etat de l'art des sysémes eoliens

5/9/2018 etat de l'art des sys mes eoliens - slidepdf.com

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1-Introduction générale :

la multiplication des appareils domestiques électriques ont conduit à des besoins planétaires en énergie électrique considérables.

les pays industrialisés ont massivement fait appel aux centrales nucléaires. Cettesource d'énergie présente l'avantage indéniable de ne pas engendrer de pollutionatmosphérique contrairement aux centrales thermiques, mais le risque d'accidentnucléaire, le traitement et l'enfouissement des déchets sont des problèmes bien réelsqui rendent cette énergie peu attractive pour les générations futures.

Face à ces problèmes, et de façon à limiter l'emploi de centrales nucléaires, certains pays, aidés par la déréglementation, se sont tournés vers de nouvelles formesd'énergie dites "renouvelables" faisant appel, de façon directe ou indirecte, àl'énergie solaire. Parmi celles-ci, l'éolien apparaît clairement en bonne place, non

pas en remplacement des sources conventionnelles, mais comme énergie d'appointcomplémentaire à l'énergie nucléaire.



2-Historique

L¶énergie éolienne est probablement la plus ancienne énergie utilisée par l¶homme

en dehors de son énergie musculaire. Ce fut, sans doute, d¶abord une énergie

captée par la voile pour la navigation, voilà quelques millénaires. Par la suite, sans date précise, quelque inventeur de génie, sédentaire, pense

faire tourner indéfiniment la voile autour d¶un axe fixe : le moulin était né. Les

plus anciens connus, chinois ou perses, sont en effet constitués par des mâts

verticaux entraînés par des voiles. C¶est seulement plus tard que l¶axe devient

sensiblement horizontal, avec des ailes, pour prendre la disposition bien connue

des moulins à vent.

depuis l'utilisation du moulin à vent, la technologie des capteurs éoliens n'a cessé

d'évoluer. C'est au début des années quarante que de vrais prototypes d'éoliennes à

pales profilées ont été utilisés avec succès pour générer de l'électricité.

L¶augmentation brutale du prix du pétrole relance l¶énergie éolienne. La crainte

de n¶utiliser qu¶une seule énergie, dont l¶approvisionnement peut être aléatoire,

les idées écologiques orientent certains pays vers cette forme inépuisable et

nationale !

Des progrès importants dans l¶aérodynamique, l¶arrivée de nouveaux matériaux

vont permettre d¶exploiter ce gisement mondial estimé à 4 TWh à partir

de nouvelles machines fiables et diminuer le prix de l¶énergie produite, qui ne

devient plus marginale dans certains pays comme le Danemark ou certaines

contrées comme la Californie.

La multiplication des éoliennes a conduit les chercheurs en Génie Electrique à

mener des investigations de façon à améliorer l'efficacité de la conversion

électromécanique et la qualité de l'énergie fournie. Dans ce cadre, le présent mini

projet décrit une étude sur l'utilisation des machines de type asynchrone dans un

système éolien ,il est consacré à des rappels sur les systèmes éoliens à travers les

équations et les concepts physiques régissant leur fonctionnement. Ces rappels sont

suivis par un état de l'art sur la conversion électromécanique à travers les

différents types de génératrices utilisées et les convertisseurs qui leur sont associés.



3-L¶énergie éolienne :

L'énergie éolienne est une énergie "renouvelable" non dégradée,

géographiquement diffuse, et surtout en corrélation saisonnière (l¶énergie électrique est largement

plus demandée en hiver et c¶est souvent à cette période que la moyenne des vitesses

des vents est la plus élevée). De plus, c'est une énergie qui ne produit aucun rejet

atmosphérique ni déchet radioactif.

L¶énergie éolienne joue un rôle économique important jusqu¶au début du

XIXe siècle. Ensuite, ce rôle diminue par suite de l¶accroissement rapide de

l¶utilisation des énergies fossiles.

Bien que ne pouvant envisager de remplacer totalement les sources traditionnelles

d¶énergie, l¶énergie éolienne peut toutefois proposer une alternative intéressante et

renouvelable. Elle s¶inscrit parfaitement dans l¶effort global de réductions des

émissions de CO2 , etc.

Son développement s¶est fortement accéléré depuis 1995 avec une progression

moyenne de 20 % par an dans le monde.

Cette progression s¶accompagne par une évolution de la fiabilité, de la taille des

éoliennes et de leur rendement (tableau 1). Le coût de production du kilowattheure

a progressivement baissé pour atteindre un niveau compétitif par rapport aux

autres sources d¶énergie.

4-Différents types d¶éoliennes et leurs utilisations :

4-1-les typesOn peut aisément classer les éoliennes en deux grandes familles : celles à axe

vertical et celles à axe horizontal. D¶autres configurations plus anecdotiques

(profils oscillants [3], aubes mobiles, profils en translation) ont vu le jour mais

n¶ont jamais débouché sur une quelconque industrialisation.

Les éoliennes sont divisées en trois catégories selon leur puissance nominale :

.. Eoliennes de petite puissance : inférieure à 40 kW

.. Eoliennes de moyenne puissance : de 40 à quelques centaines de kW.

.. Eoliennes de forte puissance : supérieure à 1 MW.



Plusieurs technologies sont utilisées pour capter l'énergie du vent (capteur à axevertical ou à axe horizontal(voir les photos ci-dessous)) et les structures descapteurs sont de plus en plus performantes. Outre les caractéristiques mécaniquesde l'éolienne, l'efficacité de la conversion de l'énergie mécanique en énergieélectrique est très importante.Là encore, de nombreux dispositifs existent et, pour la plupart, ils utilisent desmachines synchrones et asynchrones. Les stratégies de commande de cesmachines et leurs éventuelles interfaces de connexion au réseau doivent permettentde capter un maximum d'énergie sur une plage de variation de vitesse de vent la

plus large possible, ceci dans le but d'améliorer la rentabilité des installationséoliennes.

vue de dessus d¶une éolienne à axe verticale



Configurations à axe horizontal

4-2-Applications des éoliennes

L¶intérêt d¶une éolienne se justifie par la possibilité qu¶elle apporte de récupérer l¶énergie cinétique présente dans le vent.

Cette énergie est transformée en énergie mécanique de rotation(tenant compte bien entendu du rendement de la machine). Cette énergiemécanique peut être exploitée principalement de deux manières :soit directement pour entraîner par exemple une pompe de relevage d¶eau ;soit pour entraîner une génératrice électrique.Dans le cas de production d¶énergie électrique, on peut distinguer deux types de configuration :l¶énergie est stockée dans des accumulateurs en vue de son utilisation ultérieure ;l¶énergie est utilisée directement par injection sur un réseau de distribution.

On constate ainsi les applications électriques de l¶énergie éolienne, à savoir d¶une part la complémentarité avec les moyens traditionnels de production (centralesthermiques classiques ou nucléaires, barrages...) pour des régions disposant d¶uneinfrastructure existante et d¶autre part la possibilité de production sur des sites nonraccordés à un réseau de distribution traditionnel.



Il est particulièrement intéressant de souligner les possibilités offertes par l¶énergieéolienne en ce qui concerne le désenclavement de régions peu urbanisées et sesapplications dans les pays en voie de développement (alimentation d¶unités dedésalinisation, cogénération avec des groupes diesel, des panneaux

photovoltaïques...).

5- Le fonctionnement général

Une éolienne est constituée d'un mât en haut duquel se situe une nacelle. Dans cettenacelle se trouvent les principaux dispositifs de production d'énergie. Tout d'abordl'énergie cinétique du vent est transformée en énergie mécanique due à unmouvement de rotation du rotor. Celui-ci est entraîné par le moyeu qui supporte les

pâles. La rotation du rotor est transmise à la boîte de vitesses par l'intermédiaire del'arbre. La boîte de vitesses permet d'adapter la vitesse de rotation à celle du

générateur. De la boîte de vitesses sort un second arbre qui transfère le mouvementau générateur. Ce dernier a pour rôle de transformer l'énergie mécanique en énergieélectrique généralement alternative.



6 - Les composantes d¶une éolienne

Le schéma d¶une éolienne

La nacelle La nacelle comprend tous les éléments mécaniques qui permettent de transformer l'énergie mécanique qui est produit par la rotation des pales en énergie électrique.Les pales, l'anémomètre et le rotor sont fixés sur le dessus de la nacelle. Al'intérieur de celle-ci se trouvent la boîte de vitesse, la génératrice, les systèmes decontrôle, le capteur de température, le capteur de vibration et le capteur de vitesse.



La tour

La tour d¶une éolienne supporte la nacelle et le rotor. En général, il est préférabled¶avoir une tour haute, étant donné que la vitesse du vent augmente plus ons¶éloigne du sol. La tour d¶une éolienne de 1000 kW mesure entre 50 et 80 mètresde haut, ce qui correspond à la hauteur d¶un immeuble de 17 à27 étages. Les tours

peuvent être soit tubulaires, soit en treillis. Les tours tubulaires sont plus sûres pour le personnel qui doit entretenir les éoliennes étant donné qu¶il est possible degagner la nacelle par une échelle à l¶intérieur de la tour. L¶atout principal des toursen treillis est qu¶elles sont moins chères.

Les pales

Les pales du rotor captent le vent et transfèrent sa puissance au moyeu du rotor.Chaque pale d¶une éolienne de 1000kW mesure environ 27m de long, et saconception ressemble beaucoup à celle des ailes d¶un avion. La plupart des palesmodernes des grandes éoliennes sont fabriquées en plastique (polyester ou époxy)renforcé par des fibres de verre (en anglais, appelé aussi GRP - glass fibrereinforced plastics).



Les pales en cour d¶installation

Le rotor

Le rotor est composé, généralement, de 3 pales à inclinaison variable et d'autre partle collecteur/moyeu qui supporte les pales sur l'arbre. Les pales ressemblent à desailes de planeur. Elles mesurent entre 20 et 40 mètres de long. Quand le vent lesfrappe, elles tournent lentement mais dégagent beaucoup de force.

Le moyeu avec pales le moyeu sans pales

L¶arbre principal

C¶est sur ce gros bras qu¶est fixé le rotor d¶un côté et le multiplicateur de l'autre.Quand le vent fait tourner le rotor, cet arbre tourne également et entraîne tous lesautres éléments du mécanisme. Il transmet ainsi toute la force du vent.



L¶arbre principal

Le multiplicateur

Le multiplicateur multiplie la vitesse. Le rotor tourne lentement quand le ventsouffle mais transmet beaucoup de force, un peu comme un géant. La mission dumultiplicateur est d¶accélérer le mouvement et de convertir cette force en vitesse.

Car pour créer de l¶électricité, il faut que le mécanisme tourne très vite. Lemultiplicateur fonctionne un peu comme le pédalier d¶un vélo.

Quand on roule sur du plat, on pédale lentement mais en appuyant fort. Et la rouedu vélo tourne plus vite que le mouvement des jambes.

De même quand le rotor fait 22 tours en une minute, le petit bras situé à la sortie dumultiplicateur fait lui 1 500 tours en une minute! Ce dernier s¶appelle le petit bras

car son diamètre est plus petit pour permettre une multiplication, plus le diamètreest petit plus le coefficient de multiplication est grand.

Multiplicateur ouvert pignons du multiplicateur

La génératrice

La génératrice fonctionne comme la dynamo d¶un vélo : elle crée de l¶électricitéquand elle tourne. Elle est reliée au multiplicateur qui transmet la force du rotor.



La génératrice (ou l'alternateur) est généralement asynchrone. La puissanceélectrique maximale d'une éolienne moderne se situe normalement entre 600 et3000 kW.

Di sque de frei nage :

Il est déclenché à un seuil prédéterminé par un détecteur de vitesse de vent(anémomètre). Ce dispositif permet l'arrêt total de l'éolienne et pas seulement sonralentissement, ce qui assure la sécurité. Le frein est relâché lorsque le vent baissed'intensité. Le dispositif peut aussi être déclenché lorsqu'il y a un problème sur leréseau.

Sy stème d¶or i entat i on

L¶éolienne doit toujours être face au vent pour produire un maximum d¶électricité.

C¶est le rôle de ce petit moteur qui entraîne une grande roue crantée appelée «couronne ». Ce dispositif d¶orientation est opéré par le système contrôle-commandequi enregistre la direction du vent grâce aux signaux émis par la girouette. Elle ne

pivote que de quelques degrés à la fois, lorsque le vent change de direction.

L¶anémomètre

L'anémomètre mesure la vitesse du vent et transmet ses informations au système decommande. L¶ordinateur sait alors si le vent souffle suffisamment pour mettre en

route l¶éolienne ou si, au contraire, il faut la stopper parce qu¶il souffle trop fort.

La gi rouette

Comme sur le toit des maisons, la girouette indique la direction du vent. Ainsi, lesystème de commande peut orienter l¶éolienne face au vent. C¶est dans cette

position qu¶elle fonctionne le mieux.



Le transformateur

Cet appareil transforme l¶électricité produite par l¶éolienne, qui est de l¶électricité brute. Il faut en quelque sorte la filtrer et la stabiliser pour qu¶elle puisse ensuite

être distribuée aux habitants d¶une ville ou d¶un village.

7 -Energie cinétique du vent ± conversion en énergie

Mécanique

7 -1-loi de betz

Considérons le système éolien à axe horizontal sur lequel on a représenté la vitesse

du vent V1 en amont de l'aérogénérateur et la vitesse V2 en aval.En supposant que la vitesse du vent traversant le rotor est égale à la moyenne entrela vitesse du vent non perturbé à l'avant de l'éolienne V1 et la vitesse du vent après

passage à travers le rotor V2 soit

, la masse d'air en mouvement de densité

traversant la surface S des pales en une seconde est:

m=

La puissance Pm alors extraite s'exprime par la moitié du produit de la masse et deladiminution de la vitesse du vent (seconde loi de Newton) :

Pm =

Soit en remplaçant m par son expression dans Pm :

Pm =



Tube de courant autour d¶une éolienne

U

n vent théoriquement non perturbé traverserait cette même surface S sansdiminution de vitesse, soit à la vitesse V1, la puissance Pmt correspondante seraitalors :

Pmt =

Le ratio entre la puissance extraite du vent et la puissance totale théoriquement disponible estalors :

=

Si on représente la caractéristique correspondante à l'équation ci-dessus,ons'aperçoit que le ratio Pm/Pmt appelé aussi coefficient de puissance Cp présente unmaxima de 16/27 soit 0,59. C'est cette limite théorique appelée limite de Betz quifixe la puissance maximale extractible pour une vitesse de vent donnée. Cette limiten'est en réalité jamais atteinte et chaque éolienne est définie par son proprecoefficient de puissance exprimé en fonction de la vitesse relative représentantle rapport entre la vitesse de l'extrémité des pales de l'éolienne et la vitesse du vent.



Coefficient de puissance

Coefficient de puissance pour différents types d'éoliennes



8-Modélisation des pales : Bilan des forces

Bilan des forces sur une pale

Ceci représente la section longitudinale d¶une pale d¶aérogénérateur . Lavitesse du vent arrivant face à cette pale, est représenté par le vecteur V . Levecteur Vrot représente la composante de vent due à la rotation de l¶aérogénérateur.La résultante de ces deux vecteurs est appelée Vres . L¶action du vent sur la pale

produit une force Fres qui se décompose en une poussée axiale Fax directement

compensée par la résistance mécanique du mat et une poussée en direction de larotation Frot qui produit effectivement le déplacement. Chaque turbine éolienne est ainsi dimensionnée pour que cette force atteigne savaleur nominale pour une vitesse de vent nominale donnée. Lorsque la vitesse devent devient trop élevée ou si la génératrice nécessite une vitesse de rotation fixe, la

puissance extraite par l¶éolienne doit être annulée ou limitée à sa valeur nominale.

9-Sécurité

Les éoliennes possèdent différentes possibilités pour sécuriser leur fonctionnement.Les moyens sont mis en action soit de façon automatique soit de façon manuelle.Généralement, une éolienne comprend au moins deux systèmes indépendants,mécaniques et aérodynamiques qui se complètent.Ces systèmes protègent l¶aérogénérateur en limitant la puissance



(pour des vitesses de vent classiquement supérieures à 25 m/s) ou en cas de risquesd¶emballement du rotor (tempêtes etc). Ils permettent aussi de protéger les

personnes réalisant les travaux de maintenance par immobilisation du rotor.Les moyens aérodynamiques comportent :

² la mise en drapeau des pales par variation du pas ; ² la mise en rotation des extrémités de pale pour certaines machines ; ² l¶utilisation de la régulation par décrochage jusqu¶à un certain domaine devitesse ;

² un empennage (ou surface aérodynamique) qui oriente le rotor dans le lit duvent et réduit ainsi la surface offerte. Le frein mécanique sur l¶arbre secondaire esttrès largement répandu. Il permet de suppléer une défaillance éventuelle du systèmede freinage aérodynamique. Il peut être activé automatiquement par le contrôleur électronique ou manuellement par un opérateur. Cependant, pour des éoliennes de

petites ou moyennes puissances, il existe en complément différents systèmes tels

que : ² l¶abaissement du mât et du générateur ; conditions de vent (vitesses, taux deturbulence) influent sur la conception (charges extrêmes, tenue en fatigue).On s¶aperçoit donc aisément que la conception d¶une pale est en fait un procédéitératif avec de nombreux paramètres et de nombreuses contraintes. Il estindéniable que l¶apparition de logiciels de calcul évolués associés à des optimiseursfacilite grandement la tâche du concepteur.

10-Conditions d¶utilisation et durée de vie

les pales d¶une éolienne sont dimensionnées de manière à résister aux sollicitationsaérodynamiques et mécaniques, qu¶elles soient statiques ou dynamiques. D¶autresfacteurs doivent être pris en considération lors de l¶élaboration d¶une pale, commela résistance à l¶abrasion (poussières charriées par le vent, pluie, grêle), la corrosionchimique (embruns maritimes, rayonnement UV). Ces spécifications sont d¶autant

plus contraignantes que la durée de vie prévue pour une pale est de l¶ordre de vingtans. Bien évidemment, des contrôles sont effectués régulièrement pour s¶assurer del¶intégrité des pales d¶une machine, mais ces opérations peuvent se révéler

délicates dans le cas d¶installations off-shore par exemple. C¶est pourquoi, onconstate actuellement le développement de l¶application de méthodes de contrôlede santé et de maintenance prédictive à l¶aide de capteurs noyés dans les pales(jauges de déformations classiques ou par interférométrie optique).



11-Logiciels

Différents logiciels sont disponibles sur le marché pour l¶aide àl¶implantation sur site : WASP, WindPRO, WindFarm, GéoWind..

12-Avantages et inconvénients

12-1-inconvénients

La production d'énergie a lieu en fonction du vent et non de la demande. Dans lecas d'installations particulières, il est donc nécessaire de recourir au stockage ou

bien de doubler l'installation par un groupe électrogène Diesel, ce qui augmente le

coût. Dans le cas d'un couplage au réseau, les éoliennes ne pourront représenter qu'un pourcentage réduit des centrales car ce sont celles-ci qui assurent la stabilitéde la fréquence.

12-2-Avantages

Outre les nombreux avantages qu'elle partage avec les autres sources renouvelablesd'énergie, l'exploitation de l'énergie du vent présente une série d'avantages propres.

L'énergie éolienne est modulable et peut être parfaitement adaptée au capital

disponible ainsi qu'aux besoins en énergie. Il n'y a donc pas d'investissementssuperflus. Cette modularité permet aussi de maintenir en fonctionnement la plusgrande partie de l'installation lorsqu'une pièce est défectueuse.Les frais de fonctionnement sont assez limités étant donné le haut niveau defiabilité et la relative simplicité des technologies mises en oeuvre.Le prix de revient d'une éolienne va probablement diminuer dans les années àvenir suite aux économies d'échelle qui pourront être réalisées sur leur fabrication.Techniquement au point, les éoliennes sont rentables dans les régions bien

ventées.La période de haute productivité, située souvent en hiver où les vents sont plusforts, correspond à la période de l'année où la demande d'énergie est la plusimportante.



Bibliographie

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