Générateurs pour Applications Éoliennes – Partie 2: Comment en choisir un

Différents types de générateurs

Il existe plusieurs types de générateurs qui peuvent être couplés à de petites éoliennes: surtout les types DC ou AC et synchrones ou asynchrones qui fonctionnent respectivement avec des aimants permanents ou une excitation de champ électrique. Le choix dépend de divers facteurs, tels que l’application (autonome ou connectée au réseau), le type de charge, la fabricabilité, la puissance nominale de sortie, la vitesse de la turbine et le coût. Néanmoins, toutes ces machines électriques sont des dispositifs électromécaniques qui fonctionnent sur la loi de Faraday de l’induction électromagnétique.

Synchrone par rapport à asynchrone

Comme expliqué dans la préquelle de cet article, la partie rotative d’un générateur contient une sorte de composant qui crée un champ magnétique. Il constitue donc des pôles rotatifs. Il existe deux types de composants qui peuvent remplir cette tâche.

Dans les générateurs dits synchrones, nous trouverons des aimants permanents simples. Ils sont similaires aux aimants en fer à cheval ou au type d’aimant que vous pourriez coller à un réfrigérateur. Le type de générateur qui utilise des aimants permanents est appelé synchrone car le rotor et le champ magnétique tournent à la même vitesse. Les générateurs synchrones ont généralement une densité de puissance élevée et une faible masse, c’est pourquoi ils sont de plus en plus utilisés dans les applications d’éoliennes. Les défis imposés par ces générateurs sont qu’en cas de développement de chaleur extrême, les aimants permanents peuvent se démagnétiser, rendant le générateur inutile, et qu’ils ne peuvent pas produire d’électricité avec une fréquence fixe. Cela est dû à la variabilité des vitesses du vent et à la rotation à la même vitesse. Par conséquent, ces générateurs nécessitent une alimentation redresséeconvertisseurs.

La contrepartie de synchrone sont des générateurs asynchrones. Ils créent un champ électrique non pas en utilisant des aimants permanents mais en utilisant des bobines supplémentaires. La loi de Faraday suggère qu’un courant électrique et un champ magnétique existent toujours ensemble. Cela nous permet d’utiliser un champ magnétique pour induire un courant électrique de la manière décrite ici, mais cela nous aide également à créer un champ magnétique en envoyant un courant à travers une bobine. C’est exactement ce que font les générateurs asynchrones. Ce type de générateur a donc besoin d’une alimentation spécifique pour les aimants, mais il est moins sujet aux dommages et pourrait être plus fiable que son homologue. De plus, il a un degré de damage plus élevé, ce qui lui permet d’absorber beaucoup plus facilement les fluctuations de vitesse du rotor.

Dynamos vs. Alternateurs

La principale différence entre les dynamos et les alternateurs réside dans le type de courant qu’ils produisent: les dynamos produisent un courant continu (CC) tandis que les alternateurs produisent un courant alternatif (CA) qui change constamment de direction de flux.

Pour une configuration de générateur très basique, nous avons appris dans la préquelle de cet article que la puissance produite sera de l’électricité alternative. La partie qui permet à une dynamo de produire de l’énergie CC sans complètement repenser le concept s’appelle un commutateur. À son plus simple, il s’agit essentiellement d’un interrupteur fixe qui se connecte et se déconnecte des deux contacts d’extrémité différents du circuit de puissance du générateur lorsque l’arbre tourne. Cela permet au commutateur de changer constamment la polarité du courant de sortie de sorte qu’à la fin, la sortie soit toujours de la même polarité.

Le principal avantage des dynamos produisant du courant continu est que la plupart de nos appareils électriques ont besoin d’une alimentation CC pour fonctionner. Cela signifie que si vous générez du courant alternatif, vous aurez toujours besoin d’un convertisseur de puissance pour utiliser l’électricité dans votre maison.

Néanmoins, les alternateurs produisant de l’énergie alternative sont plus répandus aujourd’hui. La raison en est que l’électricité à courant alternatif est beaucoup plus simpleet plus efficace pour transmettre via d’énormes lignes électriques. Convertir le courant alternatif en tensions extrêmement élevées pour le transport, puis le réduire à des niveaux utilisables est facile et peut être fait sans pertes de puissance importantes. La même chose est trèsdifficile à faire avec les courants continus. Une fois arrivé à l’emplacement désirépour la consommation, le courant alternatif peut facilement être à nouveau transformé en courant continu.

Norme en énergie éolienne: Générateurs synchrones à aimants permanents

Le type de générateur le plus utilisé dans les éoliennes est le générateur synchrone à aimants permanents. En effet, ces dernières années, ils ont gagné en attractivité grâce à l’amélioration des performances et à la diminution des coûts.En particulier pour les turbines à entraînement direct, elles sont compétitives car elles peuvent avoir un nombre de pôles plus élevé de 60 pôles ou plus par rapport à un générateur synchrone conventionnel. Cela signifie que malgré des vitesses de rotation plus faibles, une fréquence de sortie de puissance raisonnable peut être atteinte.

En fonctionnement normal, les générateurs à aimants permanents sont stables et sécurisés et, surtout, ils n’ont pas besoin d’alimentation supplémentaire pour que le circuit d’excitation fournisse un champ magnétique. Cela rend la conception et la connexion électrique beaucoup plus simples et élimine les pertes d’excitation du rotor pouvant représenter 20 à 30% des pertes totales du générateur. Par conséquent, la densité de puissance est élevée et le générateur reste petit et efficace. Ceci est attrayant car étant donné que le risque de démagnétisation est traité correctement, cela promet un faible coût de vie et peu de problèmes ou de maintenance.

La courbe de puissance

Bien que cela puisse paraître simple, la connexion entre une éolienne et un générateur n’est pas seulement mécanique avec un arbre et une boîte de vitesses. Afin d’obtenir des performances satisfaisantes, les courbes de puissance de la turbine à vent et du générateur doivent être adaptées.

D’une manière générale, il y adifférents types de puissance, mais ils ont l’unité physique watt. Il y a la puissance mécanique, d’abord contenue dans le vent, puis dans les pales rotatives et ensuite, il y a la puissance électrique.

D’une part, la puissance mécanique en rotation contenue dans les pales rotatives d’une éolienne est calculée comme la vitesse de rotation du rotor fois son élan de rotation. La vitesse est essentiellement la fréquence à laquelle l’arbre tourne dans une période de temps fixe, tandis que le matériau correspond à la quantité de “résistance” ou de moment d’inertie contre laquelle l’arbre peut tourner. Pour visualiser l’élan, imaginez que vous tournez un crayon dans votre main. Si vous le tenez lâchement, il sera très facile de le faire. Si vous prenez une poignée plus forte, vous devrez faire plus d’efforts pour que le crayon tourne à la même vitesse qu’auparavant. Ce qui se passe, c’est que vous devez y appliquer un momentum plus élevé car votre prise serrée arrêtant le mouvement de rotation agit comme un moment d’inertie élevé.

Ainsi, la puissance du rotor de l’éolienne dépend de la vitesse de rotation et de la quantité de mouvement actuelle à tout moment donné. Bien sûr, la puissance de sortie n’est pas toujours la même. Il change de manière significative à mesure que la vitesse du vent augmente ou diminue. Ces chancesfaites une soi-disant courbe de puissance.

D’autre part, la puissance électriqueest calculée comme la tension d’un appareil fois son courant. En termes simples, ce qui se passe dans un générateur, c’est qu’il extrait une partie de la puissance contenue dans la rotation afin de la transformer en énergie électrique. Combien de puissance peut être extraite dépend évidemment de la quantité de puissance présente. Le problème estque seul, un générateur ne sait pas quelle est la puissance de rotation.Ce qu’il peut faire, cependant, est d’obtenir l’entrée d’un capteur de vent afin de connaître la vitesse du vent actuelle. Grâce à la courbe de puissance de la turbine, sa puissance de rotation actuelle peut être directement dérivée de ladite vitesse du vent. Alors maintenant, nous pouvons décider de quelle puissance le générateur doit extraire à une vitesse de vent donnée et le programmer pour le faire. En faisant cela, nous lui donnons sa propre courbe de puissance.

Énergie et puissance de sortie – quelle est la différence?

Une idée fausse commune lorsque les gens parlent d’éoliennes est qu’ils confondent l’énergie avec la production d’énergie. La différence est la suivante: La puissance de sortie nous indique la quantité d’énergie produite par rapport à une période de temps spécifique. La production d’énergie nous indique combien d’énergie estactuellement produite. L’unité utilisée pour indiquer la production d’énergie est généralementkwh-kilo watt-heures. Une production d’énergie d’un kilo de watt-heure pourrait signifier qu’en une heure, un appareil électrique a produit exactement un millieuwatts d’électricité ou qu’en une demi-heure, il a produit deux millieuwatts d’électricité.

Donc, si vous voulez dire à quelqu’un combien d’énergie votre éolienne a produite l’année dernière, vous pourriez dire “mon turbinea produit 400 kWh – n’est-ce pas cool?”. Dans ce contexte, parler de puissancevrait peu de sens. En règle générale, la comparaison de la puissance de sortie serait utile par exemple lors de la comparaison de deux types différents de turbines fonctionnant dans les mêmes conditions environnementales. Qu’il soit logique de parler de puissance oula production d’énergie dépend fortement de la situation. Néanmoins, connaissez vos unités – utilisezwatts lorsque vous parlez de puissance et kilo watt-heures lorsque vous parlez d’énergie.