Soit la chaîne cinématique de l'éolienne
TD 03 - TRANSMISSION DE PUISSANCE ? Eolienne. C3 ... Vitesse du vent où la
puissance nominale (400KW) est atteinte : 14 m/s. Vitesse du vent trop ...
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Fonctionnement
Une éolienne transforme l'énergie cinétique du vent en énergie électrique. Elle se compose des éléments suivants :
Le rotor permet larticulation de trois pales. Le rotor est relié à la nacelle par le moyeu.
La nacelle renferme :
- un générateur électrique entraîné par le rotor par lintermédiaire dun multiplicateur de vitesse,
- un vérin de réglage pour modifier la position des pâles pour le prise au vent,
- un moteur hydraulique permettant à la nacelle dêtre toujours orienté face au vent,
- un boîtier de contrôle centralisant les information provenant dun anémomètre et dune girouette.
Un mât permet l accès à la nacelle par une porte et une échelle interne. Un ordinateur, utilisé pour le pilotage et la transmission des données à la nacelle , ainsi que les appareillages électriques (modulateur, commande, multiplicateur, générateur, etc.)sont logés dans la base du mât.
Description du fonctionnement
A larrêt, les pales font un angle de 90° avec le plan de rotation, pour navoir aucune prise au vent. Cette position est appelée position en « drapeau ». Elle est adoptée lorsque la vitesse du vent, mesurée par l anémomètre, est insuffisante (25m/s).
Léolienne démarre lorsque le vent atteint la vitesse de 5 m/s. Les pales sont placées progressivement en position travail pour obtenir une vitesse de rotation constante du générateur de 1500 tr/min. Celui-ci sera alors couplé au réseau pour produire une énergie électrique à une fréquence régulière de 50 Hz. Deux réglages sont fréquemment opérés pour tenir compte des variations du vent (sens et vitesse) :
- lorientation de la nacelle pour la garder face au vent dominant (information donnée par une girouette).
- La modification de la position des pales afin dassurer une vitesse de rotation constante du générateur. (information donnée par une génératrice tachymètrique).
Vitesse du vent suffisante (démarrage de la production) : 5 m/s
Vitesse du vent où la puissance nominale (400KW) est atteinte : 14 m/s
Vitesse du vent trop importante (arrêt de la production) : 25 m/s
Problématique : Comment produire une énergie électrique adaptée au réseau EDF à partir dune énergie naturelle qui fluctue en direction et en intensité ?
Rotor à trois pales :
longueur dune pale : 17 m
Transmission :
multiplicateur à engrenages à trois étages //
Rapport de multiplication r = 45,45
Rendement du multiplicateur hð1 = 0,92
Générateur :
Puissance nominale 400 KW
Fréquence 50 Hz
Vitesse de rotation Ngéné = 1500 tr/mn
Rendement du générateur hð2 = 0,97
Première étude : Produire de l énergie électrique
Q1 : Identifier, en complétant le diagramme FAST ci dessous, les solutions retenues par le constructeur pour produire cette énergie (voir zones encadrées sur le schéma darchitecture dune nacelle)
Solutions retenuesProduire de lélectricité adaptée au réseau EDFMesurer la vitesse du ventDétecter les conditions limites (vent minimal et maximal)ANEMOMETREExploiter lénergie du ventTransformer lénergie du vent en énergie mécaniqueROTORTransformer lénergie mécanique en énergie électriqueGENERATEURAdapter la vitesse de rotationAugmenter la vitesse de rotation pour entraîner le générateurMULTIPLICATEURRéguler la vitesse de rotation du rotorMesurer la vitesse de rotation du générateur électriqueTachymètreModifier le calage des pales pour régler la prise au ventVERIN DE REGLAGE DE PASContrôler la position de la tige du vérinCapteur linéaireOrienter la nacelle face au ventObserver la direction du vent par rapport à la nacelleGirouetteConvertir lénergie hydraulique en énergie mécaniqueMOTEUR DORIENTATIONContrôler la position angulaire de la nacelle par rapport au mâtCapteur angulaire
Vérification du respect du cahier des charges.
Léolienne doit fournir une énergie électrique adaptée au cahier des charges du réseau EDF :
Le couplage de léolienne au réseau EDF est établi lorsque le générateur atteint une vitesse de 1500 tr/mn. La fréquence du courant alternatif doit être régulière, de 50 Hz, quelles que soient les variations du vent.
Le réseau ne tolère quun écart maximal de ± 1 Hz.
Q2 : Déterminer les valeurs minimale et maximale de la fréquence admise par le réseau
Fréquence du courant : 49 Hz < f < 51 Hz
Q3 : Déterminer la variation de vitesse correspondant à un Hertz. En déduire les valeurs minimale et maximale de la vitesse du générateur
La variation dun Hz correspond à une vitesse de : 1500 / 50 = 30 tr/mn
Vitesse du générateur : 1470 tr/mn < Ngéné < 1530 tr/mn
Q4 : Déterminer les valeurs minimale et maximale de la vitesse du rotor permettant de respecter le cahier des charges du courant fourni au réseau.
Formule : r = Ngéné / Nrotor ( Nrotor = Ngéné / r
AN : 1470 / 45,45 < Nrotor < 1530 / 45,45
32,3 tr/mn < Nrotor < 33,6 tr/mn
La vitesse de rotation du rotor est limitée à cause du bruit. La vitesse tangentielle en bout de pale est limitée à 60 m/s car le bruit aérodynamique augmente beaucoup au delà.
Q5 : Déterminer la vitesse tangentielle V en bout de pale. La limitation du niveau sonore est-elle respectée ?
Formule : V = R . wð = R . 2Pð . N / 60
AN : V = 17 m x 33,6 x 2Pð / 60 = 59,8 m/s
Conclusion : La vitesse de 59,8 m/s est inférieure à la limite de 60 m/s
La courbe ci-dessous indique la puissance électrique fournie au réseau EDF en kW en fonction de la vitesse du vent en m/s
COURBE DE PUISSANCE T400
Puissance (KW)4003503002502001501005000510152025Vitesse du vent (m/s)
Soit la chaîne cinématique de léolienne :
Q6 : Déterminer les valeurs minimale et maximale de la puissance électrique fournie au réseau
Valeur minimale : P électrique mini = 50 kW pour V = 5 m/s
Valeur maximale : P électrique max = 400 kW pour V = 25 m/s
Q7 : Déterminer le rendement global entre les pales et le réseau
Formule : hðg = hð1 . hð2
AN : hðg = 0,92 x 0,97 = 0,8924
En déduire les valeurs minimale et maximale de la puissance que doit fournir les pales
Valeur minimale : P pales mini = P électrique mini / hðg = 50 kW / 0,8924 = 56,029 kW
Valeur maximale : P pales maxi = P électrique maxi / hðg = 400 kW / 0,8924 = 448,23 kW
Q8 : le couplage de l éolienne au réseau EDF est établi lorsque le générateur atteint 1500 tr/mn.
Déterminer, dans ce cas, la fréquence de rotation des pales, notée Npales.
Formule : Npales = Ngénérateur / r
AN : Npales = 1500 / 45,45 = 33 tr/mn
En déduire la vitesse de rotation des pales, notée wðpales.
Formule : wðpales = 2pð . Npales / 60
AN : wðpales = 2pð . 33 / 60 = 3,46 rd/s
Q9 : Déterminer les valeurs minimale et maximale du couple exercé par les pales. On rappelle que
Valeur minimale : C pales mini = P pales mini / wð ðpales = 56 029 / 3,46 = 16 193 Nm
Valeur maximale : C pales maxi = P pales maxi / wð ðpales = 448 230 / 3,46 = 129 546 Nm
Deuxième étude : Gérer la prise au vent des pales
Lobjet de cette étude est de déterminer les caractéristiques de lactionneur permettant de corriger la prise au vent des pales quand le vent change dintensité.
Chaque pale est assemblée sur le rotor par lintermédiaire dune liaison pivot permettant sa rotation autour de son axe longitudinal. La translation de la tige de vérin est transmise par le plateau aux trois biellettes pour entraîner le pivotement des pales.
Système de calage des pales
Q10 : A partir du plan densemble, compléter le schéma äåðn
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Q11 : Déterminer graphiquement sur la page suivante la course du vérin pour passer de la position dite « en drapeau » à la position de travail.
L épure représente la vue de dessus du rotor quand les pales sont en position drapeau að = 45°.
La position travail pour une prise au vent optimale est obtenue quand að = 120°.
L action du vent et les effets dynamiques sur les pales tendent à ramener ces dernières vers la position dite en « drapeau ». Un effort de poussée de 150 000 N du vérin est nécessaire pour maintenir la position de travail des pales.
Q12 : Calculer la valeur de la pression dhuile pour alimenter le vérin de diamètre 125 mm. Est-ce compatible avec la pression que peut délivrer la centrale ? Pression maximale 17,5 Mpa
Formule : P = F / S = F / pð R2
AN : P = 150 000 / pð x 62,52 = 12,22 MPa
