traînée
4.5.4. Calcul de la courbe de puissance
4.6. CALCUL DE LA PRODUCTION ANNUELLE DUME G SOUS PRÉCIPITATIONS GIVRANTES
4.7. CONCLUSION
CHAPITRE 5: CONCLUSION
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