Système électrothermique de dégivrage pour une pale d'éolienne : simulations en soufflerie réfrigérée et impact sur la puissance produite

RÉSUMÉ : Dans le cadre de l'amélioration des conditions d'opération des éoliennes en climat nordique, le dégivrage des pales est une problématique majeure, autant pour les problèmes de performances que pour des raisons de sécurité, car des morceaux de glace volumineux peuvent être éjectés très loin par les pales . Des systèmes de dégivrage sont nécessaires pour éviter de devoir arrêter les éoliennes en période de givrage. Parmi les différents systèmes de dégivrage existants, inspirés principalement du domaine aéronautique, le système de dégivrage électrothermique est le plus prometteur en termes de qualité de dégivrage. Malgré des résultats très encourageants en exploitation, aucun test en laboratoire n' a encore été publié sur les performances de ce type de système. C'est pourquoi un montage expérimental d'un système électrothermique de dégivrage des pales d' éoliennes a été conçu et fabriqué pour réaliser des essais en soufflerie réfrigérée en conditions de précipitations givrantes. Le montage expérimental consiste en une section de pale, fabriquée avec les mêmes matériaux que ceux utilisés dans l'industrie éolienne et instrumentée à l'aide de 12 thermocouples. 4 d'entre eux sont situés à l'intérieur du profil afin de mesurer la température interne et de quantifier les pertes thermiques internes et 8 sont sur la surface de la section de pale et servent à contrôler les 12 éléments chauffants placés sur le bord d'attaque et le bord de fuite du profil. Ce montage est relié à un boitier électrique qui gère l'énergie apportée aux éléments chauffants. Ce boitier est connecté à l'ordinateur dans lequel un programme en Visual Basic contrôle le chauffage à partir de la température de surface et enregistre les différentes températures mesurées et puissances consommées. La loi de commande du chauffage est basée sur une analogie avec le transfert de chaleur convectif. Les conditions expérimentales de givrage sont obtenues à partir de la rruse à l'échelle d'un évènement de givrage mesuré sur la station météorologique de Murdochville en Gaspésie (Québec). Les températures de surface et consommations de puissance de la section de pale sont enregistrées tout au long de l' essai. Les enregistrements permettent d' observer les phénomènes qui se produisent lors du givrage et l'évolution de la température et de la puissance consommée lors du dégivrage sur le bord d' attaque et le bord de fuite. Ces enregistrements permettent également d' étudier l'impact des différents éléments de la soufflerie sur la puissance consommée et d'optimiser les paramètres du dégivrage qui interviennent dans la loi de puissance. Les formes de glace accumulées en givrage puis en dégivrage, ainsi que leur effet sur les propriétés aérodynamiques de la pale, sont analysées. Elles permettent de quantifier la production énergétique d'une éolienne recouverte des profils de glace obtenus lorsque le système de dégivrage est arrêté et lorsqu'il fonctionne. Puis ces résultats sont comparés avec la consommation de puissance du système de dégivrage afin d'estimer le gain ou la perte énergétique du système de dégivrage. À terme, les résultats obtenus avec le montage expérimental permettront d'étudier la rentabilité du système de dégivrage lors de la phase de conception d'un parc éolien en fonction des conditions climatiques propres au site d'installation du parc. -- ABSTRACT : ln order to improve the working conditions of wind turbines in cold climate, the blades de-icing is a major problem for both performances and security issue because ice fragments can be ejected far away from the turbine by the rotating blades. De-icing systems are essentials to avoid stopping the turbine during icing events. The electro thermal de-icing is the most promising system in terms of de-icing quality among aU the existing de-icing systems, which are principaUy inspired from the aircraft field. ln spite of encouraging results in use, no laboratory test about the system performances has been published yet. That's why an experimental set-up of an electro thermal deicing system for wind turbine blades has been designed and built in order to perform experiments in a refrigerated wind tunnel under icing conditions. The experimental set-up consists in a blade section built in the same materials as in the wind turbines industry and instrumented with 12 thermocouples. 4 of them are located inside the airfoil so as to measure the internaI tempe rature and quantify the internaI thermal los ses. The other 8 are on the airfoil surface and are used to control the 12 heating strips located on the leading edge and on the trailing edge of the airfoil. This set-up is linked to an electric box that manages the power sent to the heating strips. This box is connected to the computer in which a Visual basic program controls the heating from the surface temperature and save the different temperatures and heating powers consumed. The law leading the heating is based on an analogy with the convective heat transfer. The experimental icing conditions are obtained from the scaling of an icing event recorded by the meteorological station of Murdochville in Gaspésie (Québec). The surface temperatures and power consumptions of the airfoil are saved during the whole experiment. The records aUow the observation of different phenomenon occurring during the icing and the examination of the temperature and power consumption evolution on the leading edge and trailing edge. Moreover, these records permit the study of the impact of different parts of the wind tunnel on the power consumption and the optimisation of the de-icing parameters that take part in the heating power law. The ice shapes obtained in icing then in de-icing and their effect on the blade aerodynamic properties are analysed. At this time it is possible to quantify the power production of a wind turbine covered with these ice shapes. The results are compared with the power consumption of the de-icing system in order to estimate the energetic gain or 10ss of the de-icing system for the wind turbine production. At the end, the resu1ts obtained with this experimenta1 set-up will allow the study of the de-icing system pay-back from the designing phase of a wind farm depending on the meteor010gica1 conditions of the site