Contribution à l’amélioration de l’efficacité d’une chaine de conversion éolienne couplée à un réseau électrique

Présentation

Du Système Eolien La fonction d’une éolienne est de convertir le mouvement du vent en énergie de rotation qui peut être utilisée pour conduire un générateur. Les éoliennes captent la puissance du vent au moyen de pales aérodynamiques tournant la puissance mécanique. Actuellement, les éoliennes les plus populaires sont les turbines à axe horizontal, où le nombre des pales est généralement égal à trois [ENE09] [KOUA]. Une éolienne transforme l’énergie du vent en énergie électrique. Cette transformation se fait en plusieurs étapes :  La transformation de l’énergie par les pales Les pales fonctionnent sur le principe d’une aile d’avion, la différence de pression entre les deux côtés de la pale crée une force aérodynamique, mettant le rotor en mouvement en convertissant l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique.  L’accélération du mouvement de rotation grâce au multiplicateur Les pales tournent à une vitesse relativement lente, de l’ordre de 5 à 15 tours par minute, plus l’éolienne est grande. La plupart des générateurs doivent tourner à très grande vitesse (1000 à 2000 tours par minute) pour produire de l’électricité. C’est pourquoi le ralenti du rotor est accéléré par une boîte de vitesses. Certains types d’éoliennes ne sont pas équipés, de sorte que leur générateur est beaucoup plus grand et plus lourd.  La production d’électricité par le générateur L’énergie mécanique transmise par le multiplicateur est transformée en énergie électrique par le générateur. Le rotor du générateur tourne à grande vitesse et produit de l’électricité.  Le traitement de l’électricité par le convertisseur et le transformateur Cette électricité ne peut pas être utilisée directement; elle est traitée par un convertisseur, puis sa tension est augmentée à 20.000 volts par un transformateur. L’électricité est ensuite acheminée par un câble enfoui vers une station de transformation, où elle est injectée dans le réseau électrique et distribuée aux consommateurs les plus proches [BOUA12].

Les différents types d’éoliennes

Les solutions techniques pour la collecte de l’énergie éolienne sont très variées. Les éoliennes sont classées en fonction de l’agencement géométrique de l’arbre sur lequel l’hélice est montée en deux types : les éoliennes à axe vertical et horizontal [Mul04] [Pal 05] [Rob 06].  Eoliennes à axe vertical en anglais VAWT : Vertical Axis Wind Turbine  Eoliennes à axe horizontal HAWT : Horizontal Axis Wind Turbine

Eoliennes à axe vertical « VAWT »

Les VAWT sont très peu mises en jeu de nos jours car elles sont moins performantes que celles à axe horizontal, elles tournent en moyenne 2 à 8 fois moins vite qu’une tripale classique avec le même rayon. Les VAWT fonctionnent sur le même principe que les roues hydrauliques avec une direction du vent perpendiculaire à l’axe de rotation. La conception verticale offre l’avantage de mettre la machinerie au sol (accès plus facile à la génératrice et au multiplicateur ce qui facilite la maintenance et l’entretient), mais cela impose que l’éolienne fonctionne avec des vents proches du sol, moins forts qu’en hauteurs car freinés par le relief. De par son axe vertical, il y a symétrie de révolution et le vent peut provenir de toutes les directions sans avoir à orienter le rotor. Par contre ce type d’éolienne ne peut pas démarrer automatiquement, il faut le lancer dès l’apparition d’un vent suffisamment fort pour permettre la production. En ce qui concerne leur implantation, elles ont une emprise au sol plus importante que les éoliennes à tour car elles sont haubanées sur de grandes distances. En effet, les câbles des haubans doivent passer au-dessus des pales. Cela représente un inconvénient majeur sur un site agricole par exemple. Les principaux capteurs à axe vertical sont le rotor de Savonius, le rotor de Darrieus classique et Darrieus en forme de H.  Le rotor de Savonius Inventé par le Finlandais Siguard Savonius en 1924, ce rotor est basé sur le principe de « traînée différentielle » utilisé dans les anémomètres: les forces exercées par le vent sur chaque face d’un corps creux sont d’intensité différente, résultant en un couple moteur conduisant la rotation de l’ensemble. L’effet est renforcé ici par le flux d’air entre deux demicylindres qui augmente le couple moteur (figure I.11). Fig. I. 11. Éolienne de Savonius. En conséquence, l’éolienne à rotor Savonius est complètement insensible à la direction du vent dans un plan horizontal. La faible valeur à vitesse réduite, qui est environ 8 fois inférieure à celle des turbines conventionnelles à trois pales, offre des caractéristiques intéressantes du point de vue de l’acoustique et de la sécurité, car cet aspect est fortement lié à la vitesse linéaire à l’extrémité de la pale. Cependant, ces propriétés impliquent l’utilisation d’un générateur avec un grand nombre de pôles et très souvent des machines sur mesure. Commencer à basse vitesse est également un point fort. Ainsi, malgré une certaine faiblesse du coefficient de puissance (0,15 à 0,2), les avantages précédents auxquels s’ajoute une « certaine » esthétique le rendent bien adapté aux sites urbains. Les dimensions géométriques d’une telle canopée sont limitées. En effet, étant donné les forces mécaniques qui doivent être soutenues par le mât, les éoliennes de type Savonius ne peuvent pas être trop grandes.  Le rotor de Darrieus Conçue par l’ingénieur Français George Darrieus en 1931, l’éolienne Darrieus se caractérise par ses pales de rotor en forme de « C » qui la font ressembler un peu à un « batteur d’œufs » (figure I.12). Le rotor Darrieus fonctionne au moyen d’un ascenseur et est basé sur le fait qu’un profil placé dans un flux d’air à différents angles (figure I.12) est soumis à des forces de direction et d’intensité variables. Le résultat de ces forces génère alors un couple de conduite qui provoque l’appareil à tourner. Ces forces sont créées par la combinaison de la vitesse de mouvement du profil et de la vitesse du vent. Cela signifie que la rotation de l’appareil ne peut pas démarrer par elle-même. L’éolienne doit donc être démarrée par un dispositif auxiliaire (par exemple, le montage d’une petite éolienne Savonius sur le même rotor) lorsqu’elle est stationnaire. Cependant, ce n’est qu’un inconvénient mineur dans le cas d’une turbine connectée au réseau, puisqu’il est alors possible d’utiliser le générateur comme un moteur qui tire le courant du réseau pour démarrer la turbine. Fig. I. 12. Éolienne de Darrieus.  Le rotor H-type Un autre type de rotor vertical est connu sous le nom de rotor « H » ou rotor Musgrove, dont les pales prennent une forme « H » (figure I.13). Ce type de rotor peut démarrer seul, produit de l’énergie à partir de vents très faibles (1m/s), ne nécessite pas de régulation mécanique et résiste aux vents violents. 

Eolienne de Darrieus de type H.

Des éoliennes à axe vertical développées pour la production d’électricité dans les régions éloignées sont maintenant disponibles. Ce sont des machines à faible puissance, de 100W à 25kW. Ils sont destinés à un usage permanent. Par exemple, la recharge des batteries utilisées pour alimenter un chalet dans les montagnes. Ils sont de conception simple et robuste et nécessitent peu ou pas d’entretien. Même si quelques grands projets industriels ont été réalisés, les VAWT restent marginaux et peu utilisés, voire abandonnés. En effet, la présence du collecteur d’énergie près du sol l’expose à la turbulence et au gradient de vent qui réduit son efficacité. En outre, elles sont exposées à des problèmes d’aéroélasticité en raison des contraintes élevées auxquelles elles sont soumises, la surface qu’ils occupent au sol est très grande pour la puissance élevée, et la présence d’un dispositif de démarrage auxiliaire est nécessaire. La majorité des VAWT fonctionnent à basse vitesse, ce qui est très désavantageux dans les applications de production d’énergie avec connexion au réseau public (50 ou 60Hz) que la boîte de vitesses doit permettre un rapport de vitesse élevé. La faible efficacité aérodynamique (c-à-d le coefficient de faible puissance) et la réduction de la quantité de vent qu’ils reçoivent au niveau du sol sont les principaux handicaps des VAWT par rapport aux HAWT. Le tableau ci-dessous résume les avantages et les inconvénients des éoliennes à axe vertical : Tableau. I. 3. Avantages et inconvénients des éoliennes à axe vertical [POI03]. Avantages Inconvénients La conception verticale offre l’avantage de mettre la boîte de vitesses, le générateur et les dispositifs de commande directement sur le sol. Elles sont moins efficaces que ceux avec un axe horizontal. Son axe vertical est symétrique en rotation, ce qui lui permet de fonctionner dans n’importe quelle direction de vent sans avoir à faire pivoter le rotor. La conception verticale de ce type d’éolienne exige qu’elle fonctionne avec le vent près du sol, donc moins fort parce qu’il est freiné par le relief. Sa conception est simple, robuste et nécessite peu d’entretien. Leur installation au sol nécessite l’utilisation de tiges de cravate qui doivent passer au-dessus des pales, occupant ainsi une surface plus grande que la turbine à tour. 

Eoliennes à axe horizontal « HAWT »

Les éoliennes à axe horizontal sont basées sur la technologie ancestrale des éoliennes. Elles se composent de plusieurs lames profilées aérodynamiquement comme les ailes d’un avion. Dans ce cas, portance n’est pas utilisé pour garder un avion en vol, mais pour générer un couple moteur pour conduire la rotation. Le nombre de pales utilisées pour la production d’énergie varie classiquement entre 1 et 3, le rotor à trois pales étant le plus couramment utilisé car il s’agit d’un compromis entre le coefficient de puissance, le coût et la vitesse de rotation du capteur de vent [VRI83]. Ce type d’éolienne a pris le relais des éoliennes à axe vertical parce qu’elles sont moins chères, moins exposées au stress mécanique, et la position du récepteur à plusieurs dizaines de mètres au-dessus du sol favorise l’efficacité. Il convient toutefois de noter que certaines études défendent la viabilité du rotor vertical en effectuant des études multi-critères [MEN01]. La plupart des éoliennes installées sont des axes horizontaux (figure I.14). Ce choix présente plusieurs avantages, comme une faible vitesse de coupe et un coefficient de puissance relativement élevé [MAT06]. Toutefois, la boîte de vitesses (multiplicateur) et le générateur doivent être installés au sommet de la tour, ce qui pose des problèmes mécaniques et économiques. En outre, un dispositif supplémentaire pour l’orientation des pales face au vent est fortement nécessaire. Selon son nombre de pales, une HAWT est dite mono-pale, bipale, tripale ou multi-pale. Une éolienne mono-pale est moins coûteuse parce que les matériaux sont moins chers et les pertes aérodynamiques par poussée sont minimes.  Cependant, un contrepoids est nécessaire et ce type d’éolienne n’est pas très populaire à cause de cela. Comme les rotors à une seule pale, les rotors à deux pales doivent être équipés d’un rotor d’inclinaison pour empêcher la turbine d’être frappée trop fort chaque fois qu’une pale de rotor passe la tour [LOP07]. Par conséquent, pratiquement toutes les éoliennes installées ou à installer dans un proche avenir sont de type tripale. Ceux-ci sont plus stables parce que la charge aérodynamique est relativement uniforme et qu’elles ont le coefficient de puissance le plus élevé à l’heure actuelle (près de 0,48). a) Parc offshore b) Parc onshore Fig. I. 14. Exemples des éoliennes horizontale. 

Les types d’éoliennes à axe horizontal 

Eoliennes lentes Les éoliennes à circulation lente sont équipées d’un grand nombre de pales (entre 20 et 40), leur inertie élevée impose généralement une limitation de diamètre d’environ 8 m. Leur coefficient de puissance atteint rapidement sa valeur maximale lors de l’augmentation de la vitesse, mais diminue également rapidement par la suite. Ces éoliennes multi pales conviennent particulièrement à de faibles vitesses de vent. Elles démarrent à vide pour des vents de 2 à 3 m/s et ont des couples de départ relativement élevés. Cependant, elles sont moins efficaces que les éoliennes rapides et sont principalement utilisées pour le pompage de l’eau [ABD07].  Eoliennes rapides (Aérogénérateurs) Les éoliennes rapides ont un nombre assez faible de pales, généralement entre 2 et 4 pales. Ils sont les plus largement utilisés dans la production d’énergie en raison de leur efficacité, le poids (plus léger par rapport à une turbine plus lente de la même puissance) et une grande efficacité. Cependant, elles ont l’inconvénient d’être difficiles à démarrer. Leurs vitesses de rotation sont beaucoup plus élevées que celles des machines précédentes, et plus le nombre de pales est faible, plus la vitesse de rotation est élevée [ABD07]. Parmi les machines dont l’axe horizontal est parallèle à la direction du vent, il est encore nécessaire de différencier l’éolienne dont l’hélice est en amont de la machine par rapport au vent « hélice au vent » et celle dont l’hélice est en aval de la machine par rapport au vent « hélice sous le vent ».  Amont : Le vent souffle à l’avant des pales en direction de la nacelle. Les pales sont rigides, et le rotor est orienté en fonction de la direction du vent par un dispositif.  Aval : Le vent souffle sur le dos des pales de la nacelle. Le rotor est flexible, auto-orientable. L’agencement des turbines en amont est le plus utilisé parce qu’il est plus simple et donne de meilleurs résultats pour la haute puissance: pas de direction, moins d’effort de manœuvre et une meilleure stabilité. Les pales des éoliennes à axe horizontal doivent toujours être orientées en fonction de la direction du vent. À cette fin, il existe des dispositifs d’orientation de la nacelle selon cette direction [FER09]. a) HAWT amant b) HAWT aval Fig. I. 15. Turbines éoliennes en amont et en aval. Le tableau ci-dessous résume les avantages et les inconvénients des éoliennes à axe horizontal : Tableau. I. 4. Avantages et inconvénients des éoliennes à axe horizontal [POI03]. Avantages Inconvénients Une très petite empreinte par rapport aux éoliennes à axe vertical. Coût de construction très élevé. Cette structure capte le vent plus haut, donc plus fort et plus régulier que près du sol. L’équipement est situé au sommet de la tour, ce qui entrave la réponse à un incident. Le générateur et les dispositifs de commande sont dans la nacelle au sommet de la tour. Ainsi, il n’est pas nécessaire d’ajouter une pièce supplémentaire pour le switchgear. Afin d’utiliser la force maximale du vent, l’hélice doit balayer sur une surface où le vent est à son maximum. Pour ce faire, les éoliennes sont perchées en hauteur afin qu’elles ne soient pas affectées par les effets du sol qui ralentissent le vent. C’est dans ce contexte que le constructeur allemand ENERCON a finalisé début 2011 la construction de l’éolienne la plus puissante au monde, à savoir l’E126, d’un diamètre de turbine de 126 m, d’une hauteur totale de 198 m et d’une puissance de 7,5 MW équipée d’un générateur synchrone à aimant permanent (GSAP) (figure I.16). Cette éolienne, située sur un site d’essai à Magdeburg, en Allemagne, est capable de produire 14 millions de kWh, assez pour fournir de l’électricité à 15 000 personnes. L’installation de ces machines est justifiée par la réduction des zones d’installation potentielles, ce qui est particulièrement le cas en Allemagne. Fig. I. 16. L’éolienne E126 de 7.5MW d’ENERCON (Allemagne). I.9. Principaux composants d’une éolienne Nous ne traiterons pas ici des éoliennes à axe vertical, puisque la majorité des éoliennes installées dans le monde sont des axes horizontaux. Bien qu’apparemment simple en apparence, l’éolienne est un système complexe impliquant l’aérodynamique, la mécanique, l’électricité, le génie civil et l’ingénierie de contrôle. Le concept de technologie de l’axe horizontal à trois pales est l’éolienne contemporaine moderne. La figure I.17 montre ses principaux composants. Fig. I. 17. Principaux composants d’une éolienne.  La tour Habituellement, un tuyau d’acier ou peut-être un treillis métallique, devrait être aussi élevé que possible pour éviter les perturbations près du sol. Toutefois, la quantité de matériel utilisé est un coût important et le poids doit être limité. Un  compromis consiste généralement à prendre une taille de mât légèrement plus grande que le diamètre du rotor de l’éolienne (p. ex. NORDEX N90 2,3 MW éolienne : 90 m de diamètre, mât de 80 m de hauteur) [POI03]. Figure I.18. Fig. I. 18. La tour éolienne et ses composants électroniques à l’intérieur.  La nacelle La nacelle est la salle des machines de la turbine. Il contient tous les éléments mécaniques qui permettent au rotor de vent d’être couplé au générateur électrique. L’assemblage des différents éléments logés dans la nacelle se fait en plein air comme le montre la figure I.19, où l’on peut voir une partie de la nacelle soutenant l’arbre mécanique, le multiplicateur de vitesse et sur le visage l’anneau utilisé pour fixer le moyeu. Fig. I. 19. Vue aérienne de la nacelle.  Le multiplicateur Les rotors d’un diamètre supérieur à 5 m ont des vitesses de rotation trop basses pour pouvoir conduire directement un alternateur conventionnel. Il est donc essentiel que ces machines interviennent entre l’aéromoteur et l’alternateur d’une boîte de vitesses (boîte de vitesses de levage) pour adapter la vitesse de rotation de l’aéromoteur à celle du générateur (figure I.20- a). À titre d’exemple, une turbine d’une capacité de 1 MW avec un rotor de 52 m de diamètre tourne à une vitesse de 20 tr/min, tandis que le générateur tourne à 1500 tr/min. Le rapport de transmission de la boîte de vitesses est alors égal à 1500/20, soit 75. Les boîtes de vitesses à roues dentées sont fabriquées de deux manières différentes. Une première possibilité est l’arbre parallèle ou système d’engrenages de train simple (figure I.20-b), et l’autre est le train planétaire ou épicycloïdal (figure I.20-c). Le rapport de transmission procuré par un seul étage est limité, pour que la différence entre les arbres ne soit pas trop défavorable. Les étages d’engrenages parallèles sont construits avec un rapport de transmission jusqu’à 1:6, et ceux épicycloïdaux de 1:12. Les turbines éoliennes de moyenne et grande puissance ont généralement besoin de plus d’un étage. Bien qu’il soit possible d’adapter les boîtes de vitesses d’autres types de machines aux éoliennes, celles-ci sont soumises à des contraintes particulières qui ne sont pas souvent rencontrées dans d’autres applications, de sorte que le dimensionnement spécifique est très souvent utilisé [LOP07]. (a) (b) (c) Fig. I. 20. Multiplicateur de vitesse. [HAU06].  Le système de refroidissement Comprend généralement un ventilateur électrique utilisé pour refroidir le générateur et un refroidisseur d’huile pour la boîte de vitesses. Certaines éoliennes sont disponibles avec refroidissement à l’eau [HAS12].  La génératrice électrique C’est l’élément principal de la conversion mécano-électrique qui est généralement une machine synchrone, asynchrone à cage ou à rotor bobiné. La puissance électrique de cette génératrice peut varier entre quelque kW à 10 MW [Lis 11]. Il existe trois principaux types d’éoliennes, les principales différences étant la technologie du générateur et la méthode de contrôle utilisée pour prévenir la surcharge à des vitesses de vent supérieures à la vitesse nominale. Il convient de noter que selon le type de machine électrique utilisée, les éoliennes sont également classées en deux types, à vitesse fixe et à vitesse variable. Les différentes technologies des générateurs sont les suivantes :  Le générateur asynchrone à cage d’écureuil « GAS », en anglais : Squirrel Cage Induction Generator « SCIG ».  Le générateur asynchrone à rotor bobiné à double alimentation « GADA », en anglais : Doubly Fed Induction Generator « DFIG ».  Le générateur synchrone à rotor bobiné « GSRB » et à aimants permanents « GSAP », en anglais : Synchronous Generator « SG » et Permanent Magnet Synchronous Generator « PMSG ».  Le système de commande Comprend un ordinateur qui surveille en permanence l’état de l’éolienne tout en contrôlant le dispositif d’orientation. En cas de défaillance (par exemple, surchauffe de la boîte de vitesses ou du générateur), le système arrête automatiquement la turbine et le signale à l’ordinateur de l’opérateur via un modem téléphonique.  L’arbre Qui relie le moyeu au multiplicateur, il contient un système hydraulique permettant le freinage aérodynamique si nécessaire.  Le système d’orientation des pâles Qui sert à la régulation de la puissance (réglage aérodynamique).  Anémomètre Sont utilisés par le système de commande de l’éolienne pour démarrer la turbine lorsque la vitesse du vent atteint environ 5 m/s. De même, le système de commande électronique arrêtera automatiquement la turbine si la vitesse du vent est supérieure à 25 m/s pour protéger la turbine [HAS12].  Une armoire de commande Y compris tous les convertisseurs d’électronique de puissance (onduleur, redresseur), ainsi que les systèmes de régulation de la puissance, du courant et de la tension et les systèmes d’orientation des lames et des nacelles [HAS12].  Le rotor Le rotor, formé par les pales assemblées dans leur moyeu. Pour les éoliennes destinées à la production d’électricité, le nombre de pales varie généralement de 1 à 3, le rotor à trois pales (concept danois) étant de loin le plus courant car il représente un bon compromis entre le coût, le comportement des vibrations, la pollution visuelle et le bruit [WINP].