Les systèmes de dégivrage

Développement de l’énergie éolienne au Québec

D’après le ministère des Ressources naturelles et de la Faune, le Québec aurait un potentiel éolien exploitable de 3 984 322 MW , soit près de 100 fois la puissance de l’ensemble des centrales hydrauliques. Or le Québec a l’avantage de bénéficier d’une énergie de base abondante et modulable; pour répondre à ses besoins, il dispose d’une énergie hydroélectrique abondante, qu’il peut coupler à l’énergie éolienne par l’intermédiaire d’un réseau fiable et équilibré. L’énergie éolienne s’avère ainsi un excellent complément à l’hydroélectricité.
La principale limite au développement du potentiel éolien du Québec est le climat très froid qui provoque des problèmes de givrage, ainsi que l’intégration à peu de frais de cette nouvelle production au réseau électrique actuel.

Les succès de l’énergie éolienne observés à la fin des années 1990 au Danemark et en Allemagne, notamment, les difficultés économiques de la Gaspésie et la pression croissante des écologistes ont poussé le gouvernement du Québec à lancer en 2003 un premier appel d’offres de 1000 MW d’énergie éolienne auprès d’investisseurs privés.
Hydro-Québec estime que 1000 MW d’installations éoliennes produisent l’énergie consommée par environ 160 000 maisons. Cet appel d’offre était destiné exclusivement à la région de la Gaspésie et à la municipalité régionale de comté (MRC) de Matane.

Les types de glace dans les climats froids

Le givre
Le givre se produit lorsque la gouttelette d’eau en surfusion se solidifie avant l’arrivée d’une autre gouttelette au même endroit. Lorsque le taux de solidification est suffisant, la température de la surface de glace doit dans ce cas être inférieure à la température de solidification de l’eau.
Le verglas
Le verglas se produit à une température avoisinant la température de solidification de Peau. Lorsque le taux de solidification n’est pas suffisant, une certaine quantité d’eau peut rester emprisonnée à l’intérieur de la glace lorsqu’une seconde gouttelette d’eau arrive au même endroit ou demeure sous forme liquide en surface de la glace .
La gelée
La gelée se forme sur un objet à température inférieure à 0°C par sublimation de la vapeur d’eau contenue dans l’air.
La neige mouillée
Lorsque la température de l’air est légèrement supérieure à 0°C, les flocons de neige fusionnent en partie lors de leur descente où ils s’agglomèrent sous l’effet des forces aérodynamiques pour venir heurter la surface de l’objet ou de la glace. La neige mouillée peut occasionner aux éléments structuraux des charges parfois suffisamment importantes pour occasionner leur écrasement.

L’effet du givre sur les éoliennes

Les conditions climatiques très froides des régions nordiques durant l’hiver affectent d’une façon considérable la performance des éoliennes et ralentissent leur vitesse de rotation lors des journées les plus venteuses. Cela est dû à l’accrétion irrégulière de la glace sur les pales d’éoliennes. Cette charge de glace provoque le déséquilibre de l’éolienne ainsi que d’importantes vibrations. Par contre, si la charge de la glace est très importante, la structure des pales se déforme complètement. L’accrétion de glace peut également affecter la sécurité publique dans le cas d’un parc éolien situé près d’une route ou d’une place publique, dû à l’éjection de quantités et de masses importantes de glace à des vitesses très élevées.

Dans la littérature, l’impact du givrage sur les éoliennes fait l’objet de plusieurs études. Un tel projet a été récemment réalisé au Laboratoire international des matériaux antigivre (LIMA) à l’UQAC , concernant les effets du givrage sur les propriétés aérodynamiques d’une pale d’éolienne. En effet, des simulations ont été effectuées dans la soufflerie du LIMA sur un profil NACA 63 415 sous deux régimes d’accrétion, l’un sec et l’autre humide, où il a été constaté que la quantité de glace accumulée augmente en fonction de la position radiale. Le résultat des simulations montre aussi qu’avec l’augmentation de la position radiale, pour les deux événements givrants, le coefficient de portance décroît d’environ 25%, alors que le coefficient de traînée augmente considérablement pouvant atteindre jusqu’à 220%.

Le dégivrage pneumatique

Un dégivreur pneumatique est un dispositif généralement installé sur le bord d’attaque des ailes d’avion, ces zones étant les plus susceptibles d’accumuler de la glace. Un dégivreur pneumatique comprend une membrane en caoutchouc épais installée sur la surface et, quand la glace s’y accumule, la membrane est gonflée par injection d’air comprimé. L’expansion produite provoque des fissures dans la glace, qui se brise en morceaux et est emportée par le flux d’air. Le système est ensuite dégonflé pour retourner l’aile ou la surface à sa forme initiale.

II existe beaucoup d’inconvénients avec de tels systèmes. Par exemple, les membranes doivent être remplacées à tous les deux ou trois ans car le caoutchouc se dégrade rapidement sous l’action des rayons UV et des agents atmosphériques.

Réalisation du profil NACA 63-415

Fabrication
Le profil de pale choisi est celui de l’aile NACA 63-415 ; il s’agit d’un NACA dont les caractéristiques aérodynamiques sont disponibles dans la littérature et qui est couramment utilisé pour la confection des pales d’éoliennes. Pour la fabrication de la section de pale, un moule en bois a d’abord été usiné en deux parties dont le fini de surface intérieure d’une précision de 200 µm a été obtenu après sablage et cirage. Les deux parties intérieures du moule ont ensuite été enduites de deux (2) couches de Gelcoat (enduit gélifié) appliquées au pinceau, ce qui donne au démoulage la couleur blanche à la pièce. Il s’agit d’une peinture à base de résine de polyester à laquelle des pigments et des additifs ont été ajoutés. Elle confère à la pièce son état de surface final. Ce dernier dépend du type de résine de base utilisé, qui est choisi selon le milieu dans lequel sera exposée la pièce. Onze couches de tissu de fibres de verre ont ensuite été placées une par une dans chaque moule et imbibées au pinceau d’un mélange de résine et de catalyseur.

La période de polymérisation de la résine est assez courte. Par souci de sécurité, on laisse sécher les pièces pendant 24 heures avant le démoulage. La forme des pièces (angles de dépouille importants) ainsi que le soin apporté à la préparation du moule permettent un démoulage aisé.

Table des matières

Chapitre 1 :INTRODUCTION 
1.1 Développement de l’énergie éolienne au Québec 
1.2 Le givrage 
1.3 Les types de glace dans les climats froids 
1.3.1 Le givre
1.3.2 Le verglas
1.3.3 La gelée
1.3.4 La neige mouillée
1.4 L’effet du givre sur les éoliennes
1.5 Les systèmes de dégivrage 
1.5.1 Le revêtement des pales
1.5.2 Le dégivrage pneumatique
1.5.3 Le dégivrage par micro-ondes
1.5.4 Le dégivrage électrothermique
1.6 Objectifs et méthodologie 
1.6.1 La nécessité d’une telle étude
1.6.2 Objectif
1.6.3 Méthodologie
Chapitre 2  :RÉALISATION DES ESSAIS 
2.1 Réalisation du profil NACA 63-415 
2.1.1 Fabrication
2.1.2 Points de mesure des températures et calcul des flux de chaleur
2.2 Matériel à disposition pour les essais 
2.2.1 Soufflerie réfrigérée du LIMA
2.2.2 Rampe de gicleurs
2.2.3 Logiciel d’utilisation de la soufflerie (soufflerie 2000)
2.3 Montage expérimental 
2.4 Procédure expérimentale 
2.5 Les conditions de givrage 
Chapitre 3  :RÉSULTATS DES ESSAIS 
3.1 Programme d’essais 
3.2 Résultats des essais sur profil chauffé sans isolation 
3.2.1 Profil W0 sans isolation
3.2.2 Températures enregistrées pendant les essais
3.2.3 Moyennes des températures enregistrées avec le profil W0
3.2.4 Observation de la glace formée à l’extrados
3.3 Résultats des essais sur profil chauffé avec isolation en polyethylene 
3.3.1 Profil PL avec isolation de Polyethylene
3.3.2 Températures enregistrées pendant les essais
3.3.3 Moyennes des températures enregistrées pendant les essais sur le profil PL
3.3.4 Observation de la glace formée sur l’extrados
3.4 Résultats des essais sur profil TF avec isolation de téflon 
3.4.1 Températures enregistrées pendant les essais
3.4.2 Moyennes des températures enregistrées pendant les essais sur le profil TF
3.4.3 Observation de la glace formée sur l’extrados
3.5 Résultats des essais avec le profil HY recouvert d’une peinture hydrophobe 
3.5.1 Profil d’essai HY
3.5.2 Températures enregistrées pendant les essais
3.5.3 Moyennes des températures enregistrées pendant les essais sur le profil HY
3.5.4 Observation de la glace formée sur l’extrados
Chapitre 4 :BILAN DES RESULTATS 
4.1 Description du phénomène 
4.2 L’effet des isolants sur la puissance disponible 
4.2.1 Puissance de chauffage avec le profil PL
4.2.2 Répartition de la puissance avec le profil PL isolé de polyethylene
4.2.3 Répartition de la puissance avec le profil TF
4.2.4 Répartition de la puissance avec le profil HY traité d’une peinture hydrophobe
4.3 Discussion
CONCLUSIONS

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