Soutenance mémoire
Etat de l’art dans la conversion d’énergie éolienne
L’installation et l’exploitation d’un site éolien ne sont pas une affaire personnelle. Elle repose sur le respect de quelques critères. Le site d’implantation doit se trouver en dehors d’un couloir de migration et loin d’un site de reproduction d’oiseaux. Il y a aussi des exigences environnementales nécessitant des permis de construire, l’étude d’impact et surtout la consultation du public. On doit aussi minimiser les bruits. On prend une distance minimale à la résidence la plus proche de 50[m] pour les petites éoliennes. Il faut tenir compte de l’esthétique sur l’impact visuel : tour tubulaire, design, enfouissement des lignes hautes tensions et envisager une perspective pour le tourisme car les parcs éoliens attirent les visiteurs.
Eléments constitutifs principaux d’une éolienne
Aéromoteurs
Ils assurent la conversion de l’énergie éolienne en énergie mécanique. Ils sont constitués par l’ensemble turbine éolienne – générateur électrique. On distingue les turbines éoliennes à axe horizontal multipales (à vitesse lente), bipale ou tripale (à vitesse rapide), celles à axe vertical de type Savonius, Darrieus,…
Un multiplicateur mécanique est nécessaire car la vitesse nominale des générateurs électriques est souvent élevée. Les turbines peuvent aussi être à pas (ou calage) variable quand l’orientation de la pale par rapport au moyeu se modifie pendant le fonctionnement. Les éoliennes de puissance inférieure à 15kW sont généralement dépourvues de boîte de vitesse (multiplicateur).
L’empennage est un système qui permet d’orienter la tête de l’éolienne par rapport à la direction du vent et de freiner l’éolienne lorsque le vent est trop fort et risque de l’abîmer.
Le choix des générateurs électriques repose sur plusieurs facteurs :
– la puissance nominale,
– les modalités d’utilisation (en site isolé, connecté à un réseau rigide,…),
– la nature de la charge,
– les paramètres de l’énergie électrique à fournir.
Les types de générateurs électriques utilisés dans la conversion de l’énergie éolienne sont :
– les génératrices à courant continu à aimant permanent,
– les génératrices synchrones à aimant permanent,
Ces deux types de machines sont utilisés pour des éoliennes de faible puissance et accompagné d’un circuit d’électronique de puissance pour l’optimisation du régime de conversion éolienne – électrique et la fourniture des paramètres (tension et fréquence) à transmettre à la charge.
– les génératrices synchrones classiques connectées à un réseau rigide,
Elles sont utilisées dans les éoliennes de grande puissance de l’ordre de MW, associé avec un régulateur automatique de tension et un aéromoteur à pas variable,
– les génératrices asynchrones pour toutes gammes de puissance.
Ces dernières sont soit des génératrices asynchrones à cage à nombre de pôles réglable pour augmenter le rendement, associé à des batteries de condensateurs, soit des génératrices asynchrones à rotor bobiné en cascade hyposynchrone ou hypersynchrone.
Tour
Pour les petites éoliennes, on utilise des tuyaux en section d’une hauteur supérieure ou égale à 18m , haubanés qui sont moins chers mais produisent du bruit élevé. Tandis que pour les grandes éoliennes, on utilise soit des mâts autoportants tubulaire et conique (sans hauban) qui sont chers mais élégants, soit des treillis métalliques esthétique monotube (Echelle à l’intérieur pour accéder à la nacelle lors des services d’entretien). La hauteur dépasse les 30m .
Fondations
Les fondations sont solides surtout pour les grandes éoliennes. Elles sont dosées à environ 400t de ciment, de forme ronde ou carrée (ou étoile pour économiser du ciment). La mise à la terre doit être bien faite. Généralement, le transformateur se trouve au pied de la tour ou à son côté.
Principe de fonctionnement d’une éolienne
A la hauteur de la nacelle souffle un vent de vitesse v . Tant que cette vitesse est inférieure à la vitesse de démarrage, les pales sont en drapeau (leur surface est perpendiculaire à la direction du vent) et le système est à l’arrêt.
Une fois la vitesse de démarrage atteinte, le système de contrôle commande renseigné par les anémomètres et girouette agit sur les moteurs de rotation de la nacelle pour mettre celle-ci face au vent. Dans le même temps, le système de contrôle commande via le système hydraulique, pour une éolienne à pas variable, fait pivoter les pales autour de leur axe selon l’angle d’incidence approprié à la vitesse du vent ; le système commence à tourner. Une puissance P est alors captée et transmise aux pertes près et à une vitesse plus élevée au générateur, via l’arbre lent et le multiplicateur. Cette puissance mécanique va enfin être convertie en énergie électrique grâce à la machine.
On distingue alors deux cas, soit l’éolienne est raccordée au réseau (directement ou via un ensemble de convertisseurs statiques), soit elle alimente en autonome une charge isolée, à travers ou non des convertisseurs statiques. Pour toute vitesse comprise entre Vseuil et Vmax , l’éolienne est en fonctionnement normal et l’angle l’incidence des pales est régulé. Une fois la vitesse maximale atteinte, on limite l’énergie convertie et donc les performances de l’éolienne en utilisant les différents freins, en premier les freins aérodynamiques puis les freins à disques.
Le point de fonctionnement de l’éolienne dépend des caractéristiques de la charge qu’elle entraîne. Pour maintenir un fonctionnement optimum, il faut que la charge ait une caractéristique puissance/vitesse cubique très étendue, c’est-à-dire sur une large plage de vitesse. En général, on se fixe une vitesse de conception appelée «desing wind speed » pour laquelle le rendement est optimal.
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Table des matières
INTRODUCTION
Chapitre 1 La Compagnie Salinière de Madagascar
1.1 Présentation
1.1.1 Introduction
1.1.2 Historique de la Compagnie Salinière de Madagascar
1.1.3 Organigramme
1.1.4 Les produits issus des Salines de Diego
1.1.4.1 Les sels alimentaires
1.1.4.2 Les sels industriels
1.1.4.3 Les autres produits
1.1.5 L’environnement d’une saline
1.1.6 La production du sel de mer
1.1.6.1 De la gestion de l’eau de mer à la récolte
1.1.6.2 La récolte
1.1.7 Les outils et moyens
1.2 Caractéristiques techniques
1.2.1 L’énergie électrique
1.2.1.1 Les lignes
1.2.1.2 Les charges
1.2.1.3 Les postes de transformations
1.2.2 Initiative éolienne
Chapitre 2 Etat de l’art dans la conversion d’énergie éolienne
2.1 Introduction
2.2 Eléments constitutifs principaux d’une éolienne
2.2.1 Aéromoteurs
2.2.2 Aérogénérateurs
2.2.3 Tour
2.2.4 Fondations
2.3 Principe de fonctionnement d’une éolienne
2.4 Principe de régulation
2.5 Calculs des différents paramètres caractéristiques d’une éolienne
2.5.1 Caractéristiques de couple et de puissance des éoliennes
2.5.2 Puissance cinétique totale du vent à travers un disque éolien de surface
2.5.3 Calcul de la puissance extraite par une turbine
2.5.4 Caractéristiques de répartition de la vitesse du vent
2.5.5 Caractéristique spectrale du vent comme processus aléatoire
2.5.6 Estimation de la puissance moyenne récupérée par une éolienne
2.5.7 Choix et vérification de la puissance nominale d’une turbine éolienne pour un site donné
2.5.8 Caractérisation de site éolien
2.6 Les machines électriques utilisées dans la conversion de l’énergie éolienne
2.6.1 Générateurs à induction
2.6.2 Générateurs synchrones à aimant permanent
2.6.2.2 Génératrice discoïde à attaque directe
2.6.3 Machine à flux axial à aimant permanent
2.6.4 Machine à réluctance variable à double saillance
2.6.5 Génératrices à courant continu
Chapitre 3 Modélisation des éléments du système
3.1 Introduction
3.2 Modèle de connaissance
3.2.1 Réseau électrique
3.2.2 Lignes électriques
3.2.3 Transformateurs
3.2.4 Charges
3.2.5 Centrale
3.3 Modèles de comportement
3.3.1 Lignes électriques
3.3.2 Transformateurs
3.3.3 Charge
3.3.4 Modélisation dynamique de la turbine éolienne et de la charge
3.3.5 Modèles de générateurs éoliens
3.4 Modèle statique de la machine asynchrone
3.4.1 Fonctionnement en moteur
3.4.2 Fonctionnement en génératrice
3.5 Modélisation du vent comme processus aléatoire
3.5.1 Répartition statistique du vent
3.5.2 Modélisation du vent à partir d’un fichier de mesures
3.5.3 Modélisation du vent à partir d’un bruit blanc
Chapitre 4 Description du simulateur du GREAH
4.1 Les simulateurs éoliens du GREAH
4.1.1 Simulateur de turbine éolienne
4.1.1.1 Description
4.2 Simulateur de l’aérogénérateur complet
4.2.1 Réalisation d’un élément dérivateur pour la simulation en temps réel du système éolien
4.2.2 Synthèse des lois de commande des boucles d’asservissement du simulateur
Chapitre 5 Synthèse des lois de commande, critères de performance et étude des régimes de fonctionnement
5.1 Variante retenue : machines asynchrones à cage d’écureuil
5.2 Synthèse des lois de commande
5.2.1 Objectif de la commande
5.2.2 Problèmes de la commande
5.2.3 Stratégies et lois de commande
CONCLUSION
