Optimisation des performances des éoliennes par un contrôle hybride sur les vibrations et le givre

RÉSUMÉ : Les énergies renouvelables ont attiré beaucoup d'attention dans les dernières décennies comme étant une solution verte pour pallier le problème du réchauffement climatique et ses effets catastrophiques sur toutes les espèces vivantes. Parmi ces énergies renouvelables, l'énergie éolienne a pu se démarquer dans les dernières années par des investissements et recherches visant à améliorer le coût et le rendement. Cependant, les conditions météorologiques, surtout dans le climat nordique comme le Canada, rendent difficile l'intégration de cette technologie. En effet, les conditions nordiques favorisent les vibrations des pales d'éoliennes et l'accumulation du givre sur la surface. Ces deux problèmes peuvent engendrer une perte d'efficacité importante de l'éolienne, des arrêts non planifiés, et même la destruction de la pale. Cette thèse présente une solution innovante pour optimiser les performances d'une éolienne dans les conditions météorologiques favorisant l'accumulation du givre et la vibration. Cette solution consiste à utiliser des petites plaques des matériaux piézoélectriques (PZT) ajoutés sur la surface de la pale pour contrôler sa vibration d'une part, et de générer des ondes ultrasonores d'une autre part, qui se propagent dans la structure et cassent l'adhésion entre la pale et le givre. Une étude bibliographique a été menée pour comprendre les phénomènes de vibration et de givrage ainsi que pour identifier les technologies de pointe utilisées pour contrôler les vibrations des pales et lutter contre le givre. Un modèle d'équivalence a été développé pour approximer la réponse vibratoire de la pale par celle d'une poutre ou d'une plaque plane équivalentes. Ainsi, la poutre équivalente trouvée a servi pour développer un modèle analytique complet sur Matlab, pour la vibration du système incluant l'amortissement de la poutre et les limites physiques des actionneurs PZT ajoutés. La loi de contrôle choisie est le PID (Proportional Integral Derivative). Une optimisation complète a été accomplie à l'aide de l'algorithme génétique (GA) pour déterminer les paramètres de la poutre tels que le coefficient d'amortissement, le meilleur emplacement de la paire actionneur/capteur PZT et les paramètres de la loi de contrôle. Les résultats pour le contrôle de vibration montrent une efficacité importante des matériaux piézoélectriques dans l'élimination rapide des vibrations. L'efficacité de ce système pour le contrôle des vibrations a été étudiée expérimentalement et des réductions importantes du niveau des vibrations ont été obtenues. Nous présentons aussi une étude de cas sur l'application de ces éléments dans le contrôle de vibration des navires. D'autre côté, des simulations numériques sont faites via COMSOL Multiphysics sur le modèle de la pale avec des actionneurs PZT placés dans la même position que celle obtenue pour le contrôle de vibration. La bonne fréquence d'excitation de l'actionneur a été calculée, et le voltage de l'alimentation de l'actionneur en utilisant cette fréquence a démontré sa capacité de générer des efforts transversaux XZ assez importants capables de casser l'adhérence entre la surface de la plaque et le givre. En résumé, cette thèse a validé le concept proposé portant sur l'efficacité des matériaux piézoélectriques comme un système de contrôle de vibration et de dégivrage. -- \nABSTRACT : Renewable energies have attracted a lot of attention in the last decades as a green solution to the problem of global warming and its catastrophic effects on all living species. Among these renewable energies, wind energy has been able to stand out in the last few years due to investments and research aimed at improving cost and efficiency. However, weather conditions, especially in northern climates such as Canada, make it difficult to integrate this technology. Indeed, northern conditions favor vibrations of wind turbine blades and ice accretion on the surface. These two problems can lead to a significant loss of efficiency of the wind turbine, unplanned shutdowns, and even the destruction of the blade. This thesis presents an innovative solution to optimize the performance of a wind turbine in weather conditions that favor ice accretion and vibration. This solution consists in using small plates of piezoelectric materials (PZT) added on the surface of the blade to control its vibration on the one hand, and to generate ultrasonic waves on the other hand, which propagate in the structure and break the adhesion between the blade and the ice. A literature review was conducted to understand the phenomena of vibration and icing as well as to identify the state-of-the-art technologies used to control blade vibrations and icing. An equivalence model was developed to approximate the vibration response of the blade by that of an equivalent beam or flat plate. Thus, the equivalent beam found was used to develop a complete analytical model on Matlab, for the system vibration including the damping of the beam and the physical limits of the added PZT actuators. The chosen control law is the PID (Proportional Integral Derivative). A complete optimization was performed using the Genetic Algorithm (GA) to determine the beam parameters such as the damping coefficient, the best location of the PZT actuator/sensor pair and the control law parameters. The results for vibration control show significant effectiveness of piezoelectric materials in quickly eliminating vibrations. The effectiveness of this system for vibration control has been studied experimentally and significant reductions in vibration levels have been achieved. We also present a case study on the application of these elements in the vibration control of ships. On the other hand, numerical simulations are done via COMSOL Multiphysics on the blade model with PZT actuators placed in the same position as the one obtained for the vibration control. The correct actuator excitation frequency was calculated, and the actuator power supply voltage using this frequency demonstrated its ability to generate fairly large transverse XZ forces capable of breaking the adhesion between the plate surface and the ice. In summary, this thesis validated the proposed concept of the effectiveness of piezoelectric materials as a vibration and de-icing control system. -- Mot(s) clé(s) en anglais : Wind turbine, renewable energy, vibration control, de-icing, optimization, genetic algorithm, piezoelectric materials.

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