De nos jours, les petites éoliennes d'une puissance maximale d'environ 5 kW sont utilisées pour des alimentations électriques décentralisées.
Elles produisent de l'énergie électrique, par exemple pour l'exploitation d'installations d'éclairage, de pompes ou de petits appareils.
Les éoliennes produisent une tension continue. L'énergie est emmagasinée dans des accumulateurs via un régulateur de charge. Un onduleur génère des tensions alternatives pour l'exploitation de consommateurs sur secteur.
Exemples d'applications :
Électrification de la technique de commande du trafic.
Emetteurs radio, habitation rurale ne disposant pas de raccordement à l'alimentation électrique centrale.
Électrification de zones rurales dans les pays en voie de développement.
Montage de stations de pompage éloigné.
Charge de batteries sur les bateaux à voile.
Restrictions par rapport aux installations utilisées à une grande échelle technique : Génération de tension continue.
Absence de connexion au réseau – fonctionnement autonome avec accumulateur.
Faible taille, puissances ne dépassant pas 5 kW.
(Absence d'une technique de régulation fastidieuse) Nécessitant une girouette pour l'orientation au vent.
Les petites éoliennes présentent les unités fonctionnelles suivantes : -rotor avec pâles
-girouette
-alternateur (générateur synchrone à excitation permanente) -redresseur
-bagues collectrices pour la transmission de l'énergie -régulateur de charge
-accumulateur
-onduleur pour l'exploitation d'appareils à tension secteur
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Le schéma suivant présente une vue d'ensemble fonctionnelle des composants d'une petite éolienne.
Figure 21 : Schéma petite éolienne
Dans la plupart des petites éoliennes rapides, le rotor est composé de trois pâles. Les pâles d'un rotor sont exposées à des charges exceptionnelles : des couples de flexion dus à leur propre poids, à la force du vent, à des charges variables impossibles à réguler (dues aux turbulences du vent), à l’usure du matériau due aux intempéries, et aux forces centrifuges.
Figure 22 : Petite éolienne
Les pâles sont généralement en matériau composite à fibre de verre, à résine de polyester ou à résine époxy (celle-ci étant plus coûteuse). Leur forme aérodynamique permet de gagner un maximum d'énergie.
Pour son entretien ou en cas de tempête, le rotor doit pouvoir être freiné. Il peut s'agir d'un frein mécanique ou d'un interrupteur d'arrêt électrique. L'interrupteur court-circuite brièvement l'alternateur et freine ainsi le rotor.
En règle générale, les petites éoliennes disposent d'une orientation du vent passive. Le rotor est tourné dans le vent au moyen de la girouette.
Sa taille et son exécution doivent empêcher que la nacelle ne s'oriente pas à des changements de direction de vent trop brusques. Sur les installations à axe vertical, on peut se passer d'une telle orientation, car l'éolienne est toujours tournée correctement au vent.
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2. L’alternateur
L'alternateur est le générateur qui transforme un mouvement mécanique en courant électrique.
Pour ce faire, l'alternateur dispose d'un axe qui entraîne en rotation la combinaison d'un rotor et d'un stator entre lesquels l'alternance de champs magnétiques génère de l'électricité.
Connu sur les véhicules comme la source d'énergie électrique, l'alternateur sur une éolienne est la centrale électrique actionnée par la rotation de ses pâles.
Pour bien comprendre l'alternateur, nous en avons représenté un dans sa forme simplifiée dans la figure ci-dessous.
Des aimants permanents constituent le rotor. La fonction est représentée de façon simplifiée par un pôle.
Le stator possède trois enroulements.
Des bornes de conducteurs extérieurs forment les débuts des branches.
Les extrémités des branches sont reliées entre elles et forment le point central.
Figure 23 : Schéma fonctionnel de l’alternateur
Lorsque le rotor est entraîné par l'hélice, il tourne et induit dans les enroulements des tensions sinusoïdales.
Elles atteignent leur maximum positif lorsque le pôle nord de l'aimant en rotation passe par le centre de l'épanouissement polaire et inversement, leur maximum négatif lorsqu'il s'agit du pôle sud.
Comme les trois épanouissements ont un décalage de 120°, les tensions induites sont également décalées dans le temps.
Nous observons alors dans les tensions un déphasage de 120°. La tension et la fréquence de la tension de l'alternateur dépendent de la vitesse de rotation, donc de la force du vent.
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Figure 24 : Alternateur
3. Questions
Objectif : Déterminer les caractéristiques électriques de l’alternateur en fonction de la vitesse du vent à vide et sous charge
Effectuer les manipulations et répondez aux questions suivantes
Q1 : Comprendre le rapport entre la tension de sortie de l'alternateur et la vitesse de rotation. Comment se comporte la tension de l'alternateur à différentes vitesses de rotation ?
Q2 : Etudier l'influence exercée par la vitesse du vent sur le régime de l'alternateur Quel est le rapport entre la vitesse de l'alternateur et la vitesse du vent ?
Q3 : Déterminez le régime de l'alternateur sous charge en fonction de la vitesse de rotation. Comment se comporte le régime de l'alternateur lorsque la charge est élevée
?
Q4 : Etudiez le rapport entre la vitesse du vent et la puissance de l’alternateur.
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4. Puissance électrique
L'éolienne sert à transformer l'énergie mécanique du vent en énergie électrique.
Nous vous proposons d'étudier la génératrice asynchrone à cage d'une éolienne installée au sein d'une ferme éolienne de puissance totale de 7,5 MW.
Les éoliennes fonctionnent à vitesse fixe, la génératrice est reliée au réseau.
Nous allons déterminer la puissance électrique et la vitesse de rotation de l'arbre de la génératrice.
Les éoliennes comportent des multiplicateurs.
Le schéma est le suivant :
Figure 25 : Arbre de la génératrice Soient les données suivantes :
𝑉 = 15m/s, la vitesse du vent nominale supposée constante 𝑁 = 32,8 tr/min, la vitesse nominale de la turbine éolienne 𝜌=1,225kg/m3 la masse volumique de l'air
𝐶𝑝 = 0,27, le coefficient aérodynamique 𝑅 = 21,7 m, le rayon des pales
Calculez la puissance électrique en sortie de la génératrice et la vitesse de rotation de l'arbre de la génératrice sachant que le multiplicateur utilisé à un rapport de 46,48 et un rendement de 96% et que les éoliennes tournent à 32,5 tr/min.
Les pertes dues à la génératrice sont supposées négligeables.
La puissance du vent à l’entrée de la turbine est :
𝑃
𝑣𝑒𝑛𝑡= 1
2 . 𝜌 . 𝑆 . 𝑣
3Le vent passe ensuite à travers les pâles de la turbine, la puissance récupérée est égale à la puissance du vent, au coefficient Cp près :
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𝑃
𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑒= 1
2 . 𝐶
𝑝. 𝜌 . 𝑆 . 𝑣
31. Calculer 𝑃𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑒 et en déduire la puissance mécanique récupérable à l’entrée de la génératrice 𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟é𝑒
Cette puissance est négative, car la machine est en fonctionnement génératrice. Ce qui nous intéresse, c’est la puissance électrique obtenue en sortie de la génératrice.
Par hypothèses, les pertes dues à la génératrice étant supposées négligeables :
𝑃
𝑒𝑛𝑡𝑟é𝑒≈ 𝑃
𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑒Et
𝑃
𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑒= 𝑃
𝑒𝑙𝑒𝑐2. En déduire 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐.
3. Calculer la vitesse de rotation de la génératrice sachant que :
Ω
𝑚𝑎𝑠= Ω
é𝑜𝑙𝑖𝑒𝑛𝑛𝑒. 𝑟𝑎𝑝𝑝𝑜𝑟
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