En l'absence de source d'énergie externe, une éolienne peut produire de l'électricité de la manière suivante :
I. Principe de fonctionnement par le vent
Conversion de l'énergie éolienne en énergie mécanique
Les pales d'une éolienne sont conçues avec une forme spécifique. Lorsque le vent souffle sur les pales, en raison de leur forme particulière et des principes de l'aérodynamique, l'énergie cinétique du vent est convertie en énergie mécanique de rotation des pales.
Par exemple, les pales d'une grande éolienne mesurent généralement plusieurs dizaines de mètres et ont une forme similaire à celle d'une aile d'avion. Lorsque le vent souffle à une certaine vitesse sur les pales, les vitesses de l'écoulement d'air sur les surfaces supérieure et inférieure des pales sont différentes, générant ainsi une différence de pression qui pousse les pales à tourner.
Transmission de l'énergie mécanique par le système de transmission
La rotation des pales est transmise au rotor du générateur par le système de transmission. Le système de transmission comprend généralement des composants tels qu'un réducteur et un arbre de transmission. Sa fonction est de convertir la rotation à basse vitesse et haute couple des pales en la rotation à haute vitesse et faible couple requise par le générateur.
Par exemple, dans certaines éoliennes, le réducteur peut augmenter la vitesse de rotation des pales par plusieurs dizaines ou même centaines de fois pour répondre aux exigences de vitesse du générateur.
II. Principe de fonctionnement du générateur
Production d'électricité par induction électromagnétique
Les éoliennes utilisent généralement des générateurs asynchrones ou synchrones. En l'absence de source d'énergie externe, le rotor du générateur tourne sous l'action des pales, coupant le champ magnétique dans l'enroulement du stator et générant ainsi une force électromotrice induite.
Selon la loi de l'induction électromagnétique, lorsque un conducteur se déplace dans un champ magnétique, une force électromotrice induite est générée aux deux extrémités du conducteur. Dans une éolienne, le rotor du générateur est équivalent à un conducteur, et le champ magnétique dans l'enroulement du stator est généré par des aimants permanents ou des enroulements d'excitation.
Par exemple, le rotor d'un générateur asynchrone a une structure de cage d'écureuil. Lorsque le rotor tourne dans le champ magnétique, les conducteurs dans le rotor coupent le champ magnétique et génèrent un courant induit. Ce courant induit génère à son tour un champ magnétique dans le rotor, qui interagit avec le champ magnétique dans l'enroulement du stator, permettant ainsi au rotor de continuer à tourner.
Auto-excitation et élévation de tension
Pour certains générateurs synchrones, l'élévation de tension par auto-excitation est nécessaire pour établir le champ magnétique initial. L'auto-excitation et l'élévation de tension consistent à utiliser le magnétisme résiduel du générateur et la réaction de l'armature pour établir la tension de sortie du générateur en l'absence de source d'énergie externe.
Lorsque le rotor du générateur tourne, en raison de l'existence du magnétisme résiduel, une faible force électromotrice induite est générée dans l'enroulement du stator. Cette force électromotrice induite passe par le redresseur et le régulateur dans le circuit d'excitation pour exciter l'enroulement d'excitation, renforçant ainsi le champ magnétique dans l'enroulement du stator. À mesure que le champ magnétique s'intensifie, la force électromotrice induite augmentera progressivement jusqu'à atteindre la tension de sortie nominale du générateur.
III. Production d'énergie et contrôle
Production d'énergie
L'électricité produite par le générateur est transmise au réseau électrique ou aux charges locales par des câbles. Au cours de ce processus, elle doit être transformée en tension plus élevée ou plus faible par un transformateur pour répondre aux différents besoins en tension.
Par exemple, l'électricité produite par les grandes éoliennes doit généralement être transformée en tension plus élevée par un transformateur de montée avant de pouvoir être connectée au réseau électrique à haute tension pour la transmission à longue distance.
Contrôle et protection
Pour assurer un fonctionnement sûr et stable de l'éolienne, il est nécessaire de la contrôler et de la protéger. Le système de contrôle peut ajuster l'angle des pales, la vitesse de rotation du générateur, etc., en fonction de paramètres tels que la vitesse du vent, la direction du vent et la puissance de sortie du générateur, afin d'atteindre la meilleure efficacité de production d'énergie et de protéger l'équipement.
Par exemple, lorsque la vitesse du vent est trop élevée, le système de contrôle peut ajuster l'angle des pales pour réduire la surface exposée aux forces du vent, empêchant ainsi l'éolienne d'être endommagée par une surcharge. De plus, le système de contrôle peut également surveiller des paramètres tels que la tension, le courant et la fréquence de sortie du générateur. En cas de conditions anormales, il peut couper l'alimentation électrique en temps opportun pour protéger la sécurité de l'équipement et des personnes.
