Les différents types d'éoliennes

Les différents types d’éoliennes

Définition de l’énergie éolienne

Un aérogénérateur, plus communément appelé éolienne, est un dispositif qui permet de transformer une partie de l’énergie cinétique du vent en énergie électrique . Cette conversion se fait en deux étapes:
Au niveau de la turbine (rotor), qui extrait une partie de l’énergie cinétique du vent disponible pour la convertir en énergie mécanique.
Au niveau de la génératrice, qui reçoit l’ énergie mécanique et la convertit en énergie électrique, transmise ensuite au réseau électrique.
L’énergie éolienne est une énergie renouvelable, propre sans rejet atmosphérique, géographiquement diffuse et sa source (vent) plus important en hiver. Cependant, le captage et la conversion d’énergie sont complexes, les matériaux coûteux et la source d’ énergie difficile à prévoir et reste aléatoire .

Principaux composants d’une éolienne

Il existe plusieurs configurations possibles d’aérogénérateurs qui peuvent avoir des différences importantes. Néanmoins, une éolienne «classique» est généralement constituée de trois éléments principaux :
Le mât, généralement un tube d’acier doit être le plus haut possible pour éviter les perturbations au niveau du sol. Toutefois, la quantité de matière mise en œuvre représente un coût non négligeable et le poids doit être limité.
Un compromis consiste généralement à prendre un mât de taille très légèrement supérieure au diamètre du rotor de l’aérogénérateur (exemple: éolienne NORDEX N90 2,3 MW: diamètre de 90m, mât de 80 m de hauteur)
La nacelle, comprend: arbres lent et rapide, roulements, multiplicateur. Tous ces éléments mécaniques permettent de coupler le rotor éolien au générateur électrique. Le frein à disque, différent du frein aérodynamique, qui permet d’arrêter le système en cas de surcharge. Le générateur qui est généralement une machine synchrone ou asynchrone et les systèmes hydrauliques ou électriques d’orientation des pales (frein aérodynamique) et de la nacelle (nécessaire pour garder la surface balayée par l’aérogénérateur perpendiculaire à la direction du vent). En plus, un système de refroidissement par air ou par eau est souvent utilisé, un anémomètre et le système électronique de gestion de l’éolienne.
Le rotor, formé par les pales assemblées dans leur moyeu. Pour les éoliennes destinées à la production d’électricité, le nombre de pales varie classiquement de 1 à 3, le rotor tripale étant de loin le plus répandu car il représente un bon compromis entre le coût, le comportement vibratoire et le bruit.

Les différents types d’éoliennes

Éoliennes à axe vertical

Les éoliennes à axe vertical ont été les premières structures développées pour produire de l’électricité paradoxalement en contradiction avec le traditionnel moulin à vent à axe horizontal. Elles possèdent l’avantage d’avoir les organes de commande et le générateur au niveau du sol donc facilement accessibles. De nombreuses variantes ont été testées depuis les années 1920, dont beaucoup sans succès, mais deux structures sont parvenues au stade de l’industrialisation :
Le rotor de Savonius (du nom de son inventeur, breveté en 1925) dont le fonctionnement est basé sur le principe de « traînée différentielle » utilisé dans les anémomètres : les efforts exercés par le vent sur chacune des faces d’un corps creux sont d’intensité différente, il en résulte alors un couple moteur entraînant la rotation de l’ensemble. L’effet est ici renforcé par la circulation d’air entre deux demi-cylindres qui augmente le couple moteur .
Les éoliennes à variation cyclique d’incidence dont la structure la plus répandue est celle de Darrieus (ingénieur français qui déposa le brevet au début des années 1930). Leur fonctionnement est basé sur le fait qu’un profil placé dans un écoulement d’air selon différents angles , est soumis à des forces de direction et d’intensité 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 se déclencher d’elle-même. Lorsqu’elle est à l’arrêt, l’éolienne doit donc être lancée par un dispositif annexe (montage d’une éolienne Savonius sur le même rotor ou utilisation de la génératrice en moteur) .
Ces genres d’ éoliennes ne sont quasiment plus utilisées, à cause les contraintes mécaniques au niveau du sol et occupent plus d’espace.

Éoliennes à axe horizontal

Les éoliennes à axe horizontal sont basées sur la technologie ancestrale des moulins à vent. Elles sont constituées de plusieurs pales profilées de façon aérodynamique à la manière des ailes d’avion. Dans ce cas, la portance n’est pas utilisée pour maintenir un avion en vol, mais pour générer un couple moteur entraînant la rotation. Le nombre de pales utilisé pour la production d’électricité varie classiquement entre 1 et 3, le rotor tripale étant le plus utilisé car il constitue un compromis entre le coefficient de puissance, le coût et la vitesse de rotation du capteur éolien. Ce type d’éoliennes a pris le dessus sur celles à axe vertical car elles représentent un coût moins important, elles sont moins exposées aux contraintes mécaniques et la position du récepteur à plusieurs dizaines de mètres du sol privilégie l’efficacité. Les concepts abordés dans la suite de cette étude se limiteront uniquement au cas des éoliennes à axe horizontal.

Les différents types de MPPT pour éolienne

La puissance capturée par la turbine éolienne peut être maximisée en ajustant le coefficient Cp, Ce coefficient étant dépendant de la vitesse de la génératrice. L’ utilisation d’une éolienne à vitesse variable permet de maximiser cette puissance. Il est donc nécessaire de concevoir des stratégies de commande permettant de maximiser la puissance générée en ajustant la vitesse de rotation de la turbine à sa valeur de référence quelle que soit la vitesse du vent considérée comme grandeur perturbatrice. Pour cela, on peut distinguer deux approches possibles :
La première, la moins classique, considère que la caractéristique Cp n’est pas connue ;
La seconde façon d’agir, plus répandue, suppose que cette caractéristique de voilure est connue. Il suffit de suivre la courbe de puissance optimale comme caractéristique de charge pour que l’éolienne soit dans les conditions optimales.

Principe de fonctionnement de la MADA

La MADA est une machine asynchrone à rotor bobiné avec l’enroulement du stator connecté directement au réseau et le rotor contenant également un bobinage triphasé accessible par trois bagues munies de contacts glissants. Celui-ci est connecté au réseau par J’ intermédiaire d’une interface d’électronique de puissance .
Une fois le stator de la machine connecté au réseau électrique, un flux magnétique apparaît au stator. Ce flux dépend de la réluctance du circuit magnétique, du nombre de spires dans le bobinage et du courant statorique. Lors de la rotation, le flux magnétique généré par le stator crée des forces électromotrices (fém.) dans les enroulements rotoriques.

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Table des matières

Chapitre 1 – Introduction
1.1 Objectifs du travail de recherche
1.2 Méthodologie de recherche
1.3 Organisation du mémoire
Chapitre 2 – Les systèmes éoliens
2.1 Définition de l’énergie éolienne
2.2 Principaux composants d’une éolienne
2.3 Les différents types d’éoliennes
2.3.1 Éoliennes à axe vertical
2.3.2 Éoliennes à axe horizontal
2.4 Rendement énergétique d’ une éolienne (Théorie de Betz)
2.5 Fonctionnement optimal d’une éolienne
2.5.1 Système d’orientation des pales ou « Pitch Control »
2.5.2 Système à décrochage aérodynamique ou « Stail Control »
2.6 État de l’art sur la conversion électromécanique
2.6.1 Système utilisant les machines asynchrones à cage (MAS)
2.6.2 Systèmes utilisant la machine synchrone
2.6.3 Systèmes utilisant la machine asynchrone à double alimentation
2.7 Conclusion
Chapitre 3 – Modélisation de la turbine éolienne à l’ aide de la machine à courant continu
3.1 Modélisation de la vitesse du vent
3.2 Modélisation de la turbine éolienne
3.2.1 Aérodynamique
3.2.2 Modèle dynamique de la turbine éolienne
3.3 Modélisation de la machine à courant continu
3.3.1 Partie électrique de la machine
3.3.2 Partie mécanique
3.4 Stratégie de commande de la machine à courant continu
3.5 Résultats de simulation des modèles de la turbine et de la machine à courant continu
3.6 Conclusion
Chapitre 4 – Commande optimale de la turbine
4.1 Les différents types de MPPT pour éolienne
4.1.1 Maxim isation de la puissance sans la connaissance de la courbe Cp
4.1.2 Maximisation de la puissance avec la connaissance de la courbe Cp
4.1.2.1 Maximisation de la puissance sans asservissement de la vitesse
4.1.2.2 Maximisation de la puissance avec asservissement de la vitesse
4.2 Commande de l’ angle de calage
4.3 Conclusion
Chapitre 5 – Modélisation et commande de la machine asynchrone à double alimentation
5.1 Principe de fonctionnement de la MADA
5.2 Modélisation de la MADA
5.3 Commande vectorielle
5.4 Commande vectorielle directe en puissances active et réactive de la MADA
5.5 Modélisation des convertisseurs d’électronique de puissance
5.6 Filtrage
5.6.1 Filtre du premier ordre
5.6.2 Filtre multi-variable
5.7 Résultats de simulation
5.8 Conclusion
Chapitre 6 – Conclusion générale