Resumer de Cours Eolienne

8/19/2019 Resumer de Cours Eolienne

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A. Comparer les eoliennes a axe vertical avec les eolienne a axe horizontal.

Avantages et Inconvénients de chaque type ?(1en2011)

a. Eolienne a axe vertical : Les éoliennes à axe vertical n'ont pas besoin d'être

orientées par rapport au vent. Elles se présentent sous la forme d'un moduleaérodynamique monté sur un axe. L'éolienne à axe vertical est toute indiquéepour des sites où les vents sont faibles. En cas de vent turbulent, sa vitesse derotation s'autoréule.

!l y a deux types :i. Eolienne de type « Savonius » :Les éoliennes " #avonius $ ont un rendement faible, mais sont peuencombrantes, économiques et est%étiques. Elles s'int&rent donc facilementaux btiments sans les dénaturer.

ii. Les éoliennes type " (arrieus $ :L'éolienne " (arrieus $ estsop%istiquée mais peu répandue. )alré la puissance élevée qu'elle

peut fournir, elle a un inconvénient ma*eur : elle est lourde. Elle adonc besoin d'un vent plus fort que la " #avonius $ pour tourner

Avantages Inconvénients :

+oliennes lentes faible bruit- )ac%inerie et énératrices au sol as de dispositifs d/orientation performante dans les vents turbulents

ro0ls symétriques et doncmoins performants

1aible rendementaérodynamique

)anque de couple au

démarrae E2et important du sillae du

rotor 3ouple moteur cyclique et

donc fatiue 4itesse de rotation lente et

donc couple important 5rande sensibilité de 3p avec

la vitesse

b. Eolienne a axe 6ori7ontal : 8ne éolienne à axe %ori7ontal est une %élice perpendiculaire au vent, montée sur un mt. La %auteur est énéralement de9 m pour les petites éoliennes, et supérieure au double de la lonueur d'unepale pour les mod&les de rande enverure.

Avantages Inconvénients :

Elles ont un rendement plus élevé Elles sont équipées d'un syst&me qui

permet de les orienter en fonction du

)oins résistante aux vents forts quel'éolienne verticale, l'éolienne %ori7ontaledoit être renforcée ;insi, dans les réions

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vent Les frais de fonctionnement sont faibles Elles sont moins exposées aux

contraintes mécaniques que celles à axevertical

Elles ont un co


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• c%anement des %uiles

• inspection par endoscopie

• véri0cation de la denture des enrenaes

• véri0cation des roulements et éc%ane quasisystématique

• véri0cation des axes

• véri0cation du carter

(ans les randes éoliennes, certain fabricants comme l'allemand Enercon ou le franDais Feumont !ndustrie, réalisent des turbines " à attaque directe $, c'estàdire que le rotorentraBne directement une énératrice spéciale multipolaires nombre de pales tres elevespeut attaindre @ pales GHIJf?6K-A - mais la taille et la masse de cet alternateur estimportant. La plupart des petites éoliennes de moins de @? M n'ont pas de boBte de vitesse.

; rand éc%elle on recours au mac%ine sync%rone a aimant permanant qui lie directementau turbine éolienne .cependant comme la vitesse de rotation est tr&s basse de l/ordre de ?rAmin l/alternateur doit être beaucoup plus ros pour fonctionne a @9 trAmin par exemple.

ar ailleurs la énératrice a aimant permanant ne requiert pas de baues, ni de balais el lespertes de *oules dans le rotor sont nulles. )ême si la mac%ine est plus rosse les avantaesde ce montae en font la tec%noloie éolienne préférée pour énérer les plus randespuissances 9 )M a ?)M- .

C. $denti%er les principales compoasantes d&une eolienne a axe horizontal et

expliquer leur role dans la chaine de conversion d&ener'ie ou dans le(onctionnement de l&ensem"le. )uels sont les deux topolo'ies principales

d&eoliennes a axe horizontal? (2en2011)

Nn peut considéré trois composant principales :

*our: La tour a une fonction structurelle de soutien. Elle permet de placer l/ensemble del/éolienne à la %auteur désirée et de supporter la masse du syst&me.

@- )at 6aubane

9- Oour en treillis

P- Oour tubulaire

+otor :

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,. -ales: Elles constituent ce que l/on appelle le rotor et se mettent en rotation sousl/e2et du vent. 3/est le capteur d/énerie qui transforme l/énerie du vue en éneriemécanique

. Ar"re lent: 3ette pi&ce fait le lien entre les pales 9- et la boBte d/enrenae @-.!l tourne à la même vitesse que les pales.

/. Ar"re rapide: L/arbre rapide transmet la puissance de la boBte de vitesse @- àl/alternateur Q-. !l tourne à la vitesse spéci0que de l/alternateur Q- rce à lamodi0cation obtenue par la boBte d/enrenae @-.

0. 1acelle: La nacelle est la " boBte $ qui abrite l/ensemble des composantes en %aut de latour @-.

2. An3mom4tre: !l mesure la vitesse du vent. Relié à un syst&me de contrSle @-, ilpermet d/activer les mécanismes de freinae de l/éolienne a0n de ralentir voire

d/arrêter l/éolienne si les vents sont trop forts.

5. 6irouette: !ndique la direction du vent. L/information est transmise au syst&med/orientation T- via un syst&me de contrSle électronique @@-.


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7. Syst4me d8orientation: !l permet d/orienter l/éolienne selon la direction du ventcar il ne souUe pas tou*ours dans le même sens.

9. Alternateur: L'alternateur est composé de deux parties: un rotor et un stator. Lerotor électroaimant mobile- est lié à l/arbre rapide et tourne à l/intérieur du statorbobines de cuivre immobiles-. L/interaction manétique entre le rotor et le stator del/alternateur crée le courant électrique dans les bobines.

;.


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D. =a distri"ution des (orces et des vitesses sur une pale a axe horizontale est

di>erente que celle d&une pale a axe verticale. $lluster 'raphiquement .

comparer et deduire

%ttp:AAencyclopedieenerie.orAnoticesAles%ydroliennesVWedn@

1i. X : Orianles des vitesses et e2orts au cours de la rotation d/une pale

Le vecteur pointillé %ori7ontal représente la vitesse axiale locale au niveau de la section depale 4v- inférieure à 4-. L/autre vecteur pointillé représente l/opposé de la vitesse derotation du profil YR-. La somme de ces vecteurs, la fl&c%e en trait plein, représente lavitesse relative M vue par le pro0l ou 4r-. La di2érence avec le rotor à =ux axiale est que lepro0l voit un écoulement relatif variable en intensité et en direction au cours de sa rotation.L/écoulement est par conséquent instationnaire dans le rep&re relatif. Le vecteur plus épaisreprésente l/e2ort subi par la section de pale. Zien que l/écoulement relatif soitinstationnaire et tournant, on fera un raisonnement simpli0é considérant l/écoulement relatif stationnaire et uniforme. (ans ce cadre, si l/on suppose aussi qu/il n/y a pas de trainée (rameme sense que 4resultant- , l/e2ort subi par la section de pale est un e2ort de portanceLift- , perpendiculaire à M.Le couple sur l/arbre est donné par la pro*ection de cet e2ort suivant q. Nn voit qu/il estmaximum vers Q[@P?[ et 9XP@?[ et nul vers [ et @T[ \ en considérant la trainée, ces

deux positions induisent en réalité un couple néatif qui freine la turbine. L/écart type entrele couple maximum et minimum sera d/autant plus faible que le nombre de pales est rand.!l peut aussi être réduit en enroulant les pales de faDon %élico]dale le lon de l/axe 7. 3ommel/incidence relative du =uide sur la pale c%ane de sine entre le demidisque amont et aval,il en est de même pour la composante radiale de l/e2ort subi par la section de pale. arconséquent, la pale subi un e2ort de =exion dirié vers l/intérieur dans le demi disque amontet dirié vers l/extérieure dans le demi disque aval. 3ette sollicitation alternative, serépétant à c%aque cycle, constitue une cause de fatiue importante.

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our comprendre le principe de fonctionnement de la turbine, il faut représenter les pales encoupe dans un tube de courant contenant les vecteurs^@_ vitesse 0ure I-. ;insi, la pale

voit une vitesse relative amont M donnée par :W ̀HV ̀ω ̀r ̀

où 4 est la vitesse axiale moyenne au niveau du rotor plus faible que celle à l/amont-, et r lerayon vecteur *oinant l/axe de rotation au point considéré.

R, la résultante des e2orts sur la section de pale, se décompose en une portance L et unetrainée (. L/anle b est le calae de la section de pale et l/anle a l/incidence del/écoulement relatif M. La 0ure montre que le couple obtenu sur l/axe de rotation provientde la pro*ection de la portance sur l/axe q diminué de la pro*ection de la trainée sur cemême axe. Le dimensionnement du rotor consiste à placer la section de pale sous lameilleure incidence pour que la force de trainée soit la plus faible possible comparativementà la force de portance.

=8a3rodynamique des 3oliennes : d3crocha'e et tra#n3e(écroc%ae aérodynamique

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la portance de l'aile aumentera, mais, comme vous pouve7 le voir sur l'imae,l'écoulement de l'air audessus de l'aile arrête soudainement de suivre de faDonréuli&re la surface de l'extrados. ; la place, l'air commence à tournoyer dans untourbillon irréulier on parle éalement de turbulence -. (u coup, la portancerésultant de la dépression à l'extrados de l'aile disparaBt. 3e p%énom&ne est appelé

décroc%ae aérodynamique.

L'aile d'un avion décroc%era, si sa forme s'éloine trop de la direction énérale del'écoulement de l'air. En réalité, la forme de l'aile ne c%ane évidemment pas\ c'esten fait l'anle d'incidence appelé aussi l'anle d'attaque que nous avonsaumenté sur le dessin cidessus. Gote7 que la turbulence est provoquée àl'extrados de l'aile par rapport à l'écoulement de l'air.

*ra#n3e3e n'est cependant pas uniquement de la portance et du décroc%ae que lesconcepteurs d'avions se préoccupent. !ls prêtent éalement beaucoup d'attention à

la résistance d'air, appelée aussi dans le lanae tec%nique de l'aérodynamique latraBnée. La traBnée aumente en énéral si la surface exposée à la direction del'écoulement de l'air aumente.

E. )uel est la si'ni%cation de la limite de "etz ? calculer la limite en utilisant la

theorie du disque et expliquer les hypothese sur lesquelles est "asee.

6ypot%&ses de la limite de bet7 :

• as de frottement• Ecoulement %omo&nes, incompressible, stationnaire.

o #@4@H#949H#P4PH#4o (ebit massique Hcst.

• Gombre in0ni des pales (isques plein-• ousse uniforme sur la surface du disque• #illae sans rotation• ressions statiques en amant et en aval du disque éales a pression atmosp%érique

normale.o @HHHatm

(émonstration : voire 0c%e écrite

3onclusion de limite de bet7 :

3 est aussi appelé rendement de la turbine. !l mesure la puissance absorbée par laturbine ramenée à la puissance cinétique débitée par l/écoulement à travers la section # enl/absence de rotor. La 0ure @9


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en compte la probabilité de l'occurrence de c%aque vitesse de vent et la puissancecorrespondante, car la puissance est proportionnelle au cube de la vitesse. Les vents fortscontenant le plus d'énerie in=ueront d'autant plus sur la puissance moyenne, bien qu'ilsaient une faible probabilité. En multipliant la puissance de c%aque vitesse de vent par laprobabilité de l'occurrence de cette vitesse selon larépartition de Meibull, nous pouvons calculer la distribution de l'énerie éolienne à des

vitesses de vent di2érentes, cette distribution est appelée la densit3 de puissance.=a 'radient de vents ? en ,;,!

La vitesse de référence est énéralement la vitesse moyenne V observée sur dixminutes par exemple- à une %auteur de @ m ou à la %auteur de la nacelle % enamont de l/éolienne. La faDon la plus simple pour déterminer la vitesse en touteposition du disque rotor est de considérer un radient de vent, ne dépendant quede l/altitude %, sous la forme :

avec & coef0cient de ruosité du sol, compris entre ,@ et ,.(e ce fait, plus le disque rotor sera placé %aut, plus l/énerie susceptible d/êtrecaptée sera importante car proportionnelle au cube de la vitesse- et moinsl/éolienne sera affectée par l/effet de ruosité en amont de la mac%ine.

;némom&tres :

Anémomètre à coupelles

!l se compose de trois demicoquilles de la taille d'une balle de tennis- disposéessur des bras %ori7ontaux disposés à @9 derés et montées sur un axe verticaléquipé d'un dispositif de comptae de tours \ la vitesse de rotation de l'anémom&treest proportionnelle à la vitesse du vent. our l'anémom&tre standard diam&tre des

coupelles de I centim&tres-, une vitesse de rotation d'un tour par secondecorrespond à un vent souUant à une vitesse de @ mAs, soit P,I mA%. 3e typed'anémom&tre est capable de mesurer des vitesses de vent comprises entre etpr&s de 9 mA%. Les deux rands mérites de cet anémom&tre sont sa simplicité etpratiquement l'absence d'une limitation dans la amme de vitesses mesurables \mais s'il est utilisé sans équipement d'enreistrement de données électroniques, ,une rafale courte mais violente n'est pas enreistrée.

8n mt accueille énéralement entre 9 et I anémom&tres. (e nombreuxd/anémom&tres peuvent être équipés d/un syst&me électronique de c%au2ae.

Anémomètre à ultrasonLa mesure du vent est basée sur la mesure de la durée de déplacement d'une ondeultrasonore. (eux couples de transducteurs ultrasonore sont alternativement émetteurs etrécepteurs d'un train d'onde ultrasonore. Les temps de transit aller et retour sont mesurés eton en déduit, par di2érence de fréquence suivant le principe de l'e2et (oppler-, la vitessedu vent le lon de l'axe formé par les deux transducteurs. Le pouvoir de résolution de cesappareils dépend de la distance entre les transducteurs, typiquement entre @ et 9 cm, etde la fréquence de répétition des impulsions sonores utilisée énéralement plus de 9 67-.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Tennishttps://fr.wikipedia.org/wiki/Transducteurhttps://fr.wikipedia.org/wiki/Pouvoir_de_r%C3%A9solutionhttps://fr.wikipedia.org/wiki/Hertzhttps://fr.wikipedia.org/wiki/Hertzhttps://fr.wikipedia.org/wiki/Tennishttps://fr.wikipedia.org/wiki/Transducteurhttps://fr.wikipedia.org/wiki/Pouvoir_de_r%C3%A9solutionhttps://fr.wikipedia.org/wiki/Hertz


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L'intérêt de ce type d'anémom&tre est de ne pas avoir de pi&ces en mouvement et depouvoir mesurer un vent turbulent. !ls peuvent ainsi être utilisée dans des conditionsextrêmes durant de lonues périodes sans entretien, sur une bouée météoroloique ou unsite éloiné par exemple, alors qu'un anémom&tre conventionnel serait a2ecté rapidementpar les embruns ou la poussi&re.

Anémomètre à héliceRessemblant à de petits avions, ils sont couplés à une irouette et s'orientent dans ladirection du vent. L'%élice, qui mesure la vitesse du vent, tourne autour d'un axe %ori7ontal?.

armi les types d'anémom&tres moins courants, on trouve des anémom&tres constitués dedeux %élices tournant autour de deux axes 0xes, %ori7ontaux et perpendiculaires. Nn calculela force et la direction du vent en corrélant les vitesses de rotation des deux %élices. 3'estéalement le cas sur les éoliennes

Bachine Asynchrone

-rincipe de (onctionnement

Le principe de fonctionnement d'un moteur asynchrone repose :

• ('une part sur la création d'un courant électrique induit dans un conducteurplacé dans un c%amp manétique tournant. Le conducteur en question est undes barreaux de la cae d'écureuil cidessous constituant le rotor du moteur.L'induction du courant ne peut se faire que si le conducteur est en courtcircuit c'est le cas puisque les deux baues latérales relient tous lesbarreaux-.

• ('autre part, sur la création d'une force motrice sur le conducteur considéré

parcouru par un courant et placé dans un c%amp manétique tournant ouvariable- dont le sens est donné par la r&le des trois doits de la maindroite.

• Comme montré sur le schéma ci-dessus, le champ tournant , à un instant donné, est

orienté vers le haut. En considérant deux conducteurs diamétralement opposés, on

constate que les courants induits dans ces deux conducteurs sont en sens inverse et,

associés au champ manétique, créent des forces motrices en sens inverse. Le rotor étant

li!re de tourner sur l'axe "-#, les deux forces s'associent pour imprimer aux deux

conducteurs un couple permettant la rotation de la cae d'écureuil : le moteur électrique

est inventé.

• $our entretenir la rotation du moteur, il est nécessaire de faire varier soit le courant dans

les conducteurs de la cae, soit le champ manétique. %ans un moteur asynchrone, c'est

le champ manétique qui varie sous forme de champ tournant créé dans le stator .

https://fr.wikipedia.org/wiki/Embrunhttps://fr.wikipedia.org/wiki/Embrunhttps://fr.wikipedia.org/wiki/Girouettehttps://fr.wikipedia.org/wiki/Girouettehttps://fr.wikipedia.org/wiki/An%C3%A9mom%C3%A8tre#cite_note-5https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89oliennehttp://www.energieplus-lesite.be/index.php?id=11529#c2http://www.energieplus-lesite.be/index.php?id=11529#c11https://fr.wikipedia.org/wiki/Embrunhttps://fr.wikipedia.org/wiki/Girouettehttps://fr.wikipedia.org/wiki/An%C3%A9mom%C3%A8tre#cite_note-5https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89oliennehttp://www.energieplus-lesite.be/index.php?id=11529#c2http://www.energieplus-lesite.be/index.php?id=11529#c11


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• &u démarrae le champ tournant !alaye les conducteurs de son flux à la vitesse anulaire

de synchronisme. Le rotor mis en rotation tend à rattraper le champ tournant. $our qu'il y

ait un couple entretenu au niveau des conducteurs, la variation de flux doit tre présente

en permanence( ce qui sinifie que si les conducteurs tournent à la vitesse de

synchronisme comme le champ tournant, la variation de flux sur les conducteurs devient

nulle et le couple moteur dispara)t.

• *n rotor de moteur asynchrone ne tourne donc +amais à la vitesse de synchronisme

/01. $our un moteur à une paire de p2les à /0, la vitesse de rotation du champ

tournant est de 3 4tr5min61 la vitesse de rotation du rotor peut tre de 7 8 4tr5min6

par exemple( intervient ici la notion de lissement.

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1 Générateur synchr one

Le principe de fonctionnement est basé sur la création d’une variation de flux magnétique par la rotation d’un aimant(nommé rotor ) passant devant les faces de trois bobines fixes (appelées stator ) alimentées par le réseau (figure 28). Cettevariation pro- voque l’apparition d’une force électromotrice d’induction dans chacune des bobines, créant ainsi uncourant triphasé. ans ce t!pe de générateur, la rotation de l’aimant, entra"né par le rotor de l’éolienne, doit #tre s!nchroneavec l’excitation des bobines, d’o$ son appellation.

Les générateurs s!nchrones % aimant permanent sont asse& peu utilisés dans les éoliennes d’une part du fait du prixrelativement élevé de tels aimants (constitués de terres rares) et d’autre part en raison de la démagnétisation progressive quidécoule de l’utilisa- tion de ces aimants en présence de champs magnétiques intenses régnant dans le générateur. Lesconstructeurs préf'rent donc emplo!er des générateurs s!nchrones % électroaimants, qui sont alimentés en courant continuobtenu apr's redressement du courant alternatif du réseau et transmis au rotor par l’intermédiaire d’un s!st'me decollecteur tournant.

n faisant varier le nombre de ples magnétiques du rotor d’un générateur s!nchrone (figure 29), on fait également varier sa vitesse de s!nchronisation selon la formule suivante pour un réseau fonctionnant sous *+ &

itesse (tr/min) 0 1 +++/nombre de ples

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