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Courbe de puissance
Les forces aérodynamiques qui entrent en jeu dans le fonctionnement d’éoliennes sont les mêmes que celle qui sont créées par les ailes d’avion. Il est très important de noter que l’éolienne ne peut pas fonctionner quelle que soit la vitesse du vent. Il existe une vitesse minimale pour son démarrage et une vitesse maximale au-delà de laquelle l’éolienne risque d’endommager (figure 9). La plupart des éoliennes sont pourvues d’un anémomètre qui mesure continuellement la vitesse du vent. Lorsque celle-ci est assez élevée pour compenser la friction du rotor, les mécanismes de contrôle lui permettent de tourner et de produire ainsi une faible puissance. Cette vitesse, appelée vitesse de démarrage (VD), est habituellement d’environ 4 m/s, soit la force d’une brise légère. La puissance produite croit rapidement au fur et mesure que la vitesse du vent augmente. Lorsque celle-ci atteint le niveau maximum admissible pour l’éolienne installée, les mécanismes de contrôle assurent la régulation à la puissance nominale. La vitesse du vent à laquelle une machine commence à fournir sa puissance nominale est appelée vitesse nominale (VN); en générale, elle est d’environ 15 m/s. Si la vitesse du vent continue à augmenter, le système de contrôle arrête le rotor pour éviter que l’éolienne soit endommagée. Cette vitesse d’arrêt (VA) est généralement d’environ 25 m/s.
Le problème actuel
Les efforts de recherche présentés dans cette étude doivent faire face aux limites et inconvénients des modèles des éoliennes actuelles. L’un des principaux inconvénients de la conception actuelle de la pale est l’utilisation du système de calage pour la régulation de la charge aérodynamique. Les systèmes de calage sont incapables de supporter le très dynamique et non uniforme flux d’entrée qui est en interaction avec les rotors d’éoliennes. Les pales sont tout simplement trop grandes pour supposer que la variation de l’angle de calage est suffisante pour ajuster efficacement le système à des conditions variables de flux d’entrée. En outre, l’énorme taille et le poids des pales modernes ainsi que leur caractère hautement élastique inhérent mettent des limites strictes sur le taux de calage, qui est limitée à environ 11°/ s [2]. La combinaison de l’inclinaison de la pale entière avec la faible variation de l’angle de calage (pitch angle) limite fortement la réactivité et l’agilité de système de calage d’éoliennes actuelle.
Un autre facteur de motivation pour la recherche actuelle est que les systèmes de contrôle d’éoliennes actuelles sont faits pour fonctionner avec les seuls paramètres d’entrée de commande qui sont la vitesse du vent et la direction du vent en un seul point. Les mesures de la vitesse et la direction du vent sont effectuées derrière le rotor par un seul (souvent deux) anémomètre. Donc, les mesures acquises par l’anémomètre sont « à un pas en arrière » du rotor en terme de contrôle et de système de calage. En outre, le régime d’écoulement perturbé derrière le rotor ne représente pas la vitesse réelle du flux entrant et la direction de vent. Pour améliorer la stratégie de contrôle des éoliennes, les mesures de couple et de puissances sont également incluses dans l’algorithme de contrôle global. Cependant, même dans ce cas, le système souffre de plusieurs retards, des réponses élastiques et des retards de contrôle qui empêchent la création d’un système de contrôle précis et efficace.
l’objective de l’étude
Les objectifs qui doivent être atteints par la proposition d’une nouvelle conception de la pale d’éoliennes sont:
1. Haute performance
2. Amélioration de la fiabilité
3. Une meilleure gestion de la charge aérodynamique
4. Une meilleure régulation de puissance
La configuration finale de la pale d’éolienne proposée dans cette étude est un exemple d’une solution de conception des pales pour la prochaine génération des éoliennes. Il est loin d’être la seule solution dans ce sens, mais il est néanmoins un bon exemple de la forme, la fonctionnalité et le potentiel de la pale intelligente (smart rotor) de l’avenir.
Méthodologie de la recherche
La première partie de cette étude se concentre sur la compréhension approfondie de l’aérodynamique d’éolienne et sur la recherche théorique et expérimentale de plusieurs solutions de contrôle d’écoulement et. La sélection de la meilleure solution est effectuée sur la base d’une extensive étude bibliographique.
La solution de contrôle d’écoulement passif la plus performante est sélectionnée pour une investigation détaillée. La deuxième partie de ce travail comprend une extensive étude numérique en 2-D. Cette étude (2-D) doit être considérer comme une première étape vers la conception d’une pale d’éolienne avec contrôle d’écoulement. L’influence relative des multiples paramètres (position, pente, forme) devrait être étudiée pour limiter les combinaisons à prendre en considération pour une configuration complète de 3-D. Par conséquent, cette partie vise à fournir des directives pour la poursuite des travaux: conception d’un nombre limité de configurations d’une pale complète avec des fentes sur la base des conclusions de cette étude 2-D (position, la pente et la forme des fentes sur la base de la géométrie des pales d’origine et la performance aérodynamique).
Une représentation précise de la complexité de la transition et de la turbulence exige une étude de modèles 3-D. La troisième partie de cette étude se concentre sur l’effet de rotation, où la configuration de contrôle optimale et la solution la plus performante de l’étude précédente (2-D) a été sélectionnée pour une investigation numérique en 3-D.
Enfin, une conception des pales d’éolienne à axe horizontal est proposée sur la base des résultats obtenus. Cette pale intègre une solution de contrôle d’écoulement passif visant à améliorer la performance globale de l’éolienne et en permettant une meilleure alimentation et la gestion de la charge aérodynamique. Le développement de cette technique de contrôle d’écoulement pour les éoliennes de l’avenir, Nous espérons que le développement de cette technique de contrôle d’écoulement pour les éoliennes à venir, va permettre l’intégration facile de l’énergie éolienne sur le marché mondiale de l’énergie et en réduire le coût d’exploitation d’éoliennes ainsi que l’amélioration de la qualité de l’énergie électrique.
Les caractéristiques de performance d’aube
Étant donné que le système de description de profil d’aube est établi, il est important de décrire les caractéristiques de performance de base d’aube puisque ceux-ci sont cruciaux pour toutes les étapes suivantes présentées au document actuel. Le processus de conception et de simulation des pales d’éoliennes est fortement basée sur les courbes de performance aérodynamique, une explication brève mais approfondie de la théorie de base sera donnée.
Tout comme une aile d’avion, les pales d’éoliennes fonctionnent en générant la portance en raison de leur forme. Quand un corps aérodynamique, tel qu’un profil aérodynamique (aile d’avion, pale d’éolienne…,) est exposé à un écoulement d’air, il subit une force aérodynamique résultante plus complexe qui peut être décomposé en deux composantes :
La trainée ; la force exercée sur l’aube dans une direction parallèle à la direction d’écoulement.
La portance ; la force perpendiculaire à la direction d’écoulement.
Ceci est illustré sur la figure 11, montrant les forces qui agissent sur une aile soumise à un écoulement à deux dimensions.
Les principes de la portance et de traînée pour un profil 2-D sont très bien établies et expliqués par la littérature de la mécanique des fluides [15, 16, 17]. La performance de profil aérodynamique calculée ou mesurée, est décrite principalement par des coefficients adimensionnels qui permettent la comparaison entre différents profils de différentes dimensions absolues testées avec des méthodes différentes. Les courbes de performance aérodynamique permettent la sélection des profils appropriés pour chaque conception d’une pale d’éolienne. Les courbes de performance les plus utiles pour les applications HAWT sont les courbes de la portance, de la traînée, du coefficient de moment et du rapport⁄ de la finesse⁄ (le ⁄rapport de la portance sur la trainée) en fonction de l’angle d’attaque ( , , , ⁄ ). Figure 12 présentes un exemple de ces courbes.
La technologie des éoliennes
Pendant des siècles, l’humanité avait besoin de l’énergie mécanique, principalement pour l’agriculture. De plus en plus, afin d’extraire une forme utile d’énergie à partir du vent, l’exploitation a commencé par l’apparition des moulins à vent. Aujourd’hui, après des décennies de développement industriel, les éoliennes modernes transforment cette même énergie en énergie électrique, qui est déjà devenue irremplaçable pour la vie humaine au XXIe siècle. En outre, la taille énorme et toujours croissante de l’éolienne est un véritable défi pour les ingénieurs dans leur conception.
La connaissance de la technologie de l’énergie éolienne a augmenté au fil des ans [3]. Le développement de différents types d’éoliennes depuis le Moyen-Age à l’ère industrielle peut difficilement être considéré comme le résultat d’une recherche et de développement systématique. Cependant, aussi tard que le XVII et XVIII siècle, quand la pensée physique-mathématique est devenue plus établie, les considérations systématiques sur la technologie éolienne ont pris leurs débuts. Leonardo, Leibniz, Bernoulli et Euler se sont impliqués dans l’étude. Vers 1890, le professeur danois Poul La Cour a effectué des recherches scientifiques approfondies en aérodynamique des pales d’éoliennes et de conception du moulin à vent. Ses expériences sont menées sur la façon de générer du courant électrique à l’aide de l’énergie éolienne. Comme aucun autre, il a marqué le point de changement de moulin historique à la moderne technologie de la génération d’énergie éolienne. Lanchester (1915) et Betz (1920) ont été les premiers à prédire la puissance maximale d’une éolienne idéale, Une approche similaire avait déjà été mise au point par Froude et Rankine à la fin du XIXe siècle, mais pour les hélices de bateaux. Néanmoins, le grand pas a été réalisé par Glauert qui a formulé la méthode de l’élément de pale (Blade Element Momentum) en 1935, qui sera discuté dans la suite de ce chapitre.
Fonctionnement d’éolienne à axe horizontal
Le multiplicateur et la transmission de l’énergie mécanique
Dans cette section, les bases du fonctionnement de HAWT moderne sont brièvement résumées. La transformation de l’énergie éolienne en électricité n’est pas obtenue directement, mais à travers plusieurs étapes compliquées. Les dernières technologies de l’aérodynamique, de la mécanique, des systèmes de contrôle et celle de l’électrique sont impliqués dans ce processus.
Les pales d’éoliennes sont affectées par une distribution de la force due au contact des particules de l’air. Dans les éoliennes modernes la force aérodynamique qui agit sur les pales est qui permet la rotation de rotor est principalement une force de portance, comme pour une aile d’avion, plutôt que la force de traînée, comme pour les anciens bateaux à voile. Il y a alors tout un système mécanique, formé d’arbres et d’engrenages, qui va permettre de transmettre l’énergie obtenue du vent au générateur électrique. Le premier élément de la chaîne dynamique est l’arbre lent ou arbre primaire. C’est en fonction de cet arbre qu’une éolienne est qualifiée d’éolienne verticale ou horizontale car celui-ci est directement lié au moyeu.
Lorsque nous construisons une éolienne de grande taille, nous sommes confrontés au problème lié à la vitesse angulaire des pales. En effet, même avec des vents forts le nombre de tours par minute il est vraiment faible si l’on veut produire de l’électricité dans le générateur électrique. C’est pour cette raison qu’on l’appelle l’arbre au contact du moyeu l’arbre lent. Comme son nom l’indique, la vitesse angulaire de l’arbre lent est faible et ne permet pas au générateur électrique de fonctionner correctement.
La démarche suivie par les ingénieurs est simple. Ils ont eu l’idée d’utiliser un multiplicateur dans le but d’augmenter considérablement la vitesse de rotation de l’arbre lent (figure 14). Un multiplicateur est un système mécanique composé d’engrenages de roues dentées servant à la transmission d’un mouvement de rotation; dans notre cas le mouvement de rotation provoqué par l’action du vent sur les pales. Ainsi la vitesse angulaire d’entrée (c’est-à-dire la vitesse de l’arbre lent) est multipliée par un facteur k afin d’atteindre une vitesse.
Aérodynamique d’éolienne à axe horizontal
Aérodynamique de rotor
L’aérodynamique des pales de HAWT sont en grande partie identique à l’aérodynamique classique des ailes. Cependant, il existe quelques différences qui introduisent des effets différents et conduisent à des problèmes complexe qui est l’aérodynamique du rotor et l’aéroélasticité. Une brève introduction dans l’aérodynamique de HAWT est tentée à cette partie du document.
Une aile en rotation autour d’un axe (figure 16) produit une force de portance (perpendiculaire à la direction d’écoulement) et une force de traînée (parallèle à la direction d’écoulement). Dépendamment de l’angle d’attaque local, les deux composantes de la force de portance et de traînée contribuent à la poussée du rotor et le couple. Naturellement, les éoliennes utilisent uniquement le couple afin de produire de l’électricité alors que la poussée est absorbée par la structure de l’éolienne en tant que charge. L’angle d’incidence de chaque segment (élément) d’une pale d’éolienne à axe horizontal comprend une composante de la vitesse réelle du vent ( ) et une composante périphérique de vitesse du vent ( ) dû à la rotation du rotor et la distance de segment par apport à l’axe de rotation. Cela signifie que le long de la pale (envergure) l’angle d’attaque (AoA) varie constamment (figure 17). Pour cette raison, les pales sont conçues avec un vrillage structurel afin de compenser cette variation de AoA.
Figure 17 : Représentation de la pale avec des segments indépendants selon la théorie de l’élément de pale. Les vecteurs de vitesse sont calculés pour chaque segment de la pale selon la méthode de l’élément de pale-quantité de mouvement. L’angle d’attaque varie le long de la pale en raison de la rotation, source [2]
En dehors de la variation de l’angle d’attaque le long des pales d’un rotor d’éolienne à axe horizontal, il existe également plusieurs autres phénomènes qui ajoutent à la complexité du système. Les forces centrifuges et les forces de Coriolis qui agissent sur la couche limite d’aube varient sensiblement les performances aérodynamiques de la région (région de la racine) interne et provoquent des écoulements croisés puissants. L’ « effet de pompage » provoqué par la faible pression de la région extérieure du côté d’aspiration (extrados) des pales contribue encore plus à l’écoulement 3-D (figure 18) de la zone intérieure. En outre, l’égalisation de pression entre l’intrados et l’extrados au bout de la pale présente une autre région de fort écoulement croisé qui est également associé à la génération d’un fort vortex [16]
Source d’instationnarité
Les éoliennes fonctionnent généralement au sein d’un écoulement instationnaire et loin d’être uniforme [15]. Le flux d’air (vent) varie dans le temps et dans l’espace en raison de la variation de vitesse dans la couche limite terrestre et de la turbulence atmosphérique stochastique. La figure 19 résume les sources en apparence prédominantes, des charges aérodynamiques instationnaires sur le rotor éolien. En effet, la charge sur chaque élément de pale varie dans le temps à cause de divers effets. Les sources spécifiques prises ici en considération pour l’éolienne, sont les suivantes [20, 21, 22, 23] :
Vitesse et direction du vent
Le vent souffle généralement à une vitesse rarement constante. Cet effet peut produire un changement significatif de l’angle d’incidence aux profils des pales. Ce changement est considérable dès lors qu’il accompagne d’une modification de la vitesse induite produite par le sillage, celui-ci changeant de forme en fonction de la vitesse du vent. Il en résulte donc un changement permanent des forces locales appliquées au rotor et une puissance variable en fonction du temps.
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Table des matières
Introduction générale
1. Introduction
1.1 Différents types d’éoliennes et leurs utilisations
1.1.1 Eolienne a axe horizontal
Architecture d’une éolienne à axe horizontal
1.1.2 Eolienne a axe vertical
a) Savonius
b) Darieus
c) Giromill
1.1.3 Courbe de puissance
1.2 Le problème actuel
1.3 L’objectif de l’étude
1.4 Méthodologie de la recherche
1 Fonctionnement et aérodynamique d’éolienne à axe horizontal
1.1 Aérodynamique d’aube
1.1.1 Paramètre de conception
1.1.2 Les caractéristiques de performances d’aube
1.2 La technologie des éoliennes
1.3 Fonctionnement d’éolienne à axe horizontal
1.3.1 Le multiplicateur et la transmission de l’énergie mécanique
1.3.2 Nombre de pales
1.3.3 Régulation
1.3.4 Sécurité
1.4 Aérodynamique d’éolienne à axe horizontal
1.4.1 Aérodynamique de rotor
1.4.2 Source d’instationnarité
2 Méthodes de modélisation aérodynamique d’une éolienne
2.1 Définitions de base
2.2 Théorie de l’élément de pale-quantité de mouvement
2.3 Théorie du disque actif
2.4 Méthode de la ligne active
2.5 Méthodes tourbillonnaires
2.6 Méthodes basées sur la résolution des équations de Navier-Stokes (CFD)
3 CFD et éolienne
3.1 Introduction à la méthode de calcul ͚͛CFD͛͛
3.2 La structure de ͚͛CFD͛͛
3.3 Les équations ͚͛RANS͛͛
3.3.1 Équations du mouvement
3.3.1 Équation de Navier-Stokes moyennées
3.4 Modélisation de la turbulence
3.4.1 Modèles de fermeture
A) Modèle de k-
B) Modèle de k-߱ standard
C) Modèle de k-߱ SST (Shear Stress Transport)
D) Le Modèle de
3.5 Le solveur FLUENT
3.5.1 Approche volumes-finis
4 La théorie de la couche limite et contrôle de décollement
4.1 Structure de la couche limite
4.1.1 Couche limite laminaire et turbulente
4.1.2 La séparation de la couche limite
4.2 La physique de contrôle de la séparation de couche limite
4.3 Méthodologies de Contrôle
4.3.1 Le contrôle passif
4.3.2 Le contrôle actif
A) Contrôle de décollement par aspiration et soufflage
a) Aspiration de la couche limite (boundary layer suction)
b)Soufflage de la couche limite (boundary layer blowing)
5 Validation de calcul CFD-RANS et étude paramétrique de pale avec fente en deux-dimensions
5.1 Validation de calcul numérique
5.1.1 Description de la géométrie
5.1.2 Domaine de calcul et grille de maillage
5.1.3 Etude de l’indépendance solution maillage
5.1.4 Validation de résultats
5.2 Etude paramétrique de la pale avec fente
5.2.1 L’effet de la position de la fente
5.2.2 L’effet de la largeur de la fente
5.2.3 L’effet de pente de la fente
5.2.4 L’effet de la fente sur les caractéristiques aérodynamiques à différents angles d’attaque
5.2.5 Conclusion
6 L’effet de rotation
6.1 Introduction
6.2 Validation de calcul 3-D sans contrôle
6.2.1 Données expérimentales et description de la géométrie NREL Phase II
6.2.2 Domaine de calcul et grille de maillage
6.2.3 Méthode de résolution
6.2.4 Résultats
6.2.5 Détermination de l’angle d’attaque de la pale rotative
6.3 L’effet de rotation sur le système de contrôle
6.4 Conclusion
7 Conclusion générale
Références
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