Transparents 2013 (utilisés aussi en 2014)

ELEC2670
L’énergie éolienne
H. Jeanmart
[email protected]
Année académique 2011-2012
1
Source: GE
2
Sujets abordés
Caractérisation du vent
Potentiel éolien et production
Caractérisation globale des éoliennes
Différents types d éoliennes
Calcul de l’énergie produite annuellement
Aérodynamique des pales
Gestion aérodynamique de l’éolienne
Gestion électrique de l’éolienne
3
A l‘origine de l‘énergie éolienne, la puissance du vent
2
U
1
3
P = ρAU
= ρAU
2 2
Débit
Energie cinétique
La vitesse du vent est une grandeur influencée par de
nombreux éléments:
La localisation globale (continent, pays, région)
La topographie locale (vallée, colline, forêt, etc. )
Les variations saisonnières
Les variations induites par la turbulence
4
Evolution de la puissance avec la vitesse,
importance du cube de la vitesse
Vitesse [m/s]
Densité de
puissance
[W/m2]
0
0
5
75
10
600
15
2025
20
4800
25
9375
Densité de puissance
P 1
= ρU 3
A 2
ρ = 1.2 kg / m3
5
Vitesses « moyennes » du vent en Europe
Vitesse du vent à
50m d‘altitude
abrité
ouvert
côte
mer
colline
6
www.windpower.org
Incohérence entre les valeurs prédites et les
valeurs mesurées suite à la distribution de
vitesse
Pour une vitesse du vent de 10m/s
Théorie
600 W/m2
Carte
1200 W/m2
7
Définition du facteur de distribution
Sur base de mesures régulières de la vitesse du vent, on obtient
plusieurs grandeurs caractéristiques
Vitesse moyenne
Puissance moyenne
Facteur de distribution
U =
1
Ui
∑
N
1
1
1
3
P = ρA ∑U i = ρAK eU 3
2 N
2
1
3
U
∑ i
N
Ke =
U3
8
Passage des mesures à une approche statistique, la
distribution de Weibull
k ⎞⎛ U ⎞
⎛
p(U ) = ⎜ ⎟⎜ ⎟
⎝ c ⎠⎝ c ⎠
k −1
⎡ ⎛ U ⎞ k ⎤
exp⎢− ⎜ ⎟ ⎥
⎣ ⎝ c ⎠ ⎦
k = f (U ,σ U )
c = g (U ,σ U )
0.25
p(U)
0.2
0.15
k=4
U = 8m / s
k=3
0.1
0.05
0
0
k
Ke
2.0
1.91
3.0
1.40
4.0
1.15
k=2
10
20
U
30
9
De la distribution de Weibull, à la monotone de
vitesse
U = 5m / s
U = 10m / s
« Combien
d heures par an,
le vent a-t-il une
vitesse supérieure
à»
10
Illustration de la monotone pour différents sites
11
Définition des classes de vent pour les éoliennes
Vestas website : « Specifically, the V90-1.8 MW is
ideal for IEC II sites whereas the V90-2.0 MW is
better suited for IEC III sites ».
12
Modification de la vitesse avec l‘altitude, la
couche limite terrestre
α
U ( z ) ⎛ z ⎞
= ⎜ ⎟
U ( zr ) ⎝ zr ⎠
0.1 ≤ α ≤ 0.3
10 m/s at 10 m
α = 0.14
α dépend de tous les
paramètres définissant la
géographie et le climat
local.
13
Caractérisation du vent
Potentiel éolien et production
Caractérisation globale des éoliennes
Différents types d éoliennes
Calcul de l’énergie produite annuellement
Aérodynamique des pales
Gestion aérodynamique de l’éolienne
Gestion électrique de l’éolienne
14
Quel est le potentiel éolien mondial?
Potentiel théorique mondial
106 TWh/an
Potentiel technique mondial
20 000 TWh/an
Production mondiale (2009)
300 TWh/an
Consommation électrique mondiale
15500 TWh/an
15
L‘évolution de la puissance installée est exponentielle
Source : thewindpower.net
16
La croissance reste forte y compris en Europe
End 2006
New 2007
Total
Installed power in MW
Source Global Wind Energy Council
17
Perspectives sur la place de l‘éolien dans la production
mondiale d‘électricité
Source: IEA, WEO2006
18
L énergie produite compense bien le coût de
son installation et de son démantèlement
Source: Kubiszewski et al., Ren. En., 2010
L EROI (Energy Return On Investment) est très
élevé comparé aux autres technologies
EROI = énergie électrique produite / énergie primaire consommée
Source: Kubiszewski et al., Ren. En., 2010
Il est préférable énergétiquement d installer de
grandes éoliennes
Source: Kubiszewski et al., Ren. En., 2010
Caractérisation du vent
Potentiel éolien et production
Caractérisation globale des éoliennes
Différents types d éoliennes
Calcul de l’énergie produite annuellement
Aérodynamique des pales
Gestion aérodynamique de l’éolienne
Gestion électrique de l’éolienne
22
De la puissance du vent à celle d‘une éolienne,
comment expliquer l‘écart?
2000
C p = P / A [W ]
Vent
1500
Eolienne
1000
500
0
0
5
10
15
20
25
30
U [m / s ]
23
Courbe caractéristique de puissance d‘une éolienne
Nordex N90 : rotor diameter 90m->
A = 6362 m2
24
Courbe caractéristique de puissance d‘une éolienne
Source: http://www.fairwind.be
25
Une vue globale sur l écoulement autour d une éolienne
V
Velocity
Ve
Vs
Pressure
x
p0
26
x
Bilans de quantité de mouvement pour déterminer la
force axiale sur l‘éolienne: théorie de Betz
p0
As
Bilan sur le contour où la
pression est constante
T = ρ AsVs (V − Vs )
T
Bilan sur le contour du rotor
où la vitesse est constante
1
2
T = Ae ( p1 − p2 )
27
Expressions liants vitesses et pression à partir de la
relation de Bernoulli
p0
2
As
T
1
2
V 2 − Ve
p1 − p0 = ρ
2
2
Ve − Vs2
p0 − p2 = ρ
2
V 2 − Vs2
p1 − p2 = ρ
2
28
Elimination des pressions pour obtenir une loi
exprimant la surface de déficit de vitesse en aval
p0
As
T
Ae ( p1 − p2 ) = ρ AsVs (V − Vs )
V 2 − Vs2
p1 − p2 = ρ
2
As = Ae
1
V +VS
( 1+ x )
= Ae
2VS
2x
2
29
Expression de la puissance perdue par le vent
et du coefficient de puissance
La puissance prélevée est le produit du débit et de la perte
d énergie cintétique
V 2 − Vs2
Pp = ρ AsVs
2
La puissance prélevée est uniquement fonction du rapport entre
la vitesse avale et la vitesse amont
2
1
3 (1 + x)(1 − x )
Pp = ρ AeV
2
2
Vs
x=
V
Le coefficient est indépendant de la taille de l’éolienne et de la
vitesse du vent
Pp
(1 + x)(1 − x 2 )
Cp =
=
1
2
ρ AeV 3
2
30
Il existe un optimum de puissance prélevée dont le
rendement est proche de 60%: optimum de Betz
0.7
Cp
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Vs
V
1
31
Première correction, la giration de sillage en réaction
du couple sur le rotor
32
L‘optimum de Betz est réduit et dépend fortement du
« tip speed ratio »
ΩR
λ=
V
λ également limité supérieurement pour des raisons de bruit
33
Seconde correction, nombre de pales et traînées
Source: Wind Turbines by Hau and von Renouard, Springer,
accessible en ligne gratuitement
34
Caractérisation des éoliennes par rapport à Betz:
différents types d‘éoliennes
Source: Wind Turbines by Hau and von Renouard, Springer
35
Caractérisation du vent
Potentiel éolien et production
Caractérisation globale des éoliennes
Différents types d éoliennes
Calcul de l’énergie produite annuellement
Aérodynamique des pales
Gestion aérodynamique de l’éolienne
Gestion électrique de l’éolienne
36
Les différents types d‘éoliennes
Source : Eldridge
37
Deux configurations majeures
Eolienne à axe vertical (VAWT)
Darrieus (basée sur la portance)
Savonius (basée sur la traînée)
Eolienne à axe horizontal (HAWT)
38
Les éoliennes à axe vertical
Pros
+ All the machinery is a the ground level
+ Simplicity
+ Always correctly oriented
Cons
- Symmetric blade profile -> less efficient
- Lack of torque to start the rotor
- Important rotor wake influence
- Highly cyclic torque -> fatigue
- High torque, low speed
39
Les éoliennes à axes horizontal : upwind ou
downwind
upwind
downwind
Pros
Pros
+ Less noise
+ Cost
+ Less fatigue
Cons
Cons
- More noisy
- Collision with the tower
- High fatigue
- More expensive
40
Quelques éléments majeurs d‘une éolienne
41
Caractérisation du vent
Potentiel éolien et production
Caractérisation globale des éoliennes
Différents types d éoliennes
Calcul de l’énergie produite annuellement
Aérodynamique des pales
Gestion aérodynamique de l’éolienne
Gestion électrique de l’éolienne
42
Calcul de l‘énergie produite annuellement à
partir de la courbe caractéristique
2500
2000
1500
1000
6.9 m/s -> 560 kW
500
0
0
5
10
15
20
Démarrage à 4 m/s
Puissance nominale à 13 m/s
Arrêt à 25 m/s
25
30
43
En combinaison avec la monotone de vitesse,
on détermine une monotone de puissance
U = 5m / s
2500
P
2000
1500
1000
560 kW 500
0
0
1000
2000
3000
4000
2000 heures par an, la vitesse du vent
est supérieure à 6.9 m/s et la
puissance fournie par l éolienne est
supérieure à 560kW. En intégrant cette
monotone de puissance, on obtient
l énergie produite annuellement
5000
6000
7000
8000
9000
h
6
E = 3.1 10 kWh
15% de la
P = 354kW puissance
44
nominale
En combinaison avec la monotone de vitesse,
on détermine une monotone de puissance
P
U = 10m / s
2500
2000
1500
1000
500
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
9000
h
6
E = 11.2 10 kWh
P = 1279kW
8000
56% de la
puissance
nominale
45
En exercice pour les étudiants
Source: http://www.fairwind.be
46
Caractérisation du vent
Potentiel éolien et production
Caractérisation globale des éoliennes
Différents types d éoliennes
Calcul de l’énergie produite annuellement
Aérodynamique des pales
Gestion aérodynamique de l’éolienne
Gestion électrique de l’éolienne
47
Aerodynamic approach
V
48
Aerodynamic approach – velocities
Consider a section along a blade
r
R
V is the wind velocity
U is the angular velocity
2/3 V
r
U (r ) = λV
R
Where λ is the tip speed ratio
Va
U(r)
U (r = R )
V
Va is the relative velocity between
the blade and the air. It is a function
of the radial position.
λ=
49
Aerodynamic approach – Angles
φ is the angle between the relative velocity and
the vertical plane. It is a function of the radial
position.
β is the pitch angle between the blade chord and
the vertical. It is a function of the radial position.
α is the blade angle with the flow. It is a function of
the blade profile and the radial position. It is usually
taken as a constant for simplified models
Va
α
β
φ
φ
⎛ 2 ⎛ R ⎞ ⎞
= atan ⎜ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎟
⎜ 3λ ⎝ r ⎠ ⎟
⎝
⎠
50
Aerodynamic approach – Forces
c
D
FN
r
Δr
R
For a blade section Δr :
FT
L
Va
FN = L cos(φ ) + D sin(φ )
FT = L sin(φ ) − D cos(φ )
L = 1 ρVa2CLc Δr
2
D = 1 ρVa2CDc Δr
2
•  CL et CD are determined by the
blade profile and the angle α.
•  The chord C must be evaluated
in order to obtain L and D.
51
Aerodynamic approach – Profiles
Basic profile
Root of the blade
Tip of the blade
52
Aerodynamic approach – The chord
The local value of the chord is determined by a momentum
balance between the upstream and downstream velocities.
We assume a 1/3 ratio between the two velocities following
Betz theory.
⎛ R ⎞
16
π
R
The approximate chord profile is thus : c =
⎜ ⎟
9λ 2B ⎜⎝ r ⎟⎠
where B is the number of blades
53
Aerodynamic approach – Torque and power
R
T = B ∫ FT rdr
Total torque on the rotor :
0
Total power
P = Tω
ω = rpm
2π 60
et
rpm = 60λV
2π R
Examples :
V
[m/s]
10
10
10
10
Rmin Rmax
[m]
[m]
0,1
1
2
3
1
10
25
30
λ
rpm
[tr/min]
T
[Nm]
P
[kW]
8
7
7
6
764
67
27
19
8,6
1,10E+04
1,70E+05
3,60E+05
0,6
75
470
790
54
Aerodynamic approach – Power vs number of blades
0.7
CP 0.6
B=∞
0.5 B = 4
0.4
B =1
0.3
0.2
Cp =
0.1
0
0
CD = 0
5
10
P
1
ρAU 3
2
15
λ
20
55
Aerodynamic approach – Power vs blade characterisitcs
0.7
CP
0.6
0.5
CD = 0
C L / C D = 100
0.4
CL / C D = 50
0.3
0.2
CL / C D = 25
0.1
0
0
5
B=3
10
15
λ
20
56
Caractérisation du vent
Potentiel éolien et production
Caractérisation globale des éoliennes
Différents types d éoliennes
Calcul de l’énergie produite annuellement
Aérodynamique des pales
Gestion aérodynamique de l’éolienne
Gestion électrique de l’éolienne
57
Control systems – methods
Fixed rotor speed
Stall
No control
Variable speed
Pitch
Stall
Pitch
Pitch regulation
Resisting
torque
control
Pitch and
torque
control
(slow, difficult)
58
0.00
0
0
5
10
15
20
WEC concept:
25
Grid feed:
Brake syste
Gearless, variable speed
Single blade adjustment
Wind speed v at hub height [m/s]
Power coefficient vs wind speed
Rotor : pitch control, why?
Power P
[kW]
Power
coefficient Cp
[-]
Type:
Upwind rotor with active pitch control
Rotational direction:
Clockwise
No. of blades:
3
Swept area:
1,521 m2
kW
Yaw system
Blade material:
(epoxy resin);
Calculated
power GRPcurve
1
0.0
0.00
2
0.0
0.00
3
4.0
0.16
4
20.0
0.34
900
5
50.0
0.43
800
6
96.0
0.48
700
7
156.0
0.49
600
8
238.0
0.50
500
9
340.0
0.50
400
10
466.0
0.50
300
11
600.0
0.48
200
12
710.0
0.44
100
13
790.0
0.39
0
14
850.0
0.33
15
880.0
0.28
16
905.0
0.24
17
910.0
0.20
18
910.0
0.17
19
910.0
0.14
20
910.0
0.12
21
910.0
0.11
22
910.0
0.09
23
910.0
0.08
24
910.0
0.07
25
910.0
0.06
l= 1.225 kg/m
Cut-out win
Built-in lightning protection
3
Wind
[m/s]
Power coefficient Cp
Rotational speed:
Variable, 12 – 34 rpm
Pitch control:
ENERCON single blade pitch system;
Power P [kW]
1,000
Power coefficient Cp [-]
Remote mo
one independent pitch system per rotor
0.60
* For more info
blade with allocated emergency supply
please see th
0.50
0.40
0.30
0.20
0.10
6
0
5
10
15
0.00
20
25
Wind speed v at hub height [m/s]
Power P
Power coefficient Cp
4
5
Wind
[m/s]
Power P
[kW]
Source:
Enercon
1
0.0
2
0.0
3
1
Power
2
coefficient Cp
[-]
0.00
0.00
59
= 1.225 kg/m3
Power P
Control systems – Power curve
P
Nominal power of the generator
Pitch regulated
Stall regulated
Cut-in
Cut-out
V
Aim:
Get the maximal power from the wind at all velocities
60
Power coefficient vs tip speed and pitch angle
Si la vitesse de rotation est fixe, il existe une seule valeur
optimale de vitesse de vent => vitesse variable
Si l’angle de calage est fixe, il existe une seule valeur
optimale de TSR (Tip Speed Ratio) => angle variable
61
Travailler à vitesse variable augmente le rendement
62
Gains with variable speed (below rated power)
and pitch control (at rated power)
■
Profit: Pitch Control
100%
Power
■
Profit:
Speed
Variation
Reference: Stall,
Constant Speed
3
Wind Speed
Efficienc y g ains due to a djusta ble sp e e d wind turbines.
In addition, most ASG-based wind turbines can offer island-operation capability. Island operation is difficult to
Invert
p.u. ou
costly
Conve
tal sys
Doubly Fe
Recent deve
direct-in-lin
native ASG
generator (D
based on ins
nected to th
systems, thi
■ Reduc
63 ically
range