Eole MEC4270.ppt [Mode de compatibilité] · u V rel,1 28 octobre 2008 MEC4270 - Technologie éolienne 45 2.3 Théorie de quantité de mouvement f) Effets de la rotation Éolienne

Technologie éolienneg

Christian Masson

Département de génie mécaniqueÉcole de technologie supérieure

28 octobre 2008

Technologie éoliennePlan de cours

Énergie éolienne moderne et ses origines

Aérodynamique des éoliennesy q

28 octobre 2008 MEC4270 - Technologie éolienne 2

É1. Énergie éolienne moderne et ses origines


É1. Énergie éolienne moderne et ses origines1.1 Historique de l’énergie éolienne

a. Développement mondialb. Développement canadien c. Évolution des coûts

1 2 Éoliennes modernes1.2 Éoliennes modernesa. Évolution de la puissance moyenneb. Composantes principalesc. Technologies en présenced C b d id. Courbe de puissance

1.3 Principaux constructeurs1.4 Principaux producteurs

a. Situation mondialeb. Situations canadienne et québécoise


1.1 Historique de l’énergie éolienne

Panémone perse (1000)

Développement mondial

p ( )Machine à axe verticalUtilise la traînéePuissance mécanique

Moudre le grain



Moulin européen (1600-1800)

Développement mondialp ( )

Machine à axe horizontalRotor de 4 pales

(avec gauchissement et profilées)

Mécanisme d’orientation au ventPuissance mécaniquePuissance mécanique

Moudre le grainPomper l’eau (Hollande)



Éolienne type rose des vents américaine


(Etats-Unis, 1850)Machine à axe horizontalRotor multipalePuissance mécanique

Pomper l’eauPomper l eau



Éolienne de Charles.F. Brush


(États-Unis, 1888)Machine à axe horizontalRotor de 144 pales17 m de diamètre

k (d )12 kW (dynamo)Mécanisme automatique d’effacement au ventPremière transformation en puissance électriquePremière transformation en puissance électrique

Éclairage d’une résidence



Éolienne de Gedser


(Danemark, 1956)Machine à axe horizontalR t t i l f tRotor tri-pales face au ventContrôle par décrochage aérodynamique (pas fixe)aérodynamique (pas fixe)Frein aérodynamique en bout de paleTransformation en puissance électrique

Génératrice asynchrone

⇒Concept danois classique



1970 : Début du programme de recherche

Développement canadien

Éoliennes à axe verticalEssaies en soufflerie (NRC, Ottawa)

4.25 m de diamètre500 W



1988: Plus grosse éolienne à axe vertical

Développement canadien

Installée à Cap-ChatHauteur : 96 m Diamètre : 64 mCorde : 2.4 m4 MW4 MW


1.1 Historique de l’énergie éolienneÉÉvolution des coûts









Prix moyen de l’éolien au QuébecPrix moyen de l éolien au Québec

EmplacementPuissance

Années•Coût (¢/kwh)

(MW) Production Transport Équilibrage

Murdochville 100 2005 5,8

Gaspésie 1000 2006‐2011 6,5 1,3 0,5

Rivière‐du‐Loup 200 2005‐2006 6,0

Québec 200020010‐2014 8,7 1,3 ??


1.2 Éoliennes modernes




1.2 Éoliennes modernesComposantes principales



Vitesse constante / calage constant

Technologies en présence

Concept danois original

Vitesse constante / calage variableBonus (Siemens) NEG Micon (Vestas)Bonus (Siemens), NEG Micon (Vestas)

Glissement variable / calage variableVestas

Vitesse variable / calage variableGE Wind, Vestas, Enercon

Entraînement direct / calage variableEntraînement direct / calage variableEnercon

Entraînement direct / vitesse variable


/Jeumont

1.2 Éoliennes modernesCourbe de puissance

1000

1100

0,6600

700

800

900

ce

[kW

]

0,4

0,5Décrochage avec multiplicateur

Contrôle actif avec multiplicateur

Contrôle actif - attaque directe

200

300

400

500

Pu

issa

n

Décrochage avec multiplicateur


0 1

0,2

0,3Cp

0

100

0 5 10 15 20 25 30

Vitesse [m/s]


Contrôle actif - attaque directe

0,0

0,1

0 5 10 15 20 25 30

Vitesse [m/s]


1.3 Principaux constructeursSituation mondiale

Vestas (Danemark) www.vestas.comEnercon (Allemagne) www.enercon.deNordex (Danemark) www.nordex-online.comGE Wi d (Ét t U i )GE Wind (États-Unis) www.gepower.comGamesa (Espagne) www.gamesa.esBonus (Danemark) www bonus dk (propriété de Siemens)Bonus (Danemark) www.bonus.dk (propriété de Siemens)Repower (Allemagne) www.repower.deDeWind (Allemagne) www.dewind.dee d ( e ag e) de d de


1.4 Principaux producteursSituation mondiale

Évolution de la puissanceÉvolution de la puissance installée dans le monde


1.4 Principaux producteursSituation mondiale (suite)


1.4 Principaux producteursSituation mondiale (suite)


1.4 Principaux producteursSituations canadienne et québécoise

Puissance installée au Canada : 1 876 MWPuissance installée au Canada : 1 876 MW

521 MW (2008)


1.4 Principaux producteursSituations canadienne et québécoiseSituations canadienne et québécoise

Puissance installée au Québec en 2007


Puissance installée au Québec en 2007


Puissance projetée au Québec 1er appel d’offre


Puissance projetée au Québec -1er appel d offre


Puissance projetée au Québec autres projets connus


Puissance projetée au Québec – autres projets connus


Puissance projetée au Québec -2eme appel d’offrep j Q pp


2. Aérodynamique des éoliennes

2.1. Aérodynamique des ailesa) Lignes de couranta) Lignes de courantb) Système tourbillonnaire (vitesse induite et traînée induite)c) Système tourbillonnaire des éoliennes

2 2 d f d é l2.2. Principe de fonctionnement des éoliennes (Facteurs d’induction et vitesse relative)

2 3 Théorie de quantité de mouvement2.3 Théorie de quantité de mouvementa) Disque actuateur b) Analyse par volume de contrôlec) Équation de Bernoulli d) Résultatse) Limite de Betz – éolienne idéale f) Effets de rotation) É li é ég) Éolienne carénée


2. Aérodynamique des éoliennes

2.4. Théorie de l’élément de pale) Élé d la) Élément de pale

b) Bilans de quantité de mouvementb) Forces élémentairesc) Application

2.5. Forme optimale des palesa) Effets de la vitesse spécifiqueb) Effets du nombre de pales) pc) Effets de la traînée

2.6. Profils aérodynamiques pour applications éoliennes


2.1 Aérodynamique des ailesa) Lignes de courant


2.1 Aérodynamique des ailesb) Système tourbillonnaire

Γ= UL ρ


2.1 Aérodynamique des ailesb) Système tourbillonnaire

w: vitesse induite (downwash)

Di: Traînée induite


2.1 Aérodynamique des ailes c) Système tourbillonnaire d’une éolienne


2.2 Principe de fonctionnement des éoliennesFacteurs d’induction et vitesse relative

−= VaU i l )1(

−=Ω′+=θ

θϕαraU

VaU

P

oaxial

)1(

)1(

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=

θ

ϕ

ϕ

U

Uaxial

P

arctan⎦⎣ θ


2.2 Principe de fonctionnement des éoliennesForces aérodynamiques

Ω

NdF

LdF

ϕ

DdF

( )'1 ar +Ω TdF

pθ0,pθ

Tθ

ϕ

( ) =− aV 10

=relU=pθ=α

relUα

ϕ ( )aV −10

=α=+= αθϕ p

=0,pθ=Tθ


2.3 Théorie de quantité de mouvementa) Disque actuateur

P

u, p-Δp

P

T

u, p

, p p


2.3 Théorie de quantité de mouvementb) Analyse par volume de contrôle

∫∫∫∫∫ ++=−=⋅+∂

gzV

heoùWQdSnVede2

&&rrρϑρ

∫∫∫∫∫

∫∫∫∫∫

++=⋅+∂

++=−=⋅+∂

ti

S

outmecin

FFFdSnVVdV

gzheoùWQdSnVedet 2,

rrrrrrrρϑρ

ρϑρϑ

∫∫∫∫∫

∫∫∫∫∫

=⋅+∂∂

+++∂ S

extpresvis

dSnVd

FFFdSnVVdVt

0rr

ρϑρ

ρϑρϑ

∫∫∫∫∫∂ Stρρ

ϑ

Connus: Vo, T, A, po

n

Inconnues: u, u1, A1, p, Δp, P


2.3 Théorie de quantité de mouvementÉc) Équation de Bernoulli

pAT Δ= pAT Δ

Bernoulli de 1 à 2

Bernoulli de 3 à 4

Bernoulli de 2 à 3


Bernoulli de 2 à 3

2.3 Théorie de quantité de mouvementd) Résultats

( ) ( )aVuVu −=+= 11 ( ) ( )

( )aVu

aVuVu

o

oo

−=

=+=

1

1

1

21

12

( )

( )pp

aaAVuVuApAT oo

⎤⎡⎟⎞

⎜⎛

⎟⎞

⎜⎛

−=−=Δ=

2

21

111

)1(42

1 ρρ


( ) TuaaAVp

up

VuAP ooo

o =−=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+= 232

12 14

2

1

2

1

2

1 ρρρ

ρ

2.3 Théorie de quantité de mouvementd) Résultats

( )214)1(4 aaP

CaaT

C ( )32

14

21

)1(4

21

aaAV

CaaAV

C

o

P

o

T −==−==ρρ

oV

u1


2.3 Théorie de quantité de mouvemente) Limite de Betz – éolienne idéale

8116dC

9

8

3

1

27

160 , =⇒==⇒= TMaxP

P CaàCda

dC

oV

u1


2.3 Théorie de quantité de mouvementf) Effets de la rotation

Triangles des vitesses amont et aval

rω rΩrω

u 2,absV2,relV

rΩ

u1,relV 1,rel


2.3 Théorie de quantité de mouvementf) Effets de la rotation

Éolienne idéale avec sillage en rotation

⇒ a tend vers 1/3

5.7=λ

⇒Il faut augmenter Ω

⇒Opération λ≥6( ) rrP daaC λλ

λ

λ

∫ −′=0

32

18


2.3 Théorie de quantité de mouvementÉg) Éolienne carénée

Éolienne régulière Éolienne carénée

oV oVoV cVoV

( )TV 1 VTV( ) ( )aCAV

aTVC T

o

oP −=

−= 1

21

1

3ρ o

cT

o

ccP V

VC

AV

TVC ==

3,

21 ρ

mCP &


m

m

C

Cc

P

cP

&=,

2.3 Théorie de quantité de mouvementÉg) Éolienne carénée


2.4 Théorie de l’élément de paleÉa) Élément de pale


2.4 Théorie de l’élément de paleb) Forces élémentaires

21cdrcUdL ll= ρ

2

2

12

cdrcUdD

cdrcUdL

drel

lrel

= ρ

ρ

cossin

sincos2

dDdLdF

dDdLdF

T

N

−=+=

ϕϕϕϕ

( ) ( )222222 11 araVU orel

T

′+Ω+−=

ϕϕ

oV

oV


2.4 Théorie de l’élément de palec) Applications

Éolienne Nordtank NTK 500/41Éolienne Nordtank NTK 500/41


2.5 Forme optimale des palesa) Effets de la vitesse spécifique


2.5 Forme optimale des palesc) Effets du nombre de pales

cd = 0cd 0


2.5 Forme optimale des palesd) Effets de la traînée

B = 3


2.6 Profils aérodynamiques en éoliena) Exemple de profils classiques

Profils conventionnels NACA à 4Profils conventionnels NACA à 4 chiffresProfils conventionnels NACA à 5 chiffres

Profils de la série 1 pour applications hydrauliques

chiffres

hydrauliques

Profils laminaires de la série 6

Profils supercritiques pour applications transsoniques


Profils pour applications basse vitesse

2.6 Profils aérodynamiques en éolienb) Critères de design en éolien

•Trois régions distinctes sur la pale

•Région à l’emplanture (inboard ou root part)

•Région intermédiaire (mid part)Région intermédiaire (mid part)

•Région en bout de pale (outboard ou tip part)


2.6 Profils aérodynamiques en éolienc) Critères de design en éolien

•Région à l’emplanture

•(cl)max élevé ⇒ bon couple au démarrage

•Épais ⇒ caractéristiques structuralesÉpais ⇒ caractéristiques structurales

•Utilisation de systèmes aérodynamiques

(générateur de tourbillons volet Gurney)(générateur de tourbillons, volet Gurney)



•Région en bout de pale

•Compatibilité géométrique et structurale

•Bonne finesse (cl/cd)Bonne finesse (cl/cd)

•(cl)max élevé ⇒ petite corde

Insensibilité du (c ) aux impuretés et imperfections•Insensibilité du (cl)max aux impuretés et imperfections

•Contrôle de la puissance au décrochage

(provocateur de décrochage ou stall strip)



•Région intermédiaire

•Compromis entre l’emplanture et le bout

•Compatibilité géométrique et structuraleCompatibilité géométrique et structurale

•Problèmes des profils conventionnels

Pas assez épais•Pas assez épais

•Sensibles aux impuretés et imperfections


2.6 Profils aérodynamiques en éoliend) Famille de profils éoliens

Famille provenant de Delft University of Technology (DUT)

•Épaisseur relative entre 15 et 40%

•DU y1y2-Wn-z1z2z3DU y1y2 Wn z1z2z3

•DU: profil provenant du DUT

y y : année de création•y1y2: année de création

•W: application éolienne

•n: indique la version

•z1z2z3: 10 fois l’épaisseur relative exprimée en % de c



Famille provenant de Delft University of Technology (DUT)



Familles provenant du RISØ

•Risø-A1: pour machines de la classe des kW

•Risø-P: pour machines de la classe des MWRisø P: pour machines de la classe des MW

•Risø-B1: pour machines de la classe des MW

•Risø-B1-z1z2

•Risø: profil du Risø

•B1: indique la famille


•z1z2: épaisseur relative exprimée en % de c


Familles provenant du RISØ



Famille provenant du NREL (Profils SERI)



Familles provenant des USA

Profils SomersProfils Somers

Profils Seligg

Profils Eppler


Profils Eppler

2.7 Profils aérodynamiques en éoliene) Dispositifs aérodynamiques

Effets des générateurs de tourbillons



Effets des volets Gurney



Effets des provocateurs de décrochage


Documents

Eole MEC4270.ppt [Mode de compatibilité] · u V rel,1 28 octobre 2008 MEC4270 - Technologie éolienne 45 2.3 Théorie de quantité de mouvement f) Effets de la rotation Éolienne