Plasma Actuation for Active Control of Wind Turbine Power

Cette recherche évalue, optimise et démontre expérimentalement une nouvelle méthode pour réduire la portance et augmenter la traînée d'une pale de turbine éolienne pour contrôler la puissance éolienne à des vitesses de vent élevées. La méthode consiste à appliquer l'actionnement électro-fluidique du plasma pour accélérer la séparation de la couche limite sur les pales d'éolienne. L'effet de l'actionnement plasma sur un profil à deux dimensions d'éoliennes est d'abord évalué numériquement à de faibles nombres de Reynolds en utilisant un code commercial CFD auquel un modèle de l'actionneur plasma est intégré. Les résultats de ces simulations indiquent l'existence de conditions d'exploitation préférable pour l'actionneur plasma en termes de paramètres tel que sa force, la vitesse non-perturbée et sa position sens de la corde sur la pale. En ce qui concerne la force l'actionnement, il est constaté qu'il existe un seuil de la force au-delà duquel il y a un saut soudain dans la réduction de portance obtenue. Un bond semblable à l'effet d'actionnement est observé lorsque le nombre de Reynolds non-perturbé est réduit en deçà d'une certaine limite. L'existence de positions optimales pour l'actionneur plasma sur l'extrados de la pale est également observée. L'optimum est situé près du bord de fuite de l'aile pour les angles d'attaque avant le décrochage et il est déplacé en amont aux angles d'attaque près du décrochage et dépassés le décrochage. Toutes les simulations indiquent que la position de l'actionneur plasma par rapport au point de séparation de la couche limite est le facteur décisif à l'effet de l'actionneur sur la portance et la traînée. Ces simulations sont validées par des en soufflerie tests pour les mêmes conditions d'écoulement en soufflerie. Les mesures en soufflerie de la portance et la traînée se trouvent principalement à être cohérents avec les résultats de simulations. Le logiciel CFX validé expérimentalement est ensuite utilisé pour simuler l'écoulement à un Re réaliste pour les applications éoliennes. Cette étude montre que le niveau actuel de la force d'actionnement plasma est incapable d'exercer une influence perceptible sur les performances d'une éolienne. La théorie de l'élément de pale couplée à un bilan de quantité de mouvement est utilisée pour déterminer la quantité de la chute de portance qui serait nécessaire pour le fonctionnement à puissance nominale et cette exigence est comparée à l'impact de l'actuelle génération d'actionneurs plasma. Une tentative est faite pour estimer la force d'actionnement qui serait nécessaire pour réaliser la réduction de la puissance requise pour le fonctionnement nominal. Cette analyse montre qu'une force d'actionnement de deux ordres de grandeur serait nécessaire pour que le concept fonctionne sans l'aide d'un autre moyen de contrôle pour limiter la puissance des éoliennes.