Aperçu sur l’Energie Eolienne
I.5 Conversion de l’énergie éolienne en énergie électrique
dAl r dr : Surface du tronçon de pale ; ( )
l r : Longueur de la corde à la distance r de l’axe de rotation ;
L
C : Coefficient de portance (sans dimension) ;
D
C : Coefficient de traînée (sans dimension) ;
Z
C : Coefficient de portance suivant le plan de rotation
X
C : Coefficient de poussée ;
w : Module du vent apparent.
Ces coefficients CL et CD dépendent du profil de la pale et de l’angle d’incidence Dans l’analyse
du fonctionnement des turbines éoliennes on utilise le diagramme du rapport X Z C
C en fonction de l’angle d’incidence Ce rapport reflète le rendement de conversion de l’énergie éolienne.
I.5 Conversion de l’énergie éolienne en énergie électrique
La nacelle telle qu’elle est présentée dans la figure I.8 a pour rôle de capter l’énergie cinétique du vent et la transformer en énergie électrique. Cette opération est basée sur un certain nombre de lois physiques qui sont présentées dans ce qui suit.
I.5.1 Loi de Betz
Considérons le système éolien à axe horizontal représenté sur la Figure (I.3) sur lequel on a représenté la vitesse du vent V1 en amont de l'aérogénérateur et la vitesse V2 en aval.
En supposant que la vitesse du vent traversant le rotor est égale à la moyenne entre la vitesse du vent non perturbé à l'avant de l'éolienne V1 et la vitesse du vent après passage à travers le rotor V2 soit
1 2 2
V V , la masse d'air en mouvement de densité traversant la surface S des pales en une seconde est: 1 2 ( ) 2 S V V m (I.5)
La puissance Pm alors extraite s'exprime par la moitié du produit de la masse et de la diminution de la vitesse du vent (seconde loi de Newton) :
2 2 1 2 ( ) 2 m m V V P (I.6)
Soit en remplaçant m par son expression dans (1.5) :
2 2 1 2 1 2 ( )( ) 4 m S V V V V P (I.7)
Chapitre I Aperçu sur l’Energie Eolienne
Figure I.10 : Tube de courant d’air autour d’une éolienne.
Un vent théoriquement non perturbé traverserait cette même surface S sans diminution de vitesse, soit à la vitesseV1, la puissance Pmt correspondante serait alors :
3 1 2 mt SV P
(I.8)Le ratio entre la puissance extraite du vent et la puissance totale théoriquement disponible est alors : 2 1 1 2 2 1 ( ) 1 ( ) 2 m mt V V V V P P (I.9)
Si on représente la caractéristique correspondante à l'équation ci-dessus (Figure I.6), on s'aperçoit que le ratioPm Pmt
appelé aussi coefficient de puissance
Cpprésente un maxima de
16 27soit 0.59 C'est cette limite théorique appelée limite de Betz qui fixe la puissance maximale extractible pour une vitesse de vent donnée.Cette limite n'est en réalité
jamais atteinte et chaque éolienne est définie par son propre coefficient de puissance exprimé en fonction de la vitesse relative λ représentant le rapport entre la vitesse de l'extrémité des pales de l'éolienne et la vitesse du vent.Les éoliennes à marche lente sont munies d'un grand nombre de pales (entre 20 et 40), leur inertie importante impose en général une limitation du diamètre à environ 8 m. Leur coefficient de puissance (Figure I.7) atteint rapidement sa valeur maximale lors de la montée en vitesse mais décroît également rapidement par la suite. Les éoliennes à marche rapide sont beaucoup plus répandues et pratiquement toutes dédiées à la production d'énergie électrique. Elles possèdent généralement entre 1 et 3 pales fixes ou orientables pour contrôler la vitesse de rotation. Les pales peuvent atteindre des longueurs de 60 m pour des éoliennes de plusieurs mégawatts.
Les éoliennes tripales sont les plus répandues car elles représentent un compromis entre les vibrations causées par la rotation et le coût de l'aérogénérateur. De plus, leur coefficient de puissance Figure (I.11) atteint des valeurs élevées et décroît lentement lorsque la vitesse augmente. Elles fonctionnent rarement au-dessous d'une vitesse de vent de 3 m/s [7].
I.5.2 Régulation mécanique de la puissance d’une éolienne
L’objectif de cette régulation est double, d’une part de protéger l’éolienne contre le vent fort et d’autre part de délimiter la puissance. En effet, la turbine éolienne est dimensionnée pour fournir une puissance nominale Pn à une vitesse de vent nominaleVn , au-delà de cette vitesse, les paramètres de la turbine doivent évoluer afin de fournir la puissance nominale et de ne pas produire au-delà d’une vitesse maximale Vmax qui pourrait endommager la turbine. La caractéristique Puissance-vitesse d'une éolienne peut se décomposer en quatre zones figure (I.12) :
Zone 1 : C'est la zone de démarrage de la machine, la puissance électrique est assez faible et la vitesse mécanique atteint presque 70% du synchronisme ;
Zone 2 : Lorsque la vitesse de la génératrice atteint une valeur seuil, un algorithme de commande permettant l’extraction de la puissance maximale du vent est appliqué.
Pour
extraire le maximum de la puissance, l’angle de la pale est maintenu constant à sa valeur minimale, c'est à dire2. Zone 3 : Au-delà, l'éolienne fonctionne à vitesse constante. Dans cette zone, la puissance de la génératrice atteint des valeurs plus importantes, jusqu'à 90% de la puissance nominale.
Zone 4 : Arrivée à la puissance nominalePnom, une limitation de la puissance générée est effectuée à l'aide d'un système d'orientation des pales : pitch control. [38][39]
Pour contrôler la puissance aérodynamique capturée et la limiter lorsque la vitesse du vent est très élevée, on peut utiliser l’une des deux techniques de contrôle connues surtout dans les grandes turbines sous les noms de "Pitch Control" et "Stall Contol".
Chapitre I Aperçu sur l’Energie Eolienne
Figure I.12 : Caractéristique puissance vitesse typique d’une éolienne de grande puissance.
I.5.3 Le Pitch Control
Le système d’orientation des pales sert essentiellement à contrôler la puissance mécanique générée par la turbine pour les faibles et fortes vitesses du vent. Pour un tel système, la pale est tournée par un dispositif de commande appelé (pitch control). C’est un contrôle par variation de l’angle de calage des pales (pas des pales) autour de leur axe longitudinal en fonction de la vitesse du vent et de la puissance active à extraire. En agissant par le Pitch Control, le coefficient de puissanceCpne varie plus en fonction
de
mais en fonction de la vitesse du vent à vitesse de rotation constante, ce qui va permettre de maintenir la puissance constante dans la zone 4 à sa valeur maximale .On peut noter que pour modifier l’angle de calage dans le Pitch Control dans un système de régulation automatique de vitesse de rotation on a besoin d’un régulateur électronique avec des masselottes centrifuges ou d’un régulateur électronique[40] .I.5.4 Le Stall Control
C’est un régulateur par décrochage aérodynamique, autrement dit le comportement géométrique des pales peut évoluer selon le rapport entre les deux vitesses du vent et de la turbine, ce qui permet le décrochage à partir d’une certaine vitesse du vent. Ce décrochage dépend notamment de l’angle de calage des pales qui peuvent être fabriquées avec un pas variable suivant la position le long de la pale et possèdent aussi un mécanisme de freinage en bout. Cette technique du "Stall Control" .Afin d’améliorer le degré de captage d’énergie par le Stall Control, on peut combiner ce dispositif à une machine à deux vitesses de rotation, ce qui permet d’étendre la plage de production et la rendre comparable avec celle obtenue dans le cas du Pitch Control.
Certains aérogénérateurs utilisent un système hybride nommé le Stall Actif qui combine les avantages des deux systèmes où le décrochage aérodynamique est obtenu progressivement grâce à une orientation minime des pales nécessitant des moyens de réglage plus économiques et plus robustes que dans le cas du système de Pitch Control[40].
I.5.5 Contrôle par décrochage aérodynamique actif
Ce système est l’hybridation des deux systèmes décrits précédemment. Il est utilisé pour les systèmes de très grandes puissances. Le décrochage aérodynamique est obtenu progressivement grâce à un dispositif permettant un débattement des pales contre le vent. L’orientation des pâles étant très réduite, le dispositif mécanique est plus simple et moins coûteux. Cette technique, appelée aussi décrochage par calage négatif des pales (négative-pitch control), est basée sur le même principe que le décrochage actif. Cependant, celui-ci est assuré en diminuant légèrement l’angle de calage pour augmenter l’angle d’incidence, et qui peut être légèrement avancé ou retardé. La vitesse est maintenue pratiquement constante jusqu’au décrochage total. La puissance peut donc être limitée à sa valeur nominale [30][41] [42].