etat de l'art des sysémes eoliens
TRANSCRIPT
5/9/2018 etat de l'art des sys mes eoliens - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/etat-de-lart-des-sysemes-eoliens 1/19
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.
5/9/2018 etat de l'art des sys mes eoliens - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/etat-de-lart-des-sysemes-eoliens 2/19
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.
5/9/2018 etat de l'art des sys mes eoliens - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/etat-de-lart-des-sysemes-eoliens 3/19
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.
5/9/2018 etat de l'art des sys mes eoliens - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/etat-de-lart-des-sysemes-eoliens 4/19
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
5/9/2018 etat de l'art des sys mes eoliens - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/etat-de-lart-des-sysemes-eoliens 5/19
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.
5/9/2018 etat de l'art des sys mes eoliens - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/etat-de-lart-des-sysemes-eoliens 6/19
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.
5/9/2018 etat de l'art des sys mes eoliens - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/etat-de-lart-des-sysemes-eoliens 7/19
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.
5/9/2018 etat de l'art des sys mes eoliens - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/etat-de-lart-des-sysemes-eoliens 8/19
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).
5/9/2018 etat de l'art des sys mes eoliens - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/etat-de-lart-des-sysemes-eoliens 9/19
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.
5/9/2018 etat de l'art des sys mes eoliens - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/etat-de-lart-des-sysemes-eoliens 10/19
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.
5/9/2018 etat de l'art des sys mes eoliens - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/etat-de-lart-des-sysemes-eoliens 11/19
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.
5/9/2018 etat de l'art des sys mes eoliens - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/etat-de-lart-des-sysemes-eoliens 12/19
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 =
5/9/2018 etat de l'art des sys mes eoliens - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/etat-de-lart-des-sysemes-eoliens 13/19
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.
5/9/2018 etat de l'art des sys mes eoliens - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/etat-de-lart-des-sysemes-eoliens 14/19
Coefficient de puissance
Coefficient de puissance pour différents types d'éoliennes
5/9/2018 etat de l'art des sys mes eoliens - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/etat-de-lart-des-sysemes-eoliens 15/19
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
5/9/2018 etat de l'art des sys mes eoliens - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/etat-de-lart-des-sysemes-eoliens 16/19
(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).
5/9/2018 etat de l'art des sys mes eoliens - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/etat-de-lart-des-sysemes-eoliens 17/19
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.
5/9/2018 etat de l'art des sys mes eoliens - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/etat-de-lart-des-sysemes-eoliens 18/19
Bibliographie
. Références de l¶article[1]
EDF et IGN. ± Carte des vents pour la France.
Direction des Études et Recherches et Directionde l¶équipement (1980).[2] VADOT (L.). ± É tude synoptique des différents
types d¶éoliennes.
La houille blanche, marsavril1957.[3]
SAVONIUS. ± Brevet français no601.266 du23 juil. 1925.[4]
DARR I
EU
S. ± Brevet français n O 604.390 du 9 oct. 1925.[5]
TEMPLI N (R.J.). ± Aerodynamic performance
theory for the NCR vertical axis wind turbine.
Rapport LTR LA 160 du Conseil National deRecherches du Canada, Ottawa, juin 1974.[6]
STR ICKLAND (J.M.). ± A performance prediction
model for the Darrieus turbine.1stIntern.Symp. Wind Energy Systems, éd. BHRA,Cranfield, England (1976).[7]