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Principaux composants d’une éolienne.
Il existe plusieurs configurations possibles d’aérogénérateur qui peuvent avoir des différences importantes. Néanmoins, un éolien « classique » estgénéralement constitué de trois éléments principaux :
Le mât, généralement un tube d’acier ou éventuellement un treillis métallique, doit être le plus haut possible pour éviter les perturbations près du sol. Toutefois, la quantité de matière mise en œuvre représente un coût non négligeable et le poids doit être limité. Un compromis consiste généralement à prendre un mât de taille très légèrement supérieure au diamètre du rotor de l’aérogénérateur.
La nacelle regroupe tous les éléments mécaniquespermettant de coupler le rotor éolien au générateur électrique : arbre s lent rapide,et roulements, multiplicateur. Le frein à disque, différent du frein aérodynamique, permet d’arrêter le système en cas de surcharge. Le générateur est généralement une machine synchrone ou asynchrone et les systèmes hydrauliques ou électriques d’orientationdes pales (frein aérodynamique) et de la nacelle (nécessaire pour garder la surface balayée par l’aérogénérateur perpendiculaire à la direction du vent). A cela viennent s’ajouter le système de refroidissement par air ou par eau, un anémomètre et le système électrique degestion de l’éolienne.
Le rotor est formé par les pales assemblées dans leur moyeu. Pour les éoliennes destinées à la production d’électricité, le nombrede pales varie classiquement de 1 et 3, le rotor tripale (concept danois) étant de loin le plus répandu car il représente un bon compromis entre le coût, le comportement vibratoire, la pollution visuelle et le bruit.
Les rotors à vitesse fixe sont souv ent munis d’un système d’orientation de la pale permettant à la génératrice (généralement une machine asynchrone à cage d’écureuil) de fonctionner au voisinage du synchronisme et d’être connectée directement au réseau sans dispositif d’électronique de puissance. Ce systèmeallie ainsi la simplicité et le faible coût.
Généralité sur l’éolien
Les rotors à vitesse variable sont souv ent moins coûteux car le dispositif d’orientation des pales est simplifié. Toutefois, une interface d’électronique de puissance entre le générateur et le réseau ou la charge est nécessair.Les pales se caractérisent principalement par leur géométrie; actuellement, les matériaux composites tels la fibre de verre et plus récemment la fibre de carbone sont très utilisés car ils allient légèreté et bonne résistance mécanique.
DIFFERENTS TYPES D’EOLIENS [4],[5],[13], [14],[17],[18]
On peut aisément classer les éoliens en deux grandes familles : celle à axe vertical et celle à axe horizontal.
Eolien à axe vertical
Les éoliens à axe vertical ont étéles premiers structure développées pour produire de l’électricité paradoxalement en contradiction avec le traditionnel moulin à vent à axe horizontal. Il possèdent l’avantage d’avoir les organes de commande et le générateur au niveau du sol donc facilement accessibles. De nombreuses variantes ont été testées depuis les années vingt, dont beaucoup sans succès, mais deuxstructures sont parvenues au stade de l’industrialisation.
Principe de fonctionnement
Deux principes différents sont utilisés pour ce type de machine, à savoir la traînée différentielle et la variation cycliqued’incidence.
Traînée différentielle
Le principe de mise en mouvement de ce type de machine est identique à celui d’un anémomètre : les efforts exercés arp le vent sur chacune des faces d’ un corps creux sont d’ intensité différente. Il enrésulte donc un couple moteur, que l’ on peut utiliser pour entraîner un générateur électrique ou un autre dispositif mécanique tel qu’une pompe.
Variation cyclique d’incidence
Le fonctionnement est ici basé sur le fait qu’un profit placé dans un écoulement d’ air selon différents angles est soumis à des forces d’ intensité et de direction variables . La combinaison de ces forces génère alors un couple moteur. En fait, les différents angles auxquels sont soumis les profils, proviennent de la combinaison de la vitesse propre de déplacement du profil ( en rotation autour de l’axe vertical ) et de vitesse du vent.
Vo : Vitesse axiale du vent
U : Vecteur unitaire tangent à la pale
: Vitesse angulaire de rotation des pales
R : Rayon de la pale
Différents types d’éolien à axe vertical
Selon le principe de fonctionnement d’un aérogénérateur à axe vertical, on peut dire qu’il existe deux différents types l’éolien à axe vertical. Il y a ceux qui utilisent le principe de traînée différentielle et le principe de variation cyclique d’ incidence.
L’illustration la plus courante du type d’éolien qui utilise le principe de traînée différentielle est lerotor de Savonius. ( Voire figure 1-5 )
Eolien à axe horizontal [5]
Les éoliens à axe horizontal sont basés sur la technologie ancestrale des moulins à vent. Ils sont constitués de plusieurs pales profilées aérodynamique à la manière des ailes d’avion. Dans ce cas, la portance n’est pas utilisée pour maintenir un avion en vol mais pour générer un couple moteur entraînant la rotation. Le nombre de pales utilisé pour la production d’électricité varie classiquement entre 1 et 3, lerotor tripale étant le plus utilisé car il constitue un compromis entre le coefficient de puissance, le coût et la vitesse de rotation du capteur éolien. Ce type d’éolien a pris le dessus sur celles à axe vertical car elles représentent un coût moins important, elles sont moins exposées aux contraintes mécaniques et la position du récepteur à plusieurs dizaines de mètres du sol privilégie l’efficacité. Notons cependant que certains travaux défendent la viabilité du rotor vertical en réalisant des études multicritères
Principe de fonctionnement
L’axe de rotation ou l’axe de transmission est placé horizontalement par rapport au sol. Le vent fait tourner donc les pales dans sa direction , c’est le type d’éolien le plus répandu à cause de ses avantages tels que le bon rendement théorique et le développement des puissances élevées pouvant teindreat plusieurs mégawatts.
Différents types d’éoliens à axe horizontal
On distingue deux catégories d’éolien à axe horizontal selon le paramètre de rapidité ou la vitesse spécifique0 qui est le rapport de la vitesse de l’hélice au bout des pales par la vitesse du vent. Ces machines présentent généralement un nombre de pales compris entre 2 à 4 et peuvent développer des puissances élevées pouvant atteindre plusieurs Mégawatts. Il est à noter aussi qu’il a deux types de configuration qui peuvent être rencontrés :
– Les éoliens dits « amont » sur lesquels les hélices sont en amont par rapport au vent (hélices au vent) ou les pales sont situéesdu côté de la tour, exposé au vent.
– Les éoliennes dits « aval » qui captent le vent de dos ou les hélices sont en aval par rapport au vent (hélices sous le vent).
Critères d’implantation
– Il est nécessaire de s’assurer dans un premier temps que le terrain se situe dans la zone d’influence du vent dominant. Un éolien ne fonctionne qu’à partir d’une vitesse de vent allant de 5 m/s jusqu’à 25 m/s. Sa capacité de production est maximale lorsque le vent est de l’ordre de 15 m/s.
– Il faut également qu’il y ait le moins d’obstacles possible à la propagation du vent (arbres, bâtiments, …). La rugosité du site do it être minimale (pas de buissons, pas d’arbrisseaux, pas de roches …). On p eut compenser une rugosité élevée par une dimension de mât importante.
Réalisation de la carte des vitesses de ventà Madagascar
A partir des données reçues au ministère de la météorologie, on peut dire que la vitesse moyen du vent dans les Hauts Plateaux de Madagascar est inférieure à 3m/s; seul l’extrême Nord et l’extrême Sud de Madagascar ontune valeur qui satisfait la vitesse d’enclenchement d’un éolien une vitesse supérieur à 5 m/s.
GENERALITES SUR L’EOLIEN A AXE HORIZONTAL A ALTERNATEUR DISCOÏDE ET L’ENGRENAGE
Généralité sur l’alternateur discoïde[18]
L’alternateur à disque a été inventé par Forbes dans les années 80. Dans le modèle classique le rotor tourne à l’intérieur du stator , mais pour l’alternateur discoïde, le rotor se déplace face au stator .
Le stator fixe est pris en sandwich entre les rotors qui tournent sur eux-mêmes par rapport au stator.
A cause de la rotation des rotors les aimants face à face et de polarité inverse (sud, nord) produisent un champ magnétique intense, en induisant une tension alternative dans les bobines.
Le stator rigide est en résine de polyester, ce qui permet de maintenir les bobines à leur emplacement. La découpe au centre du stator est faite pour le passage des tiges filetées de fixation du ou des rotors d’aimants et du rotor de pales.
Eoliennes à axe horizontal à alternateur di scoïde
Ce type d’éolien est parmi les aérogénérateurs de petite puissance (puissance inférieure à 40 kW). L’originalité de ce système est que l’alternateur discoïde est fixé directement à l’arbre principal des pales (voir f igure 2-2 ). Dès que le vent entraîne les pales en faisant un mouvement de rotation , le nombre de tours effectués par l’arbre principal du rotor est même que le celui de l’alternateur discoïde.
Généralités sur les engrenages[1],[2]
Un engrenage est un mécanisme élémentaire composée ddeux roues dentées mobiles autour d’un axe de position relative invariable servant :
• Soit à la transmission du mouvement de rotation.
• Soit à la propulsion d’un fluide (on parle alors de pompe à engrenages).
Dans le cas de la transmission de mouvement, les deux roues dentées sont en contact l’une avec l’autre et se transmettent de la puissance par obstacle.
Engrenage : ensemble de deux « roues dentées »
Pignon : la plus petite des deux roues dentées
Roue : la plus grande des deux roues dentées
Quand plus de deux roues dentées sont présentes, onparle de train d’engrenages.
Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE I GENERALITES SUR L’EOLIEN
I-1 HISTORIQUE
I-2 DESCRIPTIF ET QUALITES DE L’ENERGIE EOLIENNE
I-3 DIFFERENTS TYPES D’EOLIENS
I-3-1 Eolien à axe vertical
I-3-1-1 Principe de fonctionnement
I-3-1-2 Différents types d’éolien à axe vertical
I-3-2 Eolien à axe horizontal
I-3-2-1 Principe de fonctionnement
I-3-2-2 Différents types d’éoliens à axe horizontal
I-4 Critères d’implantation
I-5 Réalisation de la carte des vitesses de vent à Madagascar
CHAPITRE II GENERALITES SUR L’EOLIEN A AXE HORIZONTAL A ALTERNATEUR DISCOÏDE ET L’ENGRENAGE
II-1 Généralité sur l’alternateur discoïde
II-2 Eoliennes à axe horizontal à alternateur discoïde
II-3 Généralités sur les engrenages
II-3-1 Les caractéristiques géométriques de la roue
II-3-2 Différents types de denture et d’engrenage
II-3-2-1 Les engrenages à axes parallèles
II-3-2-2 Les engrenages à axes concourants
II-3-2-3 Engrenages à axes non concourants
II-4 Système d’engrenage habituel dans un aérogénérateur à axe horizontal
II-5 Type des éoliens à Madagascar
CHAPITRE III AMELIORATION DU RENDEMENT D’UN EOLIEN À AXE HORIZONTAL A ALTERNATEUR DISCOÎDE DE PUISSANCE 500 WATTS
A- PALES
A- 1 Théorie générale des hélices d’un aérogénérateur à axe horizontal
A-2 Dimensionnement des pâles
A-2-1 Caractéristiques d’une hélice
A-2-2 Diamètre du rotor
A-2-3 Profil de l’hélice
A-2-4 Types de profil
A-2-5 Largeur de pâle
A-2-5 -1 Variation des coefficients en fonction de l’incidence « in»
A-2-5-2 Variation de « in» en fonction de la distance à l’ axe
A-2-5-3 Variation de la vitesse du vent en fonction de l’altitude
A-2-5-4 Vitesse de rotation « N »
A-2-5-5 Efforts axiaux et tangentiels
A-2-5-6 Matériaux employés pour la confection des pâles
B- SYSTEME DE MULTIPLICATEUR UTILISE
B-1 Redimensionnement de l’engrenage
B-1-1 Généralités sur l’ engrenage extérieur
B-1-2 Calcul du rapport de transmission
B-1-3 Calcul des différentes caractéristiques de l’engrenage
C – FIXATION DE LA ROUE AVEC LE MOYEU
D – DIMENSION ARBRE DE TRANSMISSION FIXE SUR LE PIGNON
E – PALIER A ROULEMENT
E-1 Principe du roulement
E -2 Angle de rotulage d’un roulement à bille
E -3 Typologie des roulements
F- FIXATION DE L’ARBRE DE TRANSMISSION
G – FIXATION DES ROULEMENTS
I – FIXATION DES PALES , MOYEU SUR LE MAT
CHAPITRE IV PIVOT – MAT – GOUVERNAIL – HAUBANS CONCEPTION DU LOGICIEL DE DIMENSIONNEMENT DU MULTIPLICATEUR
4 – 1 Axe pivot
4 – 2 Efforts agissant sur le mât ou pylône
4 – 3 Diamètre des câbles
4 – 4 Diamètre des vis de scellement
4 – 4 – 1 Profondeur d’ancrage
4 – 4 – 2 Dimension du béton semelle
4 – 4 – 3 Fixation des haubans
4 – 5 Gouvernail
4-5-1 Principe
4-5-2 Surface du gouvernail
4- 5 – 3 Coordonnées du centre de gravité
4 – 6 Présentation et conception du logiciel de dimensionnement de la multiplicateur
4-6-1 Généralités
4-6-2 Organigramme
4-6-3 Guide d’utilisation
CONCLUSION GENERALE
