Chapitre 2 Principe, structure et Conversion E

Chapitre 2

Principe, structure

et Conversion

Ecinétique – Eélectrique

• Principe et structure d’une éolienne

• Puissance électrique récupérableinfluence de la vitesse du vent (site, hauteur, sol)influence de la surface des pâlesinfluence du facteur de puissance Cp (machine, pâle)

• Puissance électrique maximale (loi de Betz)• Energie électrique récupérée

Chapitre 2

Principe, structure

et Conversion


Chapitre 2 : Principe, structure, et Conversion Principe et structure d’une éolienne

Eolienne à axe vertical Eolienne à axe horizontal

Avantages et inconvénients

Générateur au solStructure / construction simplifiéePeu bruyantes, plus petites et esthétiquesRésistance forte aux variations climatiquesDémarrage à faible vitesse (Savonius)Rendement faibleMasse non négligeable

Type Darrieus

Type DarrieusType Savonius

Avantages et inconvénients

Stabilité de la structureBon rendementBruyantes, peu esthétiques


Une éolienne comment ça marche ?Une éolienne est constituée d'un mât de 50 à 100 m de haut. A son sommet se trouve unenacelle équipé d'un rotor à axe horizontal, lui même équipé de trois pales mise enrotation par le vent. Le vent fait tourner les pales entre 10 et 25 tours par minute.L'énergie mécanique ainsi produite est transformée en énergie électrique dans la nacellegrâce à une génératrice (phénomène d'induction) qui délivre un courant alternatif de~690 volts dont l'intensité varie avec la vitesse.

* Un rotor (en général trois pâles) et unnez. Le rotor est entraîné par l'énergie duvent, il peut être couplé directement ouindirectement à une pompe (cas deséoliennes de pompage) ou plusgénéralement à un générateur électrique.Le rotor est relié à la nacelle par lemoyeu. Un multiplicateur décuple larotation de l’hélice. L’accélération ainsiproduite met en action le générateur quiproduit le courant électrique

* Un mât permet de placer le rotor à une hauteursuffisante pour permettre son mouvement(nécessaire pour les éoliennes à axe horizontal)et/ou placer ce rotor à une hauteur lui permettantd'être entraîné par un vent plus fort et régulierqu'au niveau du sol. Le mât abrite généralementune partie des composants électriques etélectroniques (modulateur, commande,multiplicateur, générateur, etc.).

* Une nacelle montée au sommet du mât,abritant les composants mécaniques,pneumatiques, électriques, électroniques,nécessaires au fonctionnement de lamachine.

* Un poste de livraison situé à proximitédu parc éolien (transformateur) permet derelier ce parc au réseau électrique pour yinjecter l'intégralité de l'énergie produite.



Pour commencer : 2 grands principes

Pâles à pas fixe avec contrôle Stall

Machine asynchrone

Rotor à vitesse constanteVitesse rotation élevée

Multiplicateur mécanique

Pâles à pas variable avec contrôle Pitch

Machine synchrone

Rotor à vitesse variable (faible)Suppression multiplicateur

Maintenance et bruit diminuésRendement mécanique augmenté


• Appelé aussi Tour• Mesure de 40 à 100m• De forme tubulaire• Généralement en acier• Permet l’accès à la nacelle• Peut contenir transformateur…

Le Mât

(1) Armoire de commande(2) Transformateur


• Girouette de différentes technologies• Reliée au système de contrôle commande

L’anémomètre

36€


• Rotor face au vent• Moteurs électriques et multiplicateurs• Pivotement de la nacelle• Couronne dentée (crémaillère)

La couronne permet d’orienter l’éoliennedans l’axe du vent et la bloquée (frein)

Le système d’orientation

Dispositif d'orientation d'une éolienne de 750 kW, vue d'en bas vers la nacelle:couronne d'orientation tout à l'extrémité, roues dentées des moteurs et des freinsdu système à l'intérieur. Le dispositif d'orientation est activé par un contrôleurélectronique qui vérifie la position de la girouette de l'éolienne plusieurs fois parminute.


• Fibre de verre et matériaux composites• D=7m donne P=10kW• D=27m donne P=200kW• D=72m donne P=2000kW

Le système tripale est préféré car il limite lesvibrations, le bruit et la fatigue du rotor. Lecouple de démarrage dépend de D.

Les pâles


• Dit « arbre lent »• Reçoit la rotation du moyeu• Arbre du rotor de la turbine éolienne• Vitesse de rotation : 20 40 tr/min• Relié l’arbre secondaire par le multiplicateur

L’arbre primaire


• Relie l’arbre primaire au secondaire• Constitué d’engrenages• Passage de 20 40tr/min à 1500tr/min

Le multiplicateur


• Dit « arbre rapide »• Plus mince• Relie le multiplicateur à la génératrice• Équipé d’un frein à disque (sécurité vent)

Le frein – arbre secondaire


La génératrice

• Transforme Emécanique en Eélectrique

• Jusqu’à 7,5MW de puissance

• Machine asynchrone (si multiplicateur)peu utilisée en site isolénécessite condensateurs corriger Qreac

• Machine synchrone (sans multiplicateur)aimants permanents ou électroaimants

• Courant alternatif (alternateur: rotor et stator)


Le Contrôleur électronique

• Contrôle le fonctionnement de l’éolienne• Gère 100 500 paramètres• Gère le démarrage, le freinage• Gère l’orientation de la nacelle / vent• Gère le pas des pâles• Gère le refroidissement• Relié à la girouette

Contrôleur Enercon en pied de mât

Contrôleur MPPT Solar Energy Hybrid


Chapitre 2

Principe, structure

et Conversion


• Principe et structure d’une éolienne

• Puissance électrique récupérable

influence de la vitesse du vent (site, hauteur, sol)

influence de la surface des pâles

influence du facteur de puissance Cp (machine, pâle)

• Puissance électrique maximale (loi de Betz)• Energie électrique récupérée

Chapitre 2 : Principe, structure, et Conversion La puissance cinétique disponible

Calcul de la puissance cinétique disponible

2

2

1eac VmE

1) En considérant une masse d’air ma se déplaçant à la vitesse Ve à travers la surface S balayée parl’éolienne, donner l’expression de l’énergie cinétique de l’air Ec en fonction de la vitesse du vent Ve

(m/s) et de cette masse ma.

2) En fonction de la masse volumique de l’air, de la surface balayée S et de la vitesse du vent Ve,exprimer la quantité de masse ma traversant la section S pendant un temps t. En déduire la quantitéd’énergie cinétique Ec de la masse d’air ma vue de l’éolienne en fonction de , S, Ve et t

tVSm ea tVSE ec

3

2

1

3) A partir de cette énergie cinétique, exprimer la puissance soumise à l’éolienne Pdispo, c'est à dire lapuissance théoriquement disponible avant conversion.

3

2

1edispo VS

t

EP

Chapitre 2 : Principe, structure, et Conversion La puissance cinétique disponible

Calcul de la puissance cinétique disponible

La puissance dépend donc de la vitesse, de la surface des pales (qui doivent être face au vent) mais

aussi d’autres paramètres structuraux qui soulignent l’importance portée à la qualité de la conception

de l’éolienne, notamment son rotor (orientable).

3

2

1edispo VSP

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

2000

4000

6000

8000

10000

Pu

issa

nce (

kW

)

Vitesse (m/s)

Rayon=5m

Rayon=10m

Rayon=20m

Rayon=50m

Documents

Chapitre 2 Principe, structure et Conversion E