Chapter 3 wind power systems feb 2011

Green Energy CourseRenewable Energy Systems Biên sọan: Nguyễn Hữu Phúc Khoa Điện- Điện Tử- Đại Học Bách Khoa TPHCM Wind Power Systems Photos taken near Moraine View State Park, IL Historical Development of Wind Power • The first known wind turbine for producing electricity was by Charles F Brush turbine, in Cleveland, Ohio in 1888 • 12 kW • Used electricity to charge batteries in the cellar of the owner’s mansion Note the person http://www.windpower.org/en/pictures/brush.htm Historical Development of Wind Power • First wind turbine outside of the US to generate electricity was built by Poul la Cour in 1891 in Denmark • Used electricity from his wind turbines to electrolyze water to make hydrogen for the gas lights at the schoolhouse http://www.windpower.org/en/pictures/lacour.htm Historical Development of Wind Power • In the US - first wind-electric systems built in the late 1890’s • By 1930s and 1940s, hundreds of thousands were in use in rural areas not yet served by the grid • Interest in wind power declined as the utility grid expanded and as reliable, inexpensive electricity could be purchased • Oil crisis in 1970s created a renewed interest in wind until US government stopped giving tax credits • Renewed interest again since the 1990s Global Installed Wind Capacity Global Wind Energy Council http://www.gwec.net/fileadmin/documents/PressReleases/PR_stats_annex_table_2nd_feb _final_final.pdf Annual Installed Wind Capacity Global Wind Energy Council http://www.gwec.net/fileadmin/documents/PressReleases/PR_stats_annex_table_2nd_feb _final_final.pdf Growth in US Wind Power Capacity With new installations of about 4000 MW in First Half 2009 Historical Change in Wind Economics, Constant 2005 Dollars Source: National Renewable Energy Lab (NREL), Energy Analysis Office Top 10 Countries - Installed Wind Capacity (as of the end of 2008) Country MW Capacity % of Global Capacity US 25,170 MW 20.8% Germany 23,903 MW 19.8% Spain 16,754 MW 13.9% China 12,210 MW 10.1% India 9,645 MW 8.0% Italy 3,736 MW 3.1% France 3,404 MW 2.8% UK 3,241 MW 2.7% Denmark 3,180 MW 2.6% Portugal 2,862 MW 2.4% 104,104 MW 86.2% Total top 10 Global Wind Energy Council http://www.gwec.net/fileadmin/documents/PressReleases/PR_stats_annex_table_2nd_feb _final_final.pdf Origine de l’énergie Gisement énergétique éolien • Conclusion sur la récupération de l’énergie Energie produite par an et par m² en kW.h/m² – Il faudra optimiser la conversion pour les vitesses dont la contribution l’énergie est la plus grande – Les vitesses élevées ayant une fréquence d’apparition faible, il ne sera pas intéressant de dimensionner les éoliennes pour ces vitesses 200 150 100 50 0 10 vitesse du vent en m/s 210 Origine de l’énergie Gisement énergétique éolien • Implantation des éoliennes en France (source www.windpower.org) 211 Principe de conversion Couplage vent pale • Théorie simplifiée de la pale • V est le vent réel • -Vx le vent lié la rotation de la turbine • Va est le vent apparent 212 Principe de conversion Couplage vent pale • Conclusion : couple et puissance élémentaire (si on néglige les effets de frottement de l’air sur la pale) – Pour une vitesse de vent, la puissance élémentaire passe par un maximum pour une vitesse angulaire de la turbine fonction de l’angle de calage de la pale – La vitesse angulaire correspondant au maximum de puissance se déplace lorsque la vitesse du vent change V i     tan(  ) 213 – La puissance s’annule pour un angle d’incidence nul : r Principe de conversion Couplage vent pale • Coefficient de puissance Pm  C p   ,     S V  2 – fonction de   Cp = f(l) 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 10 15 20 25 – fonction de  214 Principe de conversion Les différents types de turbine • Les turbines axe vertical Rotor de Darrieus Statoéolien fabriqué par la société Gual (2kW pour V=17m/s) Avantages :  Lentes donc faible bruit  Machinerie au sol  Pas de dispositif d’orientation Inconvénients :  Faible rendement aérodynamique  Cp varie beaucoup avec215 Principe de conversion Les différents types de turbine • Les turbines axe horizontal Tripale Nordex 1,5 MW Système concentrateur Bipale Lagerwey (expérimental) 250 kW Avantages :  Fort rendement aérodynamique  Cp varie peu avec  Inconvénients :  Bruit  Machinerie en nacelle  Nécessite un dispositif d’orientation 216 Mise en œuvre dans les aérogénérateurs Mise en œuvre : Les aérogénérateurs vitesse de rotation quasi-fixe ã Chaợne ô classique ằ de conversion avec multiplicateur de vitesse r  res p Intérêt :  Alléger les équipements en nacelle (génératrice rapide)  Utiliser des générateurs standards217 Mise en œuvre dans les aérogénérateurs Mise en œuvre : Les ắrogénérateurs vitesse variable • Machine asynchrone double alimentation r  res  rotor p Intérêt :  Maximisation de l’énergie convertie 218 pour les faibles vitesse de vent Mise en œuvre dans les aérogénérateurs Mise en œuvre : Les aérogénérateurs vitesse variable • Machine synchrone entrainement direct s p r variant dans un facteur r  Intérêt :  Maximisation de l’énergie convertie pour les faibles vitesse de vent  Améliorer la fiabilité,  Réduire la maintenance et le bruit 219  Exploiter les turbulences Mise en œuvre dans les aérogénérateurs Mise en œuvre : Les aérogénérateurs vitesse variable • Machine synchrone entrainement direct ENERCON E70 Rotor Diamètre : 71 m Surface balayée : 3848 m2 Fréquence de rotation : de 21,5 tr/mn Vitesse nominale de vent : 12 m/s Vitesse de vent de coupure : 28 m/s Vitesse de vent de démarrage : 2,5 m/s Régulation de puissance : variation de vitesse et orientation des pales Multiplicateur Attaque directe Génératrice Type : synchrone discoïde inducteur bibiné Puissance nominale : 2,3 MW Fréquence de rotation : de 21,5 tr/mn Tension nominale : 400 V Convertisseurs Onduleur de tension, redresseur de courant IGBT http://www.wwindea.org/technology/ch01/estructura-en.htm 220 Mise en œuvre dans les aérogénérateurs Mise en œuvre : Les ắrogénérateurs vitesse variable • Machine synchrone entrainement direct sans transformateur s p r variant dans un facteur r  Intérêt :  Maximisation de l’énergie convertie pour les faibles vitesse de vent  Améliorer la fiabilité,  Réduire la maintenance et le bruit  Exploiter les turbulences 221 Insertion sur le réseau Fluctuations de puissance 222 Insertion Solutions de stockage sur le réseau 223 Insertion sur le réseau Solutions de stockage 224 ... (6 .3) (6.2) Power in the Wind Combining (6.2) and (6 .3) , Power through area A    Av  v 2 PW   Av3 (6.4) Power in the wind PW (Watts) = power in the wind ρ (kg/m3)= air density (1.225kg/m3... http://www.gwec.net/fileadmin/documents/PressReleases/PR_stats_annex_table_2nd _feb _final_final.pdf US Wind Resources http://www.windpoweringamerica.gov/pdfs /wind_ maps/us_windmap.pdf http://www.windpower.org/en/pictures/lacour.htm Wind Resource Atlas of SouthEast Asia Wind. .. larger wind turbines are more cost effective Example 01 – Energy in m2 of Wind Energy   Av3t • 100 hours of m/s winds 3 Energy  1.225 kg/m  (1m )  m/s  100 h= 13, 230 Wh • 50 hours of m/s winds