Soutenance mémoire
DEFINITIONS
Une éolienne vient d’un nom grecque « Eole » qui est un nom du dieu responsable du vent. L’énergie éolienne est donc un produit de la force exercée par le vent. On dit aussi aérogénérateur si la machine consiste à produire de l’électricité. En réalité, il y a plusieurs types d’éolienne mais chacune a leurs caractéristiques et spécificités. Ils se différencient par :
La taille
La puissance fournie
Le coût
La résistance à l’usure
Une éolienne possède un axe que ça soit vertical (l’hélice est parallèle à la direction du vent) ou horizontal (l’hélice est perpendiculaire à la direction du vent) selon sa fabrication, mais la plus utilisée c’est l’axe horizontal. Pour l’axe vertical, tous les éléments pour la conversion de l’énergie se trouvent au pied de l’éolienne ce qui facilite le contrôle et la maintenance de la machine. Il n’est pas nécessaire d’utiliser un système d’orientation du rotor. Les forces du vent sont faibles à la proximité du sol donc le rendement est aussi faible. Le mât subit des fortes contraintes mécaniques, ce qui peut poser des risques très graves. Pour l’axe horizontal, les pâles sont situées généralement sur l’extrémité haut de l’éolienne. Le vent situé dans une hauteur élevée est forte et il souffle directement sur le devant des pâles. L’hélice subit une énergie cinétique du vent assez forte, ce qui entraine une énergie mécanique élevée, donc le rendement est bon.
Les matériaux de constructions
Les contraintes, les déformations et les forces qui subissent à la pâle pendant le mécanisme sont énormes, et c’est pour cela que la fabrication est basée sur la résistance des matériaux (l’hélice et l’aile). Le choix des matériaux de construction dépend de la taille de l’éolienne, pour les petites éoliennes il suffit juste d’utiliser le bois comme l’acajou, le palissandre, l’ébène, le hêtre, l’orme, le frêne, le buis, l’érable mais le meilleur est le noyer, le cèdre rouge, le Douglas, et l’Epicéa (Ce sont des bois légers) parce que les forces centrifuges sont proportionnelles à la masse du matériau. On peut utiliser aussi les métaux comme le duralumin mais le travail de métallurgie pour sa mise en évidence exige beaucoup de temps. Le magnésium aussi est un métal excellent grâce à sa légèreté. Il faut choisir les bois sans nœuds ou avec des nœuds mais ne gênant pas le travail de fabrication.
Le multiplicateur
Tous les générateurs doivent être tournés avec une vitesse élevée environ de 1 000 à 2 000 tours/min et c’est pour cela qu’on utilise le multiplicateur ou boite de vitesse pour accélérer le mouvement lent des pâles. Le groupe motopropulseur (arbre principale, Multiplicateur de vitesse, arbre à grande vitesse) transfert à l’alternateur, la puissance issue de la rotation du rotor de l’éolienne. On ne peut pas entraîner directement l’alternateur en utilisant la puissance de l’arbre principale. Voilà deux exemples à titre d’explication de ce cas :
Arbre principale Multiplicateur de vitesse Arbre à grande vitesse
Si on considère un alternateur ordinaire qui est relié directement à un réseau triphasé (2, 4, 6 pôles) de 60Hz (courant alternatif), il faut utiliser une éolienne avec une vitesse très élevée entre 1 000 et 3 000 tors/min.
Le second cas c’est de produire un alternateur avec 200 pôles pour atteindre une vitesse de rotation de 30 tours/min, mais ce n’est pas un moyen économique.
Ainsi, le multiplicateur est un dispositif qui ne change pas de vitesse et il a un rapport de démultiplication entre l’alternateur et la rotation du rotor. En général, le rapport de démultiplication est entre 1 et 50. Pour garder donc un bon rendement au générateur électrique, il suffit d’augmenter la fréquence de rotation issue avec l’aéromoteur avant d’entraîner le générateur classique.
L’anémomètre
L’anémomètre est un terme du XVIIe siècle, il vient d’un nom grec « anemos » qui désigne le vent. Il s’agit donc un appareil permettant de mesurer la vitesse ou la pression du vent. Il permet aussi de mesurer la vitesse du vent relatif dans un avion. C’est un appareil essentiel en météorologique, dans le transport aérien, dans la navigation. Il peut être associé à une girouette. L’anémomètre bidirectionnel sert à mesurer en même temps le vent horizontal et le vent vertical, l’anémographe pour l’enregistrement de la vitesse du vent de façon continue en traçant des anémogrammes. On peut diviser l’anémomètre en deux types : l’anémomètre à vitesse et l’anémomètre à pression. Il existe plusieurs types d’anémomètre à vitesse comme :
l’anémomètre à coupelles ou anémomètre de Robinson ; ce type compose de trois demicoquilles montées sur un axe vertical équipé d’un capteur de comptage de tour
L’anémomètre à hélice, il tourne autour d’un axe horizontal et ressemble à de petit avion
L’anémomètre à moulinet ou anémomètre de Byram, il mesure la vitesse du vent par la rotation d’un moulinet à axe horizontal ou vertical.
L’anémomètre à fil chaud.
L’anémomètre à ultrason qui permet de mesurer la durée de déplacement d’une onde ultrasonore.
L’anémomètre-laser, il est équipé de la vélocimétrie laser pour mesurer le déplacement de l’air et du vent.
L’anémomètre bidirectionnel
Pour l’anémomètre de pression, il y a :
L’anémomètre à plaque, utilise une plaque carré ou circulaire en face du vent par une girouette.
L’anémomètre à boule ou anémomètre de Daloz, basé sur la vitesse limite atteinte par une boule sphérique en chute libre.
L’anémomètre à tube, utilise un tube en U avec une extrémité pliée horizontalement et contenant un liquide pour orienter face au vent.
L’anémomètre à tube de Pitot, c’est un composant constitutif du système anémobarométrique.
COUPE D’UNE AILE DE L’HELICE
Les pales sont considérées comme les éléments les plus importants du rotor. Elles sont les convertisseurs de l’énergie cinétique du vent en couple mécanique. La structure de la pâle de l’éolienne joue donc un rôle très important sur le mécanisme et le fonctionnement de l’éolienne. Cette structure influe le rendement de la production et la puissance fournit de l’éolienne. On peut assimiler une pâle comme une poutre encastrée et l’étude de l’aile d’une éolienne et l’aile d’un avion est pareil. On considère un élément de pâle situé dans une distance dr, tous les éléments tels que les angles, les forces appliquées dans cette section ont une grande importance. La pâle est soumis à des forces et composition des forces issues du vent. Elles présentent un profil aérodynamique dans leur coupe transversale pour établir une portance optimale et aussi faire tourner l’hélice. La forme du plan se resserre en allant vers l’extrémité pour garder un effet de ralentissement constant sur la surface balayée ; pour cela, aucune quantité d’air ne quitte la turbine trop lentement bien qu’aucune partie ne puisse traverser trop rapidement. En ce qui concerne l’épaisseur, Il augmente vers la racine pour supporter les charges structurales et les moments de flexion. Pendant le mécanisme, les forces qui subissent aux pâles sont illustrées dans le profil aérodynamique ci-dessous. Le profil est la forme de la pâle si on la regarde dans le sens de sa longueur. Les différents profils déterminent différentes caractéristiques aux pales ce qui provoquent une modification sur leur performance. Il y a une influence entre ces caractéristiques et le couple moteur que chacune des pales transmets à l’arbre du rotor faisant tourner celui-ci.
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Table des matières
INTRODUCTION
Partie I : GENERALITE SUR LES STRUCTURES DE L’EOLIENNE
Chapitre I : DESCRIPTION ET FABRICATION DE L’EOLIENNE
Définitions
I- Hélice
I.1- Les pâles
I.1.1- Définition
I.1.2- Fabrication de la pale
I.1.2.1- Description de lapâle
I.1.2.2- Les matériaux de constructions
II- la Nacelle
II.1- Le moyeu
I.1.1- Définition
II.1.2- Les différents types de moyeu
II.2- Le multiplicateur
II.2.1- Maintenance
II.3- Le générateur électrique
II.3.1- Maintenance
II.4- Le parafoudre
II.5- Système de refroidissement
II.6- Système d’orientation
II.7- Les outils de mesure du vent
II.7.1- L’anémomètre
II.7.2- La Girouette
II.8- Le système de contrôle électronique
II.9- L’arbre secondaire ou arbre rapide
II.10- L’arbre primaire ou arbre lent
III- le Mât
III.1- Maintenance
Chapitre II : STRUCTURE DE LA PALE DE L’EOLIENNE
I- Coupe d’une aile de l’hélice
I.1- L’intrados
I.2- L’extrados
I.3- L’angle d’attaque α
I.4- Bord d’attaque
I.5- Bord de fuite
II- Fonctionnement aérodynamique d’une pale
II-1- Le vent
II.1.1- La densité de l’air
II.1.2- La puissance du vent
II.2- Surface balayée par le rotor
II .3- La portance
II.4- La Traîné
II.5- La vitesse relative
II.6- La vitesse de rotation
II.7- Le couple moteur T
Partie II : AMELIORATION DE LA PUISSANCE PAR LA MANIPULATION STRUCTURALE DES PALES
Chapitre I : ANGLE DE CALAGE ET ANGLE D’INCIDENCE
I- Description du problème
II- Angle de calage et Angle d’incidence
II-1- angle de calage
II.1.1- Définition
II.1.2- Vrillage de la pâle
II.2- Angle d’incidence
II.2-1- Définition
III- Manipulation de la pale par variation de calage et d’incidence
III.1- Position de l’hélice
III .2- Contrôle passif de la puissance par décrochage aérodynamique
III.3- Régulation active de la puissance par décrochage aérodynamique
III.4- Régulation par angle de calage variable
III.5- Autres méthodes de régulation de la puissance
III.6- Impacte de la variation du calage dans la puissance
Chapitre II : Résultats
I- Description de MATLAB
II- Organigramme
II.1- Organigramme de calcul
II.2- Interprétation des résultats
CONCLUSION
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