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Rev. Energ. Ren.: ICPWE (2003)125-130

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Analyse des Contraintes Mcaniques Agissant sur un Pylne HaubandArognrateur et Technologies Mises en uvre pour son Installation

F. Belhamel*, S. Moussa**, K. Benfarhat** et F. Kharchi***

*Laboratoire structure Centre National dEtudes et de Recherches Intgres du Btiment (CNERIB), Souidania Alger-Algrie

** Laboratoire nergie olienne Centre de Dveloppement des Enrgies Renouvelables (CDER), Bouzarah Alger-Algrie

***Dpartement de Gnie Civil-Universit des Sciences et de la Technologie Houari Boumedine (USTHB), Bab Ezzouar- Alger-Algrie

Rsum Cet article prsente une analyse des contraintes mcaniques agissant sur des pylnes haubansdarognrateurs de puissance et les technologies mises en uvre pour leur installation. Le pylnesupportant la nacelle, le rotor et le cble lectrique constitue llment important qui conditionne dans une

trs large mesure la stabilit de linstallation dans son ensemble. Les haubans, destins assurer lquilibredu pylne, doivent tre judicieusement ancrs au sol ; le choix du type de ces ancrages dpend

essentiellement de la nature du sol, de sa capacit portante et des efforts qui agissent sur linstallation.Ltape importante relative linstallation de larognrateur doit prendre en considration les moindres

dtails comme lemprise au sol, les contraintes mcaniques et les prcautions lectriques (mise la terre,foudre, etc.) afin de bien sassurer de sa fiabilit et de le garder en bon tat de fonctionnement tout au long

de sa vie qui doit staler sur une dure dau moins 20 ans.

Abstract This article presents an application of the rules of analysis and installation of the gued pylons ofaerogenerators of average power. The pylon supporting the nacelle, the rotor and the electric cableconstitutes the significant element which conditions in a very broad measurement the stability of theinstallation as a whole. The stays, intended to ensure the balance of the pylon, must be judiciously anchored

on the ground; the choice of the type of these anchorings depends primarily on the nature of the ground, itsbearing capacity and the efforts which act on the installation. The significant stage relating to the

installation of the aerogenerator must take into account the least details like the influence on the ground, theprecautions mechanical and electric, in order to ensure itself well of its reliability and to keep it in good

operating condition throughout its life which must be spread out over one duration of at least 20 years.

Mots cls : ArognrateurPylneHaubansStabilitAncrageVent extrmeInstallation.

1. INTRODUCTION

Pour assurer la russite dun projet dinstallation dun arognrateur de puissance, il est fortementrecommand de respecter rigoureusement les tapes chronologiques suivantes :

1. le choix appropri du site dinstallation ;

2. le choix du type de pylne ;3. lanalyse et le calcul des multiples contraintes agissant sur le pylne;

4. ltude et le dimensionnement de la fondation ;5. lquilibrage judicieux des haubans ;6. la rpartition rigoureuse des points dancrage au sol ;7. ltude du montage et du dmontage rapides et aiss du pylne pour les exigences et la ncessit dun

entretien priodique et rgulier de larognrateur : opration de maintenance qui conditionne dans unetrs large mesure la dure de vie et les performances nergtiques de toute linstallation

2. CHOIX APPROPRIE DU SITE DINSTALLATION

Les performances nergtiques dun arognrateur dpendent dans une trs large mesure du gisementolien du site sur lequel il sera install [1]. Les caractristiques principales de ce gisement olien sont donnes

par la rgularit et la vitesse du vent diffrentes altitudes.Ces caractristiques permettent de quantifier ce gisement nergtique grce un travail danalyse et detraitement statistique des donnes sur une longue priode. Lextrapolation en altitude de ces caractristiques estdonne avec une approximation satisfaisante par des codes de calculs spcialiss le plus souvent cals desvaleurs mesures lors de campagnes effectues in situ [4, 5, 6].

Les vents les plus intressants sont des vents rguliers ayant une vitesse entre 6 10 m/s. La formule debase du calcul de la puissance rcupre Prdu vent est donne par lexpression suivante [7] :

Pr= 0.5. CP. . S. v3 (1)

CP tant le coefficient de performance; la masse volumique de lair;S la surface perpendiculaire lcoulement du vent ; v la vitesse du vent.

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Cette puissance varie donc en fonction du cube de la vitesse du vent et signifie donc pour les grandespuissances, un choix de sites fortement vents et des points trs levs par rapport au sol.

3. CHOIX DU PYLONE

Parce que la vitesse du vent augmente avec laltitude, larognrateur est mont sur un pylne : plus lepylne est haut et plus grande sera la puissance rcupre [8]. Il existe donc plusieurs alternatives pour le choix

des pylnes [9, 10, 11].

3.1. Choix du type de pylneLes pylnes darognrateurs de puissance les plus utiliss actuellement sont de deux types [2, 3] :1. les pylnes en treillis (fig.1);2. les pylnes tubulaires haubans (fig.2).Actuellement les pylnes en treillis sont rejets pour leur encombrement, leur poids excessif, linconvnient

de leur apparence visuelle et surtout leur difficult de mise en oeuvre. Les pylnes tubulaires haubans

prsentent par contre de nombreux avantages et la meilleure solution du fait surtout de leur facilit de montage etdentretien ; on gagne galement grce une rduction significative en poids et donc en cot de la structure

portante. Notre choix sest port donc sur ce type de pylne qui a lavantage indniable dtre aujourdhuilargement adopt par de nombreux constructeurs darognrateurs [11, 12, 13, 14, 15, 16] qui ont dveloppsencore davantage toutes les techniques et les technologies les plus adaptes de sa mise en uvre.

Fig. 1: pylne en treillis Fig. 2: pylne hauban

4. ANALYSE DES CONTRAINTES AGISSANT SUR LE PYLNE HAUBANE [11]

4.1. Bilan des forces agissant sur le pylneLanalyse statique dun pylne hauban consiste identifier en priorit dabord lensemble des efforts

agissant sur celui-ci. Les ractions et les tensions dans les haubans peuvent tre calcules ensuite par la Mthodedes Elments Finis (MEF) ou toute autre mthode conduisant au mme degr de scurit. Le bilan sera la

rsultante des forces appliques suivantes (fig.3) :1. la pression du vent extrme sur le pylne et les haubans (Combinaison dactions la plus dfavorable ou

limite) ;2. la pousse dveloppe par la turbine au sommet du pylne ;3. le poids de la tour.Selon le rglement UBC 1997 (section 1613) et pour un vent extrme correspondant une exploitation

svre et pousse du pylne ; la pression du vent est dtermine par lquation suivante :

P = Ce.Cq.qs.l w (2)

Ce est un coefficient dexposition et de hauteur ; Cqest un coefficient de pression pour la structure ou une partiede celle-ci ; qs pression constante du vent la hauteur de rfrence de 10 m environ. l w est le facteurdimportance.

La force dveloppe par la turbine est donne par la formule (1) : Pr= CP..S.v3 (3)

v tant la vitesse du vent dans le cas limite (vent extrme).

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Fig. 3: bilan des forces statiques agissant sur le pylne Fig. 4: point critique de pylne hauban

4.2. Rsultats de lanalyse statiqueLanalyse statique dun pylne hauban consiste dterminer :

1. Le coefficient de scurit pour les diffrents points critiques du pylne (point du moment maximal,point de leffort axial maximal, etc.) ;

2. Les efforts de traction dans les haubans et les points dancrage ;

3.

Les ractions au point dencastrement du pylne ;4. Vrification et compatibilit avec les recommandations de calcul du pylne (UBC de 1997 ou

autres rgles en vigueur).

4.3. Pousse du vent sur les haubansLe calcul de la pousse du vent sur les cbles est bas sur le mme principe que celui du calcul de la

pression du vent sur le pylne. Soit h et l h le diamtre et la longueur des haubans ; la projection de lhaubanservant au calcul de la pousse du vent est donne par la relation (4) :

Ah= h. l h (4)

Ainsi la force dveloppe par laction du vent sur les haubans est donne par la formule : Fh= Ah.PO P est la pression du vent dfinit dans lquation (2) et qui a t utilise pour le calcul du pylne.

Gnralement cette force est faible et peut tre nglig dans les calculs ultrieurement.

4.4. Points critiques du pylne hauban [11]Dans un pylne hauban, les points les plus critiques qui doivent tre dimensionns avec scurit sont les points

de moment maximum et de leffort normal maximum. La fig.4 suivante montre que le point critique est le pointle plus haut dattachement des haubans au pylne. Des cas de pylnes mal dimensionns se sont plis et se sont

fissurs cet endroit.Le coefficient de scurit de cette section critique doit toujours tre vrifi. Celui-ci est donn par la formulesuivante :

CS sommet= acier/ flexion (5)

Pour des pylne haubans darognrateurs, ce coefficient de scurit est dau moins 4. Le second pointcritique est celui qui correspond leffort maximal rsultant de la dcente de charges. Ce point est situ la base

du pylne. La fig.5 montre ce point situ la base du pylne.

Fig. 5: point critique la base du pylne

Le coefficient de scurit pour ce point situ la base doit tre valu par application de la formule (6) :

CS base= acier/ base+ flexion base (6)

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Les figures 7a et 7b illustrent schmatiquement ces types dancrage largement usits:

7 a 7 b

7 c 7 dFig. 7: les diffrents types dancrages rencontrs

7. TECHNIQUES MISE EN UVRE POUR LE SOULEVEMENT DU PYLNE

On soulve gnralement le pylne dun arognrateur avec une flche de levage. Avant

de soulever le pylne, il faut sassurer que tous les colliers sont serrs judicieusement ainsi

que tous les boulons sur les diffrents crochets des cbles de haubanage. La fig.8 et la fig.9illustrent clairement le procd de manutention du pylne ainsi que le dtail dun crochet de

cble hauban.

Fig. 8: procd schmatique simplifi de levage du pylne

REFERENCES

[1] L. Soder and T. Ackerman, Wind Energy Technology and Current Status:a Reviews, Renewable and sustainable energy

reviews; vol.4:315-374, 2000[2] F. Belhamel, Etude et dimensionnement des structures portantes darognrateurs Rapport interne N1- Laboratoire

dnergie olienne CDER - 2002

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Fig. 9: dtail dun crochet de cble hauban

[3] F. Belhamel, Analyse des contraintes agissant sur un pylne hauban darognrateur de puissance et techniques mise

en uvre pour son installation , Rapport interne N2 Laboratoire de lnergie olienne CDER 2003[4] L.Hamane et A.Khellaf, Evaluation des Ressources Energtiques Eolienne de lAlgrie CHEMS2000, Alger 2000

Algrie[5] R.Hamouche, Atlas vent de lAlgrie Office National de la Mtorologie , Dar el Bida - 1990 Alger[6] N.Kasbadji Merzouk et L.Hamane, Atlas Vent, Limites et Mthodes dinterpolation : Application au nord est de

lAlgrie AlSIG 99, Alger 1999[7] N.Kasbadji Merzouk, Wind Energy Potentiel of Algeria , Inter.J.Renewable Energy, vol. 21/3-4. pp553-562-(2000)

[8]A.S. Mikhaeil et C.G. Justus, Comparison of height Extrapolation Models and Sensitivity Analysis, Wind Engineering,vol.5.N2 1981, pp91-106

[9] A.S. Mikhaeil, Height Extrapolation of Wind DataJournal of Solar Energy Engineering vol.107, feb.1985 pp.10-14

[10] A. Mullane, G. Lightbody and R.Yacamini, Adaptive Control of Variable Speed Wind Turbines, Rev. Energ. Ren:Power Engineering (2001)101-110

[11] Southwest Windpower, Inc. site: http://www.windenergy.com , Report # 00003-Tower Analysis 2-13-01- 1 ADEril 2000[12] Site de Vestas (Constructeur darognrateurs): http:// www.vestas.com

[13] Site de lAssociation Wind Power de lindustrie Danoise : http://www.windpower.org

[14] Site de US Department of Energy Wind Programs: http://www.eren.doe.gov[15] American Wind Energy Association www.awea.org/[16] European Wind Energy Association http://www.ewea.org/

[17] Guide tour on wind energy http://www.windpower.dk/tour/index.htm