Improvement of wind turbines availability based on the optimization of their performances

Abstract

أدى الاعتماد المتزايد على طاقة الرياح كمصدر مستدام للطاقة إلى زيادة الحاجة إلى تحسين الأداء الديناميكي الهوائي والسلامة الهيكلية والتوافر التشغيلي لتوربينات الرياح. تعمل هذه الأنظمة في ظل ظروف معقدة ومتغيرة، حيث تلعب الكفاءة الديناميكية الهوائية وسلوك المواد واستراتيجيات الصيانة دورًا حاسمًا في الأداء العام والفعالية من حيث التكلفة. تساهم هذه الأطروحة في هذا السياق من خلال نهج رقمي تحسيني متكامل ، ومنظم في أربعة أجزاء رئيسية. أولاً، يتم دراسة السلوك الديناميكي الهوائي والهيكلي لشفرات توربينات الرياح ذات المحور الأفقيعبر نسب سرعة طرفية مختلفة، مع إيلاء اهتمام خاص لتأثير معامل يونغ. ثانيًا، يتم تحليل الأداء الديناميكي الهوائي غير المستقر لثلاثة أجنحة هوائية — NACA 4412 و NACA 23012 و . NACA 63415ثالثًا، تمت دراسة التحسين الديناميكي الهوائي لتوربينات الرياحSavoniusمن خلال تقييم عدة تكوينات للموجه. أخيرًا، تم اقتراح إطار عمل متعدد الأهداف لتحسين الصيانة. تشير النتائج إلى أن نسبة سرعة الطرف المنخفضة تؤدي إلى انفصال التدفق بالقرب من الحافة للشفرة، بينما تحافظ نسبة سرعة الطرف المثلى على التدفق الملتصق على طول امتداد الشفرة. يوضح التحليل الهيكلي أن تشوه الشفرة يزداد من المحور إلى الطرف وينخفض مع ارتفاع معامل يونغ، مع تركيز الضغوط القصوى عند تقاطع الشفرة والمحور. تظهر المقارنة بين نهجي التفاعل أحادي الاتجاه وثنائي الاتجاه بين الموائع والهياكلأن الفرق يعتمد بشكل كبير على صلابة الشفرة. يحدث أكبر تباين، الذي يصل إلى 8.21 بالمئة، عند معامل يونغ المنخفض (5×10⁸ Pa)، بينما يتناقص الفرق تدريجياً مع زيادة الصلابة ويصبح ضئيلًا تقريبًا عند قيم معامل يونغ العالية. من بين الأجنحة الهوائية التي تمت دراستها، يوفر NACA 4412 أفضل أداء ديناميكي هوائي، بينما يظهر NACA 63415 مناطق فصل أكبر ومقاومة أعلى. يحقق تكوين الموجه المُحسّن لتوربينSavoniusمعامل طاقة أقصى يبلغ 0.433. بالإضافة إلى ذلك، تقلل استراتيجية الصيانة المقترحة تكاليف الإنتاج المفقودة بأكثر من 64٪ وتزيد من توفر التوربين إلى 98٪.

The increasing reliance on wind energy as a sustainable power source has intensified the need to improve the aerodynamic performance, structural integrity, and operational availability of wind turbines. These systems operate under complex and variable loading conditions, where aerodynamic efficiency, material behavior, and maintenance strategies play a critical role in overall performance and cost-effectiveness. This thesis contributes to this context through an integrated numerical and optimization-based approach organized into four main parts. First, the aerodynamic and structural behavior of Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) blades is investigated across different tip-speed ratios, with particular attention to the effect of Young’s modulus. Second, the unsteady aerodynamic performance of three airfoils—NACA 4412, NACA 23012, and NACA 63415—is analyzed. Third, the aerodynamic optimization of Savonius wind turbines is studied by evaluating several diffuser configurations. Finally, a multi-objective maintenance optimization framework is proposed. The results indicate that low tip-speed ratio lead to flow separation near the blade trailing edge, while optimal tip-speed ratio maintain attached flow along the blade span. Structural analysis shows that blade deformation increases from hub to tip and decreases with higher Young’s modulus, with maximum stresses concentrated at the blade–hub junction. A comparison between one-way and two-way fluid–structure interaction (FSI) approaches shows that the difference depends strongly on blade stiffness. The largest discrepancy, reaching 8.21%, occurs at a low Young’s modulus (5×10⁸ Pa), while the difference progressively decreases as stiffness increases and becomes nearly negligible for high Young’s modulus values. Among the airfoils studied, NACA 4412 provides the best aerodynamic performance, while NACA 63415 exhibits larger separation regions and higher drag. The optimized diffuser configuration for the Savonius turbine achieves a maximum power coefficient of 0.433. Additionally, the proposed maintenance strategy reduces lost production costs by more than 64% and increases turbine availability to 98%.

Le recours croissant à l'énergie éolienne comme source d'énergie durable a intensifié la nécessité d'améliorer les performances aérodynamiques, l'intégrité structurelle et la disponibilité opérationnelle des éoliennes. Ces systèmes fonctionnent dans des conditions de charge complexes et variables, où l'efficacité aérodynamique, le comportement des matériaux et les stratégies de maintenance jouent un rôle essentiel dans les performances globales et la rentabilité. Cette thèse contribue à ce contexte grâce à une approche intégrée, numérique et basée sur l'optimisation, organisée en quatre parties principales. Tout d'abord, le comportement aérodynamique et structurel des pales des éoliennes à axe horizontal (HAWT) est étudié pour différents rapports de vitesse de pointe, avec une attention particulière portée à l'effet du module d'Young. Ensuite, les performances aérodynamiques instables de trois profils aérodynamiques (NACA 4412, NACA 23012 et NACA 63415) sont analysées. Troisièmement, l'optimisation aérodynamique des éoliennes Savonius est étudiée en évaluant plusieurs configurations de diffuseurs. Enfin, un cadre d'optimisation de la maintenance à objectifs multiples est proposé. Les résultats indiquent qu'un faible rapport de vitesse périphérique entraîne une séparation du flux près du bord de fuite de la pale, tandis qu'un rapport de vitesse périphérique optimal maintient un flux attaché sur toute la longueur de la pale. L'analyse structurelle montre que la déformation de la pale augmente du moyeu vers l'extrémité et diminue avec un module d'Young plus élevé, les contraintes maximales étant concentrées à la jonction entre la pale et le moyeu. Une comparaison entre les approches d'interaction fluide-structure (FSI) unidirectionnelle et bidirectionnelle montre que la différence dépend fortement de la rigidité des pales. L'écart le plus important, atteignant 8,21 %, se produit à un faible module d'Young (5×10⁸ Pa), tandis que la différence diminue progressivement à mesure que la rigidité augmente et devient presque négligeable pour des valeurs élevées du module d'Young. Parmi les profils aérodynamiques étudiés, le NACA 4412 offre les meilleures performances aérodynamiques, tandis que le NACA 63415 présente des zones de séparation plus importantes et une traînée plus élevée. La configuration optimisée du diffuseur pour la turbine Savonius atteint un coefficient de puissance maximal de 0,433. De plus, la stratégie de maintenance proposée réduit les coûts de perte de production de plus de 64 % et augmente la disponibilité de la turbine à 98 %.