Soutenance mémoire
Historique
Depuis plusieurs siècles (avant 3000 ans environ) l’énergie du vent, comme étant une source d’énergie inépuisable non polluante, a été exploitée. Avant que les énergies fossiles (le pétrole et le charbon) aient été découvertes, les Egyptiens et les Perses ont comamencé à utiliser cette énergie pour le pompage d’eau . Ensuite, des siècles avant les Européens l’homme servis des moulins à vent pour moudre le blé (environs 200000 moulins à vent en Europe vers le milieu du 19ème siècle). Probablement, la première turbine à vent générant de l’électricité a été construite par le danois Poul La Cour en 1891. Cette technologie n’a cessé d’évaluer, durant la première et la deuxième guerre mondiale elle a été améliorée avec une grande échelle par les ingénieurs danois. L’investissement pour l’amélioration et la modernisation de la technologie des aérogénérateurs commencé juste après la crise pétrolière de 1974. Parmi ces investissements, on cite le premier marché de la Californie au cours des années 1980-1986. Au début avec des turbines de moyenne puissance (55 kW), puis 144 machines d’une puissance totale de 7 MW en1981 et 4687 machines avec un total de 368 MW en 1985. Après ces années, l’industrie de l’éolienne a été développée dans des pays comme l’Allemagne, le Danemark et l’Espagne après le décollement du marché européen. En 1998, la contribution de ces trois pays au marché mondial atteint 10000 MW et en 2004 environ 47000 MW avec 7500 MW d’une croissance annuelle.Au cours de la dernière décennie, l’emploi de l’énergie éolienne a connu une hausse considérable. Parmi toutes les sources d’énergie, l’énergie éolienne est bien implantée avec une croissance forte.
Avantages et inconvénients de l’énergie éolienne
Avantages
– Contrairement aux énergies fossiles, l’énergie éolienne est une énergie renouvelable, inépuisable et gratuite.
– L’énergie éolienne est une énergie propre, n’émet pas de gaz à effet de serre.
– Permis toutes les énergies renouvelables, l’énergie éolienne été la moins chère à produire.
– Au terme de comparaison l’énergie éolienne est plus sécurisé et ne produit pas des dé- chets radioactif contrairement au l’énergie nucléaire qui présente beaucoup de risques.
– La demande et la consommation de l’électricité est plus élevée en hiver ce qui correspond à la grande productivité (vent plus forts).
– L’énergie éolienne crée plus d’emplois par unité d’électricité produite que n’importe quelle source d’énergie traditionnelle.
Inconvénients
– L’impact visuel, ça reste néanmoins un thème subjectif.
– Le bruit : il a nettement diminué, notamment le bruit mécanique qui a pratiquement disparu grâce aux progrès réalisés au niveau du multiplicateur. Le bruit aérodynamique quant à lui est lié à la vitesse de rotation du rotor, et celle -ci doit donc être limitée.
– L’impact sur les oiseaux : certaines études montrent que ceux-ci évitent les aérogénérateurs. D’autres études disent que les sites éoliens ne doivent pas être implantés sur les parcours migratoires des oiseaux, afin que ceux-ci ne se fassent pas attraper par les aéroturbines.
– Les aérogénérateurs est produites une puissance électrique n’est pas constante pour cela, la qualité de cette puissance n’est pas toujours bonne.
Principe de la conversion d’énergie
Les éoliennes permettent de convertir l’énergie 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’ensemble de la chaine de conversion fait appel à des domaines très divers et pose des problèmes aérodynamiques, mécaniques, électriques ou d’automatique
Principe de fonctionnement d’une éolienne
Un dispositif oriente automatiquement la nacelle face au vent grâce à une mesure de la direction du vent effectuée par une girouette située à l’arrière de la nacelle. La turbine éolienne est munie de pales fixes ou orientables et tourne à une vitesse nominale de 25 à 40 tr/min. Plus le nombre de pales est grand plus le couple au démarrage sera grand et plus la vitesse de rotation sera petite. Les turbines uni et bipales ont l’avantage de peser moins, mais elles produisent plus de fluctuations mécaniques. Elles ont un rendement énergétique moindre, et sont plus bruyantes puisqu’elles tournent plus vite. Elles provoquent une perturbation visuelle plus importante de l’avis des paysagistes. De plus, un nombre pair de pales doit être évité pour des raisons de stabilité. En effet, lorsque la pale supérieure atteint le point le plus extrême, elle capte la puissance maximale du vent. A ce moment, la pale inférieure traverse la zone abritée du vent par la tour. Cette disposition tend à faire fléchir l’ensemble de la turbine vers l’arrière. Ceci explique pourquoi 80% des fabricants fabriquent des aérogénérateurs tripales.
Lorsque des pales fixes sont utilisées, un dispositif de freinage aérodynamique est utilisé permettant de dégrader le rendement de la turbine au delà d’une certaine vitesse (décrochage aérodynamique ou stall control).Sinon,un mécanisme d’orientation des pales permet la régulation de la puissance et un freinage (réglage aérodynamique). Un arbre dit lent relie le moyeu au multiplicateur et contient un système hydraulique permettant le freinage aérodynamique en cas de besoin
Différents types d’éoliennes
Un multiplicateur adapte la vitesse de la turbine éolienne à celle du générateur électrique (qui est généralement entraîné à environ 1500 tr/min). Ce multiplicateur est muni d’un frein mécanique à disque actionné en cas d’urgence lorsque le frein aérodynamique tombe en panne ou en cas de maintenance de l’éolienne. Le système de refroidissement comprend généralement un ventilateur électrique utilisé pour refroidir la génératrice et un refroidisseur à huile pour le multiplicateur. Il existe certaines éoliennes comportant un refroidissement à l’eau.La génératrice (ou l’alternateur) est généralement asynchrone, et sa puissance électrique peut varier entre 600 kW et 4.5 MW.Les signaux électroniques émis par l’anémomètre sont utilisés par le système de contrôle commande de l’éolienne pour démarrer l’éolienne lorsque la vitesse du vent atteint approximativement 5 m/s. De même, le système de commande électronique arrête automatiquement l’éolienne si la vitesse du vent est supérieure à 25 m/s afin d’assurer la protection de l’éolienne.Le système de contrôle-commande comporte un ordinateur qui surveille en permanence l’état de l’éolienne tout en contrôlant le dispositif d’orientation. En cas de défaillance (par exemple une surchauffe du multiplicateur ou de la génératrice), le système arrête automatiquement l’éolienne et le signale transmis à l’ordinateur de l’opérateur via un modem téléphonique. Les éoliennes se divisent en deux grandes familles : celles à axe vertical (VAWT) et celles à axe horizontal (HAWT).Bien qu’il existe des turbines à axe vertical (Darrieus, Savonius), les machines à axes horizontal dominent très largement le marché des petites puissances (quelques 10 W jusqu’aux plus élevées, de quelques MW).
Axe vertical (VAWT) Par contradiction avec le traditionnel moulin à vent à axe horizontal. Les premières structures développées pour la production de l’électricité sont les aérogénérateurs à axe vertical. De nombreuses variantes ont été testées depuis les années vingt, dont beaucoup sans succès, mais deux structures sont parvenues au stade de l’industrialisation . Ce type d’éoliennes est très peu répandu et assez mal connue , de nos jours elles sont très peu mises en œuvre car elles sont moins performantes que celles à axe horizontal . Cependant, elles peuvent avoir un intérêt dans certains secteurs d’application, on trouve des éoliennes à axes verticaux développées pour la production de faibles puissances, de 100W à 25kW. Elles sont destinées à des utilisations permanentes, par exemple la charge de batteries servant à alimenter un chalet en montagne.
Il existe principalement trois technologies VAWT (Vertical Axis Wind Turbine) : les turbines Darrieus (ingénieur français qui déposa le brevet au début des années 30) classique ou à pales droites (H-type) et la turbine de type Savonius(du nom de son inventeur, breveté en 1925) .La conception verticale possède l’avantage d’avoir les organes de commande et le générateur au niveau du sol donc facilement accessibles, mais cela impose que l’éoliennefonctionne avec le vent proche au sol, moins fort qu’en hauteur freiné par le relief.De part son axe vertical, il y a symétrie de révolution et le vent peut provenir de toutes les directions sans avoir à orienter le rotor. Le rotor de Darrieus fonctionne grâce à la portance et se base 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. Le couple de démarrage de ce type d’éoliennes est proche de zéro, ce qui implique 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) .
En ce qui concerne leurs implantations, elles ont une emprise au sol plus importante que les éoliennes à tour car elles sont haubanées sur de grandes distances. En effet des câbles haubans doivent passer au dessus des pales. Cela représente un inconvénient majeur pour une implantation sur un site agricole par exemple. Les deux problèmes majeurs de la Darrieus en forme de « batteur d’œufs» résident dans la fragilité de sa structure et par le fait que son mât soit haubané. Ajoutant à cela la faible efficacité de la conversion d’énergie. Tous ces inconvénients ont fortement limités le développement de ces éoliennes, laissant place aux aérogénérateurs à axe vertical .
Axe horizontal (HAWT) Les aérogénérateurs modernes sont presque tous à axe horizontal. Ils comprennent un mât et une nacelle supportant la turbine, généralement à 3 pales, qui entraîne une génératrice débitant sur le réseau.La plupart des systèmes intègrent un multiplicateur de vitesse entre la turbine (lente) et la génératrice (rapide) mais des systèmes à attaque directe se développent rapidement. Ils nécessitent des machines électriques lentes sans pour autant alourdir exagérément la nacelle. Les machines rapides sont presque toutes des asynchrones alors que les génératrices lentes sont de type synchrone à rotor bobiné ou à aimants permanents.
Avantages de la MSAP
Comparée à la machine asynchrone (MAS) et à courant continu (MCC), la MSAP pré- sente les principaux avantages suivants :
– Robustesse incontestée par rapport à la machine à courant continu ;
– Augmentation de la constante de temps thermique et de la fiabilité grâce à l’élimination des bagues et des balais ;
– Facteur de puissance et rendement plus élevés par rapport à la MAS ;
–Cette structure donne à la machine l’avantage de réduire les dimensions et par conséquent un moindre moment d’inertie, ce qui augmente sa fiabilité et sa densité de puissance par unité de volume ;
– L’utilisation des aimants permanents au rotor permet d’éliminer les pertes électriques dans le circuit rotorique.
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Table des matières
Remerciements
Nomenclature
Glossaire
Introduction générale
I Généralité sur l’énergie éolienne
I.1 Introduction
I.2 Historique
I.3 Avantages et inconvénients de l’énergie éolienne
I.3.1 Avantages
I.3.2 Inconvénients
I.4 Principe de la conversion d’énergie
I.5 Principe de fonctionnement d’une éolienne
I.6 Différents types d’éoliennes
I.6.1 Axe vertical (VAWT)
I.6.1-a Avantages et inconvénient des machines à axe vertical
I.6.2 Axe horizontal (HAWT)
I.6.2-a Principaux composants dune éolienne
I.7 Classement des éolienne
I.7.1 Eoliennes à vitesse fixe
I.8 Types de machines électriques utilisées dans les systèmes éoliens
I.8.1 Systèmes non couplés au réseau alternatif
I.8.2 Systèmes couplés au réseau alternatif
I.8.2-a Machine synchrone
I.8.2-b Machine asynchrone à cage
I.8.2-c Machine synchrone à aimants permanents
I.8.2-d Machine asynchrone à double alimentation
I.9 Conclusion
II Modélisation aérodynamique de la turbine éolienne
II.1 Introduction
II.2 Modélisation aérodynamique d’une éolienne
II.2.1 Reproduction de la vitesse du vent
II.2.2 Puissance aérodynamique capturée par l’éolienne et coefficient de puissance
II.2.3 Modèle de la turbine éolienne
II.2.4 Equation dynamique de la turbine
II.3 Commande de puissance des éoliennes
II.3.1 Contrôle de l’angle des pales « pitch control »
II.3.2 Contrôle de l’angle des pales « Stall Control »
II.3.3 Modélisation du système d’orientation des pales
II.4 Commande dans la zone de fonctionnement en dessous de la puissance nominale
II.4.1 Caractéristique de puissance
II.4.2 Principe de la MPPT
II.4.3 Contrôle sans asservissement de la vitesse de rotation
II.4.4 Contrôle avec asservissement de la vitesse de rotation
II.5 Résultats de simulation
II.5.1 Beta fixe (β = 2) .
II.5.2 Beta variable
II.6 Conclusion
III Modélisation de la MSAP et du rédresseur MLI
III.1 Introduction
III.2 Généralité sur la MSAP
III.3 Principe de fonctionnement de la MSAP
III.4 Avantages de la MSAP
III.5 Synchronisation des alternateurs
III.6 Modélisation de la MSAP fonctionnement mode génératrice
III.6.1 Hypothèses simplificatrices
III.6.2 Mise en équation de la MSAP
III.6.2-a Equations électriques
III.6.2-b Equation magnétique
III.6.3 Equation mécanique
III.7 Modélisation des convertisseur de puissance
III.7.1 Introduction
III.7.2 Redresseur a commande MLI
III.7.3 Principe de fonctionnement
III.7.4 Techniques de commande MLI
III.7.4-a MLI à Bande d’hystérésis
III.7.4-b MLI à échantillonnage périodique
III.7.4-c MLI à porteuse triangulaire
III.7.5 Modélisation du redresseur MLI
III.7.5-a Représentation fonctionnelle du redresseur MLI dans le référentiel triphasé
III.7.5-b Représentation fonctionnelle du redresseur MLI dans le référentiel fixes αβ
III.7.5-c Représentation fonctionnelle du redresseur MLI dans le référentiel tournant
III.7.6 Simulation du redresseur
III.7.6-a Résultat de simulation
III.8 Conclusion
IV Commande par mode glissant du GSAP
IV.1 Introduction
IV.2 Systèmes à structure variables
IV.3 Modes de la trajectoire dans le plan de phase
IV.4 Conception de la commande par mode de glissement
IV.4.1 Choix de la surface de glissement
IV.4.2 Conditions de convergence
IV.4.3 Calcul de la commande
IV.5 Phénomène de broutement (Chattering)
IV.6 Elimination du phénomène de Chattering
IV.7 Application de la commande par mode de glissement à la GSAP
IV.8 Simulation et résultats
IV.9 Conclusion
Conclusion générale
Bibliographie
Annexe A 1
Annexe B 3
Annexe C
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