DIMENSIONNEMENT D’UNE EOLIENNE DE POMPAGE

INTRODUCTION

                L’énergie est un enjeu fondamental du développement durable car elle se situe à l’interface de ses trois piliers que sont le développement économique, le développement social et la protection de  l’environnement (en lien direct avec les émissions de gaz à effet de serre et le changement climatiques). D’autre part, la forte dépendance énergétique de Madagascar envers les énergies fossiles importées le rend vulnérable par rapport aux fluctuations des cours internationaux alors que leur approvisionnement peut également être interrompu ou limité en cas de crise. Cependant avec la diminution du stock mondial d’hydrocarbure, la demande énergétique sans cesse croissante, la crainte d’une pollution de plus en plus envahissante et du réchauffement de la planète à cause de l’émission des gaz à effet de serre, les énergies renouvelables et en particuliers les éoliennes reviennent au premier plan de l’actualité. (A titre de justification L’engagement 2 défis 5 du Madagascar Action Plan (MAP) dont l’une des objectifs est la promotion des sources d’énergies renouvelables notamment solaire, éolienne et hydraulique afin de réduire la dépendance aux produits pétroliers). Ici, dans cette étude intitulée « Dimensionnement d’une éolienne de pompage : exemple du site de Mantasoa Antananarivo » nous allons essayer de mettre au point un outil standard qui permet de déterminer les différentes caractéristiques d’une éolienne de pompage pour un site donné. Pour ce faire, nous diviserons cette étude en trois chapitres. Tout d’abord, la première partie est consacrée à quelques rappels théoriques où nous allons étudier le fonctionnement et les différents paramètres mis en jeu pour une éolienne de pompage. Dans la deuxième partie, nous allons déterminer les différentes caractéristiques mécanique et technique d’une installation. La troisième partie est consacrée à la programmation suivie d’une illustration pratique.

Différents types d’éoliennes

               Les éoliennes sont classées en deux groupes principaux selon la position de leurs axes de rotation :
-éoliennes à axe vertical
Exemple : Savonius, Darrieux
-éoliennes à axe horizontal
Exemple : les multipales américaines (éolienne de pompage), les tripales, les bipales (aérogénérateur)

FONCTIONNEMENT

Hélice Constituée par des pales en tôle galvanisées de 1mm d’épaisseur, fixées sur deux armatures circulaires rigides dont les rayons sont vissés sur le moyeu. Elle reçoit l’énergie cinétique du vent et la transforme en énergie mécanique utilisable pour le pompage de l’eau.
Mécanisme de transmission C’est l’ensemble qui transforme le mouvement de rotation de l’hélice en mouvement vertical alternatif par système bielle manivelle
Pompe à piston Elle sert à remonter l’eau du puits dans un réservoir
Dispositif de régulation Il permet à la roue de s’effacer lors des coups de vents.
Pylône Il a pour fonction de supporter et de mettre en hauteur l’éolienne.

PUISSANCE UTILE

                    En pratique, la puissance utile d’une éolienne est inférieure à la puissance maximale captable. Ceci est du au fait qu’il y a plusieurs étapes de conversion d’énergie, chacune avec un rendement propre. (éolienne-mécanique, mécanique-hydraulique ou mécanique-électrique…) De plus, tous les organes ne sont pas à leur rendement maximum en même temps, ce qui réduit encore le rendement global.

SYSTEME DE REGULATION

               Quel que soit le type d’éolienne, il est nécessaire pour éviter sa destruction lorsque les vents sont trop violents qu’il soit équipé d’un système permettant de diminuer les contraintes mécaniques sur la machine. Pour une éolienne de pompage, le système le mieux adapté est le système de régulation à pales fixes et à empennage articulé.
Fonctionnement : Lorsque la vitesse du vent augmente, la surface de l’hélice offerte au vent diminue du fait de l’augmentation de la poussée axiale et de l’excentricité de l’axe de rotation de l’hélice et de l’ensemble. Des que la vitesse du vent diminue, un ressort d’équilibrage permet à l’hélice de revenir à sa position initiale

CONCLUSION

                Dans cette étude, nous avons élaboré un programme de calcul pour le dimensionnement d’une éolienne de pompage. Ce programme permet pour un site donné de déterminer rapidement les paramètres caractéristiques et les dimensions des éléments constitutifs principaux d’une éolienne de pompage. Dans une première étape, après quelques rappels théoriques, nous avons étudié une à une chaque partie du système de pompage. Pour le choix du type à adopter, nous avons considéré la possibilité de réalisation à partir des matériaux locaux. Notre choix s’est orienté sur un type d’éolienne multipale à axe horizontal muni d’un réducteur de vitesse à engrenage, de système de régulation de couple résistant et d’un système d’effacement à ressort. Dans une deuxième étape, nous avons calculé les pales à partir d’une étude aérodynamique. Pour la pompe à piston, nous avons simplement montré le principe de fonctionnement, car afin de réduire le risque d’erreur au niveau des calculs, nous nous somme référé à des caractéristiques de pompes préfabriquées. Au niveau des éléments du mécanisme de transmission, les calculs sont basés d’une part en considérant le mode de fonctionnement et d’autre part le critère de résistance. Dans la troisième étape, nous avons consacré notre étude à la programmation. Nous avons choisi le langage Visual Basic qui est plus ou moins facile à utiliser et qui permet de concevoir une interface utilisateur. Le programme est composé de deux modes de calcul : le premier consiste à calculer une estimation préliminaire de tous les paramètres et le second permet de calculer indépendamment chaque partie du mécanisme. Des améliorations sont toutefois nécessaires tant sur l’étude théorique que sur la programmation. En effet, dans le calcul d’une station de pompage par éolienne, comme dans tout système utilisant des ressources naturelles, il faut toujours rechercher une adéquation entre les ressources disponibles et les besoins exprimés. Des critères fondamentaux doivent être respectés dans cette adéquation à savoir les besoins qui ne doivent pas être supérieurs aux ressources disponibles et les limites qu’il ne faut pas dépasser pour éviter le risque de ne plus avoir renouvellement de ces ressources. Au niveau programmation, il est souhaitable de faire une étude très poussée en incluant dans le programme une base de donnée sur les matériaux locaux et ses caractéristique mécanique afin de pouvoir à la fois dimensionner l’éolienne est d’estimer le devis estimatifs des matériaux connaissant les prix sur le marché. Bref, cette étude doit être améliorée car sa réalisation pourrait solutionner le problème d’approvisionnement en eau potable dans plusieurs régions à forte potentielle éolienne sans recourir à l’utilisation de l’énergie électrique.

Table des matières

REMERCIEMENTS
NOMENCLATURE
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES ANNEXES
INTRODUCTION
Chapitre I : ETUDE THEORIQUE
1-1- GENERALITE
1-1-1- Définition
1-1-2-Différents types d’éoliennes
1-1-3-Avantage et inconvénient de chaque type
1-2-UTILISATION DE L’ENERGIE EOLIENNE POUR LE POMPAGE DE L’EAU
1-2-1-Introduction
1-2-2-Configuration d’une station éolienne de pompage
1-2-3-Type d’éolienne utilisée
1-2-4-Energie éolienne
1-2-5-Variation de la vitesse du vent avec l’altitude par rapport au sol
1-3-DESCRIPTION D’UNE EOLIENNE DE POMPAGE
1-4-FONCTIONNEMENT
Chapitre II : DETERMINATION DES CARACTERISTIQUES DE L’EOLIENNE
2-1- PUISSANCE HYDRAULIQUE FOURNIE PAR LA POMPE
2-1-1-Hauteur manométrique totale
2-1-2-Puissance hydraulique
2-2-PUISSANCE UTILE
2-3-DIAMETRE DE L’EOLIENNE
2-4- CALCUL DES PALES
2-4-1-Nombre de pale
2-4-2-Portance et traînée
2-4-3-Action aérodynamique totale
2-4-4-Relation de base pour le calcul de la largeur des pâles
2-4-5-Détermination de h et k
2-4-6-Variation des coefficients de portance et de traînée en fonction de l’angle d’incidence
2-5-CARACTERISTIQUES MECANIQUES
2-5-1-Poussée Axiale et couple moteur
2-5-2-Coefficient de poussée axiale, coefficient de moment et coefficient de puissance
2-5-3-Vitesse de rotation optimale
2-6- POMPE
2-6-1-Types de pompes utilisables
2-6-2- Fonctionnement de la pompe
2-6-3- Paramètres hydrauliques de la pompe
2-7-DETERMINATION DES CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT
2-7-1-Détermination du rapport de réduction optimal
2-7-2-Mécanisme de transmission
2-7-3-Influence du mécanisme utilise sur le démarrage
2-8-REGULATION DU COUPLE RESISTANT
2-9-SYSTEME D’ORIENTATION
2-10-SYSTEME DE REGULATION
2-10-2- Principe de calculs
2-11- DIMENSIONNEMENT DES ELEMENTS MECANIQUES PRINCIPAUX
2-11-1-Diamètre de l’arbre du rotor
2-11-2- Diamètre de la tige de commande
2-11-3- Section de la bielle
Chapitre III : PROGRAMMATION
3-1-ORGANIGRAMME
3-1-1- Diamètre de l’éolienne
3-1-2- Calcul des pales
3-1-3- Calcul des caractéristiques mécaniques
3-2- METHODE DE SIMPSON
3-2-1-Principe
3-2-2-Organigramme de la méthode de Simpson
3-3-APPLICATION DU PROGRAMME
3-3-1 Détermination du diamètre de l’éolienne
3-3-2 Calcul des pales
3-3-3 Calcul des caractéristiques mécaniques
3-3-4 Calcul des éléments mécaniques
3-3-5- Résultats
CONCLUSION
ANNEXE
BIBLIOGRAPHIE

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