dÉveloppement d’un simulateur numÉrique...
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DVELOPPEMENT DUN SIMULATEUR NUMRIQUE DE
ROTORS DOLIENNES
Application une chane de conversion olienne utilisant une
machine synchrone aimants permanents
Mmoire prsent
dans le cadre du programme de matrise en ingnierie
en vue de lobtention du grade de matre en sciences appliques (M.Sc.A.)
PAR
MOUSSA TRAOR
Septembre 2016
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Composition du jury :
Jean-Sbastien Deschnes, prsident du jury, Universit du Qubec Rimouski
Ahmed Chebak, directeur de recherche, Universit du Qubec Rimouski
Jean-Franois Mthot, codirecteur de recherche, Universit du Qubec Rimouski
Mamadou Lamine Doumbia, examinateur externe, Universit du Qubec Trois-
Rivires
Dpt initial le 13-09-2016 Dpt final le 21-12-2016
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UNIVERSIT DU QUBEC RIMOUSKI
Service de la bibliothque
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REMERCIEMENTS
Je tiens remercier tout dabord mes superviseurs de recherche, M. Ahmed Chebak
et M. Jean-Francois Mthot, pour leurs conseils constructifs et leurs orientations durant ces
annes dtude. Jexprime aussi ma gratitude aux professeurs Adrian Ilinca et Jean-
Sbastien Deschnes pour leur support et accessibilit quand javais des questions.
Je souhaite rendre grce mon frre et toute ma famille pour leurs prires et
encouragements qui mont vraiment pousss faire plus defforts. Je dis merci mes amis
tudiants au bac dans mon universit, je veux nommer Ousmane Ndiaye, Mouhamadou
Fallou Sady et Malick Faye.
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RSUM
Lnergie olienne est devenue lune des plus attrayantes nergies renouvelables
utilises pour la production dlectricit. Laugmentation de la productivit des oliennes
ncessite plus dtudes et de tests sur les configurations de turbines, leur couplage aux
gnratrices et le contrle du systme. Linstallation dune olienne pour effectuer des tests
et analyser les performances est une opration onreuse. Il est important alors dutiliser des
simulateurs pour faciliter ltude et le contrle de ces systmes et assurer une conversion
optimale de lnergie olienne.
Ce travail de recherche consiste dvelopper un simulateur de turbines oliennes qui
permet de reproduire le comportement dynamique des pales du rotor olien et de gnrer
les caractristiques couple-vitesse en utilisant une modlisation arodynamique du systme.
Il consiste aussi valider le simulateur dvelopp en le couplant une chane de conversion
dnergie olienne compose dune gnratrice synchrone aimants permanents, dun
redresseur diodes et dun hacheur dvolteur rgul en utilisant la stratgie de contrle
MPPT (Maximum Power Point Tracking). Cette stratgie permet une extraction maximale
de la puissance arodynamique sous un rgime de vent variable.
Un gnrateur de vitesse de vent, bas sur un modle qui inclut le spectre de Van der
Hooven et permettant dalimenter le simulateur, est dabord dvelopp. Ensuite, le
simulateur darbres oliens est dvelopp en utilisant deux approches. La premire
approche est une mthode thorique du calcul du couple base sur lexcution dun
algorithme form des quations arodynamiques thoriques issues de la thorie de
llment de pale, tandis que la deuxime approche est une mthode numrique utilisant le
logiciel PROPID. Afin de valider le fonctionnement et le comportement du simulateur
dvelopp, ce dernier est utilis pour entrainer une gnratrice aimants permanents
alimentant une charge travers un redresseur et un hacheur. Le systme de contrle est
aussi dvelopp et les paramtres du rgulateur sont dtermins. Diffrentes simulations du
systme olien complet sont effectues sur Matlab/Simulink sans contrle et avec contrle
MPPT et les rsultats sont prsents, analyss et discuts. Les rsultats obtenus montrent la
validit et la fonctionnalit du simulateur dvelopp ainsi que lefficacit de la stratgie de
contrle MPPT propose.
Mots cls : Simulateur de turbines oliennes, thorie de llment de pales, spectre de
Van der Hooven, table de correspondance, gnratrices synchrones aimants permanents,
turbine vitesse variable, stratgie de contrle MPPT.
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ABSTRACT
Wind power has become one of the most attractive renewable energies used in power
generation. Increasing the productivity of wind turbines requires more studies and tests on
turbine configurations, coupling to generators and system control. Installing a wind turbine
to perform tests and analyze performance is a costly operation, so it is important to develop
wind turbine simulators to facilitate the study and control of these systems and ensure an
optimal conversion of wind energy.
This research involves developing a wind turbine simulator that reproduces the
dynamic behavior of the wind turbine blades and generates torque-speed characteristics
using aerodynamic modeling of the system. It also consists of validating the developed
simulator by coupling it with a wind energy conversion chain composed of a permanent
magnet synchronous generator, a rectifier and a buck converter regulated by using the
MPPT (Maximum Power Point Tracking) control strategy. This strategy allows extracting
the maximum of the aerodynamic power under a variable wind regime.
Based on a model that includes the Van der Hooven spectrum, a wind speed
generator is first developed and allows to feed the simulator. Next, the wind turbine
simulator is developed using two approaches. The first one is a theoretical method of torque
calculation using an algorithm based on aerodynamic equations resulting from the blade
element theory, whereas the second one is a numerical method using the PROPID software.
To validate the developed simulator operation and behaviour, it is used to drive a
permanent magnet synchronous generator feeding a load through a rectifier-buck converter.
The control system is also developed and the regulator is designed. Different simulations of
the wind energy conversion system are performed using Matlab/Simulink and the results
are presented, analysed and discussed both for MPPT control and without control. These
results confirm the usability of the developed simulator and the efficiency of the MPPT
control strategy.
Keywords: Wind turbine simulator, blade element theory, Van der Hooven spectrum,
correspondence table, permanent magnet synchronous generator, variable speed turbine,
Maximum Power Point Tracking control.
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TABLE DES MATIRES
REMERCIEMENTS ............................................................................................................ vii
RSUM ............................................................................................................................... ix
ABSTRACT ........................................................................................................................... xi
TABLE DES MATIRES .................................................................................................. xiii
LISTE DES TABLEAUX ................................................................................................. xvii
LISTE DES FIGURES ........................................................................................................ xix
LISTE DES ABRVIATIONS, DES SIGLES ET DES ACRONYMES .......................... xxv
LISTE DES SYMBOLES ................................................................................................ xxvii
CHAPITRE 1 INTRODUCTION GNRALE ..................................................................... 1
1.1 CONTEXTE DU PROJET .................................................................................................. 1
1.2 PROBLEMATIQUE ......................................................................................................... 3
1.3 OBJECTIFS .................................................................................................................... 4
1.4 TAT DE LA RECHERCHE .............................................................................................. 5
1.5 METHODOLOGIE ........................................................................................................... 8
1.6 HYPOTHESES ET LIMITES .............................................................................................. 9
1.7 ORGANISATION DU MEMOIRE ..................................................................................... 10
CHAPITRE 2 GNRALITES SUR LOLIEN ............................................................. 13
2.1 INTRODUCTION .......................................................................................................... 13
2.2 CLASSIFICATION DES EOLIENNES SELON LES CONFIGURATIONS ET LES PRINCIPES
DE FONCTIONNEMENT ................................................................................................ 15
2.2.1 Arognrateur axe vertical ............................................................................ 16
2.2.2 Arognrateur axe horizontal ........................................................................ 19
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xiv
2.2.3 Machines lectriques ......................................................................................... 21
2.3 REPRESENTATION DE LA SOURCE EOLIENNE .............................................................. 24
2.3.1 Potentiel olien .................................................................................................. 24
2.3.2 Turbulence ......................................................................................................... 25
2.3.3 Modle de gnration de vitesse du vent ........................................................... 28
2.4 CONCLUSION ............................................................................................................. 30
CHAPITRE 3 THORIE AERODYNAMIQUE DES TURBINES EOLIENNES............. 31
3.1 INTRODUCTION .......................................................................................................... 31
3.2 THEORIE DU DISQUE .................................................................................................. 31
3.2.1 Force axiale ....................................................................................................... 33
3.2.2 Puissance maximale et limite de Betz ............................................................... 36
3.3 THEORIE DE LELEMENT DE PALE .............................................................................. 38
3.3.1 Types de profils des turbines oliennes ............................................................. 43
3.3.2 Dcrochage arodynamique .............................................................................. 43
3.4 PRSENTATION DU LOGICIEL PROPID ...................................................................... 44
3.4.1 Fichiers lis lexploitation du logiciel PROPID ............................................. 45
3.4.2 Avantages et inconvnients du logiciel PROPID .............................................. 47
3.5 CONCLUSION ............................................................................................................. 48
CHAPITRE 4 DVELOPPEMENT DU SIMULATEUR DES
CARACTRISTIQUES STATIQUES ET DYNAMIQUES DES TURBINES
OLIENNES ........................................................................................................................ 51
4.1 INTRODUCTION .......................................................................................................... 51
4.2 DVELOPPEMENT DU SIMULATEUR ............................................................................ 52
4.2.1 Premire mthode : modle thorique ............................................................... 52
4.2.2 Deuxime mthode : modle numrique ........................................................... 57
4.2.3 Caractristiques du couple et de la puissance en fonction de la vitesse de
vent .................................................................................................................... 59
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xv
4.3 MODELISATION DE LENSEMBLE CONVERTISSEUR STATIQUE-MACHINE
ELECTRIQUE ............................................................................................................... 63
4.3.1 Gnratrice synchrone aimants permanents .................................................... 64
4.3.2 Convertisseur statique ........................................................................................ 70
4.4 CONCLUSION .............................................................................................................. 74
CHAPITRE 5 COUPLAGE DU SIMULATEUR DARBRE OLIEN UNE
CHANE DE CONVERSION OLIENNE ......................................................................... 77
5.1 INTRODUCTION .......................................................................................................... 77
5.2 PRESENTATION DU MODELE DE LA CHAINE DE CONVERSION EOLIENNE ...................... 78
5.3 SIMULATION DU SYSTEME EOLIEN SANS CONTROLE ................................................... 80
5.3.1 Essais de simulations effectues ........................................................................ 81
5.3.2 Rsultats de simulation du systme olien sans contrle ................................... 83
5.4 SIMULATION DU SYSTEME EOLIEN AVEC CONTROLE MPPT ....................................... 89
5.4.1 Mthode de contrle dune olienne vitesse variable ..................................... 90
5.4.2 Dveloppement du systme de contrle ............................................................ 91
5.4.3 Rgulation et calcul des paramtres du contrleur ............................................ 95
5.4.4 Rsultats de simulation du systme olien avec contrle MPPT ....................... 98
5.5 CONCLUSION ............................................................................................................ 106
CONCLUSION GNRALE ............................................................................................. 109
RFRENCES BIBLIOGRAPHIQUES ............................................................................ 113
ANNEXES A ...................................................................................................................... 119
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LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1.1 : Caractristiques de laromoteur considr [7] ................................................ 5
Tableau 2.1 : Prsentation des 10 premiers pays en matire dnergie olienne en
2015 [28] ............................................................................................................................... 15
Tableau 2.2 : Diffrentes longueurs de rugosit en fonction des terrains ............................. 27
Tableau 4.1 : Paramtres gomtriques dun exemple de turbine olienne [55] ................. 56
Tableau 4.2 : Paramtres de la gnratrice synchrone aimants permanents (GSAP) ........ 68
Tableau 5.1 : Identification des paramtres du contrleur .................................................... 98
Tableau A.1 : Dfinition des cinq diffrentes courbes gnres avec 2D_SWEEP ........... 125
Tableau A.2 : Dfinition des cinq diffrentes courbes gnres avec 1D_SWEEP ........... 125
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LISTE DES FIGURES
Figure 1.1 : Schma de la transmission mcanique simplifi dune conversion
olienne ................................................................................................................................... 6
Figure 2.1 : Capacit dnergie olienne (en mgawatt) installe dans le monde
durant les quinze dernires annes [28] ................................................................................ 14
Figure 2.2 : olienne axe horizontal et olienne axe vertical [29] .................................. 16
Figure 2.3 : Rotor olien de type Savonius [31] ................................................................... 17
Figure 2.4 : Principe de fonctionnement dun rotor olien de type Darrieus [32] ................ 18
Figure 2.5 : Les deux configurations doliennes axe horizontal (Upwind pour type
amont et Downwind pour type aval) [35] ............................................................................. 19
Figure 2.6 : Illustration des diffrentes parties dune olienne [36] ..................................... 21
Figure 2.7 : Spectre de la vitesse du vent de Van der Hoven [39] ........................................ 25
Figure 2.8 : Diagramme de gnration de vitesse du vent .................................................... 29
Figure 2.9 : Exemple de profil de vent gnr sous Matlab/Simulink ayant une vitesse
moyenne de 10 m/s ............................................................................................................... 30
Figure 3.1 : Exemple de la forme gnrale des champs de pression et de vitesse [44] ........ 32
Figure 3.2 : Modle de disque pour un rotor dolienne [45] ............................................... 34
Figure 3.3 : Densits de puissance pour un site olien des vitesses de vent variables
[47] ........................................................................................................................................ 37
Figure 3.4 : Variation des coefficients de puissance et de traine en fonction de
linduction axiale a ............................................................................................................... 38
Figure 3.5 : Pale en plusieurs sections et lment de pale repr la position r de la
pale ........................................................................................................................................ 41
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xx
Figure 3.6 : Champ de forces et vitesses agissant sur l'lment de pale .............................. 41
Figure 3.7 : Exemple de distribution du nombre de Reynolds sur le long dune pale ......... 46
Figure 3.8 : Exemple de coefficient de traine Cl et de portance Cd en fonction de
langle dattaque ................................................................................................................ 46
Figure 4.1 : Organigramme de lalgorithme de la mthode de thorie de llment de
pale ....................................................................................................................................... 54
Figure 4.2 : volution des coefficients des inductions axiale et tangentielle et de
lerreur calcule .................................................................................................................... 57
Figure 4.3 : Structure du simulateur de turbines oliennes dvelopp et prsentation
de ses entres et sorties ......................................................................................................... 58
Figure 4.4 : Modle Simulink du simulateur des turbines oliennes ................................... 59
Figure 4.5 : Courbes du coefficient de puissance calcul en fonction de la vitesse
spcifique pour diffrentes valeurs de langle de calage ................................................... 60
Figure 4.6 : Courbes du coefficient de puissance calcul en fonction de la vitesse
spcifique pour diffrentes vitesses de vent (en m/s) ........................................................... 61
Figure 4.7 : Couple arodynamique calcul en fonction de la vitesse de rotation pour
diffrentes vitesses de vent (en m/s) .................................................................................... 62
Figure 4.8 : Puissance arodynamique calcule en fonction de la vitesse de rotation
pour des vitesses de vent diffrentes (en m/s) ...................................................................... 63
Figure 4.9 : Circuit quivalent de la gnratrice synchrone aimants permanents dans
le repre d, q ......................................................................................................................... 65
Figure 4.10 : Modle Simulink de la gnratrice synchrone aimants permanents
couple un redresseur diodes .......................................................................................... 67
Figure 4.11 : Courant de ligne dlivr par la gnratrice aimants permanents ................. 69
Figure 4.12 : Tension ligne-ligne dlivre par la gnratrice aimants permanents ........... 69
Figure 4.13 : Schma du hacheur dvolteur ......................................................................... 70
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xxi
Figure 4.14 : Modle simplifi du hacheur dvolteur et son principe de
fonctionnement ..................................................................................................................... 71
Figure 4.15 : Modle Simulink du hacheur dvolteur .......................................................... 73
Figure 4.16 : Rsultats de simulation du hacheur dvolteur asservi ..................................... 74
Figure 5.1 : Modle de la chane de conversion olienne incluant le simulateur ................. 79
Figure 5.2 : Modle dvelopp du convertisseur statique .................................................... 79
Figure 5.3 : Modle Simulink du systme olien complet sans contrle ............................. 80
Figure 5.4 : Allure de la vitesse du vent considre pour la premire simulation
(vitesse constante) ................................................................................................................. 81
Figure 5.5 : Allure de la vitesse du vent considre pour la deuxime simulation
(changement par chelon de la vitesse du vent) ................................................................... 82
Figure 5.6 : Allure de la vitesse du vent constante considre pour la troisime
simulation (vitesse du vent alatoire) ................................................................................... 83
Figure 5.7 : Courbe du coefficient de puissance en fonction du temps ................................ 84
Figure 5.8 : Performances du systme olien sans contrle pour la premire
simulation : (a) vitesse du vent, (b) vitesse de rotation de larbre olien, (c) coefficient
de puissance, (d) couple arodynamique et (e) puissance mcanique du rotor .................... 86
Figure 5.9 : Performances du systme olien sans contrle pour la deuxime
simulation : (a) vitesse du vent, (b) vitesse de rotation de larbre olien, (c) coefficient
de puissance, (d) couple arodynamique et (e) puissance mcanique du rotor .................... 87
Figure 5.10 : Performances du systme olien sans contrle pour la troisime
simulation : (a) vitesse du vent, (b) vitesse de rotation de larbre olien, (c) coefficient
de puissance, (d) couple arodynamique et (e) puissance mcanique du rotor .................... 88
Figure 5.11 : Distribution des points de fonctionnement du systme sans contrle sur
les courbes de puissance en fonction de la vitesse de rotation pour diffrentes vitesses
du vent ................................................................................................................................... 89
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xxii
Figure 5.12 : Courbe de puissance typique dune olienne en fonction de la vitesse du
vent ....................................................................................................................................... 91
Figure 5.13 : Variation du coefficient de puissance en fonction de la vitesse
spcifique pour un angle de calage nul ................................................................................ 92
Figure 5.14 : Systme de commande de la stratgie de contrle de la tension du cot
continu .................................................................................................................................. 93
Figure 5.15 : Modle Simulink du sous-systme de contrle .............................................. 94
Figure 5.16 : volution du couple de rfrence en fonction de la vitesse de rotation ......... 95
Figure 5.17 : Reprsentation de lasservissement du systme modlisant le procd ......... 96
Figure 5.18 : Modle du simulateur darbre olien coupl au systme de conversion
olienne ................................................................................................................................ 99
Figure 5.19 : Performances du systme olien avec contrle pour la premire
simulation : (a) vitesse du vent, (b) vitesse de rotation de larbre olien, (c) coefficient
de puissance, (d) couple arodynamique et (e) puissance mcanique du rotor .................. 100
Figure 5.20 : Performances du systme olien avec contrle pour la deuxime
simulation : (a) vitesse du vent, (b) vitesse de rotation de larbre olien, (c) coefficient
de puissance, (d) couple arodynamique et (e) puissance mcanique du rotor .................. 101
Figure 5.21 : Courbes des vitesses de rotation optimale et mcanique du rotor pour
une vitesse de vent variable en chelons ............................................................................ 102
Figure 5.22 : Performances du systme olien avec contrle pour la troisime
simulation : (a) vitesse du vent, (b) vitesse de rotation de larbre olien, (c) coefficient
de puissance, (d) couple arodynamique et (e) puissance mcanique du rotor .................. 103
Figure 5.23 : Courbes des vitesses de rotation optimale et mcanique pour une vitesse
variable de faon raliste .................................................................................................... 104
Figure 5.24 : Distribution des points de fonctionnement du systme olien avec
contrle sur les courbes de puissances pour une vitesse de vent variable en chelons ...... 105
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xxiii
Figure 5.25 : Distribution des points de fonctionnement du systme olien avec
contrle sur les courbes de puissances pour une vitesse de vent variable de faon
alatoire ............................................................................................................................... 105
Figure A.1 : Donnes sur les profils de pales choisis ......................................................... 121
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LISTE DES ABRVIATIONS, DES SIGLES ET DES ACRONYMES
HAWT Horizontal axis wind turbine
IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
LREE Laboratoire de Recherche en nergie olienne
VAWT Vertical axis wind turbine
GSAP Gnratrice synchrone aimant permanent
MLI Modulation de largeur impulsion
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LISTE DES SYMBOLES
Facteur dinduction axiale
Facteur dinduction tangentielle
Coefficient dinduction axiale aprs convergence
Coefficient dinduction tangentielle aprs convergence
c Corde du profil de la section de pale
Capacit du hacheur dvolteur
Coefficient de portance de llment de pale
Coefficient de puissance maximal du rotor de la turbine olienne
Coefficient de traine de llment de pale
Rapport cyclique du hacheur dvolteur
Force lmentaire axiale agissant sur une section de pale
Force lmentaire tangentielle agissant sur une section de pale
Facteur de Prandtl
Frquence en hertz du processus alatoire
Force de frottement combine de la charge et du rotor de la
gnratrice
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xxviii
Frquence du champ tournant de la machine synchrone
Fonction de transfert du modle du hacheur dvolteur
Fonction de transfert du contrleur
Fonction de transfert du filtre rationnel
Fonction de transfert du filtre rationnel approxim
Courant de la bobine du hacheur dvolteur
Courant de sortie du hacheur dvolteur
Courants triphass du stator projetes sur les axes q et d
Courant de rfrence pour asservir le hacheur dvolteur.
Intensit de turbulence
Inertie du rotor
Gain du filtre du bruit blanc (modle de vent)
Constante caractristique du point dopration optimal de la turbine
Gain proportionnel du contrleur
Gain proportionnel-drivateur du contrleur
Inductance de la bobine du hacheur dvolteur
Inductances mutuelles du rotor au stator projetes sur les axes q et d
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xxix
Longueur de turbulence du site
Longueur de turbulence du site fonction de
Paramtres dfinissant le filtre rationnel approxim
Nombre de pale du rotor
Vitesse de rotation du champ tournant de la machine synchrone
Nombre de pair de ples des bobines
Puissance mcanique du rotor
Pression exerce au point (1) du volume de contrle entourant la
turbine
Pression exerce au point (2) du volume de contrle entourant la
turbine
Puissance arodynamique du rotor de lolienne
Pression du fluide exerce au point medium (avg : average en
anglais)
Rsistance des bobines du stator de la gnratrice
r Position de la section de pale
Rsistance associe au condensateur du hacheur dvolteur
Rsistance de la bobine du hacheur dvolteur
Surface du rotor
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xxx
Force de traine applique au rotor
Constante de temps drivateur du contrleur
Couple lectromagntique
Constante de temps du filtre du bruit blanc (modle de vent)
Constante de temps du filtre du contrleur
Couple de frottement de la gnratrice
Constante de temps intgrateur du contrleur
Couple de mcanique de la gnratrice
Temps dchantillonnage du bruit blanc (modle de vent)
Couple optimal du rotor de la turbine olienne
Couple de rfrence pour asservir le hacheur dvolteur
Volume entourant le rotor tudi
Vitesse du fluide au point (1) du volume de contrle
Vitesse du fluide au point medium
Vitesse au point (2) du volume de contrle
Tension de sortie du hacheur dvolteur
Tension aux bornes du condensateur du hacheur dvolteur
Tension redresse de la gnratrice synchrone
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xxxi
Tension dentre du hacheur dvolteur
Tension triphase du stator projetes sur les axes q et d
Pulsation du processus alatoire
Vitesse de rotation du rotor de lolienne
Vitesse angulaire du rotor de la gnratrice
Vitesse de rotation des pales du rotor
Hauteur par rapport au sol du site
Hauteur de rugosit du site
Angle dattaque du fluide sur la pale
Fonction mathmatique Beta
Densit volumique de lair
Angle dfinissant lorientation de la vitesse relative du vent
Couple arodynamique du rotor
Amplitude du flux induit du rotor sur le stator
Position angulaire du rotor
Vitesse spcifique optimal du rotor de la turbine olienne
Rugosit du site tudi
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xxxii
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CHAPITRE 1
INTRODUCTION GNRALE
1.1 CONTEXTE DU PROJET
Actuellement, le dveloppement durable et les nergies renouvelables constituent le
centre dintrt de plusieurs chercheurs. Les nergies renouvelables font rfrence aux
sources dnergie qui peuvent se renouveler naturellement lchelle dune vie humaine.
Cette motivation rsulte de proccupations dordres multiples : la protection de
lenvironnement et lconomie des ressources nergtiques traditionnelles. En effet, les
combustibles fossiles sont les plus grands diffuseurs de dioxyde de carbone qui est le
principal gaz effet de serre. Il a t montr que linstallation dun mgawatt dnergie
olienne pargnerait par an lmission de plusieurs milliers de tonnes de produits
indsirables (2 000 tonnes de CO2, 13 tonnes de NO2, 10 tonnes de NOx et 1,3 tonne de
particules de suies) [1]. Selon le chercheur Bernard Multon, la production dlectricit
connait de nombreux soubresauts dont le rapprochement de lchance dpuisement des
nergies fossiles et fissiles [2]. Le ministre franais de lnergie a publi un rapport qui
affirme la disparition du ptrole dans moins de 40 ans, 50 ans pour luranium, 62 ans pour
le gaz naturel et 230 ans pour le charbon [3]. Un pays comme le Canada possde un vaste
territoire donc un fort potentiel olien, mais il est difficile de transporter, sans perte,
lnergie lectrique des centrales vers des zones gographiquement inaccessibles. Sur le
territoire de l'tat canadien, on dnombre plus de 300 communauts isoles o vivent
200 000 citoyens [4]. Il est alors intressant dalimenter en lectricit ces communauts
partir des nergies renouvelables en utilisant par exemple des oliennes capables de fournir
une production dnergie lectrique dcentralise, qui pourrait par la mme occasion
assister les rserves hydrauliques.
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2
En dpit de pouvoir remplacer totalement les ressources dnergie traditionnelles,
lnergie olienne peut toutefois tre envisage comme une solution de rechange
intressante du point de vue conomique, politique et social. Son dveloppement sest
fortement accentu au dbut des annes 2000 en connaissant une croissance annuelle de
30% [5]. Cette mergence est accompagne non seulement dune progression dans la
technologie olienne, mais aussi de ralisation de grandes fermes doliennes, d'une
rduction des cots de fabrication et dun dveloppement important de la recherche dans ce
domaine.
Afin de supporter ces efforts de recherche dans le domaine olien, un banc dessai
olien exprimental est dvelopp au laboratoire de recherche en nergie olienne (LREE)
de lUniversit du Qubec Rimouski (UQAR) permettant la simulation et ltude du
contrle des oliennes. Ainsi, notre projet de recherche sinscrit dans le contexte de la mise
sur pied dune des trois parties constituant ce projet global savoir le banc dessai olien :
cest un simulateur en temps rel permettant de crer les conditions de paramtrage et de
contrle d'une olienne afin d'observer, de mesurer son comportement et doptimiser son
contrle. Ce banc dessai est constitu dun simulateur informatique (implant dans le
systme Opal-RT de la compagnie RT-Lab), dun systme lectromcanique (moteur
courant continu mulant le comportement dune turbine olienne coupl une gnratrice
induction) et dun systme dlectronique de puissance. Le systme lectromcanique est
pilot par le simulateur informatique en utilisant un systme de contrle lectronique et
dlectronique de puissance. Le simulateur pilote, dune part, le moteur courant continu
en fournissant son systme de contrle les caractristiques couple-vitesse des turbines
oliennes simules, et dautre part, la gnratrice en fournissant son convertisseur statique
les lois de commande optimales de conversion dnergie olienne. Cet outil qui permettra
davancer dans la recherche pour optimiser les systmes de conversion olienne est bien
dcrit et dtaill dans la rfrence [6].
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3
1.2 PROBLEMATIQUE
Lnergie olienne est devenue lune des plus attrayantes ressources nergtiques
pour la production dlectricit tant donn quelle ne pollue pas de faon directe [7].
Cependant, une augmentation de la productivit olienne va de pair avec plus de tests sur
les configurations des turbines et leur connexion aux gnratrices pour ltude de la
conversion olienne. Pour son dveloppement, la production olienne doit rpondre un
certain nombre de critres dvaluation conomique et cologique par rapport aux sources
dnergie traditionnelles. Ainsi, beaucoup de chercheurs et dindustriels se sont orients
vers la conception de nouvelles turbines afin de rduire le prix de revient du kilowattheure
et damliorer leur rendement pour plus defficacit [8]. Un systme de conversion olienne
est un outil complexe de transformation dnergie qui prsente plusieurs aspects de la
puissance olienne. Lanalyse des caractristiques et du contrle optimal dun systme de
conversion olienne peut se faire avec un prototype que lon peut tester en soufflerie.
Toutefois, cette procdure reste onreuse surtout pour des oliennes grande puissance.
Pour pallier les inconvnients, des simulateurs darognrateur sont gnralement
envisags. Il existe plusieurs approches pour modliser les turbines oliennes. Nombreuses
sont les recherches qui adoptent lapproche analytique, on peut citer les rfrences [9] et
[10]. Cependant, pour les modles arodynamiques tablis partir de la thorie de
llment de pale, les oscillations des valeurs dinduction axiale (qui se traduit par une perte
de vitesse du fluide en amont du rotor de lolienne) lors des calculs ditrations posent un
problme assez commun. Ces fluctuations sont imputables des permutations priodiques
entre charges lourdes et lgres [11]. En plus, les recherches menes sur la transformation
de lnergie olienne en nergie lectrique ont montr des problmes importants : le
caractre alatoire de sa source, le vent, entraine une fluctuation de sa puissance de sortie
[12] et rend ainsi difficiles ltude ainsi que les essais sur une turbine relle.
Ainsi, dans ce travail de recherche, on cherche raliser un simulateur de turbines
oliennes facilitant leur tude. Un mulateur qui serait non seulement capable de
reprsenter efficacement plusieurs types de turbines oliennes, mais aussi de fournir dans
-
4
des conditions ralistes les caractristiques couple-vitesse des rotors de ces turbines. Ce
simulateur, bas sur une modlisation arodynamique des turbines oliennes, fera partie
intgrante du banc dessai olien dvelopp au laboratoire LREE. des fins de tests et de
validation du simulateur dvelopp, ce dernier ne sera pas valid exprimentalement sur le
banc dessai olien, mais en simulation (sur MATLAB/SIMULINK) o il sera utilis pour
entrainer une gnratrice synchrone aimants permanents alimentant une charge par
lintermdiaire dun hacheur dvolteur.
1.3 OBJECTIFS
Le but de ce projet de recherche est dvelopper un simulateur de turbines oliennes
qui permet de reproduire le comportement dynamique des pales du rotor olien dans des
conditions ralistes et de fournir les caractristiques couple-vitesse pour une vitesse de vent
et un site donns. Ceci passe par le dveloppement des modles arodynamiques des
turbines oliennes permettant dtudier leurs performances que ce soit vitesse fixe ou
vitesse variable. Il sagit aussi de valider le simulateur en le couplant avec une chane de
conversion dnergie olienne utilisant une gnratrice aimants permanents et un hacheur
contrl en utilisant la stratgie MPPT (Maximum Power Point Tracking).
Dans le but doffrir un environnement de test et de contrle raliste, le simulateur doit
pourvoir reproduire le couple ainsi que la puissance arodynamique sur larbre dun
aromoteur typique dont les caractristiques sont prsentes au tableau 1.1 en considrant
trois types de profil de pales. Ces profils de pales seront prsents la section 1.5 de ce
prsent chapitre.
-
5
Tableau 1.1 : Caractristiques de laromoteur considr [7]
Paramtres de la turbine olienne
Densit de lair 1,225 kg/m3
Rayon de la turbine 2,05 m
Vitesse optimale du vent 12 m/s
Vitesse maximale du vent 25 m/s
Diamtre de la turbine 4,1 m
Longueur des pales 2,02 m
Hauteur du moyeu 12 m
Type de la turbine olienne upwind
Rotation optimale 346 rpm
Rotation maximale 600 rpm
Puissance maximale 6000 W
Nombre de pales 3
1.4 TAT DE LA RECHERCHE
Il est vident que les turbines oliennes sont des structures complexes quipes de
composants dispendieux et dlicats de ce fait, des mthodes efficaces et rigoureuses doivent
tre mises au point pour ltude et lexprimentation des oliennes. Les modles
daromoteurs, communment appels turbines oliennes, ont bien volu au cours du
temps. Dans les annes 1970, les scientifiques spcialistes dans la conversion de lnergie
olienne en nergie lectrique se sont contents de relations mathmatiques non linaires
exprimant le coefficient de pousse en fonction du vent [8]. Le modle de
Goldstein tait le plus utilis bien que ce modle est beaucoup trop complexe et ncessite
trop de temps de simulation [9]. Dans le cas de ce modle, le couple ou sa valeur moyenne
pouvait tre dtermin avec des lois statistiques ayant pour variable la vitesse du vent.
-
6
Linteraction entre le vent et les pales du rotor de lolienne tait nglig, cependant, les
modles des gnratrices prsentaient des quilibres dynamiques satisfaisants.
Les difficults de lexploitation de lnergie olienne conduisent beaucoup de
chercheurs dvelopper diffrents types de simulateurs de turbines oliennes du fait de la
diversit des objets de proccupations des projets. Cependant, mme si les configurations
des simulateurs sont distinctes, le problme majeur des mulateurs est que les
caractristiques statiques et dynamiques doivent tre aussi proches que possible de celles
des turbines simules [10] et dont la structure de base est dcrite la figure 1.1. Cela exige,
lors du dveloppement des modles, la prise en compte des lments suivants : le caractre
alatoire du vent, linertie de la turbine et leffet de sillage.
Figure 1.1 : Schma de la transmission mcanique simplifi dune conversion olienne
La plupart des mulateurs oliens sont mis sur pied selon une structure base sur le
moteur courant continu [11-13]. Le choix de ce type de moteur dcoule du fait que le
couple de sortie est une variable proportionnelle au courant des armatures, cest--dire que
la valeur de rfrence pour le courant des armatures est calcule en fonction de la vitesse du
vent et de la vitesse de rotation du rotor. De cette faon, en contrlant le courant, on
contrle le couple arodynamique dvelopp par la turbine sur son arbre. Cependant les
fluctuations du couple ne sont pas prises en compte par ce modle, mme si leffet de
sillage est considr, on peut citer dans ce cas la rfrence [14]. En plus, la diffrence entre
linertie du rotor et celle du moteur courant continu rend imprcise ltude de la vitesse du
vent et des variations de charge sur le rotor. En raison de leur grande taille et de la ncessit
-
7
deffectuer des maintenances, les balais alimentant lenroulement du rotor en courant
continu subissent des frottements qui entrainent lusure du collecteur bagues et des
charbons. De ce fait, les moteurs courant continu sont de plus en plus abandonns. Dans
la rfrence [15], un onduleur transistors IGBT alimentant une machine asynchrone est
utilis la place du moteur courant continu pour simuler une turbine olienne. Les
auteurs de la rfrence [16] insrent un microcontrleur la structure de lmulateur pour
dterminer le couple sur larbre de la turbine. Un code crit en langage C reprsentant un
gnrateur de vitesse de vent, un modle de turbine olienne et la vitesse de rotation du
moteur asynchrone constituent la structure du simulateur permettant dobtenir le couple
dun arognrateur rel. Un contrle sur les courants du stator et la frquence de rfrence
de londuleur permet daccder une rgulation du couple. Dans lhistorique des
simulateurs, on rencontre des mulateurs usant dun autre type de machine, savoir les
servomoteurs [17, 18]. Par opposition aux machines courant continu, les servomoteurs
sont capables de recevoir des commandes en position angulaire pour tre prcis, ils donnent
une position angulaire larbre reli son axe de rotation [19]. Larticle de la rfrence
[18] donne les dtails dun simulateur qui utilise un modle mathmatique pour transmettre
un couple de rfrence un sous-systme lectromcanique, ce dernier effectue un contrle
en boucle ouverte sur ce couple en corrigeant la frquence de dviation du servomoteur.
Souvent, les turbines sont relies aux gnrateurs par un multiplicateur de vitesse qui
permet de diminuer le couple et daugmenter la vitesse de rotation de larbre. Mais le
multiplicateur constitue une cause daugmentation du cot de lolienne et des
maintenances; en plus, il alourdit la nacelle [20, 21].
En vue de surmonter ces inconvnients du multiplicateur de vitesse, les machines
synchrones aimants permanents (MSAP) sont aussi utilises. Ces machines gagnent en
popularit par leur connexion directe avec la turbine olienne, mais aussi par leur capacit
dauto-excitation permettant un meilleur facteur de puissance [22, 23]. Le choix de ce type
de machines implique lusage de composants dlectronique de puissance afin dobtenir
une source de tension adquate la sortie du systme de conversion olienne. Dans la
rfrence [23], les auteurs ont travaill avec un redresseur, un onduleur triphas et un filtre
-
8
LC. En maintenant constante la tension du ct continu, celle de londuleur triphas lest
aussi quelle que soit la variation de la vitesse du vent. Dans la revue de littrature des
simulateurs, il apparait plusieurs approches dans la modlisation des turbines oliennes. La
mthode analytique, qui donne lexpression non linaire du coefficient de puissance en
fonction de la vitesse du vent est une des stratgies, cest le cas dans la rfrence [6]. Une
autre faon de faire consiste recourir la thorie de llment de pale afin dimplmenter
un algorithme de calcul ditrations des coefficients dinduction axiale et tangentielle.
Toutefois cette dmarche comporte des difficults, surtout que la question de divergence
dans le calcul des coefficients reste rsoudre; la rfrence [24] illustre cette mthode.
1.5 METHODOLOGIE
Dans le prsent chapitre, il est expliqu la problmatique et les raisons de la mise sur
pied du simulateur de turbine olienne. Pour rsoudre cette problmatique, une tude est
dabord effectue exposant les diffrentes parties de larchitecture des systmes de
conversion olienne existant dans la littrature, une prsentation de la source olienne est
aussi faite. Afin de crer des conditions ralistes, un gnrateur de vitesse de vent est
dvelopp et qui est utilis comme entre du simulateur dvelopp. Aprs avoir examin
laspect physique ncessaire la comprhension de la thorie de llment de pale, une
prsentation du fonctionnement du logiciel PROPID est par la suite effectue.
Ensuite, le simulateur des turbines oliennes est dvelopp en se basant sur une
modlisation arodynamique de ces dernires. La modlisation de la partie arodynamique
de lolienne constitue une partie importante dans la conception des simulateurs de turbines
oliennes. Dans le cadre de ce travail, nous avons adopt le programme PROPID, qui se
base sur la thorie de llment de pale, pour dterminer les performances du rotor. Le code
PROPID sert gnrer les tables de donnes couple-vitesse de la turbine dcrite dans le
tableau 1.1 pour trois types de profils de pales (qui sont les S812, S813 et S814). Ensuite,
grce aux blocs Prelookup dans lenvironnement MATLAB/SIMULINK, une interpolation
-
9
et une extrapolation de ces donnes sont effectues. Ceci permet dtablir le modle du
simulateur de turbine olienne permettant de gnrer facilement les caractristiques
statiques couple-vitesse.
Par la suite, le simulateur dvelopp est coupl une chane de conversion olienne
dans le but de faire des tests et des validations dans lenvironnement
MATLAB/SIMULINK. Cette chane est constitue dune machine aimants permanents,
dun redresseur, dun hacheur, dune charge et dun systme de commande. La machine
aimants permanents ainsi que les composantes dlectronique de puissance de la
bibliothque SimPowerSystems sont utilises au niveau de la modlisation. De ce fait, un
contrle par la mthode de la recherche du maximum de puissance est ralis. En plus, en
maintenant le courant circulant du cot continu sa valeur de rfrence en utilisant un
hacheur dvolteur, la puissance arodynamique est transfre la charge dune faon
maximale malgr la variation de la vitesse du vent.
1.6 HYPOTHESES ET LIMITES
Afin de restreindre ltude ci-prsente, la modlisation et la simulation de nimporte
quel type dolienne nest pas lobjet du prsent simulateur. Toutefois, lapproche
dveloppe peut tre applique nimporte quel type de turbine olienne. En complment,
lanalyse thorique du rgime de dmarrage ainsi que le contrle des systmes dorientation
et durgence des oliennes ne sont pas considrs. Le calcul des paramtres du rgulateur
PID est effectu uniquement pour le contrle de la vitesse de rotation et de la puissance de
lolienne. Toutefois, on se concentre sur une turbine olienne ayant les paramtres du
tableau 1.1 et qui peut oprer avec une modification des variables suivantes : vitesse du
vent, vitesse de rotation et angle de calage. Dun autre ct, la conception dun logiciel
pour lanalyse du fonctionnement en temps rel du simulateur nest pas effectue.
Cependant, le simulateur sera intgr dans le futur un banc dessai olien dans le
laboratoire LREE et permettra ainsi de faire des tests en temps rel.
-
10
Lanalyse numrique de leffet des variations temporelles du vent sur les turbines
oliennes par un modle arodynamique ncessite un gnrateur de vitesse de vent. Pour
cela, on postule que le vent est un processus alatoire. La thorie de llment de pale
divise la pale en plusieurs sections dans le but de dterminer leurs caractristiques
arodynamiques. Cependant, bien que la norme de la vitesse du vent nest pas la mme
dans toutes ces sections, on suppose que la vitesse du vent est constante tout au long des
pales du rotor. Pour la machine aimants permanents, les aimants du rotor induisent une
variation de flux au niveau des bobines du stator entrainant lapparition dune force
lectromotrice. La variation du flux ainsi que la force lectromotrice sont toutes
considres comme sinusodales pour le modle de la gnratrice. En plus, la saturation des
matriaux magntiques ainsi que les pertes fer sont considres ngligeables. Il est
considr aussi que les courants statoriques au niveau de la machine constituent un systme
triphas quilibr.
1.7 ORGANISATION DU MEMOIRE
Afin de bien traiter la problmatique, le travail est divis en six chapitres et
sorganise comme suit : aprs une introduction gnrale dans le chapitre 1, une analyse
structurale des systmes de conversion olienne est prsente au chapitre 2. Ce dernier
expose aussi ltude effectue sur la vitesse du vent, qui est considre comme un
processus alatoire, et un gnrateur de vitesse de vent est dvelopp.
Dans le chapitre 3, il est effectu une tude des thories du disque et de llment de
pale puis une description du fonctionnement du code PROPID. Ce code est utilis pour la
modlisation des turbines oliennes la place des modles mathmatiques. Une
prsentation et une explication sont faites sur les diffrentes quations rgissant les thories
arodynamiques telles que la thorie de llment de pale et la thorie du disque.
-
11
Le chapitre 4 prsente les dtails de dveloppement du simulateur de turbine
olienne. Il prsente aussi la modlisation des diffrents lments constituant la chane de
conversion olienne utilise pour la validation du simulateur dvelopp.
Le chapitre 5, quant lui, est consacr limplantation du simulateur dans le systme
de conversion olien modlis en considrant trois types de profils de pales. Ce chapitre
prsente aussi le dveloppement de lasservissement de lensemble du systme par la
mthode de lextraction du maximum de puissance et le calcul des variables des lois de
commande. Les rsultats de simulation sont aussi exposs et discuts pour la chane de
conversion olienne considre avec ou sans contrle MPPT.
Finalement, au chapitre 6, une conclusion gnrale est prsente qui rsume les
diffrents travaux effectus sur lensemble des chapitres et des recommandations pour les
travaux futurs.
-
12
-
CHAPITRE 2
GENERALITES SUR LEOLIEN
2.1 INTRODUCTION
Avant dexaminer ou de traiter les aspects de la technologie des turbines oliennes, il
est important de prsenter un petit historique de lnergie olienne. La force du vent peut
atteindre une puissance extrmement grande, cest le cas dans les ouragans ou les tornades.
Mme avec des vents moyens, cette force a longtemps assist les humains et a
principalement servi propulser les navires. La puissance du vent est aussi utilise des
fins varies : dans le domaine agricole, pour moudre des grains ou irriguer les champs, mais
encore de nos jours pour produire de llectricit [25]. Lexploitation de lnergie olienne
comme source dnergie lectrique a t nglige pendant un certain temps au profit des
ressources traditionnelles. Cest seulement en 1973 que la plupart des pays dvelopps ont
adopt des politiques pour tre moins dpendants en matire dnergie fossile.
Dimportants programmes de dveloppement des nergies renouvelables ont t instaurs.
Lnergie olienne, qui tait autrefois uniquement transforme en nergie mcanique, est
maintenant convertie en nergie lectrique par le biais darognrateurs. Cette dernire
application est devenue plus accessible grce aux progrs technologiques dans le domaine
dlectronique et dlectrotechnique, mais aussi grce une bonne comprhension des
matriaux. Une premire olienne a t dveloppe dans le sol canadien en 1975 par la
socit Hydro-Qubec, une turbine axe vertical de 40 kW [26].
En dpit du fait que lolien soit restreint aux rgions o le vent souffle assez fort, la
puissance installe a connu une croissance fulgurante au cours des 10 dernires annes. La
puissance installe en 2006 dans le monde tait environ 74 GW (gigawatts), soit 48 GW en
-
14
Europe, 1 459 MW au Canada et 11,6 GW aux tats-Unis [27]. Selon le Conseil Mondial
pour lnergie olienne, lolien reprsentait 432,4 GW de puissance installe en 2015 avec
un taux de croissance cumulative de 17 %. Compar au solaire, avec 100 GW seulement,
cest la mthode de production dnergie lectrique qui montre la croissance la plus
marquante parmi les nergies renouvelables [28]. Le tableau 2.1 tablit pour 2012 un
classement des pays qui exploitent le plus lolien travers le monde, alors que la figure
2.1 montre la puissance olienne installe dans le monde pour les quinze ans passs.
Ce chapitre prsente les diffrentes structures et configurations des turbines oliennes,
mais aussi une analyse de leurs principes de fonctionnement. Ensuite, il sera montr les
procdures suivies pour dvelopper le gnrateur de vitesse de vent en traitant le vent
comme une variable alatoire. Cela permettra de simuler la turbine olienne modlise dans
des conditions ralistes.
Figure 2.1 : Capacit dnergie olienne (en mgawatt) installe dans le monde durant les
quinze dernires annes [28]
-
15
Tableau 2.1 : Prsentation des 10 premiers pays en matire dnergie olienne en 2015 [28]
Installation olienne dans le monde
Pays Puissance installe (MW) Pourcentage partag
(%)
Rpublique de Chine 145,104 33,6
tats-Unis 74,471 17,2
Allemagne 44,947 10,4
Inde 25,088 5,8
Espagne 23,025 5,3
Royaume Uni 13,603 3,1
Canada 11,200 2,6
France 10,358 2,4
Italie 8,958 2,1
Brsil 8715 2
Reste du monde 66,951 15,5
Total des 10 premiers pays 365,468 84,5
Total mondial 432,419 100
2.2 CLASSIFICATION DES EOLIENNES SELON LES CONFIGURATIONS ET LES PRINCIPES DE FONCTIONNEMENT
Une olienne (du grec ole qui reprsente le matre du vent) est un dispositif
destin convertir lnergie cintique du vent en puissance mcanique. Les turbines
oliennes les plus rpandues sont composes de pales en rotation autour du rotor. Sous
laction du vent, cette rotation entraine un systme produisant de llectricit. Les oliennes
sont classes en deux grands types de turbines oliennes tel que prsent dans la figure 2.2 :
celles axe vertical (VAWT) et celles axe horizontal (HAWT). Dautres configurations
plus mythiques (profils oscillants, aube mobile, profil en translation) ont t cres, mais
elles nont jamais abouti une quelconque industrialisation.
-
16
Figure 2.2 : olienne axe horizontal et olienne axe vertical [29]
2.2.1 Arognrateur axe vertical
Le principe des turbines oliennes axe vertical utilise une technologie bien ancienne
qui date de plus de 4000 ans, le rotor tourne autour dun axe vertical la diffrence des
arognrateurs axe horizontal. Il existe deux principales catgories doliennes axe
vertical : les types Darrieus et les types Savonius. Deux diffrents principes sont mis en
uvre par ces types de machines, soit la trane diffrentielle et la variation cyclique
dincidence. Gnralement, une olienne axe vertical se compose dun rotor avec
plusieurs pales, dun multiplicateur de vitesse ainsi que dune gnratrice situe le plus
souvent au sol.
2.2.1.1 Traine diffrentielle (type Savonius)
Le fonctionnement de base de ce genre daromoteur est pratiquement semblable
celui dun anmomtre : lcoulement de lair sur deux corps en forme de demi-cylindre
gnre des forces diffrentes sur ces deux corps, une grande force dans le sens de
lcoulement et une autre force plus faible en sens oppos. Comme le montre la figure 2.3,
la force de traine est plus intense dans la zone concave que dans la zone convexe. Il en
-
17
rsulte alors un couple moteur qui met en rotation le rotor, ce couple est appliqu un
gnrateur afin de produire du courant lectrique. La reproduction de cette technologie est
le rotor de type Savonius, du nom de son inventeur finlandais Johannes Savonius qui la
brevet vers la fin des annes 1920 [30].
Figure 2.3 : Rotor olien de type Savonius [31]
2.2.1.2 Variation cyclique dincidence (type Darrieus)
Tout comme la thorie de llment de pale, la variation cyclique dincidence repose
sur les caractristiques arodynamiques des profils des pales. Alors que la traine
diffrentielle sappuie sur une diffrence dintensit de force applique de part et dautre
dun objet, le principe de la variation cyclique dincidence se rapporte une autre ide. Les
profils de cette configuration sont placs de manire ce quils fassent des angles
dincidence par rapport au sens de lcoulement de lair, afin de gnrer des forces
dintensit et de direction diffrentes. partir des forces de portance, qui apparaissent sur
les profils, il va rsulter un couple moteur qui fera tourner le rotor. Comme le montre la
figure 2.4, cela dfinit la notion sur laquelle sappuie le fonctionnement des oliennes de
type Darrieus qui ont t inventes et brevetes en 1931 par le franais George Darrieus,
ingnieur en aronautique.
-
18
Figure 2.4 : Principe de fonctionnement dun rotor olien de type Darrieus [32]
2.2.1.3 Avantages et inconvnients des arognrateurs axe vertical
Plusieurs facteurs ont jou en faveur des machines axe vertical et il nest pas
tonnant de constater que leur exploitation a volu de plus en plus. Selon lauteur de la
rfrence [33], de nos jours, plusieurs universits dirigent encore leurs recherches vers le
dveloppement de ce type dolienne prcisment pour amliorer le design, surtout au
niveau urbain. Parmi les facteurs en faveur de ces machines, on peut citer le fait quelles
sont faciles construire et scuritaires. Il faut aussi noter que les oliennes axe vertical
sont gnralement implantes mme le sol. Cet aspect leur confre plus daptitudes, par
rapport aux turbines oliennes axe horizontal, cest--dire la capacit supporter les
turbulences du vent et tre aussi insensibles la direction du vent.
Par contre, du fait de leur faible rendement par rapport aux oliennes axe horizontal
[34], en plus de la surface occupe au sol, leur utilisation convient mieux un usage
domestique. Les deux principes de fonctionnement intrinsque des turbines oliennes axe
-
19
vertical font appel la rotation des pales, cela indique que laromoteur ne possde pas de
dmarrage autonome. Il est donc ncessaire de disposer dun systme damorage.
2.2.2 Arognrateur axe horizontal
Les oliennes axe horizontal sont les plus rpandues. linstar des moulins vent,
les pales du rotor sont places de faon capter lcoulement de lair et servent gnrer
un couple de rotation, ce dernier est utile pour entrainer une gnratrice qui produit de
llectricit. Plus rentables, moins encombrantes au sol et parfaitement autonomes au
dmarrage, ces oliennes munies gnralement de trois pales peuvent dlivrer des
puissances lectriques de plusieurs mgawatts. Tout comme les machines axe vertical, les
turbines oliennes axe horizontal se classent aussi en deux grandes catgories comme le
montre la figure 2.5 : les turbines en amont et celles en aval du vent.
Figure 2.5 : Les deux configurations doliennes axe horizontal (Upwind pour type amont et
Downwind pour type aval) [35]
Les oliennes en amont du vent ont leurs pales places devant la tour et constituent, la
base, le design de la majeure partie des turbines oliennes. Celles-ci ont lavantage de ne
pas avoir un vent perturb dans son incidence par la tour. Toutefois, cette configuration
exige des pales rigides, places une certaine distance de la tour, pour viter toute collision
-
20
de celles-ci avec la tour. En plus, du point de vue performances, laromoteur de ces
oliennes ncessitent un systme dorientation pour faire face au vent.
Contrairement aux oliennes en amont du vent, les oliennes en aval du vent ont la
surface de leur rotor incline, ce qui leur permet de sorienter automatiquement sous le
vent. Elles ont lavantage de ne pas sencombrer de dispositif dorientation, dans la mesure
o une turbine de cette configuration est capable de se diriger en conformit avec
lcoulement de lair. En plus, les turbines en aval du vent sont construites avec des pales
plus flexibles, mais linconvnient cest que la prsence de la tour affecte lincidence du
vent sur les pales, ce phnomne est aussi appel effet dombre de la tour.
Comme le montre la figure 2.6, de manire gnrale, on peut considrer que
lolienne, de type amont, est compose de quatre grandes parties : la fondation, la tour, la
nacelle puis le rotor.
La fondation : elle a pour but de maintenir en quilibre la tour, elle est assise sur un
sol homogne. La fondation est gnralement constitue entirement de bton
coul;
La tour : son rle est de maintenir en hauteur la combinaison rotor-nacelle de sorte
que leffet de turbulence du vent, qui se fait ressentir prs du sol, naffecte pas la
production des oliennes. La tour participe ainsi une optimisation dnergie
capte. On distingue trois types de tours : la tour en treillis, celle en hauban et celle
tubulaire ;
La nacelle : elle sert de logement au systme de conversion de lnergie mcanique
de rotation en nergie lectrique. Le systme intgre plusieurs lments dont le
gnrateur, le multiplicateur, le dispositif dorientation, le frein et le contrleur ;
Le rotor : le rotor dune olienne axe horizontal est une hlice constitue de trois
pales en gnral, lutilisation du rotor trois pales est prdominant dans lensemble
des machines de puissance suprieure 30 kW et reprsente environ 80 % du
-
21
march mondial [30]. Les pales de laromoteur tournent autour dun axe
horizontal, savoir le moyeu.
Figure 2.6 : Illustration des diffrentes parties dune olienne [36]
2.2.3 Machines lectriques
La structure dun systme de conversion olienne comprend principalement une
machine lectrique (gnratrice), une composante qui permet de transformer lnergie
mcanique en nergie lectrique. Son choix dpend de plusieurs paramtres tels que la
puissance dsire et le domaine dapplication. Parmi les types de machines considres au
niveau olien, on distingue les machines courant continu, les machines synchrones et les
machines asynchrones.
2.2.3.1 Machines courant continu
Ce type de gnrateur est utilis pour de faibles puissances, il peut remplir les
exigences de base comme chargeur des batteries et daccumulateurs. Le courant continu est
-
22
obtenu par lutilisation dun systme de redressement naturel des tensions de linduit
(systme collecteur-balais). Durant ces dix dernires annes, ces machines taient les
gnratrices de base des simulateurs oliens. Cependant, du fait de leurs grandes
dimensions et de la ncessit de maintenance, elles sont de plus en plus abandonnes dans
le domaine olien [10].
2.2.3.2 Machines synchrones
Le terme synchronisme peut sexpliquer comme suit : un aimant tourne autour
dune boussole (aiguille aimante), cette dernire se met en rotation avec la mme vitesse
que celle de laimant. Les machines synchrones regroupent tous les dispositifs dont la
vitesse de rotation de sortie est gale la vitesse de rotation du champ tournant. Il existe
deux types de machines synchrones qui sont gnralement utilises au niveau des
oliennes. Ce sont : les machines synchrones rotor bobin et les machines synchrones
rotor aimants permanents (MSAP). Les machines synchrones aimants permanents sont
plus avantageuses que les machines asynchrones pour les faibles puissances; parmi ces
avantages, on peut citer un meilleur rendement et un plus grand facteur de puissance [22].
En plus, contrairement aux machines asynchrones, il peut tre intressant dutiliser un
nombre lev de ples afin dliminer la bote de vitesse. Cette configuration est appele
transmission directe ou attaque directe (sans bote de vitesse). Cette stratgie rduit les
pertes mcaniques et le bruit que peut crer une bote de vitesse [4]. Les intrts de la
machine synchrone et la facilit dutiliser des convertisseurs statiques dlectronique de
puissance pour rcuprer le maximum de puissance dune turbine olienne font que notre
choix est port sur cette gnratrice pour la validation du simulateur olien dvelopp au
niveau de ce mmoire.
-
23
2.2.3.3 Machines asynchrones
Comme les autres machines, la machine asynchrone peut fonctionner en gnratrice
dans les oliennes pour la production de lnergie lectrique. Il existe deux types de
machines asynchrones : les machines asynchrones rotor bobin et les machines
asynchrones cage dcureuil. Les machines asynchrones sont de loin les plus utilises
dans lindustrie et mme dans les oliennes vitesse variable [23]. Dans son
fonctionnement, la machine asynchrone fonctionnant en moteur est alimente au stator (au
niveau des bobines) par un rseau alternatif triphas, ces bobines crent un champ tournant
une certaine vitesse. Le fonctionnement en gnratrice est semblable celui du moteur
sauf que la machine doit tre excite au stator. La vitesse de rotation du champ tournant est
proportionnelle la frquence du courant alternatif par la relation suivante :
(2.1)
O est la vitesse de rotation du champ statorique (en RPM), est la frquence du
courant (en Hz) et est le nombre de ples.
Le rotor de la machine asynchrone (rotor bobin ou cage dcureuil) soumis laction
du champ tournant au stator gnre un autre champ magntique tournant la mme vitesse
que celui du stator. Linteraction entre ces deux champs magntiques permet de crer le
couple de la machine selon lquation suivante :
(2.2)
O est le champ tournant statorique et est le champ induit rotorique.
Le couple cr donne une acclration au mouvement de rotation du rotor jusquau
point dquilibre de lentranement.
-
24
2.3 REPRESENTATION DE LA SOURCE EOLIENNE
2.3.1 Potentiel olien
Avant dexaminer le fonctionnement du simulateur, il convient tout dabord de se
pencher sur la source mme de lnergie olienne : le vent. En effet, la croissance de
lusage des turbines oliennes va de pair avec la ncessit davoir des simulateurs oliens
qui permettent de reproduire, peu prs et le plus fidlement possible, les mmes rsultats
quune olienne relle. La capacit dtablir une bonne estimation des performances dun
systme de conversion olienne passe par une excellente description des variations du vent.
Il existe des mthodes pour caractriser le potentiel nergtique olien, en rcoltant sur un
certain site des donnes de vitesses de vent par intervalle de temps et pour une dure
donne. Ces donnes permettront de caractriser un site en dterminant les paramtres de la
distribution de Weibull. Ces paramtres sont importants en matire de bonne gestion de
projet dimplantation dolienne, mais ne donnent aucun renseignement sur la variation
temporelle de la vitesse du vent.
La rgion de lespace, pour une hauteur infrieure 100 m, o les forces de
frottement causes par la rugosit du sol sont importantes, est nomme la couche
limite [37]. Une des reprsentations des fluctuations temporelles de la vitesse du vent au
niveau de la couche limite est le modle de Van der Hoven. Cette modlisation est
schmatise la figure 2.7. Celle-ci indique la frquence dapparition des pics les plus
importants agissant sur la variation de la vitesse du vent. Ce modle permet didentifier les
deux composantes de la vitesse du vent : la composante lente (basse frquence) et la
composante turbulente (haute frquence) [38].
-
25
Figure 2.7 : Spectre de la vitesse du vent de Van der Hoven [39]
Dans le souci de placer notre simulateur dans les conditions les plus proches de la
ralit, il est ncessaire de considrer le vent comme un processus alatoire non
stationnaire. Un gnrateur de vent alatoire a t dvelopp dans le but davoir un
simulateur capable de reproduire le comportement dun arognrateur. Pour crer ce
gnrateur, il faut tudier le vent comme un processus stochastique compos de deux
parties : la vitesse moyenne du profil de vent et une partie turbulente qui oscille autour de
cette moyenne.
2.3.2 Turbulence
La turbulence est une fluctuation rapide de la vitesse du vent, gnralement pour une
dure infrieure 10 minutes. Le spectre de turbulence dcrit les variations de la vitesse du
vent dans le domaine frquentiel. Il existe plusieurs formulations de la densit spectrale du
vent, deux reprsentations du spectre de la turbulence sont communment utilises pour des
simulations numriques du vent le spectre de Von Karman et celui de Kaimal dfinis
comme suit :
Le spectre de Von Karman [40]
-
26
(2.3)
Le spectre de Kaimal [40] :
(2.4)
O dsigne la longueur de la turbulence en mtre. Tout comme la longueur de la
turbulence, lintensit de la turbulence est un facteur adimensionnel qui permet de
mesurer le degr de turbulence et qui est fonction de la vitesse moyenne du vent . Le
paramtre est dfini par :
(2.5)
Les paramtres dynamiques, lintensit et la longueur de la turbulence peuvent tre
calculs ou simuls par des standards. Par exemple, lorganisme Danish Standard National
dfinit ces paramtres par [25] :
(2.6)
(2.7)
Le paramtre reprsente la hauteur en mtres laquelle est calcule la vitesse du vent
alors que le paramtre reprsente la longueur de rugosit du sol en mtres (voir le
tableau 2.2 pour des exemples).
-
27
Tableau 2.2 : Diffrentes longueurs de rugosit en fonction des terrains
Proprits du sol
Terrains Index nergtique (%) Longueur de
rugosit (m)
Plan deau 100 0,0002
Terrain plat 73 0,00024
Champs dcouverts 52 0,03
Zone rurale avec haie 45 0,055
Grande ville avec tours 13 1,6
Larticle dA.D. Diop [41] conoit le principe de gnration de vitesse du vent
comme un processus alatoire non stationnaire. Le choix est port sur la mme dmarche
de cet article et qui est illustre par la figure 2.8. Cette dmarche consiste ajouter une
vitesse moyenne du vent, qui est la composante lente, une perturbation qui nest rien
dautre que sa composante rapide. Dans le souci dlaborer un modle reprsentatif de
lquation (2.3), la perturbation est gnre laide dun bruit blanc qui passe par un filtre
rationnel. La fonction de transfert du filtre rationnel dduite du spectre de Von Karman est
dfinie par :
(2.8)
Le filtre est caractris par son gain et sa constante de temps , ces paramtres
peuvent tre dtermins par les relations (2.9) et (2.10) suivantes. La prsence de la
puissance (5/6) au niveau du dnominateur de la fonction de transfert du filtre rationnel
rend difficile limplantation du filtre dans lenvironnement Simulink. Une approximation
dordre rationnel simpose alors pour la simulation de la composante turbulente du vent
[42].
-
28
(2.9)
(2.10)
Le paramtre correspond la frquence dchantillonnage du signal (fluctuation rapide)
et correspond la fonction mathmatique du mme nom. Pour un point fixe de rfrence
correspondant au spectre de Von Karman, une bonne approximation du filtre rationnel de
second ordre est produite [25] et exprime par la relation suivante :
(2.11)
O les constantes prennent les valeurs typiques suivantes [25]: et . Il
est aussi ncessaire dajuster la variance du site choisi pour la simulation en faisant un
produit de la vitesse moyenne avec lintensit de la turbulence.
2.3.3 Modle de gnration de vitesse du vent
Aprs avoir nonc les variabilits caractrisant le vent, un gnrateur de vitesse de
vent est mis au point pour donner une bonne description des variations long et moyen
terme du processus alatoire quest la vitesse du vent. La figure 2.8 illustre la constitution
du gnrateur de vitesse du vent. Le bruit blanc produit est filtr par le signal du filtre
rationnel caractris par ses paramtres et , le produit de la sortie (filtre) avec la
dviation standard est additionn la vitesse moyenne. La figure 2.9 illustre la variation
du profil de vent et les paramtres du gnrateur qui sont les suivants :
-
29
Hauteur : 12 m
Variance : 1.7
Rugosit : 0.0024
Figure 2.8 : Diagramme de gnration de vitesse du vent
-
30
Figure 2.9 : Exemple de profil de vent gnr sous Matlab/Simulink ayant une vitesse
moyenne de 10 m/s
2.4 CONCLUSION
Dans ce chapitre, une brve description des types doliennes, de leurs diffrentes
configurations ainsi que les principes de fonctionnement ont t prsents. Par ailleurs, une
tude de la ressource olienne a permis de mieux comprendre la variable alatoire de
lolien : le vent. Le modle de gnration de vitesse du vent dvelopp et prsent dans
cette section prend en compte les fluctuations dynamiques du vent agissant sur le rotor de
lolienne. Ce gnrateur aide placer le simulateur dans les conditions les plus ralistes.
La suite est danalyser la dmarche de modlisation des turbines oliennes adopte dans ce
mmoire pour le dveloppement du simulateur savoir la thorie de llment de pale.
-
CHAPITRE 3
THORIE AERODYNAMIQUE DES TURBINES EOLIENNES
3.1 INTRODUCTION
Ce chapitre prsente les dtails dune approche analytique pour la modlisation
arodynamique des turbines oliennes. Les mthodes de calcul existantes permettent
dtudier les aromoteurs axe horizontal mais elles fournissent aussi une prdiction des
performances de ces machines. Ltude de larodynamisme des turbines oliennes se fait
principalement selon deux thories : la thorie du disque et la thorie de llment de pale.
Ainsi, ce prsent chapitre offre un bref survol de ces deux thories qui sont plus dtailles
au niveau du livre de la rfrence [43]. Il expose aussi le fonctionnement du logiciel
PROPID bas sur la thorie de llment de pale. Les nouveaux dveloppements de ce
travail de recherche seront exposs au prochain chapitre.
3.2 THEORIE DU DISQUE
Pour ltude arodynamique des turbines oliennes, il convient tout dabord de se
pencher sur lanalyse du modle de turbine avec un rotor idal avant dexaminer en dtail la
pale divise en plusieurs lments. La turbine olienne a pour fonction de transformer,
laide de sa composante arodynamique qui dsigne le rotor, lnergie cintique du vent en
une nergie de rotation et cette dernire est utilise son tour par une gnratrice pour
fournir une puissance lectrique. Par une modlisation simple, si on se rfre aux travaux
de Betz (1926), on peut dterminer la puissance de sortie dun rotor idal, mais aussi la
force de traine du vent sur le rotor [43]. La thorie du disque est une tude analytique
-
32
permettant de dterminer les champs de pression et de vitesse de part et dautre dune
turbine olienne comme le montre la figure 3.1.
Figure 3.1 : Exemple de la forme gnrale des champs de pression et de vitesse [44]
Cette premire approche consiste tudier la quantit dnergie capte par le rotor en
observant la diffrence entre la quantit dnergie incidente sur le disque en question et
celle qui le traverse. Comme moyen dtude, elle peut nous permettre dentamer une
discussion sur les limites de performances et sur le coefficient de puissance et le coefficient
de traine des oliennes, mais elle ne constitue en aucun cas un outil pour le
dimensionnement dune olienne.
Cette dmarche met en relation les vitesses et les pressions loin en amont puis loin en
aval. En examinant le contrle de volume comme le montre la figure 3.2, le rotor de la
-
33
turbine olienne est remplac par un disque plein en se basant sur les suppositions
suivantes [43] :
Absence de frottement ;
coulement de lair incompressible, homogne et stationnaire ;
Nombre de pales infini (disque plein) ;
Sillage sans rotation ;
Traine uniforme sur la surface du disque ;
Pression statique en amont et en aval gale la pression atmosphrique.
3.2.1 Force axiale
Trois facteurs importants dterminent le rendement entre lnergie du vent et
lnergie capte par le rotor. Ces facteurs sont la densit de lair , la surface balaye par le
rotor et la vitesse du vent . La puissance brute et totale disponible dans le vent peut
sexprimer comme suit :
(3.1)
En considrant le contrle de volume entourant le rotor de la turbine, on peut
appliquer les quations de Bernoulli en considrant les hypothses cites prcdemment. La
figure 3.2 illustre un rotor idal reprsent par une turbine olienne avec un nombre infini
de pales. On peut dabord appliquer le thorme dEuler en ngligeant leffet de la
pesanteur sur le modle.
-
34
Figure 3.2 : Modle de disque pour un rotor dolienne [45]
La variation de pression est lie celle de la vitesse dun lment de fluide
par lgalit :
(3.2)
En intgrant lgalit (3.2) entre deux points du volume de contrle, on obtient :
(3.3)
(3.4)
Do lon tire la diffrence de pression :
(3.5)
En introduisant le flux massique ainsi que son quation de continuit applique aux
quations (3.3) et (3.4), on peut trouver une relation assez intressante (3.6).
(3.6)
Cette galit montre que, pour le modle de la thorie du disque, la vitesse sur le plan
du rotor est la moyenne de la vitesse du vent lentre et la sortie du domaine dtude du
modle de disque. Par dfinition, linduction axiale est donne par la relation :
-
35
(3.7)
En introduisant le coefficient dinduction axiale dans lquation (3.6) et en supposant
que la vitesse du vent juste en amont du rotor est la mme que celle juste en aval et que les
pressions loin en amont et en aval sont identiques (tel que les auteurs de la rfrence [43]
lont nonc), on obtient les relations (3.8) et (3.9).
(3.8)
(3.9)
La puissance lmentaire rcupre par la turbine olienne devient la diffrence entre
lnergie cintique en amont et celle en aval du rotor de la turbine si on prend une surface
lmentaire sur le rotor. Cette puissance est exprime par :
(3.10)
En rappelant la puissance disponible dans le vent dans (3.1), les performances dune
turbine olienne sont dtermines par des nombres adimensionnels appels coefficient de
puissance, not , et coefficient de traine, not . Ces coefficients sont dfinis comme
suit :
(3.11)
(3.12)
-
36
3.2.2 Puissance maximale et limite de Betz
La quantit dnergie rcupre par le rotor est proportionnelle la vitesse
dcoulement de lair lors de la traverse du rotor. Il suffit de prendre pour exemple le cas
o toute lnergie du vent est capte : cela entranerait un arrt du mouvement de lair au-
del du rotor, vnement physiquement impossible en pratique. La thorie globale de
laromoteur axe horizontal a t introduite en premier par les auteurs de la rfrence [46]
dans les annes 1930. Daprs leurs hypothses, puisque le coefficient est un rendement
arodynamique, il est intressant de dterminer son maximum afin de connatre la
puissance maximale susceptible dtre extraite de lair. la figure 3.3, un graphique tir de
lorganisme Danish Wind Industry Association (Association danoise de lindustrie
olienne) illustre pour diffrentes vitesses de vent la distribution dnergie olienne (densit
de puissance) disponible et rcuprable pour un site donn. Dans cette figure, la puissance
totale disponible dans le site olien est reprsente (troisime courbe au-dessus laxe
horizontal), la puissance thoriquement rcuprable est reprsente (seconde courbe au-
dessus de laxe horizontal), tandis que la puissance rellement rcuprable par une olienne
sur ce site est illustre (premire courbe au-dessus de laxe horizontal). La densit de
puissance est calcule par les auteurs de la rfrence [47] sur un site o la vitesse moyenne
du vent est 7 m/s et le paramtre de Weibull k est gal 2. Le paramtre k est une des
principales variables permettant de dfinir la distribution de Weibull. Cette distribution
peut tre utilise pour modliser des processus alatoires comme la vitesse du vent et est
bien dtaille dans la thse de J.L Retiveau [48]. Laire de la courbe en bleu donne une
reprsentation de la limite tablie par la loi de Betz en relation avec le coefficient de
puissance dcrit par lquation (3.12). Cette limite peut tre obtenue partir de :
(3.13)
Cette valeur limite est obtenue pour a=1/3 qui correspond une valeur du coefficient de
puissance tel que :
-
37
(3.14)
Cette valeur maximale est appele limite de Betz, il sagit dune limite thorique. En
pratique, cette valeur nest toujours pas atteinte par les turbines oliennes conues de nos
jours en raison :
De leffet de sillage juste en aval du rotor ;
Du nombre limit des pales ;
Des pertes de puissance lextrmit des pales.
Figure 3.3 : Densits de puissance pour un site olien des vitesses de vent variables [47]
La figure 3.4 prsente la variation du coefficient de puissance et du coefficient de
traine en fonction de linduction axiale . Ces courbes sont traces en appliquant les
quations (3.11) et (3.12). Comme le montre cette figure, le coefficient de puissance passe
par son maximum pour un coefficient dinduction axiale a = 0,333 et prend la valeur de Cp
= 0,593, plus prcisment 16/27. Le coefficient de traine quant lui prsente un maximum
de Ct = 1 pour a = 1/2. Toutefois, si on se rfre lquation (3.9), une valeur de a = 1
-
38
donnerait une vitesse de vent ngative la sortie, ce qui est physiquement impossible. Cest
pour cette raison que la thorie du disque est valide uniquement pour des valeurs du
coefficient dinduction axiale comprises entre 0 et 1/2.
Dans la thorie du disque, le nombre de pales, langle de calage, qui est langle entre
laxe longitudinal du profil arodynamique et la direction de la vitesse du vent relative, et
les profils arodynamiques ne sont pas pris en considration. Ltude de ces diffrents
paramtres permettra davoir une approche beaucoup plus raliste.
Figure 3.4 : Variation des coefficients de puissance et de traine en fonction de linduction
axiale a
3.3 THEORIE DE LELEMENT DE PALE
Dans la prcdente thorie, beaucoup dhypothses ont t formules. En effet, leffet
de sillage qui est leffet de rotation de lcoulement dair la traverse du rotor a t
nglig, alors quen ralit, la conservation du moment cintique impose que le mcanisme
du fluide doit tre un mouvement de rotation au-del du rotor de la turbine olienne pour
gnrer un couple utile. Des mthodes plus avances en modlisatio