Créé le : 03/08/2009
Exemple de transmission utilisé dans l'éolienne ENRON WIN 750i :
Le système permet de transmettre l'énergie cinétique. La vitesse de rotation de l'éolienne peut varier entre 5 tours par minute à 20-25 tours par minute. Le générateur asynchrone qui transforme l'énergie cinétique en énergie électrique nécessite une vitesse de rotation du rotor de 1000-2000 Tours par minute. Il est donc nécessaire d'utiliser un multiplicateur permettant d'augmenter cette vitesse de rotation.
D'autre part, la vitesse du vent étant variable, les caractéristiques de l'énergie délivrée sont variables (tension, fréquence). Il est donc nécessaire de rectifier ce courant avant de le délivrer au réseau électrique classique. De plus il existe une vitesse de vent pour laquelle la puissance fournie par l'éolienne est maximale. En deçà de cette vitesse, la puissance est moindre, au delà, l'éolienne est progressivement freinée par l'intermédiaire de différents systèmes :
· Mise en drapeau des pales (pitch),
· Changement de direction de l'éolienne (Yaw control),
· Décrochage des forces appliquées sur les pâles de l'éolienne (Stall).
Les moteurs asynchrones et les éoliennes
Dans le cadre d'une éolienne avec multiplicateur, deux générateurs peuvent être utilisés pour transformer l'énergie du vent :
· Les générateurs asynchrones avec des cages d'écureuil (rotor à courant en court circuit),
· Les moteurs asynchrones avec des rotors bobinés.
Principe du moteur :
Notons que les courants générés dans la cage d'écureuil ne sont pas contrôlés.
Différentes configurations permettant de produire de l'électricité avec ces moteurs sont possibles :
C'est le principe des éoliennes à multiplicateur fonctionnant à vitesse constante :
Dans ce cas, l'éolienne est connectée à un générateur asynchrone qui est directement relié au réseau électrique. La puissance transmise étant variable, les éoliennes sont placées sur des points faibles du réseau. Les variations de puissance (par rapport à la puissance nominale de l'éolienne) peuvent être de 20 %. D'autre part, cela pose des problèmes électriques (perturbations, flickers
)
Le bruit de ces éoliennes est un autre point noir dans la mesure où le bruit du rotor par grands vents est le même que pour des vents faibles. Or les vents faibles sont les plus courants, les problèmes de bruits sont très importants.
Afin d'optimiser le rendement des éoliennes, des éoliennes à multiplicateur fonctionnant à vitesse variable ou pseudo variable sont mises en place :
Le principe est le même que le cas précédent. Par contre afin de capter plus d'énergie lorsque les vents sont faibles, le générateur dispose d'un stator à double enroulement : Un enroulement avec un faible nombre de pôles et de larges conducteurs pour les grands vents et un enroulement avec un grand nombre de pôles et de petits conducteurs, pour les vents faibles :
L'éolienne NORDEX N54/1000 fonctionne sur ce principe. Elle dispose d'un stator constitué de 4 pôles pour les vitesses de vents allant de 7 à 25 m/s et un stator de 6 pôles pour les vitesses de vents allant de 3 à 7 m/s.
Ainsi, l'éolienne permet d'obtenir plus d'énergie lors de vents faibles, ce qui est le cas le plus souvent.
Ainsi, une éolienne de ce type peut fournir jusqu'à 93 % de l'énergie fournie par une éolienne à vitesse variable comparativement aux 86 % d'une éolienne avec un stator simple.
Notons que le choix du rapport du multiplicateur est important. Dans l'exemple cité, il est calculé pour fournir une puissance optimale à une vitesse de vent de 11 m/s.
Il s'agit ici d'une éolienne à deux vitesses constante.
Avantages :
· Coût d'investissement relativement faible,
· Réduction du bruit.
Inconvénients :
· Perturbation du réseau toujours présente.
Utilisateurs de cette technologie : NORDEX, NEG MICON, BONUS (Coordonnées en annexe)
L'utilisation d'un convertisseur avec pont à diodes permet d'obtenir une éolienne à vitesse variable. Afin de produire une force électromotrice, il faut intégrer un circuit capacitif (Transformation AC-DC-AC) qui peut se révéler onéreux. Cette solution est cependant, du point de vue qualité de courant, idéale.
Cette configuration permet d'avoir des vitesses variables mais n'est pas beaucoup utilisée car le coût du convertisseur est élevé et le rendement assez faible.
Le redresseur PWM joue le même rôle que le redresseur à pont de diode de la solution précédente mais le coût et les pertes de ce redresseur est encore moins intéressant.
Ce système relie directement le moteur au réseau électrique. La fréquence de sortie du moteur doit donc être égale à la fréquence du réseau. D'autre part, le générateur n'a pas besoin de bagues rotoriques mais doit disposer d'un stator à double enroulement et un nombre d'aimants différents. Afin de réduire le coût du convertisseur, la puissance de celui-ci est fixée à une fraction de la puissance de la turbine.
Ce stator est connecté au système électronique qui génère une force électromotrice régulant la puissance du générateur. Ainsi les bagues rotoriques peuvent être contrôlées ce qui évite la détérioration rapide de celle-ci, détérioration due à la génération d'arc électriques lors de vents élevés.
Des évaluations précises doivent être définies pour rentabiliser cette technologie.
Principe de ce moteur asynchrone :
Le rotor bobiné transmet l'énergie électrique par l'intermédiaire de bagues rotoriques (slip rings) à un convertisseur qui n'est pas en rotation. L'intérêt de ce moteur réside dans la possibilité de contrôler chacune des bobine du moteur par l'intermédiaire d'un système régulant les bagues rotoriques.
Inconvénient : le moteur est beaucoup plus cher.
Ce moteur peut être utilisé dans le cadre de la fourniture d'énergie éolienne.
Cette technologie requière une boîte de vitesses, un stator à enroulement et un rotor bobiné avec des bagues rotoriques. La variation de vitesse est obtenue en contrôlant l'énergie du rotor du moteur bobiné. La résistance qui doit être élevée permet de dissiper l'énergie.
VESTAS utilise cette technologie. Le système électronique tourne avec le rotor. Ainsi, il n'est pas nécessaire d'utiliser des bagues rotoriques. De plus un système optique transfert le signal à l'électronique [OPTI-SLIP].
Dans cette configuration, il n'y a pas de résistance dissipant la chaleur comme dans le cas précédent, mais un transformateur qui fourni le surplus d'énergie au réseau. Cependant, il ne faut pas envisager une vitesse variable complète qui conduit à des conceptions onéreuses. C'est un compromis entre une capture d'énergie maximale et de faibles fluctuations de puissance avec le réseau électrique.
Cette configuration contrôle la vitesse à travers le transfert d'énergie qui se fait entre le réseau et le rotor. La différence avec la configuration précédente réside le fait que le transfert d'énergie peut se faire dans les deux sens. La vitesse 100 % variable n'est pas envisageable non plus dans cette configuration pour des raisons de configuration et d'efficacité.
Le système fonctionne avec des thyristors peu onéreux. Mais la quantité de thyristors utilisés, le risque de panne et la baisse des coûts des autres composants remet en cause ce principe.
La configuration est identique à celle présentée ci-dessus. La technologie électronique est différente, plus simple et fait appel à des éléments électroniques IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) qui permettent les fonctionnalités ouvert/fermé. Ainsi cette technologie n'utilise que 12 switchs au lieu de 36 dans la technologie précédente.
ENRON et Dewind utilisent cette technologie qui permet de couvrir environ 100 % de la plage de vitesse variable.
Neuf configurations sont possibles avec les technologies utilisant les boîtes de vitesses. La technologie utilisant un double stator semble être la plus intéressante car la capture d'énergie est proche des technologies à vitesse variable sans pour autant utiliser des rotors bobinés et un convertisseur électronique. Par contre cette technologie n'empêche pas les fluctuations de puissance dans le réseau.
L'autre technologie intéressante est la dernière présentée (B-4) car elle permet presque une vitesse à 100 % variable et ne nécessite qu'un convertisseur dont la capacité n'est que le quart de celle du générateur. Les avantages de cette technologie sont l'élimination des perturbations électriques dans le réseau.
D'autre part, des études sont en cours pour éliminer les bagues rotoriques qui nécessitent de nombreuses inspections.
BONUS Energy A/S
Borupvej 16
DK-7330 Brande, Denmark
Tel: +45 9942 2222 - Fax: +45 9718 3086
E-mail: bonus@bonus.dk - Web: www.bonus.dk
Turbine sizes: 600 kW, 1000 kW, 1300 kW, 2000 kW
NEG Micon A/S
Alsvej 21
DK-8900 Randers, Denmark
Tel: +45 8710 5000 - Fax: +45 8710 5001
E-mail: mail@neg-micon.dk - Web: www.neg-micon.dk
Turbine sizes: 600/150, 750/175, 1000/200 kW, 1500 kW, 2000 kW, 2500 kW
Nordex A/S
Svindbaek
DK-7323 Give, Denmark
Tel: +45 7573 4400 - Fax: +45 7573 4147
E-mail: nordex@nordex.dk - Web: www.nordex.dk
Turbine sizes: 600, 800, 1000, 1300, 2500 kW
Vestas Wind Systems A/S
Smed Sørensens Vej 5
DK-6950 Ringkøbing, Denmark
Tel: +45 9675 2575 - Fax: +45 9675 2436
E-mail: vestas@vestas.dk - Web: www.vestas.dk
Turbine sizes: 660, 660/200, 1650/300 kW, 850 kW, 1750 kW, 2000 kW
Enron Wind Corporation
13000 Jameson Road
P.O. Box 1910
Tehachapi, California 93561
(661)823-6700 Fax: (661)822-7880
E-mail: wind@enron.com
Web: www.wind.enron.com
Dewind AG
Seelandstrasse 1
D-23569 Lübeck
Email : dewind@dewind.de
Tel.: +49 451 3073 0
Fax: +49 451 3073 730
http://www.dewind.de/
Windmill design optimization through component costing
Ria Fathiyah, Ryan Mellot
McCleer Power Inc - Michigan State University
MTH 844/490
http://www.mth.msu.edu/Graduate/msim/MSIMProjectReports/MCP1.May.2001.report.doc
Review of electromechanical conversion in wind turbines
Report EPP00.R03
April 2000
Maxime R Dubois
TU DELFT
Faculty ITS
Group Electrical power processing
http://ee.its.tudelft.nl/epp/Pb_003_3.PDF