conception d'un prototype expérimental d'hydrogénérateur à ailes oscillantes

127 Pages·2010·5.8 MB·French

GUILLAUME LALANDE

CONCEPTION D’UN PROTOTYPE EXPÉRIMENTAL
D’HYDROGÉNÉRATEUR À AILES OSCILLANTES

Mémoire présenté
à la Faculté des études supérieures de l’Université Laval
dans le cadre du programme de maîtrise en génie mécanique
pour l’obtention du grade de maître ès sciences (M.Sc)

DÉPARTEMENT DE GÉNIE MÉCANIQUE
FACULTÉ DES SCIENCES ET DE GÉNIE
UNIVERSITÉ LAVAL
QUÉBEC

2010

© Guillaume Lalande, 2010
Résumé

L’objectif principal de ce mémoire est de présenter le processus de conception qui a mené à
la réalisation d’un prototype expérimental d’hydrogénérateur à ailes oscillantes de 1 kW.
Ce dernier a été réalisé de manière à démontrer le potentiel d’extraction d’énergie d’un
hydrogénérateur à ailes oscillantes et pour valider certaines prédictions numériques
effectuées par le Laboratoire de Mécanique des Fluides Numériques (LMFN) de
l’Université Laval.

Une revue de littérature présentant tous les hydrogénérateurs à aile(s) oscillante(s)
répertoriés dans la littérature et leur principe de fonctionnement est d’abord présentée.
Ensuite, la conception et l’expérimentation d’un premier prototype de petite taille est
montrée. Des observations pertinentes quant à la conception du prototype de 1 kW sont
aussi incluses. Suit alors la description explicite de la conception de l’embarcation
motorisée permettant de faire fonctionner le prototype de 1 kW, la présentation du choix de
la topologie de mécanisme et son processus d’optimisation et une description détaillée du
prototype de 1 kW lui-même.

Les résultats expérimentaux obtenus avec le prototype de 1 kW sont présentés de façon
sommaire. Une analyse approfondie de ces derniers sera effectuée par Kinsey ([1]).

i
Abstract

The main objective of this thesis is to present the design process that led to the realization
of an experimental prototype of a 1 kW hydrokinetic oscillating wing generator. The latter
has been built to demonstrate the power extracting capability of the oscillating wing
technology and to validate parts of the numerical modeling that has been performed at
Laboratoire de Mécanique des Fluides Numériques (LMFN) of the Laval University for
this type of system.

A review of the state-of-the-art of oscillating wing generators found in the literature is first
presented, bringing details on when, where, why and how these systems were built. The
design and experimentation of a first-generation small-scale prototype is shown.
Observations made from the experimentation of the latter that are relevant to the design of
the 1 kW prototype are presented next, which is followed by an explicit description of the
design of the motorized boat on which the 1 kW turbine is mounted to perform
experimentations, the choice of mechanism topology and its optimization process and a
detailed description of the 1 kW prototype itself.

The experimental results obtained with the 1 kW prototype are summarized in this Master’s
thesis. A deeper analysis will be presented by Kinsey ([1]).

ii
Avant-propos

Je tiens d’abord à remercier les principaux acteurs qui m’ont permis de réaliser un projet
d’une aussi grande ampleur en un laps de temps aussi court. Premièrement, mon directeur
de recherche, Jean Ruel, pour m’avoir fourni un support exceptionnel depuis le début de
notre collaboration, il y a maintenant plus de 4 ans. Merci Jean pour tous ces conseils
judicieux, pour toutes les fois où tu m’as fourni les ressources nécessaires à
l'accomplissement du prototype et pour l’enseignement de ta façon d’aborder un problème
d’ingénierie. Comme tu me l’avais dit lors de notre première rencontre, mon passage au
bureau de design a été définitivement plus qu’académique. Deuxièmement, mon co-
directeur de recherche, Guy Dumas, pour m’avoir introduit au merveilleux projet de turbine
à ailes oscillantes et pour toutes les discussions que nous avons eues afin de rendre le
prototype de 1 kW meilleur. Troisièmement, mon collègue Thomas Kinsey, étudiant au
doctorat en génie mécanique, pour tous les moments que nous avons passés ensemble
pendant les deux dernières années. J’ai toujours cru, Thomas, que nous avions des
personnalités très complémentaires et je ne crois pas que la réalisation de la campagne
d’essai de l’été 2009 aurait été possible si n’importe qui d’autre avait été à ta place.

Je veux également souligner le support que m’ont fourni tous les membres du bureau de
design au cours des dernières années, autant lors de réflexions autour de problèmes de
design que comme camarades. Merci à Guillaume, André, Véronique, Catherine,
Geneviève, Mathieu, Éric, Louis-Philippe, Rosalie, Martin et Danick. Vous êtes tous bien
plus que des collègues de travail à mes yeux.
iii
Merci aussi à tous les employés du département de génie mécanique qui ont fait de la
réalisation du prototype de 1 kW un succès. Tout d’abord, merci à Jonathan Talbot, pour
toutes les heures d’usinage mais aussi pour tout ton intérêt et ton implication personnelle
envers le projet. Ensuite, merci à Pierre Carrier, Jean-Claude Gariépy, Frédéric Morin et
Michel Tremblay pour toutes les fois où vous vous êtes impliqués personnellement pour
mener ce projet à terme, notamment lors des sorties au Lac Beauport. Merci également à
Yves Jean pour le support exceptionnel quant aux aspects électriques du prototype de 1
kW.

Je tiens à remercier les autres chercheurs associés au projet, soient Jean Lemay et Philippe
Viarouge et les étudiants gradués qui ont travaillés sur ce projet, soient Arnaud Méhut et
Louis-Alexis Allen Demers. J’insiste également pour souligner le travail remarquable
réalisé par Marc-André Plourde Campagna comme étudiant de 1er cycle lors de la
campagne d’essai de l’été 2009.

Finalement, je désire porter un remerciement à ma compagne Fabienne, qui m’a supporté
aux cours des dernières années. Merci pour tous tes encouragements, les bons moments que
vous avons passés ensemble et pour m’avoir compris lors des situations difficiles. Je tiens
aussi à remercier ma famille, pour m’avoir fourni un cadre aussi exceptionnel me
permettant de réaliser des études universitaires : Gilles, Johanne, Amélie, Patrick et Juliette,
merci pour tout.

iv
Je dédie ce mémoire à mon père Gilles,
qui m’a donné le meilleur de tous les conseils

Fais confiance à la vie.

v
Table des matières

Résumé ..................................................................................................................................... i
Abstract .................................................................................................................................. ii
Avant-propos ........................................................................................................................ iii
Table des matières ................................................................................................................. vi
Liste des figures .................................................................................................................. viii
Liste des tableaux ................................................................................................................... xi
1. Introduction ....................................................................................................................... 1
1.1 Problématique ............................................................................................................... 1
1.2 Principe d’extraction d’énergie par aile oscillante ....................................................... 2
1.3 Définition du mandat .................................................................................................... 4
1.4 Structure du mémoire .................................................................................................... 6
2. Revue de littérature .......................................................................................................... 8
2.1 Mise en contexte ........................................................................................................... 8
2.2 Littérature scientifique .................................................................................................. 9
2.3 Systèmes de type commercial ..................................................................................... 14
2.4 Brevets ........................................................................................................................ 18
3. Prototype de table ........................................................................................................... 31
3.1 Mise en contexte ......................................................................................................... 31
3.3 Analyse du fonctionnement du prototype de table ..................................................... 37
3.4 Modifications apportées au prototype de table ........................................................... 41
3.5 Évaluation des performances des deux versions du prototype de table ...................... 43
vi
3.6 Observations sur le prototype de table ........................................................................ 47
4. Conception de l’embarcation ......................................................................................... 49
4.1 Problématique ............................................................................................................. 49
4.2 Description de l’embarcation ...................................................................................... 51
5. Conception cinématique des mécanismes ..................................................................... 61
5.1 Problématique ............................................................................................................. 61
5.2 Recherche de concepts de solution ............................................................................. 61
5.3 Dimensionnement des mécanismes à 4 barres ............................................................ 69
6. Conception de l’hydrolienne .......................................................................................... 80
6.1 Problématique ............................................................................................................ 80
6.2 Description du montage ............................................................................................. 82
6.3 Mise en service de l’hydrolienne .............................................................................. 103
6.4 Résultats expérimentaux ........................................................................................... 106
7. Conclusion ..................................................................................................................... 110
Bibliographie ...................................................................................................................... 112

vii
Liste des figures

Figure 1 - Mouvement typique d’une aile oscillante, tiré de Kinsey & Dumas (2005) [3]. ... 2
Figure 2 – Trajectoire apparente d'une aile oscillante en mode d'extraction d'énergie (χ > 1),
tiré de Kinsey & Dumas (2005) [3]. ............................................................................... 4
Figure 3- Schéma du système de turbine à ailes tandem à concevoir. .................................... 5
Figure 4 – Éolienne "Wingmill", tiré de [2]. .......................................................................... 9
Figure 5 - Montage hydraulique au Naval Postgraduate School, tiré de [5]. ....................... 11
Figure 6 - Système MAO dans le canal hydraulique du LMF, tiré de [6]. ........................... 13
Figure 7 - Système Stingray de EB Ltd., tiré de [8]. ............................................................ 14
Figure 8 - Système Pulse Generation, tiré de [11]. ............................................................... 16
Figure 9 – Modèle réduit 1/20 du système bioSTREAM dans un canal artificiel, tiré de
[12]. ............................................................................................................................... 17
Figure 10 – Schéma d’aile oscillante d’Éolo, tiré de [14]. ................................................... 19
Figure 11 - Système de Pulse Generation Limited présenté dans la demande PCT, tiré de
[16]. ............................................................................................................................... 20
Figure 12 - Système éolien de Solartech Energy and Research Corporation, tiré de [18]. .. 22
Figure 13 - Système oscillant de EB ltd., tiré de [20]. .......................................................... 23
Figure 14 - Système d'Arnold Energy Systems, tiré de [22]. ............................................... 24
Figure 15 - Schéma du système de Price, tiré de [25]. ......................................................... 25
Figure 16 - Système à aile oscillante de Tidal Energy Business Limited, tiré de [26]. ........ 26
Figure 17 - Système de Kallenberg, tiré de [27]. .................................................................. 28
Figure 18 - Système éolien de Smith, tiré de [28]. ............................................................... 29
viii
Figure 19 – Prototype de table d’aérogénérateur à ailes oscillantes. .................................... 32
Figure 20 – Aile amont. ........................................................................................................ 33
Figure 21 – Mécanismes de transmission. ............................................................................ 35
Figure 22 – Système de conversion électrique. .................................................................... 36
Figure 23 – Structure de support. .......................................................................................... 37
Figure 24 - Trajectoire de pilonnement - Prototype de table. ............................................... 38
Figure 25 - Trajectoire de tangage - Prototype de table. ...................................................... 38
Figure 26 - Modifications apportées au prototype de table. ................................................. 42
Figure 27 - Puissance dissipée - Systèmes complets. ........................................................... 45
Figure 28 - Puissance dissipée - Moteurs seulement. ........................................................... 45
Figure 29 - Prototype de table dans la soufflerie. ................................................................. 46
Figure 30 - Vue générale de l'embarcation. .......................................................................... 52
Figure 31 - Flotteur de l’embarcation motorisée. ................................................................. 53
Figure 32 - Section avant - Vue de dessus. ........................................................................... 55
Figure 33 - Section avant - Vue du dessous. ......................................................................... 55
Figure 34 - Section arrière – Vue du dessous. ...................................................................... 56
Figure 35 - Design de la manette des gaz et de l'embrayage. ............................................... 57
Figure 36 - Extension de flotteur. ......................................................................................... 58
Figure 37 - Déflecteur avant. ................................................................................................ 59
Figure 38 - Embarcation motorisée - Plaque de traînée installée. ........................................ 60
Figure 39 - Principe d'entraînement par courroies, tiré d’Allen-Demers [15]. ..................... 63
Figure 40 - Principe de pilonnement à l'aide de vérins hydrauliques. .................................. 64
Figure 41 - Fonctionnement d'un mécanisme "Scotch-Yoke". ............................................. 65
Figure 42 - Mécanisme à 4 barres quelconque ..................................................................... 70
Figure 43 - Mécanisme de pilonnement. .............................................................................. 72
Figure 44 - Mécanisme de tangage. ...................................................................................... 74
Figure 46 - Comparaison entre la sortie du mécanisme de pilonnement et la trajectoire
désirée. .......................................................................................................................... 76
Figure 45 – Mécanisme à 4 barres de pilonnement optimisé ............................................... 76
Figure 47 - Comparaison entre la sortie du mécanisme de tangage et la trajectoire désirée.
...................................................................................................................................... 77
ix