Mise en place d’un estimateur d’endommagement de pale d’éolienne et de son espérance de vie résiduelle

Chrétien, Antoine (2024). Mise en place d’un estimateur d’endommagement de pale d’éolienne et de son espérance de vie résiduelle. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La thèse présentée ici est une contribution à l’évaluation du dommage par fatigue et de la durée de vie résiduelle des pales d’éolienne. Cette évaluation est basée sur les propriétés du vent d’un site et des données moyennées sur 10 min telles qu’enregistrées dans un système de contrôle et d'acquisition de données SCADA.

Pour répondre aux défis de la transition énergétique, les fournisseurs d'énergie se tournent de plus en plus vers l'électricité éolienne. Avec l'accroissement soutenu du parc éolien mondial et le vieillissement des éoliennes existantes, les opérateurs se trouvent confrontés à la nécessité d'optimiser la planification de la maintenance et des travaux de réfection pour prolonger la durée de vie des éoliennes tout en réduisant les coûts associés. Parmi les composants critiques des éoliennes, les pales font partie des éléments les plus sensibles aux dommages dus à l’érosion et à la fatigue. Ceci justifie la nécessité de développer un modèle d'estimation des dommages évalués par l’historique d’opération et d’estimer ainsi l'espérance de vie résiduelle des pales d'éoliennes.

Dans un premier temps, nous avons développé un estimateur du dommage des pales d'éoliennes qui prend en compte la vitesse moyenne du vent sur 10-min, telle qu’enregistrée dans SCADA. Le modèle inclut l’effet induit par les variations de la vitesse du vent à une fréquence de 1 Hz. Cette variabilité à haute fréquence dépend de l'intensité de la turbulence et est corrélée avec la vitesse moyenne du vent. Nous avons ensuite mis au point un outil permettant de calculer rapidement le dommage des pales pour toute la durée de vie de l'éolienne et de comparer ainsi le dommage relatif entre différentes éoliennes d'un même parc. Notre deuxième contribution a été d’inclure dans le modèle les différents régimes de fonctionnement de l'éolienne dans l'évaluation du dommage. Nous avons démontré que, sur l'ensemble de sa durée de vie, les dommages causés par les arrêts et les démarrages ont un effet négligeable par rapport à ceux causés lorsque l'éolienne est en régime de production. Enfin, notre dernière contribution a consisté à adapter notre modèle pour évaluer l'impact de différents scénarios et profils de fonctionnement de l'éolienne sur sa durée de vie résiduelle. Nous avons alors observé qu'une réduction de l’ordre de 20% de la puissance nominale de l'éolienne peut considérablement prolonger la durée de vie résiduelle en réduisant le dommage relatif d’environ 60%.

Cette recherche a été menée en collaboration avec la société Power Factors (Québec, Canada). Les résultats de cette thèse sont donc basés sur des données réelles fournies par le partenaire industriel du projet.

Titre traduit

Implementation of a wind turbine blade damage estimator and its remaining life expectancy

Résumé traduit

The thesis presented here contributes to the assessment of fatigue damage and the remaining life expectancy of wind turbine blades. This evaluation is based on the properties of the surrounding wind averaged over 10-min periods and recorded in the SCADA data of the studied wind turbine.

To address the challenges of the energy transition imposed by a continuously growing energy demand and the gradual reduction of fossil fuels, energy providers are increasingly turning to wind power. With the continued growth of the global wind turbine fleet and the aging of existing wind turbines, operators are faced with the need to optimize maintenance planning to extend the lifespan of wind turbines while reducing associated costs. Among the critical components of wind turbines, blades are among the most susceptible to fatigue damage, underlining the importance of developing a model for estimating blade damage and remaining life expectancy.

Firstly, we developed a wind turbine blade damage estimator that takes into account the average wind speed over 10-min periods, recorded in the SCADA data, as well as variations in wind speed at a frequency of 1 Hz. This high-frequency variability depends on turbulence intensity and average wind speed. Then we developed a tool to rapidly calculate blade damage for the entire lifespan of the wind turbine and compare relative damage between different wind turbines within the same wind farm. Secondly, our next contribution was to consider the different operating regimes of the wind turbine in damage evaluation. We demonstrated that damage caused by turbine stops and starts is negligible compared to the one caused when the turbine is in energy production mode over its entire lifespan. Finally, our last contribution was to adapt our damage estimator to assess the impact of different wind turbine operating profiles on its remaining life expectancy. We observed that reducing the wind turbine's nominal power can significantly extend this remaining life expectancy.

This research was conducted in collaboration with Power Factors (Quebec, Canada). The results of this thesis are therefore based on data provided by Power Factors. Their involvement also enhances the potential interest of the industry in our project and its application to better estimate wind turbine blade damage due to fatigue.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 171-186).
Mots-clés libres:	éolienne, endommagement, fatigue, durée de vie résiduelle, pronostic
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Tahan, Souheil-Antoine
Codirecteur:	Codirecteur Pelletier, Francis
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	20 mars 2025 19:01
Dernière modification:	05 mai 2025 15:59
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3549

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