Principaux composants d’une éolienne

Principaux composants d’une éolienne

Définition de l’énergie éolienne 

L’éolienne est une machine qui transforme l’énergie cinétique du vent (déplacement d’une masse d’air) en énergie mécanique ou électrique.
Les éoliennes sont conçues de manière à produire un maximum de puissance pour des forces des vents moyennes fréquemment rencontrées. Elles atteignent leur puissance nominale pour une vitesse du vent de 50 km/h (14 m/s). Si le vent devient plus violent, la machine subit des contraintes plus importantes. Elle est alors freinée grâce à un système de régulation électronique qui lui permet de rester à la puissance maximale, tout en limitant les efforts sur la structure. Au delà d’un certain seuil (90 km/h, soit 25 m/s), la régulation ne suffit plus. La machine est alors stoppée afin de lui éviter de subir des charges trop importantes .L’énergie éolienne est une énergie renouvelable non dégradée, géographiquement diffusée 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).

Les éoliennes à axe vertical 

Cette technologie d’éoliennes est bien adaptée aux zones de vents perturbés par des habitations et le relief de la végétation. Elles peuvent aisément s’intégrer à l’architecture des bâtiments et sont d’une conception très simple.
Le principe aérodynamique permet de bon rendement pour des vitesses de vent faible, une autorégulation de vitesse pour les vents forts et un niveau sonore très faible voir inaudible. Par contre, elles ne conviennent pas pour la conversion de grandes puissances.
Suite aux recommandations récentes en matière de production de l’énergie électrique par des sources renouvelables, ces structures connaissent un fort regain d’intérêt pour des applications, à petite et moyenne puissances, en milieu urbain.
Il existe principalement des technologies VAWT (Vertical Axis Wind Turbine) : les turbines Darrieus classiques, à pâles droites (H-type) et la turbine de type Savonius. Dans tous les cas, les voilures sont à deux ou plusieurs pâles. Outre le caractère vertical de leur axe de rotation, ces aérogénérateurs peuvent être classés selon leur principe de fonctionnement aérodynamique. Ainsi, contrairement aux éoliennes à axe horizontal qui utilisent uniquement la force de portance, les éoliennes à axe vertical de type Savonius utilisent la force de trainée  et celles de type Darrieus reposent sur l’effet de portance subi par un profil soumis à l’action d’un vent relatif ; cet effet est similaire aux forces qui s’exercent sur l’aile d’un avion .

Les éoliennes à axe horizontal 

Ces machines sont les descendantes directes des moulines à vent. Ces machines présentent généralement un nombre de pâles compris entre 1 et 3 et peuvent développer des puissances élevées .Deus types de configuration peuvent être rencontrés : Les éoliennes « amont », sur les quelles les palles sont situées du coté de la tour expose au vent et inversement l’éolien « aval ».
Chaque configuration possède des avantages et des inconvénients :
La formule « amont » requiert des pâles rigides pour éviter tout risque de collision avec la tour alors que la configuration « aval » autorise l’utilisation de rotors plus flexibles. par ailleurs, dans le cas d’une machine « amont », L’écoulement de l’air sur les pâles est peu perturbé par la présence de la tour.
L’effet de masque est plus important dans le cas d’une machine « aval ». Enfin, une machine «aval» est théoriquement auto-orientable dans le lit du vent, alors qu’une éolienne « amont » doit généralement être orientée a l’aide d’un dispositif spécifique. on constate néanmoins que la majeure partie des éoliennes de grande puissance adoptent la configuration « amont » .

Avantages et inconvénients de l’énergie éolienne 

Avantages :
La croissance de l’énergie éolienne est évidemment liée aux avantages de l’utilisation de ce type d’énergie:
C’est une énergie renouvelable, c’est-à-dire que contrairement aux énergies fossiles, les générations futures pourront toujours en bénéficier
L’énergie éolienne n’est pas non plus une énergie à risque comme l’énergie nucléaire et ne produit évidemment pas de déchets radioactifs dont on connait la durée de vie.
L’exploitation de l’énergie éolienne n’est pas un procédé continu puisque les éoliennes en fonctionnement peuvent facilement être arrêtées, contrairement aux procédés continus de la plupart des centrales thermiques nucléaires.
C’est une source d’énergie locale qui répond aux besoins locaux en énergie. Ainsi les pertes en lignes dues aux longs transports d’énergie sont moindres.
Les inconvénients :
L’énergie éolienne possède aussi des désavantages qu’il faut citer :
L’impact visuel, cela reste néanmoins un thème subjectif.
Le bruit : il a nettement diminué, notamment le bruit mécanique qui a pratiquement disparu grâce aux progrès réalisés au niveau du multiplicateur. Le bruit aérodynamique quant à lui est lié à la vitesse de rotation du rotor, et celle -ci doit donc être limitée.
Le coût de l’énergie éolienne par rapport aux sources d’énergie classiques : bien qu’en terme de coût, l’éolien puissant sur les meilleurs sites, c’est à dire là où il y a le plus de vent, est entrain de concurrencer la plupart des sources d’énergie classique, son coût reste encore plus élevé que celui des sources classiques sur les sites moins ventés .

Description d’un modèle d’éolienne de machine asynchrone à double alimentation 

Les turbines à vent utilisées pour la génération de l’électricité sont généralement des machines rapides à deux ou trois pales. Dans notre travail étudie La turbine entraine la MADA via un multiplicateur. La MADA restitue une partie de la puissance directement au réseau via le stator et l’autre partie par le rotor via des convertisseurs qui permettent la commande de la machine qui ont les avantages suivants:
A diamètre égal les éoliennes rapides sont plus légères et donc moins coûteuses que les éoliennes lentes.
La boite des éoliennes rapides est plus légère puisque le rapport de réglage de vitesse nécessaire est plus faible.
Même si le couple de démarrage des éoliennes rapides est faible, il est pour conduire le générateur en rotation.
Le générateur asynchrone semble être le plus bon marché et représenter la solution la plus efficace pour raisons suivantes :
Sa conception n’est pas très coûteuse.
Son démarrage est facile.
Sa connexion au réseau est simple.

 

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Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Etat de l’art des génératrices l’éolienne
Introduction
I.1. Définition de l’énergie éolienne
I.2. Historique d’ une éolienne
I.3. Principaux composants d’une éolienne
I.3.1. Mât
I.3.2. Nacelle
I.3.3. Rotor
I.3.3.1. Moyeu
I.3.3.2. Pales
I.4. Anémomètre et la girouette
I.5. Différents types d’éoliennes
I.5.1. Eoliennes à axe vertical
I.5.1.1. Rotor de Darrieus
I.5.1.2. Rotor de Savonnius
I.5.2. Eoliennes à axe horizontal
I.6. Application des éoliennes
I.6.1. Systèmes isolés
I.6.2. Systèmes hybrides
I.6.3. Systèmes liés au réseau
I.7.Mode d’exploitation des énergies éoliennes
I.7.1. Fonctionnement à vitesse fixe
I.7.2.Fonctionnement à vitesse variable
I.8. Types des machines électriques utilisées dans les systèmes éoliens
I.8.1.Machine synchrone
I.8.1.1. Machines synchrones à électroaimants
I.8.1.2.Machines synchrones à aimants permanents ou « MSAP »
I.8.2.Machine asynchrone
I.8.2.1. Machine asynchrone à cage d’écureuil
I.8.2.2. Machines asynchrones à double alimentation (MADA)
I.8.2.3. Machine asynchrone à double stator
I.9. Avantages et inconvénients de l’énergie éolienne
I.9.1.Avantages
I.9.2. Inconvénients
Conclusion
Chapitre II : Notion théorique d une éolienne
Introduction
II.1.Caractérisation du vent
II.1.1.Origine du vent
II.1.2.Direction et vitesse du vent
II.1.3.Variation temporelle de la vitesse moyenne du vent en Algérie
II.1.4.Atlas de la vitesse du vent en Algérie
II.1.5.Distribution de Weibull
II.1.6.Distribution de Rayleigh
II.1.7.Rose des vents
II.2.Description de l’aérodynamique d’un profil
II.2.1.Action d’une pale d’éolienne
II.2.2.Bilan des forces sur une pale
II.2.3. Coefficient de la portance et la trainée
II.2.4.Méthode de contrôle au niveau de la turbine
II.2.5.Contrôle par décrochage aérodynamique passif « Passive Stall »
II.2.6.Contrôle par décrochage aérodynamique actif « Active Stall »
II.2.7.Contrôle par angle de calage variable « Pitch Control »
II.2.8.Zones de fonctionnement de l’éolienne
II.3.Potentiel énergétique éolien
II.3.1.Coefficient de Puissance
II.3.2.Couple produit par l’éolienne
II.3.3.Coefficient de vitesse réduite
II.3.4.Théorème de Betz
Conclusion
Chapitre III : Modélisation du système de conversion d’énergie éolienne
Introduction
III.1.Choix d’une grande éolienne
III.2. Description d’un modèle d’éolienne de machine asynchrone à double alimentation
III.4. Modélisation de la turbine éolienne
III.4.1.Hypothèses simplificatrices pour la modélisation mécanique de la turbine
III.4.2. Modèle de la Turbine
III.4.3. Modèle du Multiplicateur
III.4.4. Equation dynamique de l’arbre
III.5. Synthèse des différents régulateurs
III.6. Régulateur PI de vitesse
III.7.Modélisation du système d’orientation des pales (PITCH)
III.7.1.Généralité
III.7.2. Description des étapes de la modélisation du PITCH
III. 7.2.1. Génération de l’angle de référence
III.7.2.2. Réglage de l’angle d’orientation
III.7.2.3. Régulation de la vitesse de variation de l’angle d’orientation
III.7.2.4.Régulateur PI de l’angle d’orientation
Conclusion
Chapitre IV : Simulation et résultats du système
Introduction
IV.1. Présentation de Simulink
IV.2. Modèle de la turbine
IV .2.1. Relation du coefficient de puissance avec l’angle de calage et la vitesse relative
IV.2.1.1. Coefficient de puissance en fonction de la vitesse réduite λ
IV.2.1.2.Coefficient de couple en fonction de la vitesse du vent
IV.3. Représentation du modèle de l’arbre de l’éolienne
IV.4. Conception du correcteur de la vitesse
IV.4.1. Résultats de simulations
IV.4.1.1. Courbe de puissance optimale
Conclusion
Conclusion générale
Références bibliographique

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