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ETAT DE L’ART SUR LES SYSTEMES A EOLIENNES
L’énergie éolienne est une forme d’énergie très ancienne dans l’histoire de l’humanité. Elle a été exploitée sous forme d’énergie mécanique pour les bateaux à voiles et les moulins à vent. La technologie des capteurs éoliens n’a cessé d’évoluer. Par ailleurs, deux grandes technologies sont utilisées pour capter l’énergie du vent :
❖ Capteur à axe vertical ;
❖ Capteur à axe horizontal.
La conversion de l’énergie mécanique en énergie électrique nécessite de nombreux dispositifs par le biais des génératrices, pour la plupart, soit des machines asynchrones, soit des machines synchrones.
Descriptif de l’énergie éolienne
Définition de l’énergie éolienne
L’énergie éolienne résulte de la transformation d’une partie de l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique disponible sur un arbre de transmission puis en énergie électrique par l’intermédiaire d’une génératrice au moyen d’un dispositif appelé aérogénérateur, plus couramment appelé 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 fait partie des nouveaux moyens de production d’électricité décentralisée proposant une alternative viable aux sources de production traditionnelles sans pour autant prétendre les remplacer étant donné que l’ordre de grandeur de la quantité d’énergie produite étant largement plus faible. Les installations peuvent être réalisées sur terre, mais également de plus en plus en mer (fermes éoliennes offshores) où la présence du vent est plus régulière. De plus, les éoliennes sont ainsi moins visibles et occasionnent moins de nuisances sonores. Une installation éolienne n’occupe q’ un espace très réduit de la surface totale du site d’implantation, elle permet d’exercer des activités industrielles et agricoles. Leurs nuisances sonores sont de plus relativement faibles. En effet, selon l’ADEME, le niveau sonore d’une éolienne est de 50dB à 150 mètres et devient imperceptibleau-delà de 400 mètres. Dans la plupart des cas, le bruit du vent est supérieur à celui engendré par l’éolienne.
Constitution d’une éolienne
Il existe plusieurs configurations d’éolienne mais en général, elle est constituée de trois éléments principaux : le mât ou la tour, la nacelle et le rotor .
La tour ou le mât
Son rôle est d’une part de supporter l’ensemble (rotor/nacelle) pour éviter que les pales ne touchent le sol, mais aussi de placer le rotor à une hauteur suffisante de manière à sortir autant que possible le rotor du gradient de vent qui existe à proximité du sol, améliorant ainsi la captation de l’énergie. Certains constructeurs proposent ainsi différentes hauteurs de tour pour un même ensemble (rotor/nacelle) de manière à s’adapter au mieux à différents sites d’implantation. Elle est en général tubulaire ou en treillis. Une tour tubulaire offre plusieurs avantages : elle est visible même à une certaine distance les oiseaux peuvent l’identifier et la considèrent comme un obstacle à éviter. De plus, en glissant sur la tour, le vent émet un son moins fort que sur une tour en treillis. Une échelle placée à l’intérieure offre une meilleure sécurité pour le personnel.
Le rotor
Il constitue la partie mobile du système. Il est formé par des pales et du moyeu permettant de transformer l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique. C’est le moyeu qui le relie à la nacelle. Le moyeu est souvent protégé par une coque en polyester en forme d’obus qui lui donne une forme aérodynamique. Les pâles sont montées sur son axe et captent la puissance donnée par la force du vent. Elles sont caractérisées par leur forme géométrique avec laquelle vont dépendre les performances aérodynamiques et les matériaux qui les constituent. Les matériaux composites tels que les fibres de verre et plus récemment les fibres de carbone sont très utilisés, car ils allient légèreté et bonne résistance mécanique. L’augmentation du diamètre du rotor va accroître la masse des pales leur nombre varie de 1 à 3 pour les éoliennes conçues pour produire de l’électricité. Il a une influence directe sur l’efficacité de la conversion de l’énergie, plus il est plus élevé, plus le plus le couple transmis à l’arbre du rotor sera grand. Le rotor tripale est très utilisé sur le fait qu’il offre un bon compromis entre le coût, le comportement vibratoire, la pollution visuelle et le bruit.
La nacelle
La nacelle comprend tous les éléments mécaniques qui permettent de transformer l’énergie mécanique qui est produite par la rotation des pales en énergie électrique.
Le multiplicateur sert à adapter la vitesse de la turbine éolienne à celle de la génératrice électrique. Le système de refroidissement : se compose généralement d’un ventilateur électrique utilisé pour refroidir la génératrice, et d’un refroidisseur à l’huile pour le multiplicateur. La génératrice électrique est l’élément principal de la conversion mécano-électrique qui est généralement une machine synchrone, asynchrone à cage ou à rotor bobiné. La puissance électrique de cette génératrice peut varier entre quelques kW à 10 MW. Le système de commande contrôle en permanence le bon fonctionnement de l’éolienne et qui intervient automatiquement, en cas de défaillance pour l’arrêter. L’arbre relie le moyeu au multiplicateur, il contient un système hydraulique permettant le freinage aérodynamique en cas de besoin. Le système d’orientation des pâles sert à la régulation de la puissance (réglage aérodynamique). Un anémomètre et girouette situés sur le toit de la nacelle fournissent les données nécessaires au système de contrôle pour orienter l’éolienne et la déclencher ou l’arrêter selon la vitesse du vent.
Différents types d’éoliennes
On distingue deux grands types d’éoliennes :
❖ éoliennes à axe verticale ;
❖ éoliennes à axe horizontale.
Eoliennes à axe verticale
Les éoliennes à axe vertical ont été les premières structures développées pour produire de l’électricité. Elles possèdent l’avantage d’avoir les organes de commande et le générateur au niveau du sol donc facilement accessible pour la maintenance. L’axe de rotation de ce type de turbine est vertical par rapport au sol et perpendiculaire à la direction du vent ; il peut recevoir le vent de n’importe quelle direction, ce qui rend inutile tout dispositif d’orientation. Cependant, les vents sont faibles à proximité du sol, ce qui induit un moins bon rendement, car l’éolienne subit les turbulences du vent. De plus, certaines de ces éoliennes doivent être entraînées au démarrage et le mât, souvent très lourd, subit de fortes contraintes mécaniques. De nombreuses variantes technologies ont été testées dont seulement deux structures sont parvenues au stade de l’industrialisation, le rotor de Savonius et le rotor de Darrieus.
❖ le rotor Savonius, son fonctionnement est basé sur le principe de trainée différentielle : le vent exerce sur chacune des faces d’un corps creux des efforts d’intensités différents, il en découle alors un couple moteur entrainant la rotation de l’ensemble.
❖ le rotor de Darrieus est basé sur le principe de la variation cyclique d’incidence. Un profil, placé dans un écoulement d’air selon différents angles, est soumis à des forces d’intensités et de directions variables. La résultante de ces forces génère alors un couple moteur entraînant la rotation du dispositif. Ces forces sont créées par la combinaison de la vitesse propre de déplacement du profil et de la vitesse du vent. Cela signifie que la rotation du dispositif ne peut pas s’amorcer d’elle même. Lorsqu’elle est à l’arrêt, un dispositif de démarrage est nécessaire : une éolienne Savonius est montée sur le même rotor ou on utilise la génératrice en moteur. Deux types du rotor de Darrieus ont été commercialisés : rotor classique et rotor en H.
Eoliennes à axe horizontale
Ce sont les éoliennes les plus répandues actuellement. Une turbine à axe de rotation horizontal demeure face au vent, comme les hélices des avions et des moulins à vent. Elle est fixée au sommet d’une tour, ce qui lui permet de capter une quantité plus importante d’énergie éolienne. Même si elle nécessite très souvent un mécanisme d’orientation des pales, elle présente un rendement aérodynamique plus élevé, démarrant de façon autonome et elle présente un faible encombrement au niveau du sol.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1. CONTEXTE GLOBAL DU SECTEUR ENERGETIQUE DE MADAGASCAR
1.1. Survol du système énergétique de Madagascar
1.1.1. Bois
1.1.2. Produits pétroliers
1.1.3. Energies renouvelables
1.1.3.1. Energie hydraulique
1.1.3.2. Energie solaire
1.1.3.3. Energie éolienne
1.2. Etat du secteur électrique de Madagascar
1.2.1. Sources de production
1.2.2. Puissances installées
1.2.3. Evaluation de la production d’électricité
1.2.4. Situation de la consommation de l’énergie électrique
1.2.4.1. Accès des malgaches à l’électricité
1.2.4.2. Consommation nationale d’électricité
1.2.5. Evaluation des pertes globales d’électricité
CHAPITRE 2. ETAT DE L’ART SUR LES SYSTEMES A EOLIENNES
2.1. Introduction
2.2. Descriptif de l’énergie éolienne
2.2.1. Définition de l’énergie éolienne
2.2.2. Constitution d’une éolienne
2.2.2.1. La tour ou le mât
2.2.2.2. Le rotor
2.2.2.3. La nacelle
2.3. Différents types d’éoliennes
2.3.1. Eoliennes à axe verticale
2.3.2. Eoliennes à axe horizontale
2.4. Zones de fonctionnement de l’éolienne
2.5. Différents technologie des éoliennes
2.5.1. Eoliennes à vitesse constante
2.5.2. Eoliennes à vitesse variable
2.5.2.1. Machine asynchrone à cage
2.5.2.2. Machine asynchrone à double alimentation
2.5.2.3. Machine synchrone
CHAPITRE 3. MODELISATION DES ELEMENTS DU SYSTEME
3.1. Modélisation de la turbine éolienne
3.1.1. Modélisation du vent
3.1.1.1. Distribution de la vitesse du vent
3.1.1.2. Influence de la hauteur
3.1.1.3. Modèle de la vitesse du vent en fonction de temps
3.1.2. Modèle aérodynamique
3.1.2.1. Loi de Betz
3.1.2.2. Puissance du vent disponible
3.1.2.3. Puissance aérodynamique de la turbine
3.1.2.4. Modèle de la partie mécanique de la turbine éolienne
3.2. Modélisation de génératrice asynchrone à double alimentation
3.2.1. Présentation de la MADA
3.2.1.1. Description de la machine asynchrone à double alimentation
3.2.1.2. Principe de fonctionnement
3.2.1.3. Mode de fonctionnement
3.2.2. Modèles mathématiques de la génératrice
3.2.2.1. Hypothèses simplificatrices
3.2.2.2. Mise en équation de la génératrice
3.2.2.3. Equation de la génératrice dans le repère de Park
3.2.3. Modèle de la MADA adopté dans l’étude
3.2.3.1. Principe de fonctionnement du modèle
3.2.3.2. Système de commande de la MADA
3.2.3.3. Système de commande de β l’angle d’orientation des pales
3.3. Modélisation des éléments d’un réseau électrique
3.3.1. Modélisation du générateur
3.3.2. Modèle d’un transformateur
3.3.2.1. Schéma équivalent d’un transformateur réel
3.3.2.2. Modèle d’un transformateur de puissance
3.3.3. Modélisation des lignes électriques
3.3.3.1. Circuit équivalent d’une ligne
3.3.3.2. Calcul des paramètres linéiques d’une ligne électrique
3.3.3.3. Modèles d’une ligne électrique en régime permanent
3.3.4. Modélisation de la charge
CHAPITRE 4. SIMULATION DES FONCTIONNEMENTS
4.1. Présentation du système
4.1.1. Système éolien
4.1.2. Système complet
4.2. Résultats et interprétations
CONCLUSION ET PERSPECTIVES
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES
