Le rôle des turbines de référence

Les éoliennes de référence sont des conceptions open source d’un système éolien complet comprenant des modèles de simulation et de conception.
Elles permettent notamment d’être utilisées afin d’évaluer les performances et le coût des modifications proposées avant le développement d’un prototype.
Le NREL (USA) vient de rendre disponible sa dernière éolienne de référence d’une puissance de 15MW. Celle-ci est issue d’un effort conjoint mis en place à travers l’IEA Wind Task 37 entre le NREL, supporté par le DOE, et la DTU (Danemark), à travers notamment le projet H2020 COREWIND.

Cette nouvelle turbine de référence s’inscrit dans la lignée de précédentes turbines disponibles publiquement, notamment:

Le rapport associé au modèle IEA 15MW comprend aussi la description d’une structure monopieu, et un rapport complémentaire est à venir pour détailler un flotteur de type semi-submersible développé en collaboration avec l’Université du Maine (UMaine).

Mise à disposition du modèle d’éolienne IEA 15MW

La conception de l’éolienne IEA 15MW est disponible pour une utilisation par la communauté de l’éolien dans des fichiers d’entrée qui prennent en charge une variété d’outils d’analyse, notamment OpenFAST, HAWC2, WISDEM et HawtOpt2. De plus, les données représentées dans les graphiques et les tableaux du rapport détaillant les spécification de l’éolienne sont également disponibles dans des fichiers Excel.

L’ensemble de ces fichiers sont hébergés sur GitHub:

 

Une turbine de référence répondant à la dynamique de l’éolien offshore

Pour l’éolien offshore posé, la taille moyenne des turbines en 2019 était de 7,8 MW, et GE lancera sa turbine offshore Haliade-X de 12 MW sur le marché en 2021 avec un diamètre de rotor de 220 m à entrainement direct. C’est dans ce contexte et cette dynamique que cette éolienne de référence IEA Wind 15 MW à été développée. Elle représente une conception normalisée qui peut être utilisée pour des études de concept à mesure que l’industrie progresse vers des machines plus grandes.
Il s’agit d’une conception conventionnelle à trois pales avec un diamètre de rotor de 240 m, une hauteur de moyeu de 150 m, un contrôleur de pitch collectif à vitesse variable, et un générateur à vitesse directe et à entraînement direct. Une structure de support monopieu en acier y est associée, dimensionnée pour une profondeur d’eau de 30 m:

Des pâles de 117m

La longueur des pales de cette éolienne de référence IEA Wind 15 MW est de 117 m avec un diamètre à sa base de 5,2 m et une corde maximale de 5,77 m. La masse globale de la pale est d’environ 65t et est conçue pour atteindre un coefficient de puissance CP=0,489.

Performance du rotor et contrôleurs associés

Les performances du rotor sont étroitement associées au comportement du contrôleur et au contrôle de pitch afin d’obtenir la vitesse de rotation, le couple et la poussée souhaités.
Deux contrôleurs sont fournis pour l’éolienne de référence IEA Wind de 15 MW: le contrôleur NREL Reference OpenSource Controller (ROSCO) et le contrôleur DTU Basic, qui sont implémentés dans OpenFAST et HAWC2, respectivement.
Le rotor fonctionne avec une vitesse de rotation minimale de 5 tr/min pour éviter les interférences avec la fréquence naturelle du couple tour/monopieu de période 3P, et atteint une vitesse de rotation nominale de 7,55 tr/min avec un vent de 10,59 m/s, résultant en une vitesse de pointe (Tip speed) nominale maximale de 95 m/s. Le rotor fonctionne avec pitch de 0 ° au tip-speed ratio (TSR), mais fonctionne avec un pitch « positif » à des vitesses de vent faibles pour suivre la puissance maximale tout en maintenant la vitesse minimale du rotor. Puis le rotor commence à pitcher à la vitesse nominale du vent de 10,59 m/s.

Propriétés de la tour et de la monopieu

La tour et la monopieu ont été conçues comme un tube en acier isotrope dans WISDEM et OpenFAST.
La conception de la monopieu a été inspirée du guide publié par Arany. Le 1er mode de la monopieu de 0,170 Hz est donc situé entre les plages de fréquences de passage des pales 1P et 3P et ce pour toutes la gamme de vitesses de vent. Cela permet aussi d’éviter la plage de fréquences attendues des vagues du site générique considéré, celui étant situé sur la côte Est des USA (0,10 Hz à 0,13 Hz).
Dans le cas de la future structure flottante fournie par l’Université du Maine, les exigences de fréquence et les conditions aux limites changeront de sorte qu’une tour plus rigide sera nécessaire. Par conséquent, la géométrie de la tour présentée ici sera modifiée afin de s’adapter aux caractéristiques de la plate-forme semi-submersible.

 

La hauteur de la tour a été choisie de telle sorte que la hauteur du moyeu atteigne 150 m permettant de laisser un espace de 30m entre la surface de l’eau et les pales de 120 m. La fondation monopieu a un diamètre extérieur de 10 m, ce qui repousse les limites actuelles de fabrication et de technologie d’installation. Les caractéristiques matériaux sont décrites ci-dessous:

Nacelle, génératrice, et Hub

L’éolienne de référence IEA Wind 15MW utilise une configuration à entraînement direct avec une génératrice synchrone à aimants permanents dans une configuration de nacelle simple et compacte:

L’ensemble Nacelle-Hub-Génératrice à une masse totale de 820t.

Le module DrivetrainSE de WISDEM a été utilisé pour concevoir et optimiser la génératrice synchrone à entraînement direct de 15 MW.

L’ensemble de ces éléments sont décrits dans le rapport technique et les fichiers de caractéristiques associés.