ENR810 – Énergies renouvelables L’énergie éolienne 3

ENR810 – Énergies renouvelablesL’énergie éolienne 3Éléments techniques

Adrian Ilinca, Ph.D., ing., ProfesseurUniversité du Québec à Rimouski

Daniel R. Rousse, Ph.D., P. Eng.Département de génie mécanique

Adrian ILINCA, professeur UQAR• Formation

– Ingénieur, « Politechnica » University Bucharest, 1989;

– Ph.D. en génie mécanique, École Polytechnique de Montréal, 1994;

• Spécialité – Énergie éolienne;– Aérodynamique, mécanique des fluides

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Adrian ILINCA, professeur UQAR• Parcours professionnel

– Professeur UQAR, depuis 1994



• Introduction• Procédure de conception• Topologies de turbines éoliennes• Matériaux• Éléments de machines• Charges sur les turbines éoliennes• Sous-systèmes et composantes

Plan de la présentation

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Introduction• Deux volets fondamentaux:

– Propriétés des matériaux– Éléments de machines

• Critère d’optimisation – coût du kWh –relié au coût de la turbine:– Réduire le coût des composantes– Réduire le poids des composantes– Augmenter la durée de vie– Diminuer les coûts d’entretien

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Procédure de conception• Déterminer l’application (au réseau, hors-

réseau, couplage, …)

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Procédure de conception• Sélectionner la topologie

– Axe horizontal ou axe vertical– Régulation de puissance– Position du rotor– Contrôle de l’orientation– Vitesse du rotor– Solidité et vitesse de rotation– Type de moyeu– Nombre de pales

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Procédure de conception

• Estimation préliminaire des charges• Développement d’un concept préliminaire

des sous-systèmes:– Le rotor– Le train de puissance– La nacelle et le châssis– Le système d’orientation de la nacelle– La tour, type de fondation et érection

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Procédure de conception

• Facteurs à considérer dans la conception préliminaire– Méthodes de fabrication– Les conditions d’entretien– Aspects esthétiques– Le bruit– Autres conditions environnementales

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Procédure de conception• Prédiction de la performance• Évaluation de la conception préliminaire sur les

aspects suivants:– Charges statiques– Charges stationnaires (rotation)– Charges cycliques– Charges impulsives (passage devant la tour)– Charges stochastiques (turbulence)– Charges transitoires (démarrage – arrêt)– Charges dues à la résonance

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Procédure de conception• Estimation des coûts de fabrication et de

production d’énergie• Raffinement de la conception• Construction d’un prototype• Test du prototype• Conception finale de la machine de

production

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Topologies des turbines éoliennes• À axe horizontal ou à axe vertical

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Topologie des turbines éoliennes• Régulation aérodynamique des turbines:

– Conception des éoliennes de manière à atteindre leur puissance nominale (maximale) à des vitesses de vent de l’ordre de 15m/s

– Au-delà de cette vitesse « nominale » de fonctionnement des mécanismes aérodynamiques doivent limiter la puissance produite par le rotor

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Topologie des turbines éoliennes• Mécanismes de régulation :

– Contrôle à calage variable de la pale (pitch regulation)

– Régulation par décrochage aérodynamique (stall regulation)

– Régulation active par décrochage aérodynamique (active stall control)

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Topologie des turbines éoliennes• Orientation des éoliennes

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Topologie des turbines éoliennes• Vitesse de rotation constante ou variable• « Tip speed ratio » et solidité du rotor• Conception du moyeu – rigide, basculant ou articulé• Rigidité – flexible ou rigide

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Topologie des turbines éoliennes• Nombre de pales

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Topologie des turbines éoliennes• Les tours - tours tubulaires en acier

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Topologie des turbines éoliennes

• Tour en treillis

• Tours haubanés

• Solutions hybrides

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Topologie des turbines éoliennes• Contraintes de conception:

– Conditions climatiques qui affectent la conception– Conditions spécifiques du site (sites difficilement

accessibles)– Facteurs environnementaux affectant la conception

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Matériaux• Propriétés mécaniques de base des matériaux

utilisés– Loi de Hooke– Module d’élasticité– Contrainte de fluage et de rupture– Ductilité– Dureté – Propriétés en fatigue

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Matériaux• Types de matériaux:

– Aciers– Matériaux composites (processus de fatigue)

• Fibres de verre• Résines (polyesters, époxy, vinyle esters)• Fibres de carbone• Laminés en bois – époxy

– Cuivre – Béton

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Éléments de machines• Arbres• Couplages• Ressorts• Embrayages et freins• Roulements• Boîtes de vitesses• Amortisseurs• Câbles, attaches et joints

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Éléments de base en mécanique

• Calcul des forces d’inertie (principe de d’Alembert)

• La flexion des poutres encastrées (pales, tour)

• Aspects dynamiques de la rotation des corps rigides

( )2( )2wM x L x= − max

maxM c

Iσ =

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Éléments de base en mécanique• Boîtes d’engrenages – rapports de

transmission

• Charges dues au mouvement gyroscopique


Vibrations • Systèmes à un degré de liberté

– Vibrations harmoniques– Vibrations avec amortissement– Vibrations harmoniques forcées

– Vibrations de rotation– Vibration des poutres encastrées


Effets aéro-élastiques

Forces d’inertie

Forces élastiques

Forces d’amortissement

Forces aérodynamiques statiques ou dynamiques

•Divergence aéro-élastique

•Distribution aéro-élastique de portance et traînée

•Résonance

•Décrochage dynamique

•Flutter


Fatigue• Nombre total des cycles durant la vie d’une

turbine éolienne

60L rotor opN kn H Y=


Fatigue

• Charge périodique avec moyenne non-nulle:– Valeur moyenne de la charge– Charge maximale et charge minimale– Écart de la charge– Dommages– Effet cumulatif des dommages– Charges aléatoires


Sources des charges

• Charges aérodynamiques• Charges dues à la gravité• Charges dues aux interactions

dynamiques• Charges dues au contrôle

mécanique



Charges des turbines éoliennes

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Charges des turbines éoliennes• Charges utilisées pour la conception:

– Déterminer les vitesses de vent d’opération– Spécifier les charges d’intérêt incluant celles courantes et

extrêmes– Calculer les charges pour chaque cas– Vérifier que les contraintes pour chaque cas sont

acceptables– Déterminer les charges en fonction des classes de IEC

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Charges des turbines éoliennes• Vitesses de vent de conception selon les normes IEC

– Conditions normales de vent• Distribution de Rayleigh• Profil vertical normal de vent (exposant 0.2)• Modèle normal de turbulence

– Conditions extrêmes de vent• Vitesses extrêmes de vent• Rafales extrême (6.4 fois la déviation standard)• Changement extrême de direction• Rafales cohérentes extrême• Rafales cohérentes extrêmes avec changement de direction• Cisaillement extrême de vent

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Charges des turbines éoliennes• Cas de charges de conception selon les normes IEC

– Production de puissance (9 situations)– Production de puissance plus défaillance– Démarrage– Arrêt normal– Arrêt d’urgence– Éolienne à l’arrêt– Éolienne à l’arrêt avec défaillance– Transport, assemblage, maintenance et réparation

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Charges des turbines éoliennes

• Application des charges de conception– La contrainte maximale– La charge ultime en fatigue– Analyse de stabilité– Déflection

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Charges sur le rotor idéal• Poussée• Forces et

moments de flexion


Charges sur le rotor idéal• Modèle dynamique linéaire charnière-ressort:

– Pale rigide attachée au moyeu par un système de charnières élastiques

– Modèle aérodynamique stationnaire et linéaire– Le caractère non-uniforme du vent est considéré comme

des perturbations– Hypothèse de solutions périodiques pour les

déplacements– Charges considérées : rotation du rotor, la gravité,

mouvement de lacet (yaw), vent stationnaire



Sous-systèmes et composantes• Rotor

– Pales• Conception aérodynamique

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– Pales• Conception structurale

• Fabrication

• Surfaces de contrôle

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Sous-systèmes et composantes


Sous-systèmes et composantes• Rotor

– Moyeu

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• Train de puissance– Arbre principal– Couplages– Boîte d’engrenages– Génératrice– Frein

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• Système d’orientation

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• Châssis• Coquille de la nacelle• Tours• Systèmes électriques de connexion au réseau

et de contrôle

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Évaluation de la conception par simulation

• Déterminer les vitesses de vent (SNLWind 3D)• Utiliser un modèle aérodynamique et

dynamique de la turbine éolienne (YawDyn, Fast_Ad, Adams/WT)

• Simulation• Convertir les simulations en charges• Estimer les dommages

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