Contribution à la commande et à la surveillance d’une éolienne

Contribution à la commande et à la surveillance d’une éolienne

 Généralités sur l’éolienne Généralités sur l’éolienne 

Dans le cadre du développement durable, face au double enjeu planétaire posé par l’épuisement prochain des ressources énergétiques fossiles et les problèmes posés vis à vis du respect de l’environnement, de fortes incitations poussent au développement des énergies renouvelables. En effet, la consommation mondiale d’énergie ne cesse de croître (figure 1) [1] posant des questions cruciales sur l’effet de serre et l’amenuisement des ressources énergétiques. Figure 1. Consommation d’énergie primaire dans le monde et prévisions Aujourd’hui plus de 85% de l’énergie produite est obtenue à partir des matières fossiles comme le pétrole, le charbon, le gaz naturel ou de l’énergie nucléaire. La figure 2 montre la répartition en termes d’énergie primaire dans le monde pour toutes les ressources actuelles. Les formes de production d’énergie non renouvelables engendrent une forte pollution environnementale par rejet des gaz à effet de serre qui provoque un changement climatique irréversible ou dans le cas du nucléaire une pollution par radiations de longue durée qui pose le problème aujourd’hui non résolu, du stockage des déchets radioactifs [1]. Figure 2. Répartition des sources primaires d’énergie dans le monde Il existe trois grandes familles émergeant des énergies renouvelables et qui sont l’énergie d’origine mécanique (la houle, éolien), énergie électrique (panneaux photovoltaïques) ou l’énergie sous forme de la chaleur (géothermie, solaire thermique,…), sachant que à la racine de toutes ces énergies est l’énergie en provenance du Soleil transformée ensuite par l’environnement terrestre. Toutes les ressources renouvelables sont en forte croissance (figure 1). La figure 3 donne la vue sur la répartition de la production d’électricité entre les différentes sources renouvelables ainsi que leurs prévisions pour les années à venir [1]. Figure 3. Production mondiale d’électricité basée sur les énergies renouvelables

Historique de l’éolien

L’énergie éolienne est aujourd’hui la source renouvelable non conventionnelle la plus compétitive et qui a le taux de croissance le plus élevé, elle représente déjà une des formes d’énergie les plus importantes pour la production d’énergie électrique [2]. L’énergie éolienne est la première forme d’énergie qui a été exploitée en premier par l’homme. Depuis l’antiquité, elle fut utilisée pour la propulsion des navires ensuite les moulins à blé et les constructions permettant le pompage d’eau. Les premières utilisations connues de l’énergie éolienne remontent à 2 000 ans avant J.-C environ, Hammourabi fondateur de la puissance de Babylone avait conçu tout un projet d’irrigation de la Mésopotamie utilisant la puissance du vent. L’arrivée de l’électricité donne l’idée à Poul La Cour en 1891 d’associer à une turbine éolienne une génératrice. Ainsi, l’énergie en provenance du vent a pût être « redécouverte » et de nouveau utilisée (dans les années 40 au Danemark 1300 éoliennes). Au début du siècle dernier, les aérogénérateurs ont fait une apparition massive (6 millions de pièces fabriquées) aux Etats-Unis où ils étaient le seul moyen d’obtenir de l’énergie électrique dans les campagnes isolées. Dans les années 60, fonctionnaient dans le monde environ 1 million d’aérogénérateurs. La crise pétrolière de 1973 a relancé de nouveau la recherche et les réalisations éoliennes dans le monde

Les principaux composants d’une éolienne

D’après la figure 4 on distingue les composants suivants : 1-pale 2-moyeu 3-arbre de transmission 4-multiplicateur 5-frein à disque 6-arbre rapide 7-génératrice 8-système de commande 9-système d’orientation 10-le mat ou la tour .

Description de fonctionnement

Le mat : Place l’éolienne a une certaine distance du sol, selon la configuration du terrain et les vents de ces lieux. Pour augmenter l’efficacité d’une éolienne la nacelle s’oriente pour être toujours face au vent. Dans la nacelle le mouvement de rotor est transmis à l’arbre lent. La vitesse de rotation de l’arbre lent est augmentée par le multiplicateur (la boite de vitesse de l’éolienne) pour atteindre une vitesse beaucoup plus élevée compatible avec la plage de vitesse de fonctionnement du générateur électrique. Le générateur fonctionne sur le principe de dynamo. Il transforme l’énergie du vent en électricité. Le frein d’urgence permet de stopper le mouvement de rotation de rotor en cas d’urgence. * Sur le toit en trouve : Les capteurs pour le pilotage d’éolienne Feux d’obstacle : élément de sécurité qui permit au trafic aérien de repérer l’éolienne à distance. Paratonnerre : protéger l’éolienne contre la foudre. Anémomètres : mesure la vitesse de vent et permet de l’arrêter. La girouette : indique la direction de vent et permet à la nacelle de rester orientée face au vent. Quatre moteurs puissants : font piloter la nacelle pour s’orienter dans la direction de vent. Le courant se transporte en bas du mat passe par le convertisseur qui synchronise l’électricité produite par l’éolienne à celle présente sur le réseau électrique. – Le courant est transformé en électricité haute tension et passe ainsi de 690 V à 30.000 V grâce au transformateur. Cette électricité produite par l’éolienne est envoyée vers le poste source ; ce dernier étant composé d’un transformateur et d’un disjoncteur. Le transformateur élève la tension électrique de 30.000 à 225.000 V. Le disjoncteur protège le réseau électrique de la surtension. Le poste source permet de distribuer l’électricité sur l’ensemble de réseau électrique. 1.4. Classification des systèmes éoliens Plusieurs classifications des turbines éoliennes peuvent être considérées selon le critère choisi : • Selon le mode de régulation de la vitesse du rotor ; • Selon l’orientation de l’axe de rotation ; • Selon le régime du fonctionnement ; • Selon la taille ; • Selon le mode d’exploitation. Dans la suite, sont présentées les classifications les plus répandues.

Selon la vitesse de rotation

Dans cette partie est présentée la classification selon le critère de la vitesse de rotation.En effet la turbine éolienne peut être à vitesse constante ou à vitesse variable

Turbines Eoliennes à vitesse constante

Les turbines éoliennes à vitesse constante sont les premières à avoir été développées. Dans cette topologie, la génératrice utilisée fonctionne avec une vitesse rotorique limitée aux alentours d’une vitesse constante. Cette génératrice peut être directement couplée au réseau électrique où sa vitesse de rotation est imposée par la fréquence du réseau et par le nombre de paires de pôles. Elle peut être couplée à une charge électrique isolée ou enfin peut être couplée à un système de stockage d’énergie (dans des accumulateurs) ou à un réseau autonome.  L’entrainement de la génératrice par un multiplicateur permet d’adapter sa vitesse rapide à la vitesse lente de la turbine qui est maintenue approximativement constante par un système mécanique d’orientation des pales. Cependant la dynamique relativement lente du système d’orientation des pales dans des variations rapides de la vitesse du vent ou de la charge électrique amène ce type d’éolienne à suivre approximativement la caractéristique de réglage. En conséquence, la puissance générée par cette éolienne peut avoir des caractères très fluctuants, ce qui n’offre pas de possibilité de réglage de la puissance générée par la turbine [3].

Turbines Eoliennes à vitesse variable

Les turbines à vitesse variable peuvent produire de 8 à 15 % plus d’énergie que les turbines à vitesse constante qui sont caractérisées avec un rendement considérablement limité. L’idée de cette topologie est de réaliser un générateur à vitesse variable fonctionnant pour une large gamme de vent donc la vitesse de rotation doit être adaptée par rapport à la vitesse du vent afin de récupérer un maximum de puissance tout en réduisant les efforts mécaniques à vitesse variable du vent. La vitesse de rotation est régulée de façon à ce que pour chaque vitesse de vent, l’éolienne fonctionne à puissance maximale atteinte par la caractéristique de l’éolienne (vitesse-puissance) : c’est ce qu’on appelle le Maximum Power Point Tracking ou MPPT. Ces turbines sont caractérisées par une intégration meilleure dans le réseau électrique ainsi que par un bruit et nuisances sonores réduits lors d’un fonctionnement à faible vitesse de vent car la vitesse des turbines est alors lente. Pour toutes ces raisons, les turbines éoliennes raccordées aux réseaux électriques fonctionnent de plus en plus à vitesse variable. Ces systèmes ne nécessitent qu’un système simplifié d’orientation des pales, car la possibilité de contrôler la vitesse du générateur via le couple électromagnétique permet de réduire le rôle du système d’orientation des pales, qui interviendra essentiellement pour limiter la vitesse de la turbine et la puissance générée en présence de vitesses de vent élevées. En conséquence, pour de faibles vitesses de vent, l’angle d’orientation des pales devient fixe .

Selon l’orientation de l’axe de rotation

L’aérogénérateur est un dispositif utilisé pour le transfert de l’énergie cinétique du vent vers l’arbre de transmission en mouvement rotatif. Plusieurs types existent, se caractérisant par la position de leur axe de rotation et ses performances.

Aérogénérateurs à axe vertical

Elles ont été les premières structures utilisées pour la production de l’énergie électrique. De nombreuses variantes ont vu le jour mais rares sont celles qui ont atteint le stade de l’industrialisation. Ce type d’éolienne a été de plus en plus abandonné au profit des éoliennes à axe horizontale [4] à cause des différents inconvénients qu’il a posés, comme les problèmes d’aéroélasticité et la grande occupation du sol, voir figure 5. Avantages : • Faible bruit (lente). • Machine au sol. Inconvénients : • Rendement faible Figure 5. Différentes technologies d’éoliennes à axe vertical

Aérogénérateurs à axe horizontal

Ce type d’éolienne est le plus répandu dans le monde. Ce système se base sur le principe de portance aérodynamique. Les pales sont profilées de la même façon qu’une aile d’avion et la circulation du flux d’air dans la turbine entraîne la rotation du rotor de la machine.Les éoliennes généralement utilisées pour la production d’électricité sont des éoliennes rapides à 2 ou à 3 pales, ceci pour plusieurs raisons : • Elles sont légères donc moins chères. • Elles tournent plus vite car le multiplicateur utilisé présente un rapport de multiplication moins important d’où sa légèreté. • Le couple nécessaire pour la mise en route de ce type d’aérogénérateur est très faible donc un fonctionnement à faible vitesse de vent.