Study of the operation of low tip-speed ratio micro-scale wind turbines.
Étude du fonctionnement de micro-éoliennes à basse vitesse spécifique.
Résumé
The purpose of this PhD thesis is to examine the operation of micro-scale wind turbines (MSWT) specifically designed to operate at a low tip-speed ratio (TSR) λ = 1. Chapter 2 provides an overview of the various experimental devices and protocols used in this work. Chapter 3 is dedicated to studying the performance and flow characteristics of MSWT designed using the traditional methodology for horizontal axis wind turbines, known as the Blade Element-Momentum Theory (BEMT). We have emphasized the limitations of the BEMT at low TSR. In particular, we have highlighted that at λ=1, the optimal flow velocities differ depending on the active disk model employed (Betz, Glauert, Joukowsky). Additionally, the BEMT method often results in the design of rotors with a high blade solidity, leading to strong interactions among the rotor blades instead of behaving as isolated airfoils. To address these limitations, we have developed an innovative design method for low tip-speed ratio wind turbines, inspired by the design techniques used for axial flow turbomachines operating under internal flow conditions. This method is based on flow deflection through a high-solidity blade cascade arrangement. Chapters 4 and 5 are dedicated to the the characterization of the operation of MSWT that have been designed using this original approach. A parametric study involving multiple rotors reveals that high-solidity rotors with an adequate number of blades are well-suited for wind energy harvesting applications. These rotors exhibit a high maximum power coefficient, low starting speed, and an affine torque characteristic with a steep slope, which is minimally influenced by the Reynolds number. Furthermore, significant operational distinctions between high-solidity and low-solidity rotors are identified, encompassing energy characteristics (power coefficient, torque coefficient) as well as flow properties (axial and tangential velocities, flow deflection). These findings demonstrate the evolution of rotor operation, transitioning from behavior resembling a sum of isolated profiles to that of a blade cascade.
Ces travaux de thèse portent sur l'étude expérimentale du fonctionnement d’éoliennes de petite taille opérant à basse vitesse spécifique λ =1. Les différents dispositifs et protocoles sont présentés dans le chapitre 2. Le chapitre 3 est consacré à l’étude du fonctionnement de micro-éoliennes conçues selon les méthodes classiques de dimensionnement (Blade Element - Momentum Theory). Les chapitres 4 et 5 sont dédiés à l’étude de rotors conçus selon une nouvelle méthode de dimensionnement, inspirée des techniques utilisées pour concevoir des turbomachines à écoulement interne. Les limites des rotors conçus selon la méthode BEMT ont été mises en évidence. En effet, à faible vitesse spécifique, les vitesses d’écoulement optimales diffèrent selon le modèle de disque actif (Betz, Glauert, Joukowsky), et la méthode BEMT conduit à des géométries de pales très serrées. Il est alors montré que les pales de ce type de rotors ne se comportent plus comme des profils isolés, mais interagissent fortement entre eux. Une méthode de conception de type « grille d’aubes » pour les éoliennes à basse vitesse spécifique est alors proposée. Une étude paramétrique sur une douzaine de rotors montre que les rotors serrés ayant un nombre de pales suffisant sont bien adaptés pour des applications de micro-récupération d'énergie. Ces rotors ont un coefficient de puissance maximal élevé, une faible vitesse de démarrage, ainsi qu’une caractéristique de couple affine, de forte pente, et dont l'allure est faiblement sensible au nombre de Reynolds. Par ailleurs, nous avons mis en évidence des différences de fonctionnement importantes entre les rotors faiblement serrés et les rotors fortement serrés. Ces différences se manifestent tant sur les caractéristiques énergétiques (coefficient de puissance, coefficient de couple) que sur les propriétés des écoulements (augmentation de la vitesse tangentielle et de la déflexion de l’écoulement), et témoignent de l'évolution du fonctionnement du rotor, passant d'un comportement semblable à celui d'une somme de profils isolés à celui d'une « grille d'aubes ».
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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