Three Dimensional Numerical Prediction of Icing Related Power and Energy Losses on a Wind Turbine

Plusieurs régions du Canada sont soumises à des conditions hivernales difficiles qui persistent pendant plusieurs mois. En conséquence, les éoliennes situées dans ces régions sont exposées aux effets du froid, à l'accumulation de glace et à leurs effets négatifs qui se manifestent de la perte de puissance temporaire jusqu'à l'arrêt complet de la machine. Dans certains sites au Canada, la perte de production annuelle d'une turbine éolienne peut atteindre jusqu'à 16% de sa valeur nominale et l'estimation de ces pertes avant la construction d'un parc éolien devient essentielle pour les développeurs et investisseurs. La revue de la littérature montre que la plupart des logiciels de prévision de givrage ont été développés pour les avions, et sont, en majorité, la propriété d'entreprises et inaccessibles aux chercheurs oeuvrant dans d'autres domaines. En plus, le givrage des avions est différent de celui de l'éolienne. Les éoliennes sont exposées à des conditions de givrage pour des périodes beaucoup plus longues que les avions, peut-être pour plusieurs jours dans un climat rude, alors que la durée maximale de l'exposition d'un avion est d'environ 3-4 heures. En outre, les pales d'éoliennes fonctionnent à des vitesses subsoniques, à des nombres de Reynolds inférieurs à ceux des avions, et leurs caractéristiques physiques sont différentes. Quelques logiciels ont été cependant développés pour le givrage des éoliennes. Toutefois, ils sont soit en 2D et ne considèrent pas les caractéristiques 3D du champ d'écoulement, ou se concentrent sur la simulation de chaque rotation d'une manière dépendante du temps, ce qui n'est pas pratique pour le calcul de longues heures de l'accumulation de glace. Dans ce contexte, notre objectif dans cette thèse est de développer une méthodologie numérique 3D pour prédire la forme de givre et la perte de puissance d'une éolienne en fonction des conditions météorologiques. En plus, nous calculons la production énergétique annuelle d'une turbine typique pour des conditions normales d'exploitation et en tenant compte des évènements givrants. Les calculs sont effectués en utilisant une éolienne pour laquelle des nombreuses données sont disponibles, l'éolienne NREL Phase VI et les conditions météorologiques d'un parc éolien en Suède pour lequel les évènements de givrage sont enregistrés et publiés. La méthode proposée est basée sur le calcul et la validation de la performance de l'éolienne propre, le calcul de la forme de givre et de la performance de la pale givré, pour des conditions de givrage typiques.