Design optimization of a gearbox driven tidal stream turbine

Tidal stream energy is acquiring more and more attention as a future potential renewable energy source. However, tidal stream turbines are still in development stages and their technology is not as mature as wind turbine technology. In addition to the infancy of the technology, tidal stream turbines have to withstand the harsh submarine environment where they are immersed. These constraints increase the criticality of tidal stream turbine subsystems and make them less reliable. Therefore, improving the reliability presents one of the challenges to make such energy competitive in terms of cost compared to other types, notably wind and solar energies. Indeed, the tidal stream turbine reliability and the produced energy cost are mainly affected by the drivetrain and generator configuration choices. In this Ph.D. thesis, suitable drivetrain and generator option choice is investigated for tidal stream turbine specifications. Three main generator and drivetrain configurations are considered which are, the direct- drive tidal stream turbine (gearless), the mechanically geared tidal stream turbine, and the magnetically geared one. The design process considers the electromagnetic modeling of the generator, the converter model, the turbine model, and the tidal current velocity data (near Ouessant island).The investigation-achieved results could be useful for tidal stream turbine designers and could give them a sight on the feasibility of each tidal stream turbine type.
L’énergie marémotrice fait l'objet d'une attention croissante en tant que future source potentielle d'énergie renouvelable. Les hydroliennes sont cependant encore en phase de développement et leur technologie n'est pas aussi mature que celle des éoliennes. Outre le fait que cette technologie est encore émergente, les hydroliennes doivent faire face à l’environnement sous-marin hostile dans lequel elles sont immergées. Ces contraintes augmentent la criticité des sous-systèmes des hydroliennes et les rendent moins fiables. Par conséquent, l’amélioration de la fiabilité constitue l'un des défis à relever pour rendre l’énergie marémotrice compétitive en termes de coût par rapport à d'autres types d’énergie, notamment les énergies éolienne et solaire. En effet, la fiabilité des hydroliennes et le coût de l’énergie produite sont principalement affectés par les choix de configuration de la chaîne de conversion d’énergie (entraînement mécanique) et de la génératrice. Dans cette thèse, le type d’entrainement mécanique le plus adapté aux spécifications des hydroliennes est étudié. Trois configurations principales de génératrices et de transmission sont considérées ; à savoir l’hydrolienne à entraînement direct (sans multiplicateur), l'hydrolienne à multiplicateur mécanique et enfin l’hydrolienne à multiplicateur magnétique. Le processus de conception adopté prend en compte la modélisation électromagnétique de la génératrice, le modèle du convertisseur, le modèle de la turbine et les données de vitesse des courants de marées (près de l'île d'Ouessant). Les résultats obtenus à l’issue de ces travaux pourraient être utiles aux concepteurs d'hydroliennes et pourraient leur donner un aperçu sur la faisabilité de chaque type de configuration d’hydroliennes.