Energie Eolienne 2 PDF
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L’énergie éolienne
H. Jeanmart
herve.jeanmart@uclouvain.be
1
2
Source: GE
Sujets abordés
Caractérisation du vent
3
A l‘origine de l‘énergie éolienne, la puissance du vent
2
U 1 3
P = ρAU = ρAU
2 2
Débit Energie cinétique
5
Vitesses « moyennes » du vent en Europe
Vitesse du vent à
50m d‘altitude
6
www.windpower.org
Incohérence entre les valeurs prédites et les
valeurs mesurées suite à la distribution de
vitesse
Théorie Carte
600 W/m2 1200 W/m2
7
Définition du facteur de distribution
1
Vitesse moyenne U = ∑Ui
N
1 1 1
Puissance moyenne P = ρA ∑U i = ρAK eU 3
3
2 N 2
1 3
U
∑ i
Facteur de distribution Ke = N
U3
8
Passage des mesures à une approche statistique, la
distribution de Weibull
k −1
⎛ k ⎞⎛ U ⎞ ⎡ ⎛ U ⎞ k ⎤ k = f (U ,σ U )
p(U ) = ⎜ ⎟⎜ ⎟ exp⎢− ⎜ ⎟ ⎥
⎝ c ⎠⎝ c ⎠ ⎣ ⎝ c ⎠ ⎦ c = g (U ,σ U )
0.25
p(U) k=4
0.2 U = 8m / s
k Ke
0.15 k=3
2.0 1.91
0.1 3.0 1.40
4.0 1.15
0.05
k=2
0
0 10 20 30
U 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
12
Modification de la vitesse avec l‘altitude, la
couche limite terrestre
α
U ( z ) ⎛ z ⎞
= ⎜ ⎟
U ( zr ) ⎝ zr ⎠
13
Caractérisation du vent
14
Quel est le potentiel éolien mondial?
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
22
De la puissance du vent à celle d‘une éolienne,
comment expliquer l‘écart?
2000
C p = P / A [W ]
1500 Vent
Eolienne
1000
500
0
0 5 10 15 20 25 30
U [m / s ]
23
Courbe caractéristique de puissance d‘une éolienne
Source: http://www.fairwind.be
25
Une vue globale sur l écoulement autour d une éolienne
Velocity
Ve
Vs
x
Pressure
p0
26
x
Bilans de quantité de mouvement pour déterminer la
force axiale sur l‘éolienne: théorie de Betz
p0
T = ρ AsVs (V − Vs )
T
27
Expressions liants vitesses et pression à partir de la
relation de Bernoulli
p0
2
V 2 − Ve
p1 − p0 = ρ
As 2
2
Ve − Vs2
T p0 − p2 = ρ
2
V 2 − Vs2
1 2 p1 − p2 = ρ
2
28
Elimination des pressions pour obtenir une loi
exprimant la surface de déficit de vitesse en aval
p0
Ae ( p1 − p2 ) = ρ AsVs (V − Vs )
As
V 2 − Vs2
p1 − p2 = ρ
2
T
V +VS ( 1+ x )
As = Ae = Ae
2VS 2x
1 2
29
Expression de la puissance perdue par le vent
et du coefficient de puissance
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Vs
V
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
36
Les différents types d‘éoliennes
Source : Eldridge
37
Deux configurations majeures
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
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 25 30
Démarrage à 4 m/s
Puissance nominale à 13 m/s
Arrêt à 25 m/s
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 5000 6000 7000 8000 9000
h
2000 heures par an, la vitesse du vent
est supérieure à 6.9 m/s et la 6
puissance fournie par l éolienne est E = 3.1 10 kWh
supérieure à 560kW. En intégrant cette
monotone de puissance, on obtient
l énergie produite annuellement 15% de la
P = 354kW puissance
44
nominale
En combinaison avec la monotone de vitesse,
on détermine une monotone de puissance
U = 10m / s
2500
P 2000
1500
1000
500
0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
6
h
E = 11.2 10 kWh
56% de la
P = 1279kW puissance
nominale
45
En exercice pour les étudiants
Source: http://www.fairwind.be
46
Caractérisation du vent
47
Aerodynamic approach
48
Aerodynamic approach – velocities
Consider a section along a blade
r R
α
Va β
⎛ 2 ⎛ R ⎞ ⎞
φ = atan ⎜ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎟
⎜ 3λ ⎝ r ⎠ ⎟
⎝ ⎠
50
Aerodynamic approach – Forces
c
D
r Δr R
FN
FT L = 1 ρVa2CLc Δr
2
L
D = 1 ρVa2CDc Δr
Va 2
51
Aerodynamic approach – Profiles
Basic profile
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.
16π R ⎛ 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
Total torque on the rotor : T = B ∫ FT rdr
0
Examples :
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 P
Cp =
1
0.1 ρAU 3
2
0
0 5 10 15 20
λ
CD = 0 55
Aerodynamic approach – Power vs blade characterisitcs
0.7
CP
0.6
CD = 0 C L / C D = 100
0.5
0.4
CL / C D = 50
0.3
0.2
CL / C D = 25
0.1
0
0 5 10 15 λ
20
B=3 56
Caractérisation du vent
57
Control systems – methods
58
0 0.00
0 5 10 15 20 25 WEC concept: Gearless, variable speed Grid feed:
Wind speed v at hub height [m/s] Single blade adjustment Brake syste
Power coefficient vs wind speed
Power P Rotor : pitch control, why?
Power coefficient Cp
Type: Upwind rotor with active pitch control
Rotational direction: Clockwise
No. of blades: 3 Yaw system
Power
Wind Power P coefficient Cp Swept area: 1,521 m2
[m/s] [kW] [-]
Calculated
Blade material:
power GRPcurve
(epoxy resin); Cut-out win
Built-in lightning protection
3
1 0.0 0.00
kW 6
7
96.0
156.0
0.48
0.49
700
600
0.40
8 238.0 0.50
500 0.30
9 340.0 0.50
400
10 466.0 0.50 0.20
300
11 600.0 0.48
200
0.10
12 710.0 0.44
100
13 790.0 0.39 6
0 0.00
14 850.0 0.33 0 5 10 15 20 25
15 880.0 0.28 Wind speed v at hub height [m/s]
16 905.0 0.24
Power P Power coefficient Cp
17 910.0 0.20
18 910.0 0.17 4 1
19 910.0 0.14
3
20 910.0 0.12
5
21 910.0 0.11 Power 2
22 910.0 0.09
Wind Power P coefficient Cp
[m/s] [kW] [-]
23 910.0 0.08
24 910.0 0.07 Source: Enercon
= 1.225 kg/m3
1 0.0 0.00
25 910.0 0.06 59
2 0.0 0.00
Control systems – Power curve
P
Nominal power of the generator
Pitch regulated
Stall regulated
V
Cut-in Cut-out
Aim:
Get the maximal power from the wind at all velocities
60
Power coefficient vs tip speed and pitch angle
62
Gains with variable speed (below rated power)
and pitch control (at rated power)