Comment une éolienne freine-t-elle ?

Le système de freinage d'une éolienne est un projet d'ingénierie complexe et précis, qui n'est pas simplement une « plaquette de frein », mais un système de sécurité collaboratif à plusieurs niveaux.

L'objectif principal est d'arrêter ou de réduire la vitesse de la grande turbine de manière sûre et contrôlée en cas de besoin.

Lorsque nécessaire, cela inclut généralement les situations suivantes :

Vitesse du vent excessive (dépassant généralement 25 mètres par seconde) : pour éviter que le ventilateur ne tourne trop vite et ne cause des dommages structurels.

Panne du réseau électrique ou coupure de courant : nécessite un arrêt sécurisé.

Maintenance ou révision quotidienne : Fournir un environnement de travail sûr aux techniciens.

Situation d'urgence : Si le capteur détecte un dysfonctionnement grave (vibrations excessives, surchauffe de la boîte de vitesses, etc.).

Les éoliennes modernes de grande taille utilisent principalement les trois méthodes de freinage suivantes, qui fonctionnent ensemble :

1. Freinage pneumatique - méthodes primaires et principales
Il s'agit de la méthode de freinage la plus couramment utilisée et la plus fondamentale, obtenue en modifiant les caractéristiques aérodynamiques des pales.

Principe : L'extrémité de chaque pale peut pivoter d'un certain angle (généralement 90 degrés) autour de son axe. Cette action est appelée « rame ».

Processus:

Dans des conditions normales, les pales sont orientées face au vent selon l'angle optimal (angle d'attaque), captant ainsi efficacement l'énergie éolienne.

En cas de freinage, le système de commande ordonne la rotation des pales, ce qui a pour effet d'orienter le bord d'attaque ou le bord de la pale vers la direction du vent.

De cette manière, les pales se transforment d'« ailes » efficaces en « planches de bois » à forte résistance à l'air, avec une diminution brutale de la portance et une augmentation significative de la traînée, entraînant une diminution rapide de la vitesse jusqu'à leur arrêt complet.

Avantages :

Aucune usure mécanique : car il utilise la résistance de l'air sans frottement par contact physique.

Fiable : même en cas de panne de courant, la batterie peut fournir une alimentation de secours au système d'hélice.

Réglable : La puissance peut être réglée par modulation partielle ou par modulation complète pour obtenir un freinage d'urgence.

2. Freins mécaniques (freins à disque) - freins auxiliaires et de stationnement
Similaires aux freins à disque des voitures, mais généralement pas utilisés comme principal moyen de décélération.

Emplacement : Installé sur l'arbre à grande vitesse (après la sortie de la boîte de vitesses et avant le générateur), cet arbre ayant une vitesse élevée et un faible couple, la taille requise du dispositif de freinage peut être réduite.

Fonction:

Stationnement : Une fois que le frein pneumatique a quasiment immobilisé la turbine (sa vitesse ayant chuté à un niveau extrêmement bas), l’étrier de frein mécanique serre le disque de frein, bloquant fermement le ventilateur pour empêcher toute rotation lente due à une légère brise ou à l’inertie. Ceci est essentiel pour la sécurité du personnel.

Système de secours : Dans les cas extrêmes où le frein pneumatique tombe complètement en panne, il sert de dernier rempart de sécurité.

Caractéristiques : Afin d'éviter une usure excessive et une production de chaleur trop importante, les ventilateurs modernes sont conçus pour minimiser la fréquence du freinage mécanique et ne l'utilisent généralement qu'après un arrêt complet.

3. Frein électrique (frein à génération d'énergie) - mode de réglage auxiliaire
Le freinage est assuré par le générateur lui-même.

Principe : Lorsque le générateur est déconnecté du réseau électrique, l'énergie du système rotatif peut être consommée soit en consommant de l'énergie électrique sur la résistance de freinage (conversion de l'énergie cinétique en énergie thermique et dissipation de celle-ci), soit en contrôlant le couple inverse du générateur par des dispositifs d'électronique de puissance pour faciliter la décélération.

Fonction : Il est principalement utilisé pour ajuster et assister la décélération, notamment lors du processus de déconnexion, en conjonction avec des freins pneumatiques pour obtenir un arrêt en douceur.

Flux de travail collaboratif du système de freinage (exemple d'arrêt en cas de vent fort) :
Le capteur de vitesse du vent détecte que la vitesse du vent soutenue dépasse la vitesse de vent de coupure (par exemple 25 m/s).

Le système de commande envoie d'abord une commande pour activer le frein pneumatique : les pales commencent à s'incliner et la vitesse de la turbine diminue.

Dans le même temps, des freins électriques peuvent s'activer pour contribuer à la consommation d'énergie.

Lorsque la vitesse de la turbine chute à presque zéro (par exemple à quelques tours par minute), le frein mécanique est activé, serrant le disque de frein pour arrêter et bloquer complètement le ventilateur.

Le ventilateur passe en mode d'arrêt sécurisé.

Cas particulier : Freinage lors d’une perte de puissance
La sécurité est primordiale. Le ventilateur est équipé d'un système d'alimentation sans coupure (UPS) ou d'une batterie de secours. Même en cas de coupure totale du réseau électrique, l'alimentation de secours peut continuer à alimenter le système de commande et le système d'orientation des pales, garantissant ainsi leur bon fonctionnement et le freinage aérodynamique. Il s'agit là du dispositif de sécurité le plus critique.

résumé
En bref, le freinage d'une éolienne est un « coup combiné » :

Force principale : Freinage aérodynamique (mise en drapeau), responsable de la majeure partie du freinage et du contrôle de la puissance.

Stationnement : Frein mécanique assurant le blocage après un arrêt stable pour garantir la sécurité.

Assistance : Freins électriques pour un freinage plus fluide.

Ce système de sécurité multiple et redondant garantit que même en cas de conditions météorologiques défavorables ou de dysfonctionnement, les éoliennes de grande taille peuvent être arrêtées de manière sûre et fiable.