Etude d'un système d'orientation des pales d'une eolienne à axe horizontale.

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C'est un agréable plaisir pour moi d'exprimer toute ma reconnaissance à mon Directeur de mémoire, Mr B.Medüahad qui, on acceptant de diriger ce travail de recherche m'a f;ait profiter de ses comaissances et ses précieux conseils. Je le remercie de m'avoir encadré, orienté, aidé et conseillé. J'adresse mes sincères remerctements à tous ,es prof;esseurs, tntervenants et toutes Ïes persormes qut par leurs paroles, leurs écrits, leurs conseils et leurs critiques ont guidé mes

réflexions et ont accepté à me rencorïtrer et répondre à mes questions durant mes recherches.

Je remercie mes très chers parents qui ont toujours été là pour moi «Vous avez tout sacrifiié pour vos enf;ants n'épargnant ni santé ni eff;orts. Vous m'avez donné un magnifique modèle de labeur et de persévérance. Je suis redevable d'une éducation dont je suis fier»

Enfin,je remercie tous mes Ami(e)s Pour leur sincère amitié et confiance, et à qui je dois ma recomaissance et mon attachement.

À tous ces intervenants, je présente mes remerciements, mon respect et ma gratitude.

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Sommaire

In:tiod:uction générale ...,...

Cho[pifte 1 généralüé sur l'énergie éolienne

lntroducti;on...

I-2.Différentes types d' éoüennes

I-2-1.Eolienne a axe veTtical ...

I-2-1-1.Tra:inée di/ffërentielle ...-...

I-2-1-2.vœriution cyclique d'incidence ...

I-2-2.Eoliennes a axe horizon:la,le ...

I-3. Principe de fionctionnemen:t ...

I-3-1.Schéma de fionctionnemen:t ... „ 14.Com:posa:nts d'une éoü;enne ...

14-1.Aïles ou pa,les ...

14-2.La tour ou le mâ:1 ...

14-3.La parie électrique ...

1-5.Loi de Betz .,...

I-5-1.Exemple...-...

IJ5. Les efflorts intervena[nt sur la paLe ...

I-7 .Eoüennes a viiesse fixe ...

I-7-1.éoliennes a décrochage aérodynamique..„ ...

I-7-2les éoliennes à pales orientables ...

I-8.les éoliennes à vüesse va:riable ...

I-9. Zones de fionctionnement ... „ ...

I-10.Effjëtsta,11...

I-11 efflët pitch ...

Conclusion...

CIIAPITRE 11 réglœge de l'œngle de calage

lI-1-In:trod:uction...

11-2- Principe théorique de voirin:tion de pas ...

JT-3 Détermination De ] `angle de calage ...

11-3-Systènœ de réglage d'œngle de calage ...

114J5tructure générale d'un système d'orientotion des pales ...

II-5-Exemples des systèmes ...

11-5-1. Système hydra:ulique ... „ . „ ...

II-S-2 ïystème électrohydra:ulique ...

11-5-3 système électromécomique ... „

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05 06 08 08 08 08 09 09

12 12 14 14 14 15

16 17 18

18

19 19 21 23 23 24 24 26 27

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Sommaire

116Intégmtion des systèmes de variatù}n de pas ...

Conclusion...

CHAPITRE 111. Etude et réalisœtion

lll .1.In:1roduction ... „ .... „ ...

111.2.Présentoition générale de système ...

III .2.1 Scfiéma de principe ... „ ...

III .3. Moteur pas à pas ...

III .3.1Principe de fionctionnemerït ...

Jlï.3.2 L'alimentation des bobinages ... „ ...

111.3.2.1 Le mote:ur bipolfl:ire ...

111 .3.2.2 Le moteur unipolœire ...

111 .3.3.Types des rruDteurs pas à pas ...

111.3.3.1.Moteur pas à pas à œima:nt permanœnt ...

111.3. 3.2. Moteur pas à pas à reluctance variable ..,...

111 .3.3.3Moteur pas à pas hybride ...

111 .3.2. Exemple Fonctionnement de moteurs pas à pas ...

111 .3.3. Moteur utïüsé à la réalisœtion de system ...

111.4.Présenia:tion d:u pic 16F877 ...

111.4.1. Caractéristiques du pic 16F877 ...

III .4.2. TIMER l du pic l6F877 ...

III .4.3. ADc de picl6F877A ... „ ... „. „ ... „ 111 .4.4. Le module Ccpl d:u pic 16F877A ... ` ... ` ...

III .4.5. Le mode compare ... ` .... „ ... ` ...

111.5. Préseniœtion de circrit de commamde ... ` .... ` ...

111.6. L'anémomèwe ...

111.7. Fonctionnement du système en pratique ...

111 .8. Orgarigramme de programme ...

111 .9. Résulta:ts de simlation ...

Conclusion...„

Conclusion générale ...,...

Annexe...„....„...,...

Bïbliogruphies

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Notatbn

Pui ssamce mécamique La densité de l'air La masse de L'air

La surface balayée par les pales Coefficient de puissance

Puissance mécanique maximale La vitesse du vent

La vitesse nominale La vitesse de démamage La puissamce nominale La vitesse maKimale

Le couple électromagnétique La vitesse spécifique

L'angle de calage

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Introduction générale .,,.,. „.Lu._

Depuis les anciennes civilisations, l'Homme a découvert la notion de la force et il a compris qu'il peut puiser dans la nature pou s'en procurer afin de prospérer sur terre, et dompter les obstacles qu'il rencontre dans sa démarche quotidienne vers le progrès. Une de ces forces de la nature est le vent qui est appelée actuellement l'énertie éolienne.

L'homme a très vite compris la manière de capter cette énergie et comment l'exploiter dans des systèmes simples pou moudre les grains ou pomper l'eau. On trouve d'ailleurs des anoêtres d'éoliennes jusque dans la perce ancienne [1]. Mais il ne l'a utilisée comme souce d'énerde électrique que vers les années quarante du siècle passé. Carjusqu'alors l'électicité était produite à partir des énergies fossiles, du géothemique et de l'hydraulique. Arriva ensuite le nucléaire pour remplacer les ressources traditionnelles déjà en épuisement avec un rendement très important mais des déchets radioactifs très dangereux, et surtout des risques néfàstes pou l'environnement et les personnes en cas d'accident ou de séisme ou même d'aftaque sur les sites concemés.

Avec l'augmentation de la pollution à cause de l'indusriàlisation croissante de la majorité des pays, et la surpopulation sur l'ensemble du globe. La demamde su l'énerSe électrique est de plus en plus croissante et les sources d'énergie traditionnelles de moins en moins abondantes. L'Homme s'est àlors orienté vers des énergies renouvelables mais surtout propre et sans danger.

De nos jous les efforts s'orientent tous vers le développement de la production de l'énergie solaire et éolienne soit à caractère local soit pour la production à grande échelle.

Suivant le potentiel du site exploité. Du £rit de l'abondance de ces ressources et de leur caractère écologique. Elles sont considérées comme étant les énergies de l'avenir ; dams ce contexte notre travail va s'intéresser à la filière éolienne et aux outils de son exploitation et son développement.

I.a majorité des éoliennes installées étaient à vitesse fixe. Elles possèdent néanmoins de nombreux inconvénients : un £rible rendement énergétique, dans la mesure où elles ne sont optimisées que pour un point de fonctionnement et une courte duée de vie à cause des efforts impoftamts subis par leu structure en Outre, ces turbines génèrent des fluctuations considérables de la tension et de la puissance du réseau lors des rafàles du vent [2]. Les éoliemes à vitesse variables ont été alors introduites pou apporter des solutions à ces problèmes. Les fluctuations de puissance peuvent être atténuées avec un dispositif qui pemet des vitesses de rotation variables et par conséquent d'emmagasiner l'énergie des rafàles sous fome d'énergie cinétique dans les grandes masses toumantes. Ainsi la production annuelle d'une éolieme à vitesse variable est accrue de 5 % à loc/o par rappon à une éolienne à vitesse fixe [3].

Parmi différents types de structures éoliennes, la génératrice synchrone a aimants permanents à grand nombre de pôles, rend les systèmes à vitesse variables plus attrætifs. Ce type de machines pemet d'extraire un maximum d'énertie en réduisant les contraintes mécaniques et cela par l'élimination du multiplicateur de vitesse, ce qui améliore la fibilité du système et la réduction des ffais d'entretien. Contrairement à la machine asynchrone à double alimentation qui nécessite un multiplicateu mécanique [4] .

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La machine synchrone à aimants pemanents est égàlement caractérisée par un couple volumique élevé, une inertie très fàibles inductances. Toutes ces caractéristiques oflïent à la machine synchrone à aimants pemanents des perfomances intéressantes, un rendement meilleu et meilleu contrôlabilité, ce qui £àit d'elle une sérieuse concurrente de la machine asynchrone [4] .

Dans ce travail, nous allons nous intéresser à l'étude d'un système d'orientation des pales d'une éolieme à axe horizontale basée sur la commande des moteurs pas à pas.

Nous àllons entamer ce travail avec un premier chapitre qui traitera des généralités su l'énergie éolienne, à commencer par quelques statistiques su la production mondiale et la production des pays considérés comme de gramds producteurs, sans oublier de parler du cas algérien. Puis nous dlons parler des différcmts types d'éoliemes existant en àbordant leus différentes structures, leus fonctionnements. Ensuite, nous allons donner quelques notions tiéoriques de fonctionnement des éoliemes par la suite, nous allons également mentionner quelques notions aérodynamiques des pales de l'éoliennes. En fm nous allons particulièrement nous intéresser à l'utilisation des systèmes d'orientation des pales d'une éolienne à aKe vertical.

Dans le chapitre deux, nous allons définir le système d'orientation des pales d'une éolienne a aKe horizontale, domer le principe tiiéorique de variation de pas de calage, Enfin domer quelques exemples des systèmes qui sont proposé dans des autres études.

Dans le chapitre trois, nous allons présenter notre concçption de système de variation de pas, nous ànons montrer le fonctiomement de ce système, et détailler chaque élément du système électromécanique, nous àllons également donner le système que nous àllons réaliser et expliquer le fonctionnement et l'organigramme du programme, à la fin de ce chapitre nous allons domer les résultats de simulstion.

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GHAPITRE 01

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Chapitre 1 généralité sur l'énergie éolienne

I-1.introduction :

Bien que ne pouvant envisager de remplacer les sources traditionnelles d'énergie, l'éolienne peut toutefois proposer une alternatif intéressante et renouvelable. E11e s'inscrit parfritement dans l'effoit global de réduction des émissions de gaz à effet de serre.

Son développement s'est fortement accéléré depuis 1995 avec une évolution de la fiabilité, de la taille des éoliennes et de leur rendement .le cout de production du kilowattheure a progressivement baissé pour atteindre un niveau compétitif par rapport aux autres sources d'énergie.[5]

Au début de l'amée 2009,on estimait a près de 121 GW la puissance totale installée de l'ensemble des éoliennes à travers le monde .le pays possédant la plus grande puissance éolieme installée était les Etats-Unis (25 388 MW) et de l'Espagne (16 740 MW)

En puissamce éolienne instàllée par habitant, le Danemark arrivé en tête (600 W par habitant) les Etats unis arrivant en 12 eme position (89 W/hab.) malgré leu classement en première position pour la production totale.

A la fin de 1'amée 2010 ,193 GW d'éolien sont installés dans le monde la chine y a investi 63 milliards de dollars et les USA 18 milliards de dollars. La croissance des investissements dans l'éolien a été de 34 % .Quantà la puissance, elle a augmenté de 22 % (soit 35,8 GW). [6]

En 2015, l'énerrie éolienne a couvert ~3% de la consommation d'électricité mondiale totale grâce à une puissance de 432'000 MW,En Europe la production continentale de l'énergie éolienne, correspondait à environ 11,4% de la consommation [7].

La Chine, USA, Allemagne, hde, Espagne et Angleterre sont les six pays qui dominent le marché mondial de l'éolien. La Chine est plus que jamais le marché le plus important. La région Asie semble être la plus porteuse [7] .

L'Algérie a l'instar des autres pays essaye de percer dans le domaine des énerSes renouvelables et 1'énertie éolienne en particulier, et ce en donnant beaucoup d'importmce aux études réàlisées dans ce domaine notamment celles qui sont dédiées au cas Algérien malgré la prédomine de l'énergiesolaire. Une étude préliminaire de 1'évolution saisonnière et annuelle de la vitesse moyenne du vent a pemis de fàire une première identification desrégions ventées de l'Algérie .cette représentation de la vitesse sous fome de carte, a deux objectifs :

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Chapitre 1 généralité sur l'énergie éolienne

Le premier est d'identifier les vastes régions avec de bonnes promesses d'exploitation de l'énergie éolienne. Le second est de mettre en évidence la variation relative de la ressource à travers le pays [8] .

I-2.Différentes types d'éoliemes :

n existe plusieus facteur de classification des éoliennes, que ce soit par types de machine utiliséeà la production d'électricité, ou bien on short et off short mals les deux caractères les plus utiliséesEn classement des éoliennes sont les detK grandes familles : les éoliennes a axe vertical et les éoliennes a axe horizontal[9] .

I-2-1.Eouenne a ouee verti£al :

Deux principes différents sont utilisés pour ce type de machines, à savoir la trainée différffltielle et la variation cyclique d'incidence [9] .

Fig. 1.1 : Différents typ€s d'éoliennes à axe vertica].

I-2-1-1.Troilnéediffjiërentieue

Le principe de mise en mouvement de ce type de machines est identique à celui d'un anémomètre, 1'éûlienne est munie de deux aubes de fome creuses. Su lesquelles des effofts d'intensités différentes et de sens opposés sont exercés par le vent. n en résulte donc un couple moteur qui £rit toumer le rotor de l'éolienne [9] .

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Chapitre l généralité sur l'énergie éolienne

53vonius-Rotor /erj! =---+

Fig. 1.2 Trainée diffërentie]

I-2-1 -2.vœriœtion cycHque d'incidence

Le fonctionnement est basé su le £rit qu'un profil placé dans un écoulement d'air selon diffërents angles est soumisà des forces d'intensités et de directions variables [9].

Ril!€'Ï",€ . 4r_rdL`

- . -f:J

----_ -=

---.---- î .--+

Fig. 13 cyclique d'incldence I-2-2.Eoliennes a axe hori@ontale ..

Ces machines sont les descendantes directes des moulins à vent ces machines présentent généràlement un nombre de pales compris entre 1 et 3 et peuvent développer des puissances

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Chapitre 1 généralité sur l'énergie éolienne

élevées Ûlusieurs mégawatts).Deux types de configuration peuvent être rencontrés : les éoliennes amont, sur lesquelles les pàles sont situées du côté de la tou exposé au vent, et inversement, l'éolien aval.

Chaque configuration possède des avantages et des inconvénients : la fomule amont requiert des pales rigides pour éviter tout risque de collision avec la tour alors que la configuration aval autorise l'utilisation de rotors plus flexibles. Par ailleurs, dans le cas d'une machine amont, l'écoulement de l'air sur les pales est peu perturbé par la présence de la tour.

L'effet de masque est plus important dans le cas d'une machine aval .enfin, une machine aval est théoriquement auto-oriemtable dams le lit du vent, àLors qu'une éolienne amont doit généràlement être orientée à l'aide d'un dispositif spécifique. On constate néanmoins que la majeure partie des éoliennes de grande puissance adoptent la configuration amont [9] .

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Edienne amont

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Sens du vent

Eolienne avc[Ï

F3g. \.4.tiiMfiere"es iypes d' éoüe"ies à Qtxe hori@orïtal

I-3.Principe de fonctionn€meni :

Les turbines éoliennes produisent de l'énergie en convertissant l'énerrie du ventsoufflant sur les pales du rotor en énergie mécanique de rotation. Les pales du rotoragissent de façon

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Chapitre 1 généralité sur l'énergie éolienne

similaire aux ailes d'un avion. Lorsqu'elles sont soumises au vent, lespàles génèrent une force selon le principe de Bemoulli.

Æ.g. 1.5 fonctîûnn€m€nt d'éo]i€nnes

Du £rit de la géométrie particulière de la pàle, le flux d'air génère une suipression su la Face située au vent et une dépression su la face située Sous le vent. La différence de pression entre les deux Faces résulte en une force de poussée pependiculaire à la direction de la vitesse Résultante du vent, dont les deux composamtes sont la vitesse du vent réel et la vitesseangulaire de la turbine en rotation.La force de poussée se traduit par un couple mécanique qui, appliqué sur l'arbre durotor, entraîne un mouvement de rotation du rotor. La puissance disponible sur l'aH.brepeut être utilisée de différentes façons. Durant de nombreuses années, cette puissanceétait utilisée pour moudre le grain dans les moulins à vent ou pou pomper de l'eau.De nos jours, les turbines éoliennes utilisent cette puissamce pou produire, grâce à ungénérateu, de l'électricité[io].

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Vent

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>

>

>

>

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Chapitre 1 généralité sur I'énergie éolienne

I-3-1.Schéma de f ionctionnemertt :

Génératrice

Equipement De coupure et Protection

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Energie mecanique\ Energie électrique

Fig. \.6 schéma de fonctionnement I-4.Composunts d'une éolienne :

14-1.ALïles ou pales..

Les éoliennes modemes sont composées de 2 à 3 pales, toumant autou d'un rotor à axe horizontal. Les pàles de l'hélice peuvent être en bois lamellé-collé, en plastique renforcé de fibre de verre, ou en métal . . . le damètre qu'elles balayent varie actuellement de 40 m à 150m

[11].

14-2.La tour ou le mâl:

L'hélice est située en haut d'une tour de 50 m à 110 m. le mât peut être constitué d'assemblages de croisillons métalliques, ou parfois fàit d'élancés poteaux en béton ou en métal [ 1 1 ] .

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Chapitre 1 généralité sur l'énergie ëolienne

14-3.pœrtle électrique..

Dans les éoliemes destinées à produire de l'électricité, lüélice fàit toumer un génératetm électrique situé en haut de la tour, dans le prolongement de l'axe de l'hélice. Entre l'hélice et le générateur électriflue se trouve en général un multiplicateur de vitesse, car l'hélice toume à des vitesses d'environ 10 à 60 tours par minute alors qu'un générateur électrique doit être entraîné à environ 1000 à 1500 tours/ min [1i].

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Hg. \.7 co"pos"ü d'une éolÈenne

1Jes pales 3arbre de trQinsmission lent 6n;rbre roipide 9-système d'orieyïiq[tion 2 -le moyem 4-:ffiultiplico[teur

1 et 2- 3e rotor 5-fireiï. à disque I-5.Loi de Betz

7Êénérœtrice 10-h tour 8-vstèm de commande

Considérons le système éoliffl à axe horizontal représenté su la figure [1.8], su lequel on a représenté la vitesse du vent Vl en amont de l'aérogénérateur et la vitesse V2 en avàl. En supposant que la vitesse du vent traversant le rotorest égale à la moyenne entre la vitesse du

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Chapitre ' généralité sur l'énergie éolienne

vent non pertubé a l'avant de l'éolienne Vl et la vitesse du vent après passage à travers le rotor V2 soit la vitesse moyenne V12 [9].

Fi8.1.8

La masse d'air en mouvement de densité p traversant S des pales en une seconde est :

m = p.s.0'1+V2)

2 ( 1-1)

La puissance pm alors extraite s'exprime par la moitié du produit de la masse et de la diminution de la vitesse du vent (seconde loi de Newton)

Pm= m.(V|2-v22)

En remplaçant m par son expression on trouve Pm=•PSW1+V2)(yi2+y22)

4

'r-2'

(J-3J

Un vent théoriquement non perturbé traverserait cette même surface S sans diminution de vitesse,soit à la vitesse V1, la puissance théorique pmtconespondante serait alors

pm = ʱ₂

L'énergie pm est maximale pour une vitesse V2 telle que sa dérivée s'annule

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Ïr-4'

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Chapitre l généralité sur l'énergie éolienne

/7-5'

Et pou cela nous avons deux solutions possibles

V2-

V2-

2V1+4V1

-6

2V1-4V1

-6

<0

=±vl

3

¢-6'

(J-7J

Cette solution est impossible Ou

En reportant cette valeu dans l'expression de pm on obtient

Pmmax = P. S. V|3.1₂₇ (J-8'

Le ratio entre la puissance extraite du vent et la puissance totale théoriquement disponible est alors donné par :

cp--±

Pmt Nous savons que l'énerderécupérable est :

Pmmœ=Cp.±P.S.V|3

Donc

Par identification

#-:P.S.V13=z;.p.S,V|3

8

Cp = E716

(J-9'

(1-10)

UI-11)

(1-12)

Ce ratio appelé aussi coefficient de puissance Cp présente un maximal de 16/27 soit 0,59. C'est cette limite théorique appelé limite de Betz qui fixe la puissamce maximale extractible pou unevitesse de vent domée. Cette limite n'est en réalité jamais atteinte et

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I I I I

I I I I

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Chapitre 1 généralité sur l'énergie éolienne

chaque éolienne est définie par son propre coefficient de puissance exprimé en fonction de la vitesse relative lambda [9] .

I-5-1.Exemple ..

I

2 bLades

1 blade I `:

3 bLades

4 bLadEs

0 5 10 15 20 25 Tip-spÊed ratio ^

Fig. -.9 coeffi;ciefl[t de puissance

1-6. Lesefforts întervenu[nt sur la pale :

Pour comprendre le mode de fonctionnement d'une éolienne, il fautquelques concepts d'aérodynamique. Pami ceux-ci, 1es notions de trainée et de portance jouent un rôle majeur.

Le profil d'une pale est constitué, d'une part, d'un bord d'attaque et d`un bord de fiiite, De manière générale, 1a corde présente un certain angle avec la vitesse de l'air en amont, V.

Cet mgle s'appelle l'mgle d'attaque. Plus cet angle est important, plus les filets d'air sont déviés par le profil. En d'autres termes, la présence de l'aile réorganise localement l'écoulement de l'air (autour du profil). La partie du profil entre le bord d'attaque et de fiiite orientée vers le haut est appelée, extrados, tandis que l'autre moitié orientée vers le bas est appelée, intrados. Du côté de l'extrados, l'aile a fait accélérer l'écoulement. Par contre, elle a ralenti l'écoulement côté intrados. La physique nous pprend qu'une telle accélération est accompagnée d'une diminution de pression alors que la décélération engendre une

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Chapitre 1 généralité sur l'énergie éolienne

augmentation de la pression. Comme la pression est différente au-dessus et en dessous de l'aile, les forces de pression sur l'aile ne sont pas identiques au-dessus et en dessous. n en résulte une force globalement introduire Orientée vers le haut. C'est cette force qui pemet aux oiseaux ou aux avions de voler [12].

Portance

Extrados

Parcours plus long - augmentation d

Bord de fuite

Ia vitesse - dépression

Bord d,attaque

Profil faisant obstacle au flux - baisse de vitesse - surpression

Fig. l.10.f;orces a[pptiqué sur la pale

La force sur l'aile peut, comme toute force, se décomposer en plusieurs composantes.

Dans notre cas, on considère la composante dans la direction de l'écoulement, la force de trainée, et la force dans la direction perpendiculaire à l'écoulement, la force de portance

Portance Résultante

aérodynamique

_---,.---.--+

--- _{_E--}

__---

Fig. \.11 résultarïtes des f iorces

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==-=à

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Chapitre 1 généralité sur I'énergie éolienne

I-7.Eoliennes a vitesse ftxe :

les éoliennes a vitesse fixe sont les premiers à avoir été développées .dans cette technologie la génératrice est directement couplée au réseau .sa vitesse mécanique est alors imposée par la fi.équence du réseau et le nombre de paires de pôles de la génératrice .la technologie inhérente aux éoliennes a vitesse fixe est bien maitrisée . eneffet, c'est une technologie qui a frit preuve d'une simplicité d'implantation, une fiabilité et un faible cout.

Avec la mise en place très progressive de projet d'éolienne dont la puissance est supérieue au MW, ce sont les éoliennes à vitesse variable qui se développeront a 1'avenir pou cette gamme de puissance [13].

Le couple mécanique entrainant ®roduit par la turbine) tend à accélérer la vitesse de la génératrice cette demière fonctionne alors en hyper synchrone et génère de la puissance électrique sur le réseau. Pour une génératrice standard à deux paires de pôles,la vitesse mécanique est légèrement supérieureà la vitesse du synchronisme, ce qui nécessite 1'adjonction d'un multiplicateu pour adapter la génératrice à celle du rotor de l'éolienne On peut distinguer deux technologies d'éoliennes à vitesse fixe : les éoliennes à décrochage aérodynamique et les éoliennes à pales orientables [ 13] .

I-7-1.éoliennes a décrochage aérodymmique

les éoliennes a décrochage aérodynamique `stall' génèrent une puissance électrique variable dont la valeur maximale correspond en général à la puissance nominàle de la machine .en dessous de cette valeur, la puissance foumie croit avec la vitesse du vent .Au- delà, la puissance foumit décroit avec la vitesse du vent [13].

I-7-2les éoliennes à pales orientables

L'utilisation d'un système d'orientation des pales pemet, par une modification aérodynamique, de maintenir constante la puissance de la machine en fonction de la vitesse du vent et pour une vitesse de vent supérieur à V7L[13] .

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I I I I I I I

1 1 1

I I I I I I I I

1 1

I

Chapitre l généralité sur l'énergie éolienne

1-8. Éoliennes à viiesse vœriable IR-1.principe

Nous avons deux structures existantes des éoliennes a vitesse variable la première est basée sur une machine asynchrone a cage, pilotée au stator de manière à fonctionner à vitesse variable, par convertisseurs statiques [ 13] .

=i::[=--.-:_==-::=_:-_-::Ë

EIEIE

Fig. l.12.eolienne a machine asynchrone à cœge.

La deuxième est basée sur une machine asynchrone àdouble alimentation et a rotor bobiné la vitesse variable est réalisée par l'intemédaire des convertisseus de puissance,situés au circuit rotorique [ 13] .

5b

Fig. \.13 éolienne à machine asynchrone à double alimentQ[tion

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Chapitre 1 généralité suÏ I'énergie éolienne

I-9.Zones de f ionctionnemeni :

-:---`---:=:---i:±=

\.Ï'

i,-!1

Fig.\.14.@onesdefioncüomement

La figure ci-dessus montre quatre zone principales de fonctionnement peuvent être distinguées :

-zone 1 : c'est la zone ou la vitesse du vent est inferieme avD l'éolieme ne produit pas d'électricité.

-zone 2 : C'est la zone de démarrage de la machine,elle commence lorsque la vitesse de vent est supérieureà une ceriaine vitessevD ,lorsque la vitesse de la génératrice atteint une valeu de seuil,un algorithme de commande pemettent l'extraction de la puissance maximale du vent est appliqué.Pou extraire le maximum de la puissamce,l'amgle de la pale est maintenu constant à sa valeur minimàle.

Ce panneau continue jusqu'à atteindre une certaine valeu de la vitesse mécanique Au- delà, l'éolieme fonctionne à vitesse constamte. Dams cette zone, la puissance de la génératrice atteint des valeurs plus importantes, jusqu'à 90 % de la puissance nominàlep„om.

Zone 3 : Arrivée à la puissance nominalep7Lom, une limitation de la puissance généré est effectuée à l'aide d'un système d'orientation des pàles : pitch control

Zone 4 :-Au-delà de la vitesse Vma#m dispositif d'ugence est actionnée de manière a évité une rupture mécanique .les pales sont mis par mesure de sécurité en position de drapeau.

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Chapitre 1 généralité stir I'énergie éolienne

En pratique, le passage de la zone 2à la zone 4 est un peu particulier. En effet, la vitesse de rotation est contrôlé par le couple électromagnétiquecgmen zone 2 et, en zone 4, c'est la puissance qui doit êtrecontrôlé par le dispositif d'orientation des pales.Lesystème d'orientation des pales à une dynamique bien plus lente que la dynamique électrique de la machine.ainsi, la lenteur de la régulation de l'ande de càlage peut entrainer m dépassement de la vitesse de rotation limite lors d'une rafàle se produisant pendant unfonctiomement entre les zones 2 et 4 .il est, dans ce cas,intéressmt de concevoir une procédure pemettant d'amticiper l'action du dispositif d'orientation en réglamt le couple électromagnétique de mmière a comtrôler la vitesse de rotation,dans cette zone 3 intemédiaire [ 13] .

I-10.Ef fet stall :

Dans le cas d'un profil à angle d'attaque inférieur à la limite de décrochage, les trajectoires du fluide, à savoir l'air, sont infléchies par la présence du profil.On a une accélération côté extrados et une décélération côté intrados, accompagnée d'me diminution et me augmentation de pression, respectivement. Cette diffërence de pression su les deux faces du profil est la base de la génération de portance

E€aülæmÊnt nûrmæl

Fig.1.15 décrochœge aérodynœmüue

Lorsque le profil décroche, 1es mgles d'attaques sont trop importants et le fluide ne parvient plus prendre les trajectoires imposées par le profil (fortement incliné). Les trajectoires de fluides ont tendance à rester plus proches de leŒ situation initiàle. Comme il y a moins de défomation de trajectoire, il y a moins d'accélération du fluide côté extrados du profil. Du coup, la dépression est moins importante et, sans surprise, la portance devient moins importante [ 14] .

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Chapitre 1 généralité sur l'énergie éolienne

I-11eJ:Ï;ëtpitch..

Le pas variable, aussi appelé pitch control, est un système de régulation aérodynamique actif. Ce système consiste à £rie varier l'angle de calage des pales sur le moyeu à l'aide d'm système d'orientation autom d'un axe lonËtudinal pour profiter au maKimum du vent instantané et limiter la puissance pour des vitesses de vent supérieures à la vitesse nominale.

La variation de l'angle de calage enffaîne une diminution ou une augmentation de la ponance de la pale, donc du couple moteur [15] .

Fig.1.16 pitch control Conclusion:

Dans ce premier chapitre, nous avons présenté des généralités su la production de l'énerrie électrique à partir de de l'exploitatiûn de l'énergie éolienne, Nous avons égàlement présenté les différents types des éoliemes, Nous avons également consacré ce chapitre à la description d'une éolienne, principe de fonctionnement d'éolienne et le calcul de la puissance extraite de la rotation de celle-ci, Nous avons donné les zones de fonctionnement en fonction de variation de la vitesse de vent.

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GHAPITRE û2

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Chq[oitre ll Le ré£la£e du l'qmgle de calq£_e_

JT-J-Introduction :

La plupart des grandes éoliennes utilisent deux principes de contrôle aérodynamique pour limiter la puissamce extraite de la génératrice à sa valeur nominale :

Un système a décrochage aérodynamique qui consiste à concevoir la fome des pàles de manière à augmenter les pertes de portance au-delà d'une certaine vitesse de vent.

Les éoliemes à vitesse fixe de petites puissances utilisent généralement le système à décrochages aérodynamique.

Un système d'orientation des pales qui pemet d'ajuster la portance des pales a la vitesse du vent pou maintenir une puissance sensiblement constante.

Le système d'orientation des pales sert essentiellement à limiter la puissance générée.

Avec un tel système, la pale est toumé par un dispositif de commande appelé `pitch control.

En réglant l'angle d'orientation des pales, on modifie les perfomances de la turbine, et en plus précisément le coefficient de puissance, les pales sont face au vent en basses vitesses, puis, pour les fortes vitesses s'inclinent pou dégrader le coefficient de puissance .elles atteignent la position en drapeau à la vitesse maximale

La fonction de pitch est de donner un contrôle total su la puissance mécanique et c'est la méthode la plus utilisée pour les vitesses variables du vent. À des vitesses de vent inférieures à la vitesse nominale, l'angle d'inclinaison est à son minimale. Au-dessus de La vitesse du vent nominà[e, l'angle d'inclinaison est contrôlé pour maintenir la puissance du générateur à la puissance nominale.

La forme des pales et, plus généràlement, 1es caractéristiques de la turbine jouent un rôle primordial dans ce réglage de puissance [13].

JT-2- Principe théorique de variation de pas :

L'angle de Calage d'une pàle d'hélice est l'angle fomé par la corde de la pàle et le plan de rotation de l'hélice.

Pou frire fonctionner une éolienne correctement, on doit pouvoir jouer su les paramètres aérodynamiques des pâles pour contrôler la vitesse de rotation ainsi que la puissance soutirée au vent :

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Chumitre__II Le réFla£e d# l' um¥h d? c±g|Fg±

Dans le cas des vents importants, le rotor peut être soumis à des forces mécamiques qui peuvent dépasser les contraintes admissibles. En outre, la puissance foumie par le rotor est limitée par la puissance maximale de la génératrice. Quand la génératrice atteinte la püssance nominal à un vitesse du vent nominàl, la turbine doit limiter la puissance mécanique foumi à la générarice, l'angle de calage est contrôlé de manière a maintenir cette puissance a la puissance nominale.

Dans le cas de fonctionnement normal, on doit pouvoir fonctiomer à la vitesse de rotation souhaitée ou du moins, prédéfinie.

La manière la plus efficace de modifier l'angle d'attaque est de jouer sur l'angle de càlage.

Celui-ci peut être modifié en £risant pivoter la pâle le long de son aKe. Pour contrôler la force appliquée, on peut procéder de deux manières distinctes :

On peut augmenter l'angle de calage pour diminuer la puissance ou le réduire pour augmenter cette puissance ("pitch control" en anglais). A la limite si l'on souhaite réduire au maKimum les forces exercées su les pâLes pour garantir leur intégrité, notamment en présence de gramds vents, on peut les placer en drapeau par rapport à la direction du vent ("feathering"

en anglais) [14].

Fù& 11-1 l'œngh de calage

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C_h_Çn_i±r£ II Le réglæe du l'q[ngle q£_ calœË£

JT-3 Détermination De 1 `angle dc calage :

A partir de l'équation de Cp en fonction de À, et P suivante :

Cp = (0.44-0.0167* P beta)*sin (pi*(À -3)/ (15-0.3* P))-0.00184*(À -3)* P ... (JJ-/J Nous allons tracer la caractéristique Cp(À) qui est montré sur la figure suivante pour une valeu de variation de P entre o et 20 dégrée et À entre 3 et 20

E

Ei=

_ _ _ L _ _ _ L _ _ _.1_ __-__--_ L _ _ __1

1 1 ,1 1

1111

_ .__ _ + _ - - + _,,L - + -_____=+

___,T_, T_

--74,;L -__--=i--I_ =

--1_ _ 1

---+-__

G - 2,0

_T___l___l J___J___J -\ T ---- 1 - - - 1 - - _111

11'

T _ ._ _ T _ -_ _-_ T. _ _ _ T _ T _ 1 _ - _ 1 L _ _ _ J_ _ _ ____ J _ _ _ J _ _ + J _ _ _ J

1111

Fig. J7-2 caractéristique Cp(À)

À partir de cette caractéristique nous allons extraire P en fonction de À et Cp et cela se fàit par l'extraction de Cp optimal et À. optimal en fonction P, alors nous allons chercher de déterminer le Cp max en fonction de ces deux paramètres, après la dérivation de l'équation (Æ-/J et la résolution au voisinage de 0 nous avons trouvé deux solution, la solution favorable est la suivante :

À. 2 = 3 -(acos((-138*b^2 + 6900*b)./(110000*pi -4175*pi*b)*((3*b)./10 -15))./pi. . .(JJ-2J

Le traçage de cette solution qui représente la vitesse spécifique optimal nous a donné P en fonction À,

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1

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Cha[DitTe ll Le réglœe du l'œngle qe calœ€

Fig. JJ-2 variation P(À)

A partir de cette caractéristique nous avons obtenue manuellement l'angle de càlage P en fonction de X, les valeurs sont stockées au tableau suivant :

La vitesse spécifique À L'angle de calage f} (dégrée)

3 20

6,3 ¹⁶

7,5 12

8,5 ⁸

9,5 4

10 2

Tableau JJ-2. Variation de la vitesse spécifique À (P)

Et tant que nous cherchons de réaliser un système de variation de l'angle de calage en fonction de la vitesse du vent nous allons de teminer les valeurs de la vitesse du vent à partir de l `équation suivante :

À-#

Les valeurs de VÜ trouvé sont déteminé au tableau suivant :

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(11-3)

I

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I

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I I

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Chq[Dtire l_I_ Le réglaqe du l'o[ngle de c_ag|gg±

L'angle de calage 8 (dégrée) La vitesse du vent (m/s)

0 ^9,52

3,9 ^10,38

7,8 ^{1 1,67}

11,7 13,33

15,6 15,68

19,5 23,19

Tî`"eîm 11-1. Variation de l'angle de calage BWv) 11-3-Système de réglage d'ang]e de ca]age :

n existe divers types de systèmes de régulation de l'angle de calage des pales. L'angle peut être variable tout le long de la pale, ou simplement sur le bout des pales .l'angle de calage est commandé soit par des masses en rotation utilisant la force centrifiige, soit par un système hydraulique ou des moteurs électriques qui nécessitent une source d'énerÈe exteme.

Le transfert de cette énergie jusqu'aux pales en rotation augmente considérablement les couts de fabrication .le système hydraulique est néanmoins le plus utilisée pou les aérogénérateus de petite et moyenne puissance alors que le système électrique est uniquement utilisé pour les éoliemes de forte puissance. Nomalement, il faudrait également tenir compte des efforts d'origine inertielle (gravité, force centrifi]ge, efforts gyroscopiques) et des efforts d'origine élastique (déforination des pales) .dans cette étude, ces effets ne sont pas pris en compte car ils ont peu d'influence su les éoliennes a vitesse variable

JT-4|Structure généra[e d'un systèm€ d'orientation des pa]es :

Le système peut être théoriquement conçu soit pour le càlage de toutes les pàles, soit pour celui de chacune d'elles indépendamment. Cette régulation indépendante donne plus de degrés de liberté au système de commande. Mais, dans un but de simplicité, on supposera que l'angle de référence est appliqué su les trois actionneurs d'orientation.

11 existe deux technologies d'actionneur électriques :

Pou un actionneur pas à pas, 1'angle de càlage est obtenu à partir d'une variation pas à pas en fonction de la vitesse du vent.

Pou un actionneu linéaire, la variation de 1'angle de calage est réalisée, selon une fonction linéaire de la vitesse du vent

23

Chq[Ditre ll __ Le ré£lQ[qe du l'œngle de cahge

Fù& 11-3 stTucture de systèi'ne de voiriution de pas

lI-5-Exemples des systèmes :

11-5-1. Système hydmulique :

TÈr#kd!ffl&-€n"

l`ï`st dq}ijùÆ-,'

l!ïdaïühi-*'à!#},

fïmïïmu2i l!!d#"h|m gl*`t# .a,m!.

Fë. 1 5WsstÉ}±i L` #i if# pf€}Fk*u?d p]L€t}Ê ±}r+iÆÈt.

F.T& 114 vstèi'ne hydraulique

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I I I I I I I

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I I I I I I I

Chqmitre 11 Le Té£lœœ£e du l'q[ngle de calæe

Comme il est illustré à la figure(JJ-4j, ce système est essentiellement composée d'me pompe hydraulique, un moteur hydraulique et un engrenage, la pompe hydraulique toume à vitesse constante et utilise un régulateur pour régler son déplacement. Le régulateur est essemtiellement constitué d'un distributeu commandé élecriquement par des bobines, et un piston de control. le distributeu détemine le sens de mouvement de piston dont détemine a leur tou le déplacement de la pompe qui fàit toumer le moteu qu'est couplée à la pompe par des tuyaux , le rapport d'engrenage Jrg est généralement exigé pour adapter le £rible vitesse dechangementdepasdespalesaveclegrandvitessedemoteurhydraulique.[16]

Fig. J7-5.systeme de variation de pas

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I

Chumifte 11 Le ré£1g£e du 1' a[ngle de cahge

JT-5-2 système éle€trohydrau]ique :

Comme il est montré dans la figure (J7-6J, ce système est constitué d'un moteu électrique numérique, un servo hydraulique et un en grenage, cet ensemble doime un système électrohydrauliflue de variation de l'angle de calage dont le quelle, le moteu représente un convertisseur qui transmet la commamde numérique au servo hydraulique. Ce servo hydraulique est formé d'une vanne rotative, un vis infini et une combinaison d'éŒou et un actionneur rotative, la rotation du moteur ouvre la vanne et porte le débit d'huile de l'alimentation hydraulique constante a cet actionneur dont le mouvement est renvoyé par le vis et la cûmbinaison d'écrou. Par œnséquent ce mouvement crée une boucle de control de position hydromécanique dms le servo hydraulique. L'actiomeur rotative peut être dimensiomné pour gérer le changement de pas prévu et avoir une fféquence assez grand pou répondre aux besoins de réponse, généralement an peux utiliser un moteur hydraulique a piston axial pour l'actionneu rotative. [17]

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1 1 1 1

I

Chq[Ditre l_I Le ré£læe du l' o[ngle de çq|f l±±

JT-5-système é]ectromécanique :

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ËEHEi Stor*.

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Ë Er£Ëf # -s q m#€,##"?I*I

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Fig. JT-7. Système électromécanique.

ce système est composé par des moteurs électrique commamdé pæ un microcontrôleur Au contraire des systèmes hydrauliques Ce système électromécanique de variation de pas n'a pas de risque de fiiite hydraulique et par conséquence ce système ne pose pas des problèmes su l'fflvironnement ,ils ont aussi une Ïàible consommation ainsi des Ï:rible pertes d'énergie , ces système électiques consomment moins d'énerrie par rapport au systèmes hydrauliques car ces demiers exigent une pompe en cours d'exécution a tout moment ,cette pompe aspire 1'énerrie pour maintenir les systèmes d'huile à haute pression. [18]

JÏ-6-Intégration des systèm€s d€ variation d€ pas ..

Fig. JT-9. Intégration de système au moyeu

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Cha[nitTe 11 Le régti£e du l'qmgle de calœe_

Dans les éoliennes modemes dms 1'ordre des mégawatts multiples, l'ensemble de système de variation de pas y compris le contrôleur est installé à l'avant du moyeu de l'éoliemè.

Les éoliemes nécessitent une transmission fiable de puissance et de signàL de domées, de la nacelle vers le système de commande des pales, les bagues collectices offrent les perfomances et la qualité nécessaire dans un enviromement exigeant, les temps d'arrêt coûteux est éliminés à l'aide de brosses en fibres et des composants mécaniques robustes dans la conception de la bague collectrice [ 19].

F.wg. 11-10 bœgue colletirice.

Cûnclusion:

Dans le deuxième chapitre, nous avons expliqué qu'est-ce que c'est le système de variation de l'angle de calage, nous avons montré le principe de variation de pas, comme nous avons égàlement donnée les forces appliqué su une pàLe d'éolienne, par la suite nous avons montré comment on a déteminé l'angle de calage en fonction de la vitesse de vent à partir de la caractéristique de coefficient de puissance, à la fin nous avons essayé de donner quelque système qui ont étaient proposé jusqu'à présent et montré l'intégration de ces système dans me éolieme.

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