A new approach for electric modeling of vertical axis wind turbine rotors in view to the construction of a global electric model for the wind energy conversion system / Nouvelle approche de modélisation électrique des rotors d’éoliennes à axe vertical en vue de la construction d’un modèle électrique global de la chaine de conversion éolienne

The combine effects of climate changes, the continue and considerable increase of energy demand in the world, the instability of fossil fuel prices as well as the energetic dependence of some countries who are not fuel producers leads to important development of renewable energies. More again, the energy bill in its dizzying rise causes the prices increase for raw materials, goods and even basic necessities. It is therefore imperative to go in for diversification of energy sources on the one hand and means to produce energy at a relatively low cost on the other hand. This thesis proposes a novel approach for aerodynamic modelling of Darrieus type vertical axes wind turbines (VAWTs). Indeed, it is a contribution to the build-up of a global electric model for vertical axis wind turbine conversion system with a view to improve monitoring, diagnosis and maintenance. The goal of this research work is double: firstly, to propose an innovative approach for aerodynamic modelling of VAWTs and secondly, based on this approach, to build a new equivalent electric model for the study, analysis and aerodynamic optimisation of Darrieus type VAWTs. More broadly, this work aims to contribute to the development of new tools, techniques and methods to improve the design, optimization, diagnosis, prognosis and monitoring of Darrieus VAWTs to better ensure their maintenance. The purpose is to provide the scientific community and the wind turbine industry with new tools that can ameliorate the reliability and thus increase performance and efficiency of Darrieus type VAWTs. An equivalent electric circuit model for three-blade DT-VAWT rotors was builded. The new model that we named the Tchakoua model is based on a recently developed approach for modelling DT-VAWT rotors using the equivalent electrical circuit analogy. The proposed model was built from the mechanical description given by the Paraschivoiu double-multiple streamtube model and was based on an analogy between mechanical and electrical circuits. Thus, the rotating blades and the blades’ mechanical coupling to the shaft are modelled using the mechanical-electrical analogy, and the wind flow is modelled as a source of electric current. Model simulations were conducted using MATLAB for a three-bladed rotor architecture, characterized by a NACA0012 profile, an average Reynolds number of 40,000 for the blade and a tip speed ratio of 5. The results obtained show strong agreement with findings from both aerodynamic and computational fluid dynamics (CFD) models in the literature.
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\nLes effets conjugués du réchauffement climatique, l’augmentation considérable et continue de la demande énergétique mondiale, la volatilité des prix des énergies fossiles, la dépendance énergétique de certains pays non producteurs de pétrole, font que les énergies renouvelables bénéficient actuellement d’un essor très important. De plus, la facture énergétique dans sa hausse vertigineuse entraîne les matières premières, les biens de consommation et même les produits de première nécessité. Il est donc impératif de réfléchir à la diversification des sources d’énergie d’une part et aux moyens de produire de l’énergie à un coup relativement bas d’autre part. Cette thèse propose un modèle électrique équivalent pour les rotors d’éoliennes à axes vertical. Elle constitue une contribution à la construction d’un modèle électrique global de la chaîne de conversion éolienne. L’objectif de cette recherche est d’une part de proposer une nouvelle approche de modélisation des éoliennes à axe vertical; et d’autre part d’élaborer, sur la base de cette approche, un nouveau modèle pour l’étude, l’analyse et l’optimisation aérodynamique des éoliennes à axe vertical de type Darrieus. De façon plus large, ce travail vise à contribuer au développement de nouveaux outils, techniques et méthodes devant permettre d’améliorer la conception, l’optimisation, le diagnostic, le pronostic et la surveillance des éoliennes à axe vertical de type Darrieus afin de mieux assurer leur maintenance. La finalité étant de mettre à la disposition de la communauté scientifique et de l’industrie de l’éolienne de nouveaux outils pouvant permettre d’accroître la performance aérodynamique ainsi que le rendement énergétique des éoliennes à axe vertical de type Darrieus. Un modèle électrique équivaut pour rotor d’éolienne de type Darrius tri-pales a été développé. Ce nouveau modèle que nous avons nommé le ‘Tchakoua model’ est basé sur une nouvelle approche de modélisation des rotors d’éoliennes à axe vertical utilisant des circuits électriques équivalents. Le modèle a été construit sur la base de description à double disque actuateur à multiple tubes de vent faite par Paraschivoiu et est basé sur l’analogie circuits mécaniques et circuits électriques appliquée à l’aérodynamique. Ainsi, les pales et le couplage mécanique à l’arbre lent sont modélisées en utilisant l’analogie mécanique électrique tandis que l’écoulement de vent est modélisé comme source de courant. Les simulations ont été effectuées avec le logiciel MATLAB pour un rotor tripal caractérisé par un profil NACA0012, un nombre de Reynold moyen de 40000 et une vitesse spécifique de 5. Une validation croisée de ces résultats avec les données issues des modèles aérodynamiques ou même des modèles numériques de dynamique des fluides montre de bonnes concordances.

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