Introduction à l'énergie éolienne — Transformer l'énergie du vent en rotation, en électricité et en contrôle du réseau

Une pale d'éolienne n'est pas une simple planche qui capte le vent. Elle utilise la portance et la traînée de son profil pour générer un couple de rotation, transmettant ainsi une rotation importante à basse vitesse à un multiplicateur ou à un alternateur. La puissance de l'alternateur est conditionnée par un convertisseur pour ajuster la tension, la fréquence et la puissance réactive, puis transite par un transformateur et une ligne de transport jusqu'au réseau électrique. Considérer l'énergie éolienne comme un système global implique de prendre en compte non seulement la force du vent, mais aussi les turbulences, la fatigue du réseau, les prévisions météorologiques, la maintenance et la gestion du réseau.

Exemple d'éolien offshore

Image : Middelgrunden parc éolien (Kim Hansen / Richard Bartz, CC BY-SA 3.0), Wikimedia Commons. Photographie de terrain illustrant l'espacement des turbines, et non une spécification pour chaque turbine actuelle.

0. Résumé en 30 secondes

• La puissance idéale extractible du vent est P=\frac12\rho A v^3 C_p. Comme elle est proportionnelle au cube de la vitesse du vent v, de petites variations de la ressource éolienne ont un impact important sur la production annuelle.

• Aucune turbine ne peut récupérer 100 % de l'énergie cinétique du vent ; Le plafond correspond à la limite de Betz, soit environ 59,3 %. Le rendement (C_p) d'une machine réelle varie en fonction de la vitesse du vent, de l'angle des pales, du système de contrôle et des turbulences.

• Le contrôle du pas ajuste l'angle des pales, le contrôle du lacet oriente la nacelle face au vent et le contrôle du couple du générateur régule la vitesse du rotor. En cas de vents forts, la puissance est réduite et la turbine s'arrête par sécurité.

• À terre, les facteurs prédominent : le transport, le bruit et le paysage ; en mer (à fond fixe), ce sont les fondations, les câbles sous-marins, les typhons et les navires de maintenance qui prédominent ; en mer flottante, ce sont l'amarrage et les mouvements qui prédominent.

• Pour l'interconnexion au réseau, des onduleurs à vitesse variable gèrent la puissance active, la puissance réactive, la tension et la réponse en fréquence. Les erreurs de prévision sont compensées par la combinaison de batteries, d'énergie hydraulique et de la gestion de la demande.

1. L'énergie cinétique du vent et la limite de Betz

Diagram 1 · Use the button to switch views

Figure 1 — En dessous du démarrage, la puissance utile est nulle ; entre le démarrage et la vitesse nominale, la puissance augmente rapidement ; au-dessus de la vitesse nominale, le contrôle du pas limite la puissance jusqu'à l'arrêt.

L'air de densité \rho passant à la vitesse v à travers une surface balayée A=\pi R^2 transporte une énergie cinétique par unité de temps de

Si la vitesse du sillage derrière la turbine était complètement nulle, l'air cesserait de circuler. L'optimisation de la chute de vitesse à travers la turbine, par conservation de la quantité de mouvement, limite donc la fraction extractible à

et pas plus. C_p est le coefficient de puissance, fonction C_p(\lambda,\beta) du rapport de vitesse en bout de pale \lambda=\omega R/v et de l'angle de calage \beta. À faible vitesse de vent, la turbine accélère pour suivre la vitesse optimale \lambda ; au-delà de la vitesse nominale du vent, le calage est modifié pour maintenir la puissance constante.

2. Pale, nacelle, tour

La pale convertit la portance d'un profil aérodynamique en une force tangentielle. Des pales plus longues et plus fines augmentent la surface, mais aussi la fatigue due à la gravité, à la force centrifuge et à la charge du vent. Le moyeu et l'arbre principal, le générateur, le multiplicateur et l'armoire de commande sont logés dans la nacelle, tandis que la tour et les fondations transmettent les charges au sol. À mesure que la taille des turbines augmente, la fréquence naturelle des pales, la résonance de la tour, la latence de commande, la foudre, la corrosion saline et le givrage influent directement sur la conception.

3. Calage Contrôle du lacet et du couple

Contrôle du pas

Modifier l'angle de calage des pales (\beta) modifie la portance et le couple. En dessous de la vitesse nominale du vent, (\beta) est maintenu à sa valeur optimale ; au-dessus, l'angle d'attaque est réduit pour limiter la production. Une redondance est nécessaire pour que, en cas de défaillance de l'actionneur hydraulique ou électrique, la pale puisse se mettre en drapeau (un angle qui réduit la vitesse du vent).

Contrôle du lacet

Le contrôle du lacet, qui oriente la nacelle face au vent, utilise la girouette et l'anémomètre, la production d'énergie et la torsion de la tour. Un lacet trop fréquent sollicite excessivement le système d'entraînement et les câbles ; la direction moyenne du vent et les turbulences sont donc filtrées afin d'équilibrer les pertes de production et la fatigue.

Couple du générateur

Dans les turbines à vitesse variable, le couple du générateur (T_g) varie en fonction de la vitesse pour suivre le rapport de vitesse en bout de pale optimal. L'équation du mouvement de rotation est :

(

où J représente l'inertie, T_a le couple aérodynamique et T_f le couple de perte. Les systèmes de contrôle qui fournissent virtuellement de l'inertie au réseau libèrent temporairement l'énergie cinétique de rotation de la turbine afin d'atténuer les chutes de fréquence. Cependant, la puissance de sortie doit ensuite être réduite pendant la période de récupération de la vitesse du rotor.

4. Vitesse fixe, vitesse variable et interconnexion au réseau

Les générateurs asynchrones à vitesse fixe sont simples à construire, mais les variations de vitesse du vent se répercutent facilement sur le réseau sous forme de couple mécanique. Un générateur asynchrone à double alimentation (GADA) utilise un convertisseur à capacité partielle côté rotor pour contrôler la plage de vitesse variable et la puissance réactive. Un générateur synchrone à aimants permanents avec un convertisseur à pleine capacité découple électriquement le générateur du réseau, permettant un contrôle sur une large plage de vitesses, au prix d'un coût plus élevé en semi-conducteurs de puissance et en aimants.

Les onduleurs utilisent généralement une commande de suivi de réseau, en suivant la phase du réseau via Une boucle à verrouillage de phase (PLL) est nécessaire, mais les réseaux offshore fragiles ou les îles isolées requièrent un contrôle de formation de réseau. Un contrôleur de parc éolien, supervisant un groupe d'éoliennes, coordonne la production, la puissance réactive, la vitesse de variation de puissance et la limitation de chaque éolienne, en intégrant les commandes du gestionnaire de réseau, les prévisions météorologiques et l'état de charge des batteries dans la même hiérarchie de contrôle.

5. Terrestres, offshore à fond fixe et flottantes

En mer, la turbine, le flotteur, l'amarrage, les vagues et le câble d'alimentation sont interdépendants. La modification du pas des pales induit une modification de la charge aérodynamique, ce qui influe sur le mouvement de la tour et du flotteur ; la modification du couple du générateur induit une modification de la vitesse du rotor et de la charge d'amarrage. La recherche s'oriente désormais au-delà d'un simple régulateur PID vers la commande prédictive par modèle, la commande d'atténuation des charges et les jumeaux numériques qui prolongent la durée de vie en fatigue.

6. Prévision, Maintenance et Environnement

La prévision de la production d'énergie éolienne combine des modèles météorologiques, des données lidar, des données satellitaires, la vitesse du vent dans la nacelle et les données de sillage des turbines voisines afin de produire des distributions de probabilité à l'avance, de quelques minutes à plusieurs jours. En cas d'erreur de prévision importante, la capacité des batteries est maintenue en réserve et les solutions thermiques, hydrauliques et de gestion de la demande sont préprogrammées.

La maintenance surveille les vibrations, la température et l'analyse d'huile du palier de l'arbre principal, du multiplicateur, du générateur, du palier de pas et des pales. L'imagerie par drone et l'inspection acoustique permettent de détecter le délaminage des pales et les dommages causés par la foudre, en combinant les signes d'anomalie avec les conditions de vent afin de planifier les arrêts. Impacts sur les oiseaux et Les chauves-souris, les mammifères marins, les pêcheries et les écosystèmes des fonds marins doivent être évalués conjointement avec l'implantation, le contrôle opérationnel et la surveillance, et non de manière isolée.

7. Résumé

L'énergie éolienne est un système qui transmet successivement l'énergie cinétique du vent aux pales, à l'arbre, au générateur, à l'onduleur, au transformateur et au réseau électrique. La loi du cube de la vitesse du vent et la limite de Betz fixent le plafond de production ; le contrôle du pas, du lacet et du couple détermine la charge mécanique et la qualité de l'énergie ; la prévision et la maintenance garantissent la disponibilité. Lors de la lecture d'études sur les turbines offshore/flottantes ou les onduleurs de formation de réseau, il est important de les comparer non seulement sur le plan du rendement de conversion, mais aussi en tenant compte de la fatigue, du câblage, des ports, des conditions météorologiques, de l'environnement et de l'exploitation du réseau.

Références

• NEDO — Énergie éolienne offshore

• IEA Wind TCP

• NREL — Énergie éolienne

• IEC 61400 — Systèmes de production d'énergie éolienne

• Agence pour les ressources naturelles et l'énergie — Énergies renouvelables