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Éolienne et parc éolien

Une éolienne multi-mégawatt et son parc — aérodynamique du rotor, une chaîne de transmission à deux inerties, commande de couple MPPT et de calage des pales, analyse de charges turbulentes, et une disposition de parc optimisée pour le sillage qui augmente l’énergie annuelle de 18 %.

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Un graphique de notebook DjiniousLab de la courbe de puissance d’une éolienne et de son coefficient de puissance effectif à travers les régions de fonctionnement d’amorçage, nominale et d’arrêt
éolienne nominale
~6 MWéolienne nominale
Cp de pointe (81 % de Betz)
0.48Cp de pointe (81 % de Betz)
EAP du parc contre grille naïve
+18%EAP du parc contre grille naïve
parc de 16 éoliennes
295 GWh/anparc de 16 éoliennes
notebooks de conception
9notebooks de conception
composition .djl
1composition .djl

D’un seul rotor à un parc optimisé pour le sillage.

Une éolienne multi-mégawatt modélisée là où se rencontrent l’aérodynamique, la dynamique de la chaîne de transmission et la commande — la surface Cp(λ), une chaîne de transmission à deux inerties, le MPPT en région 2 et la commande de calage en région 3, et les charges turbulentes — puis étendue à un parc où l’interaction de sillage est optimisée pour 18 % d’énergie annuelle en plus. La chaîne de transmission vit aussi comme un .djl acausal exécutable sur un domaine rotationnel personnalisé.

Aérodynamique, commande, et un parc entier.

Chaque sous-système est son propre notebook exécutable, construisant depuis la courbe de coefficient d’un seul rotor jusqu’à une disposition de parc couplée par le sillage.

Aérodynamique du rotor

Le coefficient de puissance Cp(λ, calage) et la courbe de puissance complète — Cp de pointe ≈ 0,48 à un ratio de vitesse en bout de pale de 8,1, soit 81 % de la limite de Betz, à travers l’amorçage, le régime nominal et l’arrêt.

Chaîne de transmission

Une chaîne de transmission à deux inerties — rotor, un arbre lent compliant, boîte de vitesses et générateur — monte en régime sous une loi K-ω² jusqu’à 12,3 tr/min et se restabilise proprement après un échelon de vent.

Commande MPPT

Une loi de couple K-ω² sans capteur de vent maintient le ratio de vitesse en bout de pale autour de son optimum à travers un vent variable, captant une puissance quasi idéale en région 2.

Commande de calage

Une boucle de calage PI oriente les pales en région 3 pour maintenir la puissance nominale à travers une rafale de +5 m/s avec seulement 0,4 % de survitesse.

Charges turbulentes

Un champ de vent turbulent de type Dryden (TI ≈ 0,14) soumet le rotor à une charge de poussée d’environ 736 kN, avec un spectre de charge dominé par les basses fréquences issu de la FFT.

Parc et sillage

Un modèle de sillage de Jensen avec un optimiseur de disposition CMA-ES augmente l’énergie annuelle sur rose des vents de 18 % par rapport à une grille naïve de 4 × 4 — le parc de 16 éoliennes optimisé sur une carte.

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Un graphique de notebook de la puissance de l’éolienne en mégawatts et du coefficient de puissance effectif en fonction de la vitesse du vent, à travers l’amorçage, le régime nominal et l’arrêt
La courbe de puissance de l’éolienne : nulle sous l’amorçage, la montée cubique à travers la région 2 où le MPPT maximise la captation, le plateau nominal plat où la commande de calage plafonne la puissance, et l’arrêt. Le Cp effectif (pointillés) montre le rotor fonctionnant à rendement maximal seulement pendant la montée.
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Un graphique de notebook du coefficient de puissance Cp en fonction du ratio de vitesse en bout de pale pour une famille d’angles de calage
Le cœur aérodynamique de la machine : Cp(λ) pour une famille de calages de pale. Le pic — Cp ≈ 0,48 à λ ≈ 8,1, calage nul — est le point de fonctionnement que le MPPT poursuit en région 2 ; le calage des pales fait glisser toute la courbe vers le bas pour évacuer la puissance en région 3.

Une chaîne de transmission sur un tout nouveau domaine physique.

La chaîne de transmission à deux inerties est un .djl acausal exécutable — le couple aérodynamique dans une inertie de rotor, à travers un arbre compliant et une boîte de vitesses surmultipliée, jusqu’au frein à commande de couple du générateur. Elle est construite sur un domaine rotationnel personnalisé (l’angle comme potentiel, le couple comme flux) qui ne fait pas partie du catalogue de blocs — défini en ligne en quelques lignes et résolu par le même noyau qui traite les réseaux électriques et mécaniques, sans modification du moteur. Elle monte en régime de 1,0 à 1,49 rad/s jusqu’à son équilibre de couple en région 2, soit environ 6 MW. Le même noyau acausal modélise la puissance fluidique, la mécanique rotationnelle, ou tout domaine pour lequel vous pouvez écrire un connecteur.

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Un graphique de notebook de la densité spectrale de puissance de la charge de poussée du rotor en fonction de la fréquence, dominée par un contenu basse fréquence
Charge turbulente dans le domaine fréquentiel : la densité spectrale de puissance de la poussée du rotor sous un champ de vent de type Dryden. La dominance des basses fréquences est ce qui importe pour l’analyse de fatigue — les rafales lentes et amples que la structure subit cycle après cycle.

Chaque affirmation est un chiffre que vous pouvez réexécuter.

Les notebooks sont subordonnés à des résultats vérifiés sur worker, et le .djl de la chaîne de transmission est confirmé en résolution via le moteur de production du canevas.

Résultat

  • Coefficient de puissance de pointe : 0,48
  • Puissance nominale maintenue à travers la rafale : +0,4 % de survitesse
  • Énergie annuelle de l’éolienne : 20,3 GWh/an
  • Énergie annuelle du parc : 295 GWh/an
  • Gain d’EAP optimisé par le sillage : +18 %

Détail

  • Coefficient de puissance de pointe : 81 % de Betz
  • Puissance nominale maintenue à travers la rafale : calage PI
  • Énergie annuelle de l’éolienne : FC 46 %
  • Énergie annuelle du parc : FC 42 %, sillage 9 %
  • Gain d’EAP optimisé par le sillage : contre grille 4×4

Aérodynamique, commande et sillage de niveau conception.

L’aérodynamique est un modèle de coefficient Cp(λ, calage), pas un rotor à quantité de mouvement par élément de pale ou CFD ; la chaîne de transmission est un modèle localisé à deux inerties ; le sillage est le modèle analytique de Jensen, pas une simulation de sillage à haute fidélité. La turbulence est un champ spectral de type Dryden. C’est exactement la fidélité dont la conception d’un parc éolien a besoin en premier : dimensionner le rotor et la chaîne de transmission, régler les contrôleurs de couple et de calage, borner les charges turbulentes, et disposer le parc pour que les sillages coûtent le moins d’énergie possible — sur votre propre rose des vents de site, avant une campagne CFD ou un modèle aéroélastique.