Study of integrated design and manufacture of a small wind turbine in the Moroccan context within certification type IEC 61400

Abstract

L'objectif du present travail c’est la conception d’une petite éolienne d’une puissance nominale de 11 kW suivant les directives de la norme internationale IEC-64100-2 (Commission électrotechnique internationale) relative aux petites éoliennes. L’analyse de structure de la nacelle de l’éolienne a été réalisée en se basant sur le Modèle de Charge Simplifié (Simple Load Model (SLM)). Vu que les pâles de petites éoliennes peuvent être sujet d’un nombre élevé de cycles de fatigue en comparaison avec les grandes éoliennes, l'analyse de la fatigue a également été incluse comme partie intégrante dans le processus de conception dans cette étude. Les résultats de l’analyse de structure basée sur SLM ont montré que l'arbre principal de la turbine passe avec succès tous les scénarios de charge imposés par le standard IEC 61400-2. Cependant, les pâles ont échoué l'analyse de la fatigue. Cet échec est principalement dû à trois raisons. La première raison est liée à l'approximation grossière utilisée par SLM et qui consiste à utiliser un seul scenario pour calculer le nombre de cycles de fatigue. Cette approche conduit à une surestimation du nombre des cycles de fatigue avec une différence de 3.1E+9 cycles par rapport aux résultats obtenus à partir d'autres outils tels que les codes FAST-Mlife et le module nCode DesignLife. La deuxième raison concerne les forces et les moments sur les pâles pendant le fonctionnement normal (cas de charge A). Le niveau de stress associé, qui est utilisé pour calculer le paramètre d’endommagement critique, a été déterminée sur la base de l'hypothèse que la vitesse du vent pendant le fonctionnement normal a une valeur constante de 10,5 m/s. L'utilisation d'une telle valeur elevée conduit à une surestimation des forces centrifuges ainsi que les moments fléchissant sur les pâles dans des conditions normales de fonctionnement. La troisième raison concerne les facteurs de sécurité élevés qui sont imposées par la norme CEI 61400-2 lorsque une caractérisation complète des matériaux ne peut être atteinte, en particulier au cours des premières phases du processus de conception. Cela conduit généralement à une structure lourde et onéreuse. A la fin de ce projet de recherche, un prototype d'une éolienne domestique d’une puissance de 11 kW a été mis en place. Les résultats obtenus à partir de ce travail démontrent que certains paramètres de design ainsi que les facteurs de sécurité imposés par le standard IEC 61400-2 nécessitent une révision puisqu’ils conduisent à des structures lourdes et surdimensionnées