Transcript Poly Cours 1 et 2 aérogénération

UPS – MASTER 2 – PIE / DFE
AEROGENERATION
1 – HISTORIQUE,
DEVELOPPEMENT,
PRINCIPES
Ivan Delbende, UPMC, [email protected]
Bibliographie
HAU, E. (2006) Wind turbines, Fundamentals,
technologies, application, economics, second
edition, Springer-Verlag, Berlin.
LE GOURIERES, D. (2008) Les éoliennes,
Editions du Moulin Cadiou.
Journal des Energies Renouvelables
Baromètre éolien, EurObserv’ER, fév. 2014.
Sites des constructeurs, des collectivités, des
agences pour l'énergie.
AEROGENERATION
1A – Du moulin à vent
à l’éolienne moderne
Premiers moulins à vent
Premier écrit attestant la présence de moulins à vent
en Perse (Seistan) : an 644.
Modèle chinois en bambou et
tissu
Moulin à farine afghan
Premiers moulins à vent
Au 12ème siècle apparaît
en Normandie puis en
Europe du Nord et de l’Est
le moulin sur pivot ou
chandelier (post mill)
Enluminures
14ème siècle
Premiers moulins à vent
Fin 13ème, le moulin-tour apparaît
dans le sud de la France et
autour de la Méditerrannée.
Moulin de Daudet,
à Fontvieille (13)
16ème siècle :
le moulin hollandais
avec son toit orientable
Moulin sur pivot et moulin hollandais
frein
axe et
roue à
pignon
meule
Moulin sur
pivot
Moulin
hollandais
Moulin cavier (Anjou)
Moulins pour le
relèvement des eaux
Moulins du domaine de Meudon (Louvois 1682-1695)
Extrait du plan du réseau hydraulique (1699)
Moulin à pompe refoulante,
Encyclopédie de Diderot
Moulins pour le drainage des polders
à roue à aubes
à vis d’Archimède
Polder mills, 18ème siècle
Quelques évolutions techniques
Leibniz (1646-1716), Bernoulli (1700-1782) and Euler (1707-1783) font progresser le
design des ailes.
1750 : les écossais Meikle et Lee inventent le gouvernail (fantail) qui permet
l’orientation automatique du moulin
1772 : Meikle invente l’aile ressort (sorte de store vénitien) tentative de régulation
de la puissance générée.
début du 20ème siècle :
amélioration des ailes à partir
des nouvelles connaissances
aérodynamiques (Betz, Bilau)
Albert Betz
(1885-1968)
L’éolienne américaine
Née du besoin des pionniers d’un appareil transportable pour pomper l’eau
Inventée par le mécanicien Daniel Halladay (1850, Connecticut)
L’éolienne est finalisée par Leonhard Wheeler (Wisconsin) modèle Eclipse
1899 : 77 usines
de production
1930 : 100 usines
Eclipse et ses
variantes ont été
produites aux
Etats-Unis en 6
millions
d’exemplaires…
L’électrification du
pays stoppe sa
production.
Débuts de l’aérogénération
Travaux pionniers de Poul La Cour (1846-1908) à Askov
au Danemark à partir de 1885
Eoliennes La Cour-Lykkegard :
puissance 10-35 kW, diamètre du rotor <20m
Génération de courant
continu électrolyse de
l’eau
Aérogénération
Danemark
1941 : Smidth’ Aeromotor :
deux pales profilées fixes
diamètre rotor 17,5m /
puissance 50kW
1942 : trois pales
24m / 70 kW
Aérogénération : le cap du 1MW
USA
1941-1945
Smith-Putnam
Hauteur de tour
35m
Pales en inox
53m / 1,2MW
Courant
alternatif.
Abandon car
non rentable
(d’un facteur
1,5)
Orientation des pales
pour la régulation
Des hauts et des bas
Années 50-60 :
avant la crise : peu d’avancées
(Nogent-le-Roi EDF 1958 30m 800kW,
Saint-Rémy de Provence 1962 35m 1MW, puis
abandon en 1966)
Années 70 :
après la crise : financements aux USA et en
Europe (Danemark, Suède, RFA, CEE)
Années 80 :
• grandes éoliennes expérimentales un peu partout
• développement au Danemark (1986, 1% de l’électricité produite)
• parcs éoliens aux USA (en particulier en Californie, de nouveau
délaissés par la baisse du pétrole au milieu des années 1980)
Années 90 : augmentation de la puissance et multiplication des parcs
Nogent-le-Roi
AEROGENERATION
1B – Croissance de l’éolien
Puissance et taille des éoliennes
Airbus A380
envergure : 80 m
2014
Diamètre du rotor (m)
Année de mise en service
Puissance (MW)
Evolution de la capacité mondiale installée
Répartition dans le monde
Répartition dans le monde
Principaux fabricants mondiaux
Répartition
en Europe
DOM non inclus pour la France
Source : EurObserv’ER 2014
Eolien off-shore : puissance installée
Ormonde, UK.
Parc de 30 REpower 5M
AEROGENERATION
1C – Différents types de machines
Machines à flux transverse
Savonius (1924)
Darrieus (1931)
Darrieus Type H
Savonius
Principe basé essentiellement
sur la traînée
Faible rendement
Masse importante
Couple non constant au cours
de la révolution
Darrieus
Principe basé sur la portance
Pas de démarrage automatique
Pas de contrôle aéro possible
Maintenance complexe
Darrieus type H
Fabrication et maintenance a
priori plus simple que Darrieus à
pales courbées
Possibilité de contrôle
aérodynamique
Rentabilité non prouvée…
peut-être à l’échelle domestique ?
Variante à pales
hélicoïdales
Diamètre rotor
35 m… 300kW
Eoliennes à flux axial
Design dominant aujourd’hui
Avance due à l’expérience sur les
hélices
Rotation des pales autour de leur
axe
contrôle aérodynamique de la
puissance
protection efficace en cas de forts
vents
Optimisation de l’aérodynamique
des pales
exploitation maximale de la portance
Vestas V164
164m/8MW
AEROGENERATION
1D – L’éolienne standard
L’éolienne standard : la nacelle
pale
anémomètre
wind meter
pale
blade
multiplicateur
gearbox
système de
refroidissement
cooling system
roulements
bearings
génératrice
generator
axe lent
slow-speed
shaft
yaw
frein
mécanisme
d’orientation
yaw mech.
frein
breake
axe rapide
high-speed shaft
EOLIENNE
roulements
A MULTIPLICATEUR
mat
tower
/
mécanisme
de calage
pitch mech.
A ENTRAINEMENT DIRECT
Dimensionnement
En entrée, puissance disponible :
1
3
PW = ρCW A
2
ρ : masse volumique de l’air
Cw : vitesse amont du vent
A : surface balayée par le rotor
Puissance mécanique du rotor : CPR x Pw
CPR inclut le facteur 0.59 de Betz (limite théorique)
CPR inclut les caractéristiques aérodyn. du rotor
CPR de l’ordre de 0.45
Rendements des transmissions mécaniques ~0.95
Rendements des conversions électriques ~0.90
Dimensionnement (suite)
VENT
ROULEMENTS
BOITE
η = 0.996
η = 0.972
1340kW
1335kW
ROTOR
CPR=0.44
3046kW
1297kW
GENERATEUR
η = 0.965
1252kW
Puissance aux 34kW~2.8%
TRANSFORMATEUR
η = 0.980
1176kW
CONVERTISSEUR
RESEAU
1200kW
CP=0.394
FILTRES
DE FREQUENCE
η= 0.983 1221kW
η = 0.975
UPS – MASTER 2 – PIE / DFE
AEROGENERATION
2 – EOLIENNE STANDARD :
RENDEMENT, FONCTIONNEMENT
ET PRODUCTION ANNUELLE
Ivan Delbende, UPMC, [email protected]
AEROGENERATION
2A – Rendement de l’éolienne standard
Rendements théoriques
Limite de Betz : théorie uni-directionnelle
16
C =
≈ 0.593
27
Repose sur l’hypothèse que la rotation du
sillage induite par le rotor est négligeable :
ω vitesse angulaire
ωR
TSR (tip - speed ratio) λ =
→ ∞ R rayon du rotor
C1 vitesse du vent
C1
max
PR
Facteur d’induction ou d’interférence axial
C1 − C 1
C vitesse de l’écoulement
a=
=
au niveau du plan rotor
3
C1
Rendements théoriques
Limite de Glauert : théorie axisymétrique prenant en
compte la mise en rotation du sillage du rotor
Tubes de courant concentriques qui interceptent le plan
rotor en [r, r+δr], indépendants les uns des autres
rotation du rotor
vitesse angulaire −ω
vitesse de la pale [0, −ωr]
r
[Ca(r),Cθ(r)] composantes
axiale et orthoradiale de la
vitesse C dans le plan rotor
vitesse dans le plan rotor [Ca, Cθ ]
vitesse induite [−a(r)C1, a′(r)ωr]
vitesse du vent [C1, 0]
δr
Facteurs d’interférence
axial a(r)
orthoradial a’(r)
C1 − Ca (r )
Cθ (r )
a(r ) =
, a' (r ) =
C1
ωr
Rendements théoriques
3
Facteurs
d’interférence
d’un rotor optimal
2.5
Dans l’approximation des
tubes indépendants, en
posant ξ = ω r / C1 :
λ
8
CPR = 2 ∫ a ' (ξ )[1 − a (ξ )]ξ 3dξ .
λ 0
2
a' opt (ξ )
a’
1.5
1
a opt (ξ )
0
1/3
a
0.5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
ξ
0.7
16/27
16/27
0.6
On maximise, pour chaque
ξ, le produit a' (ξ )[1 − a(ξ )]
max
→ a opt (ξ ), a ' opt (ξ ) et CPR (λ )
pour λ fini (limite de Glauert).
C PRmax
0.5
CPR (λ )
0.4
0.3
Coefficient de
puissance d’un
rotor optimal
0.2
0.1
0
0
1
2
3
4
5
6
λ
7
8
9
10
Rendements théoriques
Le cPR a une
valeur encore
inférieure à cause
de
la dissipation
visqueuse
du caractère
discret du rotor
(pales)
Rendement d’un rotor réel
Design d’un rotor optimisé – Principe
Choix de paramètres :
Vitesse de rotation nominale TSR nominal
Nombre np de pales
Profil de pale angle d’attaque optimal
On réalise la pale en essayant de s’approcher des
opt
opt
valeurs a (r ) et a ' (r ) obtenues par la théorie
pour chaque valeur de la distance r à l’axe
Distribution de corde l (r )
Distribution d’angle de torsion (twist) β (r )
Rendement d’un rotor réel
Forme des pales
obtenues pour
différents TSR de
design, en fonction
du nombre de
pales choisi.
Contraintes
aérodynamiques
(décollement),
aéroacoustiques,
structurelles,
économiques…
et esthétiques
Rendement d’un rotor réel
Performances du rotor obtenu (problème
direct) en régime non optimal
Etant donné un rotor et sa géométrie :
le
nombre de pales np
les caractéristiques aéro des profils CL(i), CD(i)
la distribution de corde le long de la pale l(r)
la torsion des pales β(r)
2 paramètres :
l’angle
le
i angle d’attaque sur le profil
de calage global des pales θ
TSR λ.
Que vaut
CPR (λ , θ ) ?
Rendement d’un rotor réel
Méthode des éléments de pale (BEM : Beam Element
Method) – Principe
Tubes de courant axisymétriques concentriques
interceptant des éléments de pale de rotor entre r et r+dr
Prise en compte de la vitesse induite au niveau du rotor,
par les coefficients d’interférence a(r) et a’(r).
a et a’ sont des inconnues...
i angle d’attaque sur le profil
γ (r) angle de calage local (γ =θ+β)
Rendement d’un rotor réel
δFx
L
δFθ
D
avec
i = α −γ
Efforts aérodynamiques pour une seule pale
W 2 = C12 (1− a)2 + ω2 r 2 (1+ a' )2
W sinα = C1(1− a)
−1 C1 (1− a)
⇒
=
tan
α

ω r(1+ a' )
W cosα = ω r(1+ a' )
CFx = CL (i) cosα + CD (i) sinα

CFθ = CL (i) sinα − CD (i) cosα
1

2
=
F
W
lδr C Fx
δ
ρ
 x 2
pour 1 pale

δM = rδ F = r ρW 2 lδr C
x
θ
Fθ

2
Rendement d’un rotor réel
Les efforts δFx, δMx et les facteurs d’interférence a(r), a’(r) sont solutions de :
Efforts aérodynamiques
pour np pales
Bilans de quantité de mouvement et
de moment cinétique
2

1
C12 (1 − a )
l CFxδr
δFx = ρ n p
2
2
sin α

δM = 1 ρ n C1 (1 − a )ω r (1 + a') l C rδr
p
Fθ
 x 2
sin α cosα
δFx = ρ 2πrδr C1 (1 − a ) 2Wa


δM x = r ρ 2πrδr C1 (1 − a) 2ω ra'
où α, CFx , CFθ et W sont fonctions de a et a’
L’identification permet d’isoler les facteurs d’interférence :
 4 sin α 
+ 1
a(r ) = 
 σCFx

2
−1
 4 sinα cosα 
et a' (r ) = 
−1
 σCFθ

−1
où σ (r ) =
n p l (r )
2πr
facteur de solidité
et on itère jusqu’à convergence des facteurs d’interférence, dont on déduit
CPR (λ ,θ ) .
Rendement d’un rotor réel
Eolienne expérimentale WKA-60
CPR (λ ,θ )
Rendement d’un rotor réel
CPR (λ ) pour
différents
types de rotor
Rendement d’un rotor réel
Coefficient de
couple CQR (λ )
pour différents
types de rotor
CQR (λ ) = CPR / λ
AEROGENERATION
2B – Fonctionnement et régulation
Fonctionnement de l’éolienne
Le fonctionnement de l’éolienne standard à flux
longitudinal repose sur les caractéristiques
instantanées du vent :
sa direction (dés)alignement de l’éolienne
son intensité choix d’un point de fonctionnement
vitesse de démarrage
charge partielle
éoliennes à vitesse de rotation constante ω = cte
éoliennes à rotation variable λ = cte
pleine charge : limitation de la puissance
vitesse de coupure.
Fonctionnement de l’éolienne
Alignement de l’éolienne (yaw control) – Utilisation
d’une motorisation contrôlée plutôt que de systèmes
passifs (non fiables) pertes réduites à 1 ou 2%
Dispositif mesurant
la vitesse et la
direction du vent
Fonctionnement de l’éolienne
Nécessité d’une limitation en puissance
Fonctionnement de l’éolienne
Puissance électrique produite en fonction de la vitesse du vent
CP(V) x Pw
16/27 x Pw
Vitesse de coupure
Vitesse de démarrage
Puissance
nominale
Pw
Vitesse nominale
Puissance
0
Charge
partielle
Pleine
charge
Vitesse
du vent
Fonctionnement de l’éolienne
Rotation constante / variable
1
2
3
4
5
P
Puissance
produite
Le système de contrôle
associe à une vitesse V
de vent :
V
ω
ω = cte
Vitesse de
rotation
λ = cte
V
θ
2 possibilités (région 2) :
Angle de
calage des
pales
0 V1
V2
V3
V4
V
Vitesse du vent
la vitesse angulaire du
rotor ω
l'angle de calage des
pales θ
vitesse de rotation cste
tip-speed ratio constant
(design dominant
aujourd’hui).
Comparaison
des deux
principes de
régulation
La vitesse de rotation
variable permet des gains de
10% dans la production
annuelle d’éléctricité, mais
est techniquement plus
compliquée, et onéreuse.
Vitesse de
rotation
variable
Vitesse de
rotation
constante
Vitesse de
rotation
variable
Vitesse de
rotation
constante
AEROGENERATION
2C – Production annuelle
Production annuelle de l’éolienne
L’éolienne est caractérisée par sa courbe de puissance P(C1 )
issue des performances aérodynamiques et de la régulation.
La production annuelle dépend de la ressource éolienne du
lieu, caractérisée par la distribution de probabilité ψ (C1 )
Puissance moyenne sur l’année
Pmoy = ∫ P(C1 )ψ (C1 )dC1
En introduisant la fonction de répartition f (C1 ) qui est la
probabilité que le vent souffle à une vitesse inférieure à C1
Pmoy
Ci + Ci +1
= ∫ P(C1 ) f ' (C1 )dC1 ≈ ∑ P(
)[ f (Ci +1 ) − f (Ci )]
2
i
Energie produite sur l’année – Facteur de disponibilité
Ean = Pmoy × Tan , f d = Pmoy / Pnom
Production annuelle de l’éolienne
La ressource éolienne d’un lieu peut être représentée par la
fonction de répartition de Weibull
f (C1 ) = 1 − e − (C / A)
k
1
où A est le paramètre d’échelle, k le paramètre de forme
f (C1 )
ψ (C1 )
Site aux
Pays-Bas
(données
ECN)
En l’absence de statistiques sur la distribution des vents, on
utilise la répartition de Rayleigh : k = 2, A = Vmoy
Production annuelle de l’éolienne
Atlas européen
des vents