Optimisation des éoliennes à axe horizontal par l'utilisation de pales flexibles.

Horizontal-axis wind turbines optimization by the use of flexible blades

• Auteur / Autrice : Vincent Cognet
• Direction : Benjamin Thiria, Sylvain Courrech du Pont
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 27/10/2017
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physique et mécanique des milieux hétérogènes (Paris ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Royon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benjamin Thiria, Laurent Royon, Frederick Gosselin, Olivier Cadot, Sandrine Aubrun-Sanches, Marc Rapin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Frederick Gosselin, Olivier Cadot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optimisation des structures

Élasticité

Bionique

Reconfiguration (informatique)

Interaction fluide-structure

Pales d'éoliennes

Énergie éolienne

Éoliennes

Mots clés libres

Biomimétisme

Optimisation

Pale flexible bio-inspirée

Bio mimicry

Optimization

Bio-inspired flexible blade

Résumé

L’éolien est un secteur industriel en pleine expansion, qui joue un rôle fondamental dans le développement des énergies renouvelables. Cependant ces machines sont performantes sur une plage de fonctionnement étroite. Afin d’adapter l’éolienne aux changements de vent, une solution actuellement mise en place sur certaines éoliennes commerciales consiste à faire varier l’angle de calage (ie l’inclinaison) des pales au cours de son fonctionnement. Cette méthode de contrôle actif élargit la plage de hauts rendements ainsi que la plage de fonctionnement global, et améliore le démarrage de l’éolienne, mais elle n’augmente pas le rendement maximal atteint par une éolienne à angle de calage optimal fixé. Cependant la complexité́ de cette méthode ainsi que ses coûts de conception, de construction et de maintenance la rende inaccessible pour beaucoup d’éoliennes, en particulier celles de petite taille. Récemment des recherches se sont orientées vers un contrôle passif de l’angle de calage. Dans cette thèse nous examinons expérimentalement et théoriquement l’intérêt d’utiliser des pales flexibles suivant la corde sur une éolienne à axe horizontal. L’étude se concentre sur deux questions : - comprendre le mécanisme de reconfiguration de la pale flexible bio-inspirée : la déformation de la pale est due à la compétition entre les forces aérodynamiques, qui augmentent l’angle de calage moyen, et la force centrifuge qui le diminue. Ces effets sont gouvernés par deux nombres adimensionnés, respectivement le nombre de Cauchy et le nombre centrifuge. - qualifier et quantifier le gain en performances de l’éolienne : une flexibilité́ de pale modérée élargit la plage de fonctionnement, et augmente significativement le rendement de l’éolienne, expérimentalement jusqu’à 35% sur la plage de hauts rendements. Une procédure d’optimisation visant à déterminer le matériau optimal de la pale flexible est présentée. Ces gains obtenus en régime stationnaire sont conservés expérimentalement en moyenne en régime instationnaire. Deux temps caractéristiques sont identifiés : le temps de reconfiguration de la pale flexible et le temps de variation de la fréquence de rotation de l’éolienne

Wind energy is a rapidly growing branch of industry, playing a significant role in the development of renewable energies. However these machines are efficient only on a narrow working range. In order to adapt wind turbines to wind changes, some commercial machines are pitch controlled during rotation. This active control method extends the high-efficiency range and the total working range, and improves the starting phase, but it does not increase the maximum efficiency reached by a wind turbine with the fixed optimal pitch angle. However this method is complex and costly (design, construction, maintenance). Thus it becomes cost-effective only for large wind turbines. Research recently focused on passive pitch control. In this thesis, the contribution of chord wise flexible blades is studied both experimentally and theoretically. The thesis concentrates on: - the reconfiguration mechanism of the bio-inspired flexible blade : the deformation is the result of the competition between aerodynamic forces, which increase the pitch angle, and the centrifugal force, which reduces it. These two effects are governed by two dimensionless numbers, respectively the Cauchy number and the centrifugal number. - how to qualify and quantify the efficiency gains : a moderate flexibility extends the working range, and significantly increases wind turbine efficiency, up to 35% on the high-efficiency working range. An optimization procedure is presented, which aims at determining the optimal material to construct the blade. These improvements measured in steady regime are maintained on average when rotational speed is unsteady. Two characteristic times are identified: the reconfiguration time of the flexible blade and the time of variation of the rotational speed of the wind turbine