12 Aerodynamic

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L’aérodynamique de la turbine éolienneet ses composantes mécaniques

L’aérodynamique de la turbine éolienneet ses composantes mécaniques

Présenté par :

Adrian ILINCA, Ph.D. Ing., Professeur à l’UQAR

Laboratoire de Recherche en Énergie Éolienne (LREE)

Présenté par :

Adrian ILINCA, Ph.D. Ing., Professeur à l’UQAR

Laboratoire de Recherche en Énergie Éolienne (LREE)

[email protected]

Alep, Syrie, 22-25 octobre 2007Alep, Syrie, 22-25 octobre 2007

Concepts généraux

Aérodynamique des turbines

Théorie du disque sustentateur

Théorie de l’élément de pale

La performance d’une turbine éolienne

La courbe de puissance

Utilisation du logiciel PROPID

La régulation et le frein aérodynamique

Composantes mécaniques de l’éolienne

Plan de la présentation

Plan de la présentation

Laboratoire de Recherche en Énergie Éolienne (LREE) Adrian ILINCA




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Objectif : Transformer l’énergie cinétique du vent en énergie derotation du rotor et transporter cette énergie à une génératrice

Caractéristiques mécaniques et de fonctionnement deséoliennes à axe horizontal et à axe vertical



Types de turbines éoliennes

Types de turbines éoliennes

Forces d’inertie

Forces élastiques

Forces d’amortissement

Forces aérodynamiquesstatiques ou dynamiques

Divergence aéro-élastique

Distribution aéro-élastiquede portance et traînée

Résonance

Décrochage dynamique

Flutter



Effets aéro-élastiques

Effets aéro-élastiques



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Turbine à axe horizontal

Turbine à axe horizontal



Face au vent – systèmed’orientation

Sous le vent



Orientation des éoliennes

Orientation des éoliennes



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Rotor à une, deux ou trois pales



Nombre de pales

Nombre de pales

Critères d’optimisation de la conception d’une turbine éolienne

BruitMécaniqueAérodynamique



Optimisation et bruit

Optimisation et bruit



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Théorie du disque Théorie de l’élément de pale



Théories aérodynamiques

Théories aérodynamiques

Image globale de la captation de l’énergie cinétique par ledisque du rotor

Calcul de l’énergie captée par le « freinage » du vent :

( )

( ) ( )

2 3 1

4 3 1

1

1 1 2

u u u a

u u a u a

= = −

= − = −

Théorie du disque

Théorie du disque



Calcul de la puissance comme ladifférence entre l’énergie cinétiquedu vent avant et après le disque durotor:

( )2 2

1 4 2

1

2d

P u u A u ρ = −



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Coefficient de puissance

La limite de Betz (pour a=1/3)

( )2

3

1

4 11

2

P

d

Pc a a

u A ρ

= = −

max

16 0.59327

Pc = =

Théorie du disque

Théorie du disque



La pale est divisée en une série d’éléments (profilsaérodynamiques) que nous considérons qu’ils fonctionnentindépendamment les uns des autres

Division de la pale suivant la théorie des coupes







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Caractéristiques de la pale:

Les profils aérodynamiquesLa longueur de la paleLa distribution de la largeur

de corde de la paleLa distribution du « twist »

de la pale





Vitesses et forces sur l’élément de pale







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Calcul du couple (torque) généré par l’élément de pale:

Le couple (torque) total de la pale :

21( sin cos )

2r l d

dT V r C C Bcdr ρ φ φ = × −

0

R

T dT = ∫





Variation du profil aérodynamique au long de la pale



Les types de profils aérodynamiques

Les types de profils aérodynamiques



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Coefficient de portance cl et coefficient de traînée cd

Décrochage aérodynamique (voir film)



Caractéristiques aérodynamiques du profil de la pale

Caractéristiques aérodynamiques du profil de la pale

CFD – (Computational Fluid Dynamics) pour l’optimisationdes profils et le contrôle du décrochage aérodynamique

Dispositifs de contrôle du décrochage (générateurs devortex installés sur la pale afin de retarder le décrochage àfaible vitesses)



Recherche et développement en aérodynamique des pales

Recherche et développement en aérodynamique des pales



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Construction de la courbe de puissance théorique –dépendance de la puissance produite en fonction de lavitesse du vent

21( sin cos )

2r l d

dT V r C C Bcdr ρ φ φ = × −

0

R

P rdT = ∫



Performances de l’éolienne


Facteurs qui influencent lacourbe de puissance :

La géométrie de la pale dansle plan (longueur, largeur,

distribution du torsion de lapale)L’angle de pitch de la paleLa vitesse de rotation

Exemple de résultats pour laturbine PGI







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Courbes théoriques pour la turbinePGI de 35 kW



Courbes théoriques pour la turbinePGI de 35 kW





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Courbes de puissance obtenues en utilisant le modèlethéorique comparées à des simulations en soufflerie



Puissance de l’éolienne théorique vs. mesurée



Réalisation de la courbe de puissance réelle d’une éolienne





Puissance de l’éolienne théorique vs. mesurée



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Paramètres de performancetrès importants qui sontfournis par la courbe depuissance :

La vitesse de démarrageLa vitesse de coupureLe coefficient de

puissance – l’efficacité

avec laquelle l’éolienneconvertit l’énergiedisponible du vent





Étude de profils de pales - Utilisation du logiciel PROPID


Les différent éléments de PROPID

Présentation de deux exemples

Analyse d’un profil de paleAmélioration des performances d’un rotor





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Les différents éléments de PROPID

Les fichiers sourcesLe fichier d’entréeDonnées générales sur le type d’étudeDéfinition des différents modèles utilisés pour les calculsDéfinition de la valeur de la densité de l’air



Les fichiers sourcesLe fichier d’entréeDonnées générales sur le type d’étudeDonnées sur la géométrie de l’éolienne et des pales




Nombre de pales

Rayon en pied

Distribution de la corde et dutwist le long de la pale



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Les fichiers sourcesLe fichier d’entréeDonnées générales sur le type d’étudeDonnées sur la géométrie de l’éolienne et des palesDonnées sur le type d’aile utilisée




Les fichiers sources

Le fichier d’entrée

Données générales sur le type d’étude

Données sur la géométrie de l’éolienne et des pales

Données sur le type d’aile utilisée

Données pour le calcul : vitesse de rotation, pitch,…






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Le fichier d’entrée

Les fichiers sources *.pd:

Ils contiennent les valeurs de Cl et Cd pour chaque angleα et pour différentes valeurs du nombre de Reynolds




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Le fichier exécutable

Il permet de lancer l’étude dont on a modifié lescaractéristiques dans le fichier source









Le fichier exécutable

Le fichier de visualisation Excel

Ce fichier comporte plusieurs feuilles, chacunecomposée de série de graphe caractérisant l’étude




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Analyse d’un profil de pale

Un des graphiques qui nous intéresse le plus ici estcelui de la courbe de puissance. On peut donceffectuer des comparaisons pour différentes valeurs,par exemple, de :

Vitesses de rotation

Pitch

Diamètre de rotor








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Amélioration des performances d’un rotor

Exemple 1

Initialement :

Pitch de 2 degrés

Puissance nominale de 80 kW

But : puissance nominale de 95 kW

Conséquence: nouveau pitch de 4.35 degrés


Étude de profils de pales - Utilisation du logiciel PROPIDPrésentation de deux exemples








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Amélioration des performances d’un rotor

Exemple 1

Exemple 2

Initialement :

Diamètre de 24.61 pieds

Puissance nominale de 80 kW

But : puissance nominale de 95 kW

Conséquence: nouveau diamètre de 25.5 pieds


Étude de profils de pales - Utilisation du logiciel PROPIDPrésentation de deux exemples








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Conclusion concernant l’utilisation du PROPID



Programme simple d’utilisation

Permet de nombreuses combinaisons pour l’amélioration

du profil d’une pale

des performances d’une éolienne

Questions ?

Merci pour votre attentionMerci pour votre attention

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