Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

Le givrage atmosphérique des infrastructures énergétiques est devenu un sujet de recherche grandissant au cours des dernières décennies. Son impact est particulièrement important pour les parcs éoliens opérant en conditions nordiques. Pendant les épisodes de givre, des gouttelettes d’eau surfondue peuvent s’accumuler sous forme de glace sur les pales des éoliennes, modifiant leurs performances aérodynamiques et réduisant l’efficacité de la production d’énergie. Ces accumulations de glace peuvent entraîner des pertes annuelles d’énergie substantielles ainsi que des défis opérationnels accrus pour les exploitants de parcs éoliens. En réponse à cette problématique, d’importants efforts de recherche ont été consacrés à la compréhension des mécanismes de givrage et au développement de stratégies efficaces de protection contre la glace pour les pales d’éoliennes.

Ce présent projet vise à développer une méthodologie expérimentale à grande échelle pour la caractérisation du givrage atmosphérique et des systèmes passifs de protection contre le givre appliqués aux pales d’éoliennes. Compte tenu de la disponibilité limitée de données expérimentales obtenues dans des conditions de givrage réalistes et contrôlées à des échelles représentatives, cette recherche propose un cadre expérimental approfondi permettant de combler l’écart entre les mesures réalisées à petite échelle en laboratoire et les performances observées sur le terrain.

Cette étude est organisée en deux phases principales. La première phase porte sur la finalisation et la calibration d’un banc d’essai à grande échelle à pales rotatives installé dans une chambre climatique. Les principaux paramètres gouvernants les conditions givrantes sont mesurés et caractérisés afin d’assurer une bonne répétabilité et représentativité du terrain. La procédure d’essai d’adhérence de la glace développée repose sur le délestage centrifuge de la glace et sur un appareil dédié à la mesure de la résistance cohésive de la glace. Cet appareil est utilisé conjointement avec le banc d’essai principal afin d’améliorer l’interprétation des événements partiels de détachement de glace observés lors des essais. La fiabilité et la répétabilité de la procédure expérimentale sont évaluées au moyen d’une campagne d’essais exhaustive réalisée sur des pales en aluminium dans des conditions pertinentes pour le givrage des éoliennes.

La deuxième phase de la recherche applique la méthodologie validée à l’évaluation de systèmes passifs de protection contre le givrage. Des essais comparatifs réalisés sur des surfaces en aluminium, en gelcoat et sur un revêtement glaciophobe fournissent des données permettant d’analyser l’influence des propriétés de surface sur l’adhérence de la glace et les mécanismes de détachement. Les résultats de cette recherche mettent en évidence un contrôle stable des paramètres climatiques, des morphologies d’accumulation de glace réalistes ainsi que des comportements de fracture cohérents avec ceux rapportés dans la littérature et observés en conditions réelles. Les valeurs de résistance d’adhérence de la glace présentent un bon accord avec celles obtenues avec des montages expérimentaux d’échelle comparable, tandis que les mesures de résistance cohésive renseignent sur les mécanismes de détachement de la glace qui ne peuvent être capturés seulement par mesures d’adhérence. Une réduction marquée de la résistance d’adhérence est également observée pour les surfaces recouvertes. Cette observation met en évidence une transition d’un mode de rupture principalement adhésif à petite échelle vers des modes de fracture cohésifs ou mixtes dans le cas d’accumulations de glace réalistes à grande échelle. Dans l’ensemble, ce travail établit une approche expérimentale robuste pour l’évaluation de systèmes passifs de protection contre le givre destinés aux applications éoliennes. Les résultats ouvrent la voie au développement de futures stratégies d’atténuation du givrage pour les parcs éoliens en milieux nordiques.

Atmospheric icing on energy infrastructure has become an important research topic in recent decades. Its impact is particularly significant for wind energy systems operating in cold climates. Under icing conditions, supercooled water droplets can accrete as ice on turbine blades, altering their aerodynamic performance and reducing power production efficiency. These ice accretions may lead to substantial annual energy losses and increased operational challenges for wind farm operators. In response to this issue, considerable research efforts have been directed toward understanding icing mechanisms and developing effective ice protection strategies for wind turbine blades.

This project aims to develop and validate a large-scale experimental methodology for the characterization of atmospheric icing and passive ice protection systems on wind turbine blades for wind farms operating in cold climates. Considering the limited availability of experimental data obtained under realistic and controlled icing conditions at representative scales, this research provides an in-depth experimental framework to bridge the gap between laboratory-scale measurements and field performance.

This study is organized in two main phases. The first phase focuses on the completion and calibration of a large-scale rotating-blade test bench installed in a controlled icing environment. Key governing parameters are measured and characterized to ensure proper repeatability and representative icing conditions. The ice adhesion test procedure developed is based on centrifugal ice shedding and a dedicated ice cohesive strength measurement apparatus which is used jointly with the main rig to further improve the interpretation of the partial ice shedding events observed on the test bench. The reliability and repeatability of the experimental procedure are assessed through a comprehensive test campaign conducted on aluminum blades under conditions relevant to wind turbine icing.

The second phase of the research applies the validated methodology to the evaluation of passive icing protection systems. Comparative tests on aluminum, gelcoat, and an icephobic coating provide data-driven insight into the influence of surface properties on ice adhesion and shedding behavior. The results of this research highlight stable control of the climatic parameters, realistic ice accretion morphologies, and fracture behaviors consistent with those reported in the literature and observed in field conditions. Ice adhesion strengths show good agreement with experimental setups of approximately the same scale, while the cohesive strength measurements provide additional insight into ice detachment mechanisms that cannot be captured by adhesion measurements alone. A marked reduction is also observed in adhesion strength and highlights a shift from predominantly adhesive failure at small scale to cohesive or mixed fracture modes under large-scale, realistic ice accretions. Overall, this work establishes a robust and scalable experimental approach for evaluating passive ice protection systems for wind energy applications. The findings pave the way for future icing mitigation strategies for cold-climate wind farms.