Qu’est-ce que la puissance des turbines et comment l’augmenter ?

La puissance des turbines correspond à la quantité d’électricité générée par une éolienne. Cette énergie renouvelable est généralement exprimée en mégawatts (MW) pour les éoliennes commerciales installées dans les parcs éoliens. Plusieurs facteurs jouent un rôle clé dans la puissance d’une éolienne, tels que la vitesse du vent, la masse volumique de l’air, le design des pales, ainsi que le rendement des composants de la turbine.

La puissance des turbines peut être déterminée à l’aide de la formule suivante : P = 0,5 * ρ * A * Cp * v3, où P représente la puissance en Watts, ρ désigne la masse volumique de l’air (en kg/m3), A correspond à la surface balayée en mètres (calculée par pi R² ou πR², avec R correspondant à la longueur d’une pale), Cp est le coefficient de puissance, et v indique la vitesse du vent en mètres par seconde.

La puissance de production des éoliennes commerciales peut varier considérablement. En général, les turbines terrestres ont une puissance comprise entre 2 et 5 mégawatts (MW), tandis que les modèles offshore atteignent souvent une puissance de 8 à 12 MW, certaines turbines de nouvelles générations pouvant aller jusqu’à 26 MW. 


Une fois la turbine installée, mise en service et exploitée, la principale méthode pour augmenter la production d’un aérogénérateur consiste à apporter d’importantes améliorations au matériel de l’unité. Il peut s’agir d’un programme long, difficile et coûteux pour de nombreux exploitants de turbines qui n’ont peut-être pas les ressources nécessaires pour entreprendre un tel effort ou qui n’ont pas confiance dans les résultats qu’il produirait. Heureusement, le déploiement de stratégies de contrôle modernes et avancées peut améliorer la production d’énergie des turbines sans modifier aucun composant mécanique, ce qui les rend à la fois très efficaces et rentables.

L’amélioration de l’efficacité de la turbine entraîne souvent une augmentation de la production d’électricité, car une plus grande partie de l’énergie du vent est convertie en électricité. La réflexion qui suit est principalement axée sur l’augmentation de la production annuelle d’énergie (AEP) grâce à des technologies de contrôle avancées adaptées.

Solution de contrôle avancée - Amplification de puissance
L’algorithme d’amplification de puissance améliore le début de la partie nominale de la courbe de puissance en augmentant le point de consigne de puissance lors de la transition à partir de la partie sous-évaluée. L’amplification momentanée ajoute une fraction de pour cent d’AEP à chaque transition et est plus fréquente dans les conditions plus venteuses. Il est important de noter qu’il n’y a pas de compromis significatif associé à l’utilisation de cette fonction de contrôle avancée.

Solution de contrôle avancée - Puissance maximale
La solution de puissance maximale est conçue pour améliorer la production d’énergie des éoliennes par le biais de deux approches distinctes : puissance maximale et puissance équilibrée. Les deux méthodes visent à augmenter la production annuelle d’énergie, bien qu’elles s’accompagnent de considérations et de compromis spécifiques. Une caractéristique importante de cette option est la possibilité d’activer manuellement ou automatiquement cette fonction lorsque certaines conditions de marché et/ou de fonctionnement sont idéales pour compenser l’usure mécanique. Il convient de noter que pour chacun d’entre eux, une capacité électrique auxiliaire supplémentaire peut être nécessaire pour faire face à l’augmentation de la production. 

Puissance maximale La puissance maximale permet une augmentation significative de la puissance de sortie, en fonction de la température des composants critiques, en fonctionnant au-dessus de la courbe de puissance nominale pour toutes les vitesses de vent nominales. Cette méthode nécessite des frais généraux à la fois mécaniques et électriques pour gérer l’amélioration des performances. L’avantage de cette approche est une augmentation potentielle substantielle des recettes, avec une hausse de 7 % de l’AEP, en fonction du niveau de mise à niveau et des conditions du site. Toutefois, cette méthode peut réduire la durée de vie globale de la turbine en raison de l’usure opérationnelle accrue. Puissance équilibrée Le système de puissance équilibrée se concentre également sur l’augmentation de la puissance de sortie, mais il le fait en fonction des vitesses de vent et des températures des composants. Comme l’algorithme de puissance maximale, cet algorithme fait fonctionner l’unité au-dessus de la courbe de puissance nominale, mais uniquement dans une plage de vitesse de vent sélectionnée. En tant que tel, il ne nécessite pas le même compromis mécanique que le taux d’utilisation maximal. L’augmentation potentielle des recettes avec le taux de puissance équilibrée peut atteindre 2,5 % dans l’AEP, en fonction du niveau de puissance et des conditions du site.

Solution de contrôle avancé - Coupure prolongée
La solution de coupure prolongée est conçue pour améliorer la portée opérationnelle des turbines en leur permettant de continuer à fonctionner même lorsque la vitesse du vent est supérieure au seuil de coupure normal. Ceci est réalisé en diminuant la courbe de puissance au-delà de la vitesse normale de coupure. Cela permet de réduire progressivement la puissance de l’unité par vent fort afin de protéger la turbine d’éventuels dommages tout en prolongeant le fonctionnement au-delà de la vitesse de vent de coupure précédente.

L’un des principaux avantages du déclassement de la puissance est qu’il élimine les coupures brusques, ce qui améliore considérablement la stabilité du réseau. Cette transition plus douce réduit l’usure des principaux composants, car il y a moins d’arrêts et de démarrages à des vitesses de vent élevées. Il en résulte une production d’électricité plus stable et plus fiable.

En outre, la fonction de coupure prolongée peut entraîner une augmentation des bénéfices, en particulier dans les sites très ventés où la vitesse du vent dépasse fréquemment les limites normales de coupure. En élargissant leur champ d’action, les turbines peuvent capter plus d’énergie, ce qui augmente la production annuelle d’énergie.

Cependant, il est important de considérer que cette approche implique un compromis. Un fonctionnement prolongé à des vitesses de vent plus élevées entraîne des contraintes supplémentaires sur les composants, ce qui peut conduire à une diminution de la durée de vie globale de la turbine.

Contrôle de lacet à étalonnage automatique
Les algorithmes de contrôle de lacet à étalonnage automatique sont conçus pour identifier et ajuster en permanence les désalignements statiques de lacet, améliorant ainsi les performances de la turbine en veillant à ce que la nacelle soit orientée face au vent. Utilisant l’apprentissage automatique, ces algorithmes nécessitent généralement une courte phase d’étalonnage automatique après l’installation. En cas de changement ou de détérioration de l’étalonnage de la girouette ou du lacet, le système s’ajuste automatiquement. Cela permet un alignement précis du rotor et améliore la puissance du générateur de la turbine, ce qui peut augmenter la production annuelle d’énergie de 3 à 5 %.

Correction automatique de déséquilibre du rotor
Les systèmes de contrôle avancés des turbines modernes intègrent des algorithmes de détection du déséquilibre du rotor afin d’identifier et de rectifier le désalignement entre les pales. En cas de détection d’un désalignement du pas, le système ajuste de manière autonome les points de consigne du pas pour garantir que les pales sont correctement alignées. Cette technologie permet non seulement d’augmenter la production annuelle d’énergie jusqu’à 0,7 %, mais aussi de réduire les charges de fatigue sur les rotors des turbines.

Adapter la puissance des turbines aux besoins opérationnels
Des solutions de contrôle avancées telles que l’augmentation de la puissance, l’augmentation de la puissance et la coupure prolongée (ainsi que des techniques d’efficacité des turbines) peuvent augmenter de manière significative la production annuelle d’énergie tout en ayant un effet minime sur la charge. 

Emerson propose une gamme de solutions de modernisation des turbines conçues pour améliorer la production d’énergie des turbines en fonction de vos besoins opérationnels spécifiques.