Comment prolonger la durée de vie des éoliennes?

Les éoliennes subissent des contraintes mécaniques et environnementales constantes tout au long de leur durée de vie, dès le premier jour de leur mise en service. Au fil du temps, ces contraintes s’accumulent sous forme de niveaux variables de fatigue sur l’unité. Cela produit souvent des pannes de composants et des défaillances structurelles plus tôt que prévu dans le cycle de vie d’une éolienne.

L’utilisation d’un logiciel de contrôle avancé permet toutefois d’atténuer certaines de ces contraintes et de prolonger ainsi la durée de vie d’une éolienne tout en augmentant souvent la production d’énergie. La mise en œuvre de ces stratégies de contrôle constitue une alternative rapide et économique aux réparations mécaniques inopportunes ou aux mises à niveau de composants.

Réduction de la charge : limitation de la poussée et réduction de la vitesse basée sur les turbulences

Les charges des turbines sont principalement déterminées par les forces aérodynamiques qui peuvent varier en fonction de la vitesse et de la direction du vent, ainsi que de la réponse du contrôleur. Ces charges peuvent accélérer la fatigue, mais peuvent être gérées par le système de contrôle-commande.

Une méthode courante permettant de réduire les charges consiste à limiter la poussée et à utiliser des algorithmes de réduction basé sur les turbulences afin de compenser les charges extrêmes et les charges de fatigue.

Un limiteur de poussée estimera la force de poussée sur la base de la vitesse du vent. Lorsque l’estimation de la poussée est élevée (ce qui augmente la charge et les contraintes de la turbine), le pas est augmenté. Cela permet de réduire jusqu’à 5 % les charges avant-arrière du mât, mais peut réduire légèrement la production annuelle d’énergie (PEA).

Un limiteur de poussée ajusté par rapport aux turbulences peut être utilisé en complément d’un limiteur de poussée. Dans ce scénario, la limite de poussée diminue avec la hausse de la turbulence éolienne. Il en résulte un impact moindre sur la production annuelle d’énergie par rapport au contrôle statique de limite de la poussée.

Enfin, un système de réduction basé sur les turbulences diminuera la production d’énergie délivrée pendant les périodes de fortes turbulences afin de réduire les contraintes liées aux charges extrêmes. Pour ce faire, une estimation des turbulences est réalisée sur la base de l’accélération de la nacelle et de l’estimation du vent.

Réduction de la charge : réduction des oscillations de la transmission

Les variations de vitesse du vent, les turbulences et un défaut d’alignement sont quelques-uns des facteurs qui peuvent créer des oscillations de la transmission de l’éolienne. À leur tour, ces oscillations entraînent une hausse des charges de fatigue sur la transmission.

Pour corriger cela, un registre de transmission extrait l’oscillation de la transmission à sa fréquence propre. Cela produit une oscillation en contre-phase (ou une puissance d’amortissement de transmission) qui est ajoutée au point de consigne du système de contrôle-commande. Le résultat est un point de consigne de couple du générateur qui amortit la fréquence propre de la transmission. L’ajout d’une solution d’amortissement de la transmission permet de réduire de 10 % les charges de fatigue de la transmission.

Réduction de la charge : réduction des oscillations du mât

Qu’il s’agisse de turbulences, de résonances ou d’un déséquilibre des pales, les oscillations du mât augmentent la fatigue et peuvent raccourcir la durée de vie des éoliennes. Une solution d’amortissement du mât peut toutefois compenser les oscillations de celui-ci. Pour ce faire, des mesures d’accéléromètre sont effectuées dans les directions transversale et axiale au sommet du mât.

Pour la direction transversale, le système produit une oscillation de puissance en contre-phase qui est ajoutée au point de consigne de puissance. Pour la direction axiale, il produit une oscillation de pas en contre-phase qui est ajoutée au point de consigne du pas. Il en résulte un point de consigne du couple et un point de consigne du pas du générateur qui amortissent la fréquence propre du mât, ce qui peut réduire les charges de fatigue jusqu’à 8 %.

Optimisation des turbines : alignement d’orientation et du pas

Le mauvais positionnement dû à un défaut d’alignement d’orientation ou à un défaut d’alignement du pas peut augmenter significativement les charges de fatigue des éoliennes. Le défaut d’alignement d’orientation peut être corrigé par un algorithme de contrôle de l’orientation à auto-étalonnage qui permet un alignement continu de l’orientation. Pour le défaut d’alignement du pas, un algorithme de détection de déséquilibre du rotor applique une correction automatique aux points de consigne du pas. La correction d’un de ces défauts d’alignement à l’aide d’un logiciel de contrôle avancé réduira l’usure du système et permettra donc de prolonger la durée de vie de l’éolienne, tout en augmentant en parallèle la production d’énergie.

Équilibrer la production d’énergie par rapport à l’usure des éoliennes

Aucun compromis significatif n’est fait en matière de puissance de sortie quand il s’agit de relever des défis tels que le défaut d’alignement d’orientation ou du pas et les oscillations de la transmission ou du mât. L’utilisation de techniques de contrôle avancé est une méthode éprouvée pour prolonger la durée de vie d’une éolienne sans dégradation de l’énergie produite.

Bien que la mise en œuvre de solutions de limitation de la poussée puisse donner lieu à des compromis, les processus des systèmes de contrôle-commande avancé peuvent déterminer l’équilibre adéquat entre la production d’énergie de la turbine et l’atténuation des charges extrêmes et des charges de fatigue.

Emerson propose une gamme complète de solutions de modernisation des éoliennes et une expertise qui permet de relever ces défis d’une manière adaptée à vos exigences opérationnelles.