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UNIVERSITE D’ANTANANARIVO
DOMAINE : SCIENCES ET TECHNOLOGIES
MENTION : PHYSIQUE ET APPLICATIONS
MEMOIRE
pour l’obtention du diplôme de
Master d’Ingéniérie en Energies Renouvelables
Sur
ETUDE CONCEPTION DIMENSIONNEMENT ET
REALISATION D’UN MINI-EOLIEN A ALTERNATEUR
SYNCHRONE
Présenté par
RANDRIANARISOA Jean Romule
Devant la commission de jury composée de :
Président : Mme RANDRIAMANANTANY Zely Arivelo Professeur titulaire
Examinateur : Madame RAKOTO JOSEPH Onimihamina Maître de Conférences
Rapporteurs : Monsieur RANDRIANIRAINY Huchard Paul
Monsieur MANDIMBY Junior Zoé Jean Tiganà
Maître de Conférences
Docteur
Le 27 decembre 2019
UNIVERSITE D’ANTANANARIVO
DOMAINE : SCIENCES ET TECHNOLOGIES
MENTION : PHYSIQUE ET APPLICATIONS
MEMOIRE
pour l’obtention du diplôme de
Master d’Ingéniérie en Energies Renouvelables
Sur
ETUDE CONCEPTION DIMENSIONNEMENT ET
REALISATION D’UN MINI-EOLIEN A ALTERNATEUR
SYNCHRONE Présenté par
RANDRIANARISOA Jean Romule
Devant la commission de jury composée de :
Président : Mme RANDRIAMANANTANY Zely Arivelo Professeur titulaire
Examinateur : Madame RAKOTO JOSEPH Onimihamina Maître de Conférences
Rapporteurs : Monsieur RANDRIANIRAINY Huchard Paul
Monsieur MANDIMBY Junior Zoé Jean Tiganà
Maître de Conférences
Docteur
Le 27 decembre 2019
REMERCIEMENTS
Je souhaiterais avant tout remercier toutes les personnes qui, de près ou de loin, ont
contribué à l’aboutissement de ce mémoire de fin d’étude.
Je remercie vivement Monsieur RAMAHAZOSOA Irrish Parker, Maître de
Conférences à l’Université d’Antananarivo et Responsable du Domaine Sciences et
Technologies pour m’avoir permis de poursuivre mes études au sein de ce Domaine et pour
avoir donné son autorisation pour la présentation de ce mémoire
J’adresse mes remerciements respectueux à Madame RAFANJANIRINA Eulalie
Odilette, Maître de Conférences à l’Université d’Antananarivo pour m’avoir permis de
réaliser mes rêves en m’ayant offert l’opportunité de faire mes études au sein de la Mention
Physique et Applications dont elle est la Responsable.
Mes vifs remerciements vont également à Madame RAKOTO JOSEPH Onimihamina,
Maître de Conférences au sein du Domaine Sciences et Technologies de l’Université
d’Antananarivo et Responsable du Parcours « Master d’Ingénierie en Energies
Renouvelables (MIER) » pour m’avoir accepté comme étudiant au sein dudit Parcours.
Mes chaleureux remerciements vont aux endroits de Monsieur RANDRIANIRAINY
Huchard Paul, Chef du Département Energétique du Centre National de Recherche
Industrielle et Technologique (CNRIT) et Docteur MANDIMBY Junior Zoé Jean Tiganà pour
avoir encadré les travaux de ce mémoire. Leurs conseils judicieux et aides précieuses ont
permis sa réalisation.
Je tiens à exprimer mes sincères remerciements à tous les membres des personnels de
l’atelier d’EKAR Diosezy Antananarivo Ampahateza Ambohipo pour toutes leurs aides dans
les volets ouvrages bois et métalliques.
Et enfin j’adresse mes vifs remerciements et gratitude à ma famille pour ses soutiens
moral et financier et aussi à mes collègues du Parcours MIER pour leurs appuis et
collaborations durant les études.
IV
TABLE DES MATIERES
REMERCIEMENTS .............................................................................................................. III
TABLE DES MATIERES ..................................................................................................... IV
NOMENCLATURE ............................................................................................................. VII
LISTE DES ABREVIATIONS .......................................................................................... VIII
LISTE DES FIGURES ........................................................................................................... IX
LISTE DES TABLEAUX ....................................................................................................... X
LISTE DES ANNEXES ......................................................................................................... XI
GLOSSAIRE ......................................................................................................................... XII
INTRODUCTION .................................................................................................................... 1
Chapitre I : PROTOTYPE EOLIEN DU CENTRE NATIONAL DE RECHERCHES
INDUSTRIELLES ET TECHNOLOGIQUES ..................................................................... 3
I-1) Evolution dans les exploitation et transformation de l’énergie éolienne dans les différents
continents ........................................................................................................................................... 3
I-1-1) Premières éoliennes du monde. [1], [6], [8] ....................................................................... 3
I-1-2- Production d’électricité éolienne [8], [9] ........................................................................... 4
I-2) Choix du site d’implantation de l’éolienne .............................................................................. 5
I-2-1) Directions dominantes de la circulation du vent à l’échelle du globe [8] ....................... 5
I-2-1-1) Origine des vents [8] .................................................................................................... 6
I-2-1-2) Force de Coriolis [8] .................................................................................................... 6
I-2-1-3) Directions dominantes du vent ................................................................................... 7
I-2-2) Influence des reliefs et des topologies sur la circulation du vent .................................... 8
I-2-2-1) Effet tunnel ................................................................................................................... 8
I-2-2-2) Effet de colline .............................................................................................................. 9
I-2-2-3) Turbulence ................................................................................................................. 10
I-2-2-4) Conditions pour les sites d’implantation [8] ........................................................... 12
V
Chapitre II : PROTOTYPE EOLIEN DU CENTRE NATIONAL DE RECHERCHES
INDUSTRIELLES ET TECHNOLOGIQUES ET NOTRE PROTOTYPE EOLIEN ... 13
II-1) Prototype du Centre National de Recherches Industrielles et Technologiques ................ 13
II-1-1) Centre National de Recherches Industrielles et Technologiques ................................ 13
II-1-2) Organigramme du Centre National de Recherches Industrielles et Technologiques 13
II-1-3) Missions du Centre National de Recherches Industrielles et Technologiques ........... 14
II-1-4) Mini-éolien de Bevalala ................................................................................................... 15
II-1-5) Maintenance de l’éolien .................................................................................................. 15
II-2) Organisation des études théoriques pour notre prototype éolien ....................................... 16
II-3) Localisation du site d’implantation ....................................................................................... 17
III-3-1) Atouts du site de l’éolienne ........................................................................................... 18
III-3-2) Problèmes du site de l’éolienne ..................................................................................... 18
III-3) Impacts de l’éolienne sur l’environnement [4] ................................................................... 19
Chapitre III : REALISATION, RESULTATS ET DISCUSSIONS .................................. 20
III-1) Générateur ............................................................................................................................. 20
III-2) Plaque signalétique du générateur ...................................................................................... 21
III-3) Dimensionnement et réalisation des pales de l’éolienne .................................................... 22
III-3-1) Dimensionnement des pales .......................................................................................... 22
III-3-1-1) Evaluation de la puissance de l’éolienne ............................................................... 22
III-3-1-2) Diamètre du rotor ................................................................................................... 24
III-3-2) Réalisation des pales ...................................................................................................... 26
III-4) Dimensionnement et réalisation du multiplicateur de vitesse ........................................... 29
III-5) Dimensionnement et réalisation de gouvernail ................................................................... 30
III-6) Convertisseur AC-DC ........................................................................................................... 31
III-7) Dimensionnement et réalisation du mat de l’éolienne ....................................................... 32
III-8) Réalisation de la nacelle ........................................................................................................ 35
III-9) Résultats et discussions ......................................................................................................... 36
III-9-1) Résultats .......................................................................................................................... 36
VI
III-9-2) Discussions ...................................................................................................................... 38
III-9-3) Coût de la réalisation ..................................................................................................... 39
CONCLUSION ....................................................................................................................... 42
REFERENCES ....................................................................................................................... 43
ANNEXES ............................................................................................................................... 45
Annexe A : Limite de Betz .............................................................................................................. 45
ANNEXE B : QUELQUES VECTEURS ENERGETIQUES ET CEUX QUI SONT
POSSIBLES DE LANCER A MADAGASCAR ........................................................................... 48
VII
NOMENCLATURE
Lettres latines
Symbole Définition Unités
Pélec : Puissance électrique du générateur W
H : Hauteur du site M
ho : Hauteur de prise de mesure de la vitesse du vent M
Vvent : Vitesse du vent au site m/s
Vo : Vitesse du vent à la hauteur ho m/s
Pvent : Puissance du vent W
: Débit massique de l’air traversant le tube d’air kg/s
S : Surface balayée par le rotor m2
D : Diamètre du rotor M
Cp : Coefficient de performance du site
R : Rayon du rotor M
: Vitesse apparente du vent m/s
: Vitesse relative du vent m/s
: Distance d’un élément de la pale avec l’axe du rotor M
F : Force poussée axiale N
Rmoyeu : Rayon du moyeu Cm
P : Force du poids de la nacelle N
T : Tension du support N
R : Réaction du sol N
G : Rapport de multiplication
: Diamètre de la roue menée Cm
: Diamètre de la roue menant Cm
: Surface de l’empennage cm2
E : Distance entre l’axe d’orientation et le plan de rotation de l’hélice Cm
L : Distance entre l’axe d’orientation et le centre d’empennage Cm
Lettres grecques
Symbole Définition Unités
Ω : Vitesse de synchronisation tr/min
Cosφ : Facteur de puissance électrique
α : Indice du milieu Ρ : Masse volumique de l’air kg/m
3
Λ : Vitesse spécifique de l’éolienne m/s
Ωturb : Vitesse angulaire de la turbine rd/s
Β : Angle de calage (°)
: Angle d’attaque (°)
: Angle d’incidence (°)
VIII
LISTE DES ABREVIATIONS
MIER : Master d’Ingénierie en Energies Renouvelables
CNRIT : Centre National de Recherches Industrielles et Technologiques
ECAR : Eglise Catholique Apostolique Romane
JIRAMA : Jiro sy Rano Malagasy
MESupRES : Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
MEF : Ministère de l’Economie et des Finances
CIDST : Centre d’Information et de Documentation Scientifique et Technique
RN : Route Nationale
Rpm : Révolution par minute
E : Est
SE : Sud-Est
NACA : Advisory Committee for Aeronautics
AC : Alternative Current
DC : Direct Curent
ORE : Office Régional de l’Energie
IX
LISTE DES FIGURES
Figure 1: Eoliennes servant à moudre le grain ou à pomper de l’eau [8] : (a) éolienne de type
perse en Afghanistan ; (b) éolienne de type moulin à vent aux Pays-Bas ; (c) éolienne
américaine. .......................................................................................................................... 4
Figure 2: Eoliennes servant à la production d’électricité [9] : (a) éolienne de Charles F.
Brush. (b) ; éolienne de Marcellus et Joseph Jacobs ; (c) éolienne de Poul La Cour ; (d)
éolienne de Johannes Juul ; (e) éolienne de Hutter ; (f) Eolienne de Putnam-Smidth ........ 5
Figure 3: Force de Coriolis. ....................................................................................................... 7
Figure 4: Montage dans un tunnel [8]. ...................................................................................... 9
Figure 5: Effet de colline sur la direction du vent, [8]. ............................................................. 9
Figure 6: Carte de la vitesse moyenne du vent à Madagascar, [5]. ......................................... 11
Figure 7: Organigramme du CNRIT ....................................................................................... 14
Figure 8: Eolien domestique à Bevalala .................................................................................. 15
Figure 9: Photographie de notre site d’implantation d’Ambohitrambo .................................. 18
Figure 10: Organes fonctionnels d’une éolienne, [8] .............................................................. 20
Figure 11: Schéma de la machine électrique synchrone. ........................................................ 21
Figure 12: Plaque signalétique de la machine ......................................................................... 21
Figure 13: Courbes du coefficient de puissance selon le type du rotor, [2], [6], [7], [12] ..... 25
Figure 14: Eléments caractéristiques d'une pale, [8] ............................................................... 26
Figure 15: Direction du vent sur un tronçon de pale [8] ......................................................... 27
Figure 16: Préparation de l’hélice ........................................................................................... 29
Figure 17: Distance rotor et centre de l’empennage [3] .......................................................... 31
Figure 18: Convertisseur AC-DC. ........................................................................................... 32
Figure 19: Test du pont diode redresseur. ............................................................................... 32
Figure 20: Mat de l'éolienne, [3]. ............................................................................................ 33
Figure 21: Veine de courant d'air, [9]. ..................................................................................... 34
Figure 22: Forme générale de la nacelle, [3] ........................................................................... 35
Figure 23: Eléments de la nacelle. ........................................................................................... 35
Figure 24: Photo d’une prise des mesures. .............................................................................. 36
Figure 25: Courbe de la variation de la puissance en fonction de la vitesse du vent. ............. 37
Figure 26: Courbe de fonctionnement d'une éolienne, [2], [7], [11]. ...................................... 38
Figure 27: Tube de courant autour d’une éolienne [11] .......................................................... 45
Figure 28: Différents sources d’énergie qui ont déjà exploité sur le monde ........................... 48
X
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1: Organigramme de nos travaux de projet de mémoire. .......................................... 17
Tableau 2: Vitesse moyenne et annuel du vent à Madagascar en km/h. ................................. 22
Tableau 3: Valeurs du coefficient de gradient vertical de la vitesse du vent en fonction de la
topographie, [12]. .............................................................................................................. 23
Tableau 4: Caractéristiques de l’hélice. .................................................................................. 28
Tableau 5: Valeurs des autres inconnues de l’éolienne. ......................................................... 35
Tableau 6: Caractéristiques techniques des appareils, [3]....................................................... 36
Tableau 7: Rapporte les moyennes des mesures des tensions et des intensités en fonction des
vitesses du vent. ................................................................................................................ 37
Tableau 8: Moyenne des mesures des tensions et des intensités en fonction des vitesses du
vent. ................................................................................................................................... 37
Tableau 9: Coût de la réalisation des éléments fonctionnels. ................................................. 40
Tableau 10: Coût de la réalisation du mat de l’éolienne. ........................................................ 40
Tableau 11: Coût de génie civil. ............................................................................................. 41
XI
LISTE DES ANNEXES
Annexe A : Limite de Betz ................................................................................................. 45
Annexe B : Quelques vecteurs énergétiques et ceux qui sont possibles de lancer à madagascar
............................................................................................................................................. 48
XII
GLOSSAIRE
Aérodynamique : L'aérodynamique est une discipline qui considère des
objets aux prises avec des écoulements. Comme telle,
elle constitue un chapitre de la mécanique des fluides.
Que ce fluide soit de l'air, c'est à dire un gaz, ou qu'il soit
un liquide, il ne change rien à la manière d'aborder les
choses, et les lois qui s'appliquent aux fluides gazeux
sont les mêmes que celles qui s'appliquent aux fluides
liquides Simplement, si le fluide est un liquide on parle
d’hydrodynamique alors que s’il s’agit d’un gaz on parle
d’aérodynamique.
Aérogénérateur : Groupe constitué par une génératrice électrique entrainée
par un aéromoteur.
Aéromoteur : Moteur rotatif actionné par le vent.
Alternateur synchrone: C’est une machine électrique constituée par un stator et
un rotor. Le stator est constitué par une bobine et de
carcasse métallique et le rotor est constitué par des
aimants permanents. Ce dernier est entrainé par
l’aéromoteur et produit du champ magnétique induit au
niveau des bobinages statoriques. Le champ magnétique
produit de courant électrique quand le circuit est fermé à
l’extérieur. L’intensité du courant produit est
proportionnelle à la vitesse de rotation du rotor (ou
vitesse de synchronisation).
Vitesse de synchronisation : C’est la vitesse de rotation du rotor de la machine
électrique nécessaire afin de produire sa puissance
nominale signalée sur la plaque signalétique.
XIII
Engrenage : Un engrenage est un ensemble de deux roues dentées qui
tournent ensemble. Généralement, une roue est entrainée
par un moteur et l’autre roue met en rotation le
composant qu’on veut faire tourner.
Gouvernail: Pièce du dériveur permettant de le diriger et constitué du
safran et de la barre.
Mât : Espar vertical qui supporte longitudinalement les voiles.
Régulateur : C’est un appareil électrique qui ajuste la quantité du
courant dérivé dans les résistances pour que la tension ne
dépasse pas un certain seuil. Il sert à dériver l’énergie
excédentaire dans des résistances.
Safran : Partie immergée du gouvernail sur laquelle s'exerce la
pression de l'eau.
Surcharge : C'est la situation dans laquelle se trouve une installation
quand celle-ci est parcourue par un courant de valeur
supérieure à celle pour laquelle elle a été conçue.
1
INTRODUCTION
De nos jours, la demande sur la production d'énergie durable conduit à une multitude
de solutions technologiques innovantes. Les techniques traditionnelles de production
d’électricité, en tenant compte de la pénurie prévisible des carburants conventionnels dans un
avenir proche, doivent mettre en considération leurs impacts négatifs sur l'environnement.
Ainsi, cette demande incite les ingénieurs à créer une situation forçant les acteurs impliqués
dans le domaine de la production d'énergie à explorer des nouveaux horizons. Les chercheurs
ont pensé surtout à des sources dites propres, en l’occurrence, le solaire, le biogaz, la
géothermie et l’éolien qui sont devenus les sources de substitution par excellence dans ce
domaine.
La conversion de ces nouvelles sources d’énergies nécessite l’utilisation de certaines
installations spécifiques. Dans le cas d’éoliennes, la turbine composée d’un certain nombre de
pales bien dimensionnées en fonction de vitesse du vent dans le site, la puissance de la
générateur et la nacelle composée du générateur et quelques éléments électroniques, doivent
être placées à une certaine hauteur garantissant une vitesse de vent plus forte et plus régulière,
d’où l’utilisation d’une tour (mat d’éolienne). Un projet éolien nécessite alors une étude
préliminaire du site d’installation dans le but de reconnaitre la puissance maximale et
minimale des vents et les obstacles qui perturbent leur direction. La compréhension des
obstacles contribue à la réalisation d’éolienne pilote. En effet, plusieurs études récentes sont
consacrées à surmonter les blocages du site d’installation d’une éolienne. Il convient de
souligner que l'utilisation de l’éolienne à axe horizontal de trois pales est mieux et facile à
réaliser.
En ce sens, le présent mémoire s’intitule “ETUDE, CONCEPTION,
DIMENSIONNEMENT ET REALISATION D’UN MINI-EOLIEN A ALTERNATEUR
SYNCHRONE“ et présente l’ensemble des travaux s’y rapportant. Un aérogénérateur de
puissance 2kW est implanté dans le village de Tsarasaotra, fokontany d’Ambohitrambo
Commune de Ramainandro et District de Faratsiho. Ce dernier se trouve dans la zone Haute-
Terre de Madagascar. L’exploitation de l’énergie éolienne dans ce village est profitable grâce
à la vitesse suffisante de vent. Notre pays, qui veut s’engager dans d’importants projets
concernant les énergies renouvelables, doit impérativement avoir une certaine maitrise et une
certaine expertise des aspects liés à ce type d’éolienne pilote, celles-ci ne sont pas
suffisamment mises en exergue auparavant, d’où le but de ce mémoire.
2
Le présent manuscrit est organisé en quatre chapitres :
Le premier chapitre rapporte une étude bibliographique d’une éolienne. Il
rappelle le processus de production d’électricité éolienne avec ses
caractéristiques.
Le second chapitre décrit le prototype éolien du Centre National de Recherches
Industrielles et Technologiques (CNRIT). Les organigrammes et mission du
Centre sont rapportés ainsi que les avantages et problèmes posés par son
prototype éolien.
Le troisième chapitre procède au dimensionnement et à la réalisation de
l’éolien conçu selon ses éléments fonctionnels. Les résultats et discussions
terminent ce chapitre.
3
Chapitre I : PROTOTYPE EOLIEN DU CENTRE NATIONAL DE
RECHERCHES INDUSTRIELLES ET TECHNOLOGIQUES
I-1) Evolution dans l’exploitation et transformation de l’énergie éolienne dans les
différents continents
Quelques pays ont déjà exploité la force du vent depuis des années avant Jésus Christ.
Aussi, nous allons parler dans cette partie, à la fois, les premières éoliennes du monde et la
production d’électricité éolienne.
I-1-1) Premières éoliennes du monde. [1], [6], [8]
Les premières éoliennes, selon certains auteurs, sont apparues il y a trois milles ans en
Egypte et vers le septième siècle en Perse et en Chine. Ces machines sont faites de bois et de
tissus et servent à moudre le grain ou à pomper l’eau. La figure montre quelques types
d’éolienne à axe vertical qui servent à moudre le grain ou à pomper l’eau.
Dans les années 1100, un nouveau type d’éolienne à axe horizontal mis en rotation par
la force de portance générée par le vent sur les pales, commence à apparaitre dans le nord de
l’Europe. La figure 1b montre une de ces machines communément appelées moulin à vent. Ce
type d’éolienne est perfectionné durant plusieurs siècles, amenant des innovations telles que
l’alignement du rotor avec le vent, le vrillage des pales, l’utilisation de pales avec des formes
plus optimisées aérodynamiques et de contrôle de puissance. Au début du 19ème
siècle, les
Européens ont une estimation de 1 500MW des dispositifs de puissance maximale installée
provenant de ces éoliennes.
Un type d’éolien fait son apparition et devient populaire aux Etats-Unis au 19ème
siècle. Ces éoliens servent à pomper de l’eau sur les fermes. Ils sont aussi à axe horizontal,
comportent un nombre des pales plus élevé et sont de plus petites dimensions. La figure 1c
montre ce type d’éolien. La présence d’un gouvernail permet l’alignement automatique du
rotor avec le vent. [8], [9].
4
(a)
(b)
(c)
Figure 1: Eoliennes servant à moudre le grain ou à pomper de l’eau [8] : (a) éolienne de type
perse en Afghanistan ; (b) éolienne de type moulin à vent aux Pays-Bas ; (c) éolienne
américaine.
I-1-2- Production d’électricité éolienne [8], [9]
La première production d’électricité à partir de l’énergie cinétique du vent remonte en
1888 avec l’éolienne de 12kW réalisée par l’américain F. Charles Brush (voir la figure 2a). La
turbine de cette éolienne a un diamètre de 17m. Ce type d’éolienne n’a pas beaucoup
d’influence sur le développement de la filière éolienne. Quelques dizaines d’années plus tard,
Marcellus et Joseph Jacobs commercialisent aux Etats-Unis une éolienne de petite taille
destinée aux régions rurales qui ne sont pas raccordées aux réseaux électriques (voir la figure
2b).
Les travaux de danois Poul La Cour servent de base au développement du potentiel
éolien pour produire de l’électricité (voir la figure 2c). Ce type est inspiré des traditionnels
moulins à vent et développe la technologie éolienne en étant, entre autres, la première
éolienne testée dans une soufflerie. Les éoliennes de la Cour sont commercialisées par la
compagnie Lykkegard. En 1920, 120 turbines d’une puissance allant de 10 à 35kW sont
installées. Cependant, après la première guerre mondiale, le prix de pétrole chute, ce qui a
pour effet de freiner le développement de l’énergie éolienne.
Avec la deuxième guerre mondiale, le prix de pétrole augmente et l’intérêt pour
l’éolien renaît. Durant les deux décennies qui suivent, plusieurs développements sont apportés
au domaine éolien. L’éolienne de Johannes Juul comme la figure 2c l’indique est construite à
Gedser, au Danemark en introduisant le contrôle de la puissance par décrochage qui est un
concept utilisé sur plusieurs turbines par la suite. En Allemagne, Ulrich Hutter est le premier,
en 1959, à construire des pales en composite indiqué sur la figure 2e. Ce dernier a aussi
développé la théorie sur les éoliennes. L’éolienne Putnam-Smidth de la figure 2f, développée
5
aux Etats-Unis par Palmer Cosslet et la compagnie S. Morgan Smidth, est, lors de sa
construction en 1941, la plus grande éolienne jamais construite. Son rotor d’un diamètre de
53.3m est resté inégalé pendant plusieurs années. Cette turbine à deux pales introduit
notamment le système de contrôle de la puissance par variation de l’angle de calage tel que
l’on utilise sur les grandes éoliens actuelles.
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
Figure 2: Eoliennes servant à la production d’électricité [9] : (a) éolienne de Charles F.
Brush. (b) ; éolienne de Marcellus et Joseph Jacobs ; (c) éolienne de Poul La Cour ; (d)
éolienne de Johannes Juul ; (e) éolienne de Hutter ; (f) Eolienne de Putnam-Smidth
I-2) Choix du site d’implantation de l’éolienne
Avant toute réalisation, on est indispensable de faire une étude préliminaire du site
d’implantation de l’éolienne. Notre travail doit se consacrer sur l’étude de conditions
dominantes de la circulation du vent à l’échelle du globe et l’influence des reliefs et des
topologies sur la circulation du vent.
I-2-1) Directions dominantes de la circulation du vent à l’échelle du globe [8]
Les conditions des vents définies par la norme se distinguent en deux types : les
conditions normales et les conditions extrêmes. Les conditions extrêmes comprennent le
profil de vent normal et un modèle de turbulence normal. Les turbulences comprennent, quant
6
à elles, des situations de rafales, de changement de direction, de cisaillement extrêmes et de
vitesse extrême du vent.
I-2-1-1) Origine des vents [8]
L’atmosphère, composée d’oxygène, d’azote et d’eau, est caractérisée par sa pression,
sa température et son humidité, des paramètres qui varient avec l’altitude à cause de la
rotondité de la terre. Le rayonnement solaire est absorbé de façon très différente aux deux
pôles et à l’équateur où l’énergie absorbée est très supérieure des deux pôles. Ces variations
de température provoquent différentes densités de masse d’air, entrainant ainsi son
déplacement d’une latitude à une autre. Le déplacement de ces masses d’air s’effectue des
zones de haute pression vers des zones de basse pression. Leurs déplacements sont
considérablement influencés par la force de Coriolis qui s’exerce perpendiculairement à la
direction du mouvement, vers la droite, dans l’hémisphère Nord et vers la gauche dans
l’hémisphère Sud.
Le vent est ainsi caractérisé par deux (02) variables par rapport au temps : sa vitesse et
sa direction.
I-2-1-2) Force de Coriolis [8]
A cause de la rotation de la Terre, tout mouvement dans l’hémisphère Nord semble se
dévier vers la droite, si nous l’observons depuis la Terre, dans l’hémisphère Sud, vers la
gauche. On appelle cette force de déviation la force de Coriolis (d’après Gustave Gaspard
Coriolis 1792-1843). La force de Coriolis est un phénomène visible, par exemple, les rails
s’usent plus rapidement d’un côté que de l’autre. Dans l’hémisphère Nord, les vents tendent à
souffler dans le sens inverse des aiguilles d’une montre lorsqu’ils approchent une zone de
basse pression. Dans l’hémisphère Sud, en revanche, ils tendent à souffler dans le sens des
aiguilles d’une montre autour d’une dépression.
7
Figure 3: Force de Coriolis.
I-2-1-3) Directions dominantes du vent
Dans le monde, il existe plusieurs types de vents. Parmi ces types, il y a les vents
globaux tels que l’air s’élève à l’équateur s’étendant vers le Nord et le Sud dans la haute
atmosphère. La force de Coriolis joue un rôle très important qui est celui d’empêcher les
courants d’air d’aller plus loin dans les deux hémisphères Nord et Sud. On trouve aussi des
vents de surface qui se situent jusqu'à environ 100m de hauteur. L’influence de la surface du
sol sur les vents est importante. En matière d’énergie éolienne, ce sont les vents de surface et
leur capacité énergétique qui présentent le plus grand intérêt. Quant aux vents de montagne,
ils donnent naissance à beaucoup de phénomènes climatologiques intéressants. La brise de
vallée en est un exemple. Elle se produit sur les versants exposés au Sud dans l’hémisphère
Nord, les réchauffements des versants et de l’air avoisinant font tomber la densité de l’air. En
conséquence, l’air commence à s’élever vers le sommet de la montagne produisant ce que l’on
appelle une brise montante. La nuit le phénomène s’inverse et une brise descendante se
produit.
Force de Coriolis
Hémisphère Sud
Hémisphère
Nord
Terre
Ligne d’équateur
8
I-2-2) Influence des reliefs et des topologies sur la circulation du vent
Les critères de choix d’une implantation éolienne dépendent de la taille, de sa
puissance et de son nombre d’unités. Ils nécessitent la présence d’un vent régulier et diverses
conditions telles que la présence d’un réseau électrique pour recueillir le courant, le terrain
approprié l’absence de zones d’exclusion dont le périmètre de monuments historiques, les
sites classés, etc.
L’efficacité d’une éolienne dépend notamment de son emplacement. En effet, la
puissance fournie augmente avec le cube de la vitesse du vent, raison pour laquelle les sites
sont d’abord choisis en fonction de la vitesse et de la fréquence des vents présents. Un site
avec des vents d’environ 30km/h de moyenne est d’environ 8 fois plus productif qu’un autre
site avec des vents de 15km/h de moyenne. Une éolienne fonctionne d’autant mieux que les
vents sont réguliers et fréquents. Certains sites bien spécifiques disposent du vent de vitesse
croissante et sont alors plus propices (convenables) à une installation éolienne.
I-2-2-1) Effet tunnel
Entre les grands bâtiments ou dans un col étroit, le phénomène d’effet tunnel peut être
observé. Le vent se trouve comprimé sur le côté exposé au vent du bâtiment ou de la
montagne, ce qui fait accélérer considérablement sa vitesse entre les obstacles. Cela implique
que, bien la vitesse normale dans un terrain dégagé soit 6 m/s, par exemple, elle atteint
facilement 9m/s dans un couloir naturel. L’installation d’une éolienne dans un tel tunnel est
ainsi une façon intelligente pour obtenir une vitesse de vent supérieure à celle de la zone
ambiante. Cependant, afin d’obtenir un effet tunnel utilisable, le tunnel doit être enclavé de
pentes douces. Si les collines entourant le tunnel sont très rugueuses et accidentées, il peut y
avoir beaucoup de turbulences dans le vent, ainsi le vent change de vitesse et de direction sans
cesse et très rapidement. La figure 4 montre le mode d’implantation dans un tunnel, [8].
9
Figure 4: Montage dans un tunnel [8].
I-2-2-2) Effet de colline
Juste avant d’arriver au sommet d’une montagne, le vent est accéléré et comprimé, et
lorsqu’il arrive à l’autre côté, il devient lent et faible. En règle générale, on cherche à installer
les éoliens sur une colline ou une chaine de hauteurs qui sont plus élevées que le paysage
environnant. Surtout, il faut de préférence avoir une vue aussi dégagée que possible dans la
direction des vents dominants. Si l’on rencontre souvent des vitesses de vent accélérées sur les
collines, c’est à cause de la différence de pression existant à l’avant et à l’arrière de celles-ci.
Ainsi, le vent se trouve comprimé par la colline à la face exposée au vent, pour s’étendre
ensuite, une fois passé le sommet, vers la zone de basse pression de côté sous le vent de la
colline. Comme on le voit sur la figure 5, le vent commence à dévier bien avant qu’il n’arrive
à la colline. Ce phénomène est dû à l’étendue assez considérable de la zone de haute pression
se trouvant à l’avant de la colline. Tout comme c’était le cas pour l’effet de tunnel, une colline
accidentée ou à pentes raides peut provoquer de fortes turbulences ce qui risque d’annuler
l’avantage que l’on compte normalement gagner par une accélération de la vitesse, [8].
Figure 5: Effet de colline sur la direction du vent, [8].
Vent
10
I-2-2-3) Turbulence
Par définition la turbulence résulte des irrégularités de la vitesse et de la direction du
vent. En effet, en règle générale, les éoliennes sont utilisables quand la vitesse du vent a une
valeur comprise entre 10 et 20km/h, sans toutefois atteindre des valeurs excessives qui
conduisent à la destruction de l’éolienne ou à la nécessité de la débrayer (pâles en drapeau)
pour en limiter l’usure. La vitesse du vent doit alors être comprise le plus souvent entre ces
deux valeurs pour un fonctionnement optimal de l’éolienne. De même, l’axe de rotation de
l’éolienne doit rester la majeure partie du temps parallèle à la direction du vent. Même avec
un système d’orientation de nacelle performant, il est préférable d’avoir une direction de vent
la plus stable possible pour obtenir un rendement optimal (alizé par exemple). Certains sites
proches des grands obstacles sont ainsi à éviter car le vent y est trop turbulent.
Madagascar a une potentialité de vent importante entre 2 à 7m/s pour toutes les 22
régions. Ceci est dans la zone exploitable d’où la nécessité de nos travaux de mémoire. Notre
but est d’exploiter l’énergie du vent à Madagascar autant que possible. La figure 6 montre les
vitesses des vents dans notre pays, [5].
La figure 6 montre la carte de la vitesse moyenne du vent à Madagascar, [5].
11
Figure 6: Carte de la vitesse moyenne du vent à Madagascar, [5].
12
I-2-2-4) Conditions pour les sites d’implantation [8]
Bien que le vent soit l’élément principal pour l’implantation des éoliennes dans un site
donné, cette condition n’est pas suffisante pour satisfaire cette dernière, d’autres conditions
comme les suivantes doivent être prises en compte :
La nature du sol : le sol doit être suffisamment résistant pour supporter les
fondations de l’éolienne. Ce critère n’est pas déterminant car dans le cas d’un
sol meuble, des pieux sont alors enfoncés sous les fondations de l’éolienne.
L’accessibilité du site : le site doit permettre le transport des gros éléments de
l’éolienne (pales, tour, nacelle) et des grues nécessaires au montage.
La connexion au réseau électrique : pour cela, les petites fermes d’éolienne
sont le plus souvent situées à proximité d’un poste de transformation haute
tension afin de diminuer le coût de raccordement qui est directement fonction
de la distance à ce poste. Pour les grosses fermes d’éoliennes, le réseau doit
être en mesure de supporter l’énergie produite et son renforcement est parfois
nécessaire (renforcement ou création de poste de transformation).
13
Chapitre II : PROTOTYPE EOLIEN DU CENTRE NATIONAL DE
RECHERCHES INDUSTRIELLES ET TECHNOLOGIQUES ET NOTRE
PROTOTYPE EOLIEN
II-1) Prototype du Centre National de Recherches Industrielles et Technologiques
Pour renforcer notre base de données, une descente sur terrain a été faite au sein
Centre National de Recherches Industrielles et Technologiques (CNRIT) à Tsimbazaza
Antananarivo. Nos travaux consistent en la contribution de la marche efficace d’un mini
éolien implanté au site de Bevalala. Aussi, une brève description de cet éolien s’avère
nécessaire pour atteindre notre objectif.
II-1-1) Centre National de Recherches Industrielles et Technologiques
Le Centre National de Recherches Industrielles et Technologiques (CNRIT) est
implanté au 38, rue Rasamimanana, Fiadanana Tsimbazaza 101 Antananarive depuis 1987. Il
s’agit d’un établissement public à caractère scientifique, technique et économique. Le CNRIT
a été créé sous le décret n°87-288 du 28 juillet 1987 et réorganisé par le décret n° 92-469 du
22 avril 1992 et placé sous la tutelle technique du Ministère de l’Enseignement Supérieur et
de la Recherche Scientifique (MESupRES) et sous la tutelle financière du Ministère de
l’Economie, des Finances (MEF). Ce dernier assure son financement.
II-1-2) Organigramme du Centre National de Recherches Industrielles et
Technologiques
Le CNRIT se répartit en quatre (4) Départements : Département Chimie, Département
Energétique, Département Matériaux et Génie Civil, Département Métallurgie et Génie
Géologie, Département Informatique et Electronique Appliquée. Par conséquent, pour bien
fonctionner ce Centre, une bonne organisation doit être adoptée pour tous les Membres de ses
personnels. La figure 1 montre l’organigramme au sein du Centre de recherche.
14
Figure 7: Organigramme du CNRIT
II-1-3) Missions du Centre National de Recherches Industrielles et
Technologiques
Comme tous les autres Centres de recherche qui sont déjà implantés sur notre pays et
grâce à l’organigramme appliqué au sein du CNRIT. Ce dernier assure plusieurs missions très
spécifiques à travers ses activités :
Recherche et innovation ;
Participation à l’élaboration et à la conduite de la politique nationale de la
recherche pour le développement industriel et technologique ;
Contribution à la valorisation des résultats de recherche au transfert et à
l’innovation ;
Contribution à la diffusion des informations scientifiques et technologiques en
coopération avec le Centre d’Information et de Documentation Scientifique et
Technique (CIDST) ;
Valorisation des matières premières et des ressources locales ;
Encadrement, appui et assistance des opérateurs de développement ;
Renforcement des capacités et des compétences régionales pour la maitrise des
technologies propres.
CONSEIL D’ADMINISTRATION
CONSEIL SCIENTIFIQUE
D’ORIENTATION
DIRECTION
CONTROLEUR DE GESTION
DOCUMENTATION
DEPARTEMENT
ADMINISTRATIF ET FINANCIER
DEPARTEM
ENT
CHIMIE
DEPARTEMENT
ENERGETIQUE
DEPARTEMENT
MATERIAUX ET
GENIE CIVIL
DEPARTEMENT
METALLURGIE ET
GEOLOGIE
DEPARTEMENT
INFORMATIQUE ET
ELECTRONIQUE
APPLIQUEE
15
Pour bien assurer ces différentes missions, les quatre (4) Départements du CNRIT ont
des différents ateliers destinés à l’utilisation de l’encadrement des stagiaires et des chercheurs
au sein de CNRIT. Notre stage a été fait au sein du Département Energétique pour
l’amélioration de fonctionnement de l’éolien installé à Bevalala. Ainsi, des actes de sa
maintenance ont été effectués.
II-1-4) Mini-éolien de Bevalala
Le mini-éolien de Bevalala était mis en marche vers l’année 2015. Ce mini-éolien est à
tripales, à axe horizontal et à mat tubulaire haubané de hauteur d’environ 6m comme la figure
8 indique. Avec une vitesse nominale de vent, la puissance maximale produite par l’éolienne
vaut 150W. Comme tous les appareils, quelques éléments étaient détériorés, d’où
l’importance de leur maintenance régulière pour la remise en état du bon fonctionnement de
l’éolien.
Figure 8: Eolien domestique à Bevalala
II-1-5) Maintenance de l’éolien
Pour mieux assurer la maintenance de l’éolien, selon notre méthode de travail, trois
étapes ont été obligatoirement suivies :
Première étape : révision de tous les éléments extérieurs : avant tous les
travaux, il est obligatoire d’abaisser la nacelle sur le sol. Les appareils
fonctionnels sont assemblés à l’aide des boulons, pour faciliter les travaux de
16
maintenance. Pour terminer cette première étape, il faut vérifier s’il y a des
parties à remplacer sur les parties extérieures.
Deuxième étape : révision de tous les éléments intérieurs : lavage des
roulements à l’aide du white sprint pour bien enlever les salissures et même les
poussières qui bloquent leur bon fonctionnement. Et puis il faut remplacer
d’abord ceux qui sont en état détérioré puis il faut vérifier les éléments
électroniques comme les ponts diodes, les régulateurs de tension s’ils sont
encore en état de bon fonctionnement ou en mauvais état. Enfin, il faut
désaccoupler les rotor et stator du générateur et les souffler à l’aide des airs à
haute pression.
Troisième et dernière étape : remise de chaque élément à sa place initiale.
Après tous ces travaux de maintenance et lorsque tous les éléments
fonctionnels sont remis à leur place, il faut refermer la carcasse, bien serrer les
écrous, faire le lavage extérieur de l’éolienne, vérifier le câblage avant d’élever
la nacelle.
Pour terminer les travaux de maintenance, la vérification de la puissance produite par
l’éolienne est indispensable. Pour tous ces travaux de maintenance, les connaissances acquises
pendant notre formation étaient à la base de notre réflexion qui conduit à la réalisation d’un
mini-éolien domestique en tant que projet personnel.
II-2) Organisation des études théoriques pour notre prototype éolien
Pour bien réaliser les études théoriques de notre prototype, une méthodologie a été
adoptée afin d’atteindre nos objectifs de projet de mémoire. Différentes étapes ont été
poursuivies pour la réalisation effective de ce projet et le tableau 1 montre
l’organigramme de nos travaux correspondants.
17
Tableau 1: Organigramme de nos travaux de projet de mémoire.
II-3) Localisation du site d’implantation
Les énergies vertes sont disponibles pour les zones hors connexion du réseau
JIRAMA. Notre projet est implanté à la campagne d’Ambohitrambo, Commune rurale
Ramainandro, District Faratsiho. Cet endroit se trouve à une distance d’environ de 15km vers
le Nord-Est du village Dango. Ce dernier est traversé par la route nationale RN43 (Analavory-
Soavinandriana-Faratsiho). La figure 9 montre la photographie de notre site d’implantation.
Par l’action, chercher l’information et garder des traces
Expérimenter
Expérience
pour ressentir
Expérience
action
Expérience à
suivre
Expérience à
concevoir
Observer
Observer
pour
comprendre
Observer
pour
comparer
Observer
pour classer
Modéliser
Utiliser un
modèle
Créer un
modèle du
réel
Rechercher dans
les documents
Consulter des
schémas, des
dessins et des
tableaux
Lire des écrits
divers
Consulter
une
personne
ressource
Construire des réponses par une prise de recul sur l’action
Mettre en commun- conclure provisionnement- revenir au problème de départ
Structurer, confronter au savoir établi et conclure
Communiquer Agir Transférer
Sensibiliser- mobilisé
Poser le problème et proposer des méthodes de résolution
Chercher l’information et construire des réponses
Traces et sy
nth
èses interm
édiaires
18
Figure 9: Photographie de notre site d’implantation d’Ambohitrambo
III-3-1) Atouts du site de l’éolienne
Le village d’Ambohitrambo se trouve sur un haut plateau, ce qui doit être un facteur
favorable pour l’installation d’une éolienne. En plus, c’est une zone hors connexion de la
Société JIro sy RAno MAlagasy (JIRAMA). Par conséquent la plupart des gens qui vivent
dans cet endroit utilisent encore les bougies ou les pétroles comme sources d’éclairage. Ces
sources d’éclairage coûtent très chères surtout en saison des pluies, d’où il est possible d’y
installer une l’éolienne.
Selon les données météorologiques sur la figure 6 donnant la carte de la vitesse
annuelle et moyenne du vent dans toutes les régions de Madagascar, ce site a annuellement
une vitesse moyenne autour de 2m/s à une hauteur 1.5m au-dessus du sol. Cette vitesse doit
être capable d’entrainer le rotor de l’éolienne.
III-3-2) Problèmes du site de l’éolienne
Comme le montre la figure 9, la chaine montagneuse au Nord-Est perturbe la direction
du vent en pouvant entrainer un écoulement turbulent. Pour surmonter cet obstacle, l’éolienne
demande un mat important d’environ 12m au-dessus du sol.
De plus, de par la mentalité non éduquée de quelques habitants qui vivent dans village,
quand ils voient une nouvelle technologie, ils cherchent à la détruire. Ainsi, la surveillance
permanente de l’éolienne s’avère nécessaire.
19
III-3) Impacts de l’éolienne sur l’environnement [4]
L’endroit où est implantée l’éolienne doit être aménagé. Par conséquent, sa présence
ne doit ni tuer la faune locale et ni détruire la flore présente. Il est judicieux de modifier le
paysage visuel et de changer la direction du vol d’oiseau. Effectivement, les pales en rotation
ne sont pas visibles par les oiseaux. Par ailleurs, de tels phénomènes fréquents peuvent avoir
de conséquences nuisibles sur le bon fonctionnement de l’installation éolienne.
Le champ magnétique créé à l’intérieur du générateur modifie le réseau électronique.
En plus, le système d’engrenage entraine des sons pouvant gêner l’environnement dont
l’homme.
Mais l’avantage non négligeable de l’éolienne consiste en son non rejet de gaz à effet
de serre. L’usage de cette énergie verte entraine une baisse de production annuelle de gaz
CO2. Aussi, l’énergie éolienne est propre écologiquement et rentable économiques.
20
Chapitre III : REALISATION, RESULTATS ET DISCUSSIONS
III-1) Générateur
Un aérogénérateur est constitué par plusieurs éléments qui fonctionnent en même
temps afin de fournir une énergie électrique convenable à l’utilisateur. Les buts dans ce
chapitre sont de dimensionner et réaliser les pales d’un générateur synchrone qui a une
puissance d’environ 2kW. Puis on les accouple à un multiplicateur de vitesse et quelques
éléments électroniques. Notre projet n’entre pas dans la réalisation des parties électroniques
mais afin de produire une énergie suffisante, les parties électroniques sont achetées sur les
marchés. Le principe de fonctionnement d’un éolien est présenté par la figure 10, [8]
Figure 10: Organes fonctionnels d’une éolienne, [8]
Pour mieux dimensionner les organes fonctionnels de l’éolienne, notre étude a
commencé par le générateur vers le rotor.
Le générateur est une machine électrique synchrone triphasée qui convertit l’énergie
mécanique venant de l’arbre secondaire en énergie électrique. On a deux types de machine
électrique : machines électriques synchrones et celles asynchrones. Toutes ces deux machines
peuvent être utilisées comme générateurs électriques. Or notre projet utilise une machine
synchrone qui a un rotor à aimant permanant. Cette machine n’a pas besoin d’excitatrice
extérieur au cours de son démarrage à la production d’énergie électrique. Et cette machine
21
produit une charge électrique même si on n’atteint pas la vitesse de synchronisation, d’où le
choix de ce générateur. La figure 11 montre le schéma d’une machine électrique synchrone.
Figure 11: Schéma de la machine électrique synchrone.
III-2) Plaque signalétique du générateur
La plaque signalétique est fixée sur la carcasse de la machine et elle donne toutes les
caractéristiques du générateur. Sur notre machine, on voit sur cette plaque 200 à 240V, 10A et
3000rpm (voir la figure 12).
Figure 12: Plaque signalétique de la machine
Carcasse
Axe de rotor
Rotor
22
Selon, ces données signalétiques, la machine fournit une tension nominale de 220V et
un courant de 10A quand le tour du générateur est de 3000rpm. Toutes machines électriques
asynchrones ou synchrones doivent être caractérisées par un facteur de puissance . Or
notre machine est utilisée comme générateur électrique. Par conséquent, ce dernier prend le
modèle inductif . Si la machine est très résistive mais si
, la machine est très capacitive. Alors, la puissance électrique générée par notre générateur
est donnée par la formule suivante :
(1)
Soit :
=
III-3) Dimensionnement et réalisation des pales de l’éolienne
Les pales forment le cœur de l’éolienne car ils captent l’énergie cinétique du vent et
les transforment en énergie mécanique de rotation. Par conséquent, cela nécessite des
dimensionnements stricts de toutes les composantes de l’éolienne.
III-3-1) Dimensionnement des pales
Pour déterminer la longueur des pales, il faut tenir compte de la puissance générée par
le générateur et la vitesse du vent du site d’implantation.
III-3-1-1) Evaluation de la puissance de l’éolienne
La vitesse moyenne du vent en une année, donnée par le service météorologique
Ampandrianomby d’Antananarivo à une hauteur de 1.5m est donnée par le tableau 2.
Tableau 2: Vitesse moyenne et annuel du vent à Madagascar en km/h.
Janvier février Mars Avril Mai Juin Juillet Aout Septembre Octobre Novembre Décembre
Moyenne 11 10 10 10 9 9 10 11 11 12 10 9 Direction E E E E SE/E SE/E SE/E SE/E E E E E Maximum 94 115 84 65 65 61 72 76 76 79 180 122
Source : Service météorologique d’Ampandrianomby Antananarivo du 13 octobre 2018, [5]
Selon le tableau 2, la vitesse moyenne en une année est 10.16km/h soit 2.82m/s à une
hauteur de 1.5m au-dessus du sol. Alors la vitesse du vent à une hauteur 12m du sol est
donnée par la formule, [12] :
23
(
)
(2)
L’indice du milieu α varie selon la nature du milieu comme le montre le tableau 3.
Tableau 3: Valeurs du coefficient de gradient vertical de la vitesse du vent en fonction de la
topographie, [12].
L’indice du milieu α de notre site d’installation est comme celui d’une banlieue, alors
[ ] Soit :
(
)
(3)
La puissance du vent au sein du site d’installation de l’éolienne peut se calculer en
utilisant la formule suivante, [7], [9] :
(4)
24
(5)
(5)
En combinant ces trois dernières équations la puissance du vent, il vient [9], [11],
[12] :
(6)
Avec
masse volumique de l’air.
La puissance du vent exprimée par la formule (4) n’est pas récupérable totalement par
la machine.
III-3-1-2) Diamètre du rotor
La puissance du vent récupérée par la machine est donnée par la formule (7) suivante,
[11], [12] :
(7)
;
.
Notre projet porte sur une éolienne tripale à axe horizontal car, c’est la seule éolienne
qui récupère la plus grande puissance de vent. Son coefficient de performance est déduit en
fonction de la vitesse spécifique de l’éolienne.
La figure 13 donne les courbes des coefficients de puissance pour différents types
d’éolienne, [2], [6], [7], [12].
25
Figure 13: Courbes du coefficient de puissance selon le type du rotor, [2], [6], [7], [12]
Les éoliennes actuelles s’opèrent à des vitesses de rotation variables (jusqu’à une
certaine vitesse de vent) de manière à maintenir une vitesse spécifique constante. La vitesse
spécifique est le rapport entre la vitesse circonférentielle du bout des pales et la vitesse du
vent, [6], [11].
(8)
D’après les courbes caractéristiques de Cp(λ), pour les
éoliennes tripales.
En combinant les équations (1), (6) et (7), nous en déduisons le diamètre du rotor de
notre éolienne, [6], [9], [11], [12].
(9)
26
√
(10)
Soit :
√
III-3-2) Réalisation des pales
Les pales d’un mini-éolien sont réalisables avec des fibres de carbone, de feuille
d’aluminium et des bois. Mais l’équilibre pour le poids, la rigidité et le coût de la réalisation
sont les paramètres à respecter lors de la réalisation des pales. L’utilisation des bois sapin peut
répondre à ces multitudes critères.
Pour que les pales soient capables de capter l’énergie cinétique du vent, selon le profil
NACA631A412, les pales présentent deux faces et deux bords tels que la face plane s’appelle
intrados et celle convexe, extrados. Le bord plus aiguillé s’appelle bord de fuite et celui le
plus rond s’appelle bord d’attaque. La figure 14 présente la forme aérodynamique des pales,
[8].
Figure 14: Eléments caractéristiques d'une pale, [8]
o
Extrado
Axe de référence
β
Sens de rotation Intrados
Bord de fuite
Direction du vent
Bord d’attaque
Angle de calage
27
Du fait des rotations de la pale, le « tronçon » situé à une distance r du moyeu est
soumis à la fois au vent incident de vitesse et au vent relatif de vitesse dirigée dans le
sens contraire de la rotation de sillage. Ces différentes directions des vents sur un tronçon sont
présentées sur la figure 15.
Figure 15: Direction du vent sur un tronçon de pale [8]
La vitesse du vent apparent s’écrit ainsi :
(11)
Alors l’angle d’attaque ϴ avec le plan de rotation s’exprime par la formule, [9] :
(
) (12)
(13)
En combinant les équations (12) et (13), nous allons en déduire l’angle d’attaque en
fonction des variables r rayon et la vitesse de rotation du sillage.
ϴ
β
Axe de référence
𝑈 𝑟 𝑡𝑢𝑟𝑏
ψ
𝑉𝑣𝑒𝑛𝑡
Angle d’incidence
Sens de rotation
28
(
)
(14)
L’angle d’incidence ψ se calcule comme suit, [8] , [9] :
(
) (15)
Où λr est la vitesse spécifique locale de l’élément de pale et est égale à
La répartition de
l’angle de calage nécessaire pour obtenir ces angles d’incidence se calcule comme suit, [9] :
(16)
La largeur des pales est calculée comme suit, [8] :
√
(17)
Et la distribution de l’angle de gauchissement est donnée par la formule suivante, [9] :
(18)
Ou est l’angle de calage nominal (angle de calage de l’élément au bout de la pale)
qui permet de définir l’orientation de la pale par rapport au plan de rotation du rotor.
Après tous les calculs, les paramètres d’une pale sont résumés dans le tableau 5.
Tableau 4: Caractéristiques de l’hélice.
stations 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
r [m] 0.175 0.425 0.675 0.925 1.175 1.425 1.675 1.925 2.175 2.425 2.675 3.000
ϴ [°] 65.0 41.5 29.0 22.0 17.7 14.74 12.6 11.0 9.8 8.8 8.0 7.12
Ψ [°] 44.0 29.0 20.5 14.5 10.5 10.45 8.95 7.8 6.95 6.24 5.7 5.06
β [°] 21.0 12.5 8.5 7.5 7.2 4.3 3.65 3.2 2.85 2.5 2.3 2.06
φ [°] 14.0 12.4 7.85 7.4 5.56 3.75 3.20 3.00 2.80 2.5 2.5 2.5
l[mm] 250 200 185 170 155 140 125 100 90 85 80 80
p 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
29
Nous allons préparer les pales au sein de l’atelier DIOCESE ANTANANARIVO qui
se trouve à AMBOHIPO AMPAHATEZA. La figure 15 montre quelques travaux qu’on a fait
lors de cette réalisation.
Figure 16: Préparation de l’hélice
III-4) Dimensionnement et réalisation du multiplicateur de vitesse
Le multiplicateur adapte la vitesse lente de la turbine transmise sur l’arbre primaire à
la vitesse rapide dite vitesse de synchronisation de la génératrice transmise par l’arbre
secondaire. Néanmoins, le multiplicateur présente des inconvénients comme la nécessité
d’une maintenance, un taux de panne élevé, des pertes énergétiques supplémentaires, un bruit
acoustique parfois gênant, un encombrement important
Afin d’arriver au dimensionnement du multiplicateur, il est indispensable de
déterminer la vitesse angulaire de l’aéromoteur en fonction de la vitesse du vent modélisée
par la relation mathématique suivante, [ ] :
(19)
30
(20)
La vitesse de synchronisation de la génératrice est donnée par la relation, [11]
(21)
Avec :
;
En combinant ces deux équations), nous arrivons à l’équation suivante :
(22)
Où :
Soit :
Finalement, nous allons trouver que :
Pour la réalisation, il est possible d’utiliser le système d’engrenage ou le système
« courroie ». Le système d’engrenage présente un taux de panne important et de graissage
modéré autour d’une année. Le système « courroie » présente moins de panne mais nécessite
une nacelle volumineuse.
III-5) Dimensionnement et réalisation de gouvernail
Le gouvernail est très spécifique pour les mini-éoliens, il joue les rôles de guidage de
la turbine face au vent et d’équilibrage du poids de la nacelle. Alors la surface de l’empennage
est dimensionnée en fonction de la surface balayée du rotor et de la distance de l’empennage à
l’axe de l’orientation (voir figure 17). En outre, les éoliens de grande envergure utilisent les
systèmes d’orientation électronique.
31
Figure 17: Distance rotor et centre de l’empennage [3]
La surface de l’empennage augmente avec la distance entre le rotor et l’axe de rotation
mais diminue avec la distance entre cet axe et le centre de l’empennage selon la relation
mathématique, [3] :
(23)
Dans notre projet, nous avons E=35cm et L=120cm, alors la surface de l’empennage
est de :
Notre gouvernail est réalisé à partir d’une tôle d’acier et d’un tube carré.
III-6) Convertisseur AC-DC
Les énergies vertes comme le solaire et l’éolienne ont besoin d’accumulateur de
charge (batterie). La batterie demande de l’énergie électrique de type DC (tension continue).
Or l’énergie électrique produit par l’éolienne était de type AC (tension alternative). Ainsi, on
a besoin d’un convertisseur de type AC-DC, ce dernier redresse la tension alternative en
tension continue accumulée dans la batterie. Notre générateur éolien est une machine
électrique triphasée, par conséquent le convertisseur AC-DC est constitué d’au moins trois
ponts diodes redresseurs dont le principe de fonctionnement est donné sur la figure 18.
Avec :
Se : Surface de l’empennage
E : Distance entre axe d’orientation et plan de
rotation de l’hélice
L : Distance entre axe d’orientation et centre de
l’empennage
S : Surface balayée par le rotor
32
Figure 18: Convertisseur AC-DC.
Notre redresseur est un produit commercial, qui est plus spécifique pour les éoliennes
car ce pont de diodes transforme la tension 220VAC à une tension DC qui est déjà compatible
pour le chargeur de la batterie 12VDC. Pour surmonter notre souci, nous faisons un test sur le
secteur JIRAMA. La figure 19 montre notre teste.
Figure 19: Test du pont diode redresseur.
III-7) Dimensionnement et réalisation du mat de l’éolienne
Le mât supporte la nacelle à une hauteur de site ayant une vitesse importante de vent
mais presque calme. Le mat tubulaire, en traille et encastré dans des bétons armés est utilisé
pour les éoliennes actuelles. Le coût de réalisation de ce type des mats est important. Notre
éolien utilise le mat tubulaire (un tube galvanisé). Tous les dimensionnements sont faits à une
33
hauteur 12m au-dessus du sol. Mais pour minimiser le coût de la réalisation, nous avons
utilisé un mat tubulaire 6m de hauteur. Par conséquent, la puissance qu’on a calculée n’est pas
la bonne. Pour avoir un équilibre statique de l’éolien, on doit fixer les trois côtés du tube par
des câbles. Notre mat est fondé à 1m au-dessus du sol à l’aide du béton armé. Le mat
proprement dit est articulé sur la fondation à l’aide de quatre boulons de 25. Cette articulation
facilite la mise en drapeau de la nacelle.
Le système est soumis à la force poids de la nacelle, à la force axiale , à la tension
de support et à la réaction du sol . Pour déterminer la force du support et la réaction ,
on procède à la projection suivant les deux axes (Ax, Ay) comme on l’indique sur la figure
20.
Figure 20: Mat de l'éolienne, [3].
Leurs condition d’équilibre sont telles que :
Le moment des forces par rapport au point A est tel que : ou
(
)
ou
Alors :
(
)
Et on obtient :
(
) (
)
(
)
(24)
34
D’où, la réaction au sol est telle que :
| (
) (
)
(
)
(25)
Et la tension résultante de support s’écrit :
(26)
Pour calculer la force de poussée axiale, nous appliquons la théorie de la quantité de
mouvement unidimensionnelle sans rotation du sillage. Le volume de contrôle utilisé est
montré sur la figure 21, [9].
Figure 21: Veine de courant d'air, [9].
La perte de pression de l’air à travers le rotor résulte de la force de poussée F
appliquée par l’air sur ce dernier. La conservation de la quantité de mouvement linéaire dans
la veine d’air permet de l’exprimer, [9] :
(27)
En appliquant la loi de conservation de la masse dans le volume de contrôle et le
théorème de Bernoulli entre les sections 1et 2 ainsi qu’entre les sections 3 et 4, nous obtenons
enfin l’expression de la force de poussée axiale, [9] :
V1
P1
V2
P2
F
V3 ; P3
V4
P4
35
(28)
En faisant l’application numérique, nous obtenons les inconnues regroupées dans le
tableau 5.
Tableau 5: Valeurs des autres inconnues de l’éolienne.
[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]
0 0
III-8) Réalisation de la nacelle
Pour la réalisation de la nacelle, on tient compte de l’équilibrage et de la minimisation
du coût de réalisation. Notre nacelle comporte un multiplicateur à vitesse, un redresseur à
diodes et une génératrice. Notre idée de réalisation est basée comme l’indique la figure 22.
Figure 22: Forme générale de la nacelle, [3]
Tous les éléments de la nacelle sont réalisés par des fers, le moyeu et la carcasse
extérieure, par des tôles. La photographie du produit fini est montrée sur la figure 23.
Figure 23: Eléments de la nacelle.
Moyeu de l’hélice
Arbre primaire
Multiplicateur de vitesse
Arbre secondaire
Machine synchrone
36
III-9) Résultats et discussions
III-9-1) Résultats
Après avoir installé notre éolienne, il est nécessaire de connaître la puissance générée
par ce système en fonction de la vitesse du vent. Pour obtenir des mesures simultanées de la
tension électrique, du courant de charge et de la vitesse du vent, nous avons utilisé les
appareils de mesure suivants : un anémomètre numérique de marque « testo 410-2 », un
voltmètre et un ampèremètre, [3].
L’anémomètre numérique « testo 410-2 » est un appareil combiné de débitmètre, de
l’hydromètre et de thermomètre. Il est généralement prévu pour mesurer la vitesse de l’air au
niveau des bouches d’aération.
Tableau 6: Caractéristiques techniques des appareils, [3].
Fonctions Capteur Plages de mesure Fréquence de mesure
Débitmètre Hélice plastique à 0,5s
Hydromètre Capteur d’humidité testo à
Thermomètre Capteur de température
CTN à
Notre expérimentation a été faite à Bevalala en date du 24 Novembre 2019 avec un
mat 6m de hauteur (voir figure 24). Deux multimètres numériques ont été utilisés, l’un pour
servir de voltmètre et l’autre, d’ampèremètre. Les mesures prises sont près du régulateur, ainsi
elles sont déjà de type continu (DC).
Figure 24: Photo d’une prise des mesures.
37
Le tableau 7 rapporte les moyennes des mesures des tensions et des intensités en
fonction des vitesses du vent.
Tableau 8: Moyenne des mesures des tensions et des intensités en fonction des vitesses du
vent.
Intervalle des vitesses
du vent
Tension électrique
produite (en V)
Intensité de charge
électrique (en A)
Puissance
électrique (en W)
[0 ;1[ 5.12 0.00 0.00
[1 ;2[ 12.24 2.26 496.32
[2 ;3[ 13.33 3.16 694.32
[3 ;4[ 15 .16 4.26 938.3
Selon les valeurs indiquées dans le tableau 8, la variation de la puissance électrique
produite par notre éolienne en fonction de la variation de la vitesse de vent est donnée par la
figure 25.
Figure 25: Courbe de la variation de la puissance en fonction de la vitesse du vent.
38
III-9-2) Discussions
La courbe de variation de la puissance d’une éolienne en fonction la vitesse du vent se
divise en quatre parties indiquées sur la figure 26, [2], [11].
Figure 26: Courbe de fonctionnement d'une éolienne, [2], [7], [11].
La charge électrique augmente au démarrage jusqu’à une vitesse de vent nominale.
Dans la zone II, la charge électrique est encore suffisante mais elle n’est pas capable de
charger la batterie d’accumulateur. La charge électrique est stable dans la zone III c’est-à-dire
si le vent atteint la vitesse nominale, l’angle de calage varie en fonction de la vitesse de vent.
Alors la puissance produite par l’éolienne est stable d’où l’existence de la zone III de la
courbe. Si le vent atteint la vitesse maximale, l’éolien doit se freiner tout de suite, d’où la
chute brutale de la puissance électrique dans la zone IV jusqu’à une valeur de charge
minimale.
Selon nos travaux de mémoire, pendant l’essai pratique, la vitesse de vent varie entre
1m/s à 4m/s et nous obtenons uniquement la courbe de puissance ne présentant que la zone I
et la zone II.
Zone I de vitesse de vent entre [0 ; 2 [m/s : cette vitesse est encore suffisante
mais qui n’est pas capable d’entrainer le rotor. Alors l’éolienne reste encore en
position drapeau par conséquent aucune charge électrique produite.
39
Zone II de vitesse de vent entre [2; 4[m/s on obtient une courbe de puissance
croissante. Selon la courbe, la zone II se divise en deux parties :
Partie I : Vitesse de vent entre [2,3[m/s, cette vitesse de vent est capable
d’entrainer le rotor de l’éolien, alors ce dernier produit une charge
électrique faible qui n’est pas capable de charger la batterie
d’accumulateur 12V.
Partie II : Vitesse de vent entre [3,4[m/s, la courbe de puissance présente
un point de flexion. Ce dernier montre que l’éolien commence à charger
la batterie car le taux d’accroissement de charge électrique baisse. Par
conséquent, la charge électrique produite par l’éolien est suffisante et
puis capable de charger la batterie 12V. Selon le phénomène physico-
chimique, la charge électrique passe du conducteur plus résistant vers
celui qui est moins résistant. Alors pour que l’éolienne soit plus résistante
que celui de la batterie 12V, il est indispensable de produire une tension
supérieure de 12V.
Lors de l’essai pratique, la puissance électrique n’est pas encore complète, cette
insuffisance d’énergie est due à la faible hauteur du mat de l’éolienne.
III-9-3) Coût de la réalisation
Les tableaux 9, 10 et 11 résument respectivement le coût de la réalisation avec ceux
des éléments fonctionnels, celui de la réalisation du mat de l’éolienne et celui du génie civil
40
Tableau 9: Coût de la réalisation des éléments fonctionnels.
Désignations Caractéristiques Matières premières Mode
d’obtention
Coût en
Ariary
Hélice à trois pales - 6m de diamètre
- profil
- Bois Sapin
- Tôle d’acier
15/10èmm
- Boulons à bois de
12mm/80mm
Construction 80.000
Multiplicateur de vitesse à
engrenage
Rapport de
multiplication : K=9
- 2 engrenages de
même série
- 4 roulements
- 1 tôle d’acier
Produit
commercial
85.000
Alternateur à machine
synchrone
Vitesse de
synchronisation
30000rpm, tension
nominal 200-240VAC
et ampérage
maximale 10A
Produit
commercial
(bonne
occasion)
150.000
Support de la génératrice
et du multiplicateur
- Tube rond
- Tube rectangle
- Tôle noire
Construction 30.000
Empennage Safran articulé - Tube carrée d'acier de
35mm/3m
- Tôle d'acier galvanisé
Construction 30.000
Pivot de giration Souple et résistant - Tube d'acier rond
- 2 roulements
Construction 35.000
Charbons 4 pièces Produit
commercial
25.000
Collecteur Contact glissant - Tube en cuivre
- Plaque de bonite
Construction 20.000
Pont diode redresseur et
refroidisseur
Pont diode triphasé
combiné avec un
régulateur de tension
- Produit
commercial
50000
Electricité Energie produite par
la JI.RA.MA
Produit
commercial
35.000
Total en Ariary 540.000
Tableau 10: Coût de la réalisation du mat de l’éolienne.
Désignations Caractéristiques Matières
premières Mode d’obtention
Coût en
Ariary
Tube galvanisé - Longueur 6m
- 75mm de diamètre
Produit commercial 240000
Câble - 3 câbles de 6.5m Produit commercial 175500
3 Boulons de 20 15cm de long Produit commercial 1500
Total en Ariary 417000
41
Tableau 11: Coût de génie civil.
Désignations Caractéristiques Matière première Mode d’obtention Coût en
Ariary
Béton semelle - Sable :
- Ciments : 0,5 sac
- Gravillon :
Produit commercial
12000
13500
16000 Pilier de fondation
Béton de périphérie
Transport Par charrette - 30000
Main d’œuvre 10000
Totale en Ariary 81500
Au total, le coût de la réalisation de l’éolien s’élève à 1 038 500Ar.
42
CONCLUSION
Le problème de l’environnement et celui de l’énergie restent les problèmes majeurs à
résoudre dans notre époque. Alors, l’utilisation des sources d’énergie renouvelables à savoir
le vent est l’une des solutions adéquates à cette situation. Par contre, le prix des éoliennes
commerciales semble trop cher vis-à-vis du pouvoir d’achat de chaque ménage surtout en
milieu rural. En outre, la construction d’une éolienne, une solution efficace, demande divers
domaines de compétences spécifiques.
Le présent mémoire consiste à réaliser un aérogénérateur de 2 000W en utilisant une
bonne occasion d’un alternateur synchrone. Pour minimiser le coût de la réalisation, il est
indispensable d’utiliser des produits locaux. Pour ce faire, des études préliminaires du site
d’installation, des dimensionnements, des calculs et le choix des éléments utilisés sont
obligatoires.
Nous aboutissons ensuite à la réalisation d’une hélice en bois sapin de 6m de diamètre
et de profil NACA631A412 pour convertir l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique
de rotation. Dans notre étude, la vitesse de synchronisation du générateur demande un
système de multiplicateur de vitesse de rapport de transmission, il en a environ neuf (9). Ce
dernier entraine des nuisances sonores de l’environnement et prévoit la nécessité de
maintenance d’environ cinq (5) ans.
L’énergie produite par cette éolienne est de type alternatif, en même temps les
énergies produites par les sources renouvelables ont besoin d’être stockées dans une batterie.
Pourtant, l’utilisation de système de conversion AC-DC de tension alternative en tension
continue est obligatoire. Notre système de conversion est un produit commercial de pont
diode redresseur qui est déjà implanté à l’intérieur du régulateur de tension.
Lors de l’expérimentation de la réalisation, la vitesse de démarrage de notre éolien est
d’environ 2m/s et en cas d’une ventilation normale, la tension produite par le générateur est
satisfaisante mais le courant électrique d’environ 4.5A est encore faible. Ceci est à cause de la
faible hauteur de la nacelle. Alors, ce présent travail aide les consommateurs à résoudre en
même temps certains problèmes liés à l’environnement et à la production de l’énergie.
Madagascar a un potentiel de vent important ainsi le marché éolien est encore plus vaste. Par
conséquent, les gens qui vivent hors de la zone connectée de la JIRAMA ont une possibilité
d’utiliser les énergies éoliennes mains le coût est encore très cher. Il serait judicieux de
chercher mes moyens rendant ce coût abordable en cherchant à réduire les composantes de
l’éolienne.
43
REFERENCES
[1] ADEME Edition juin 2013 (Agence de l’Environnement et de la Maitrise de
l’Energie) PRODUIRE DE L’ELECTRICITE AVEC LE VENT, 17 pages
[2] Jacky BRESSON Professeur-Université de Perpignan via Domitia MOOC
ENERGIES renouvelables, 13 pages
[3] RAKOTONIRAINY Hajanirina le février 2017 ETUDE COMPARATIVE D’UN
AEROGENERATEUR MUNI D’UN ALTERNATEUR DE VEHICULE AVEC UN
MULTIPLICATEUR DE VITESSE ET UN AEROGENERATEUR A ALTERNATEUR
MULTIPOLAIRES A AIMANTS PERMANENTS, 72 pages
[4] SYNDICAT DES ENERGIES RENOUVELABLES www. Acteurs-enr.fr-
www.ser-evenements.com
[5] SERVICE DE LA METEOROLOGIE AMPNDRIANOMBY ANTANANARIVO
[6] Placide JAOHINDY 20 Aout 2012 MODELISATION DES SYSTEMES
EOLIENS VERTICAUX INTEGRES AUX BATIMENTS : MODELISATION DU
COUPLE PRODUCTION/BATIMENT, 215 pages
[7] Abdenour ABDELLI le 15 octobre 2007, OPTIMISATION MULTICRITERE
D’UNE CHAINE EOLIENNE PASSIVE, 211 pages
[8] Hamza Soumia CONCEPTION PAR LA CAO DES PARTIES FIXES D’UNE
EOLIENNE ET LES SOLUTIONS TECHNOLOGIQUES DE LIAISONS DE
L’INSTALLATION, 82 pages
[9] Louis-Charles FORCIER le 1èr septembre 2010 CONCEPTION D’UNE PALE
D’EOMIENNE DE GRANDE ENVERGURE A L’AIDE DE TECHNIQUES
D’OPTIMISATION STRUCTURALE, 181 pages
[10] Jacky RUSTE PETIT GUIDE PRATIQUE DE L’ENERGIE EOLIENNE
[11] Khelfat Lotfi Maataoui Lakhdar juin 2017 ETUDE ET SIMULATION D’UNE
EOLIENNE A BASE D’UNE MACHINE ASYNCHRONNE DOUBLEMENT
ALIMENTEE, 105 pages
[12] Sylvain DELENCLOS 2016-2017 L’ENERGIE EOLIENNE, 103 pages
[13] Synthèse du travail des élèves de 4ème
collège du Chinchon Année 2013 LES
EOLIENNES
44
[14]https://www.energi.com/search?ei=cEXAW67mKKvTgAb_2bHoAQ&q=bibliograhpie+d
%27une+%C3%A9olienne+pdf&oq=bibliograhpie+d%27une+%C3%A9olienne+pdf&gs_l=p
sy-ab.3..33i22i29i30k1l2.3767.9088.0.11702.4.4.0.0.0.0.360.974.3-3.3.0....0...1c..64.psy-
ab..1.2.662....0.NODeGhyHDXU
[15] https://tel.archives-ouvertes.fr/file/index/docid/840511/filename/these_AC_finale.pdf
[16]https://www.researchgate.net/publication/261381837_Etude_de_faisabilite_d%27une_fer
me_eolienne
45
ANNEXES
Annexe A : Limite de Betz
Pour déterminer, le coefficient de performance maximale, Mr Betz a utilisé le tube de
courant comme on indique sur la figure 26 suivant. [11]
Figure 27: Tube de courant autour d’une éolienne [11]
On représente par V1 la vitesse en amont de l’aérogénérateur et V2 la vitesse en aval.
Le rendement aérodynamique fonctionnant à l’aide de la portance et de la trainée
aérodynamique peut être calculé avec la théorie de Froude Mertens. Cette théorie consiste à
utiliser les équations de conservation de la quantité de mouvement pour calculer les
performances d’un rotor, considéré comme un disque uniformément chargé et ayant un
nombre infinie de pales. Le disque actif est défini comme une surface de discontinuité ou des
forces de surface agissent sur l’écoulement. L’air qui passe à travers le disque reçoit de
l’énergie sous forme de pression. L’étude d’un volume de contrôle avec la méthode de Froude
doit respecter les hypothèses suivantes :
- La rotation de l’écoulement est négligée,
- Le fluide est incompressible,
- L’écoulement à l’extérieure de la veine traversant le disque est perturbé,
- La pression à l’infini en amont et en aval du disque est égale à la pression
statique de l’écoulement.
𝑃 𝑃
46
La force de poussée du disque T est donnée par la relation suivante :
En tenant compte de l’équation de la conservation de la masse, on a :
En substituant l’équation (2) dans (1), on obtient l’expression de force de poussée du
disque :
L’expression de la force de poussée qui s’exerce sur les deux faces du disque est
donnée par la relation (4) suivante :
Le facteur d’induction axial a été introduit dans cette théorie pour désigner la
décélération de l’air au passage du rotor
En égalisant l’équation (3) avec l’équation (5) et en tenant compte de V, on a :
En appliquant le théorème de Bernoulli en amont et en aval du disque, on a :
47
D’où
En combinant les équations (5), (6) et (9) on a
En comparant les équations (5) et (6), on constate que la vitesse induit dans le plan du
rotor est égale à la moitié de la vitesse induit à l’infini aval.
D’après les équations (6) et (11), on peut tirer l’expression de la force de poussée qui
s’applique sur le disque actif à l’aide de la relation suivante :
Le coefficient de puissance est le rapport entre la puissance transmise et la
puissance du vent traversant la surface du disque S.
La théorie sur la puissance maximale récupérable à l’aide d’un capteur éolien est
attribuée à l’allemand Albert Betz, en 1920.
Cette dérivation correspond à un
La théorie de Betz impose que la puissance maximale qu’on peut extraire d’un capteur
éolien est de 16/27. Ce rapport est appelé limite de Betz.
48
ANNEXE B : QUELQUES VECTEURS ENERGETIQUES ET CEUX QUI SONT
POSSIBLES DE LANCER A MADAGASCAR
Les énergies renouvelables et celui des énergies fossiles sont les deux vecteurs
énergétiques du monde entier. La figure 27 en bas montre ces deux types de vecteurs
énergétiques.
Figure 28: Différents sources d’énergie qui ont déjà exploité sur le monde
Madagascar a été déjà exploité ces différent sources d’énergie électrique, mais à faible
quantité pour les énergies renouvelables. Pourtant la majeure partie des sources d’énergie sur
notre pays laisse trop de gaz toxique pour notre environnement. L’exploitation des sources
renouvelables est encore minime. Le but de notre travail de recherche était d’attirer l’attention
des gens de laisser en partie les énergies fossiles et de lancer l’exploitation des sources dit
propres afin de résoudre en même temps le problème de l’environnement et de l’énergie.
Notre pays a une potentialité important pour les trois sources d’énergies renouvelables
représenté sur la figure 28. Les énergies des vents étaient déjà parler tout au long de notre
travail de recherche. Maintenant, je parle en particulier pour les énergies solaires et les
énergies hydrauliques.
49
Selon le contexte de l’ORE en 2009, Madagascar a nombreux des chutes hydrauliques,
malgré jusqu’à maintenant, l’exploitation de ces sources énergétiques est encore aux environs
de 25% des chutes existant. Ces présents sites demande aux ingénieurs de faire un travail de
recherche afin d’exploiter les énergies renouvelable le maximum plus possible.
Pour l’énergie solaire, Madagascar a une potentialité important car le temps
d’ensoleillement pendant la saison d’été est au environ de 4h/j et entre 8 à 10h/j pour les trois
autres saisons (hiver, automne et printemps). L’exploitation de cette source d’énergie était
plus ou moins lancée à Madagascar. Mais le problème était le mode d’installation du panneau
solaire car les gens installent ce dernier dans ce qui est besoin. Pourtant, j’insiste pour les
lecteurs quelques normes à respectés pour l’installation du panneau solaire. Pour le cas de
Madagascar, si on fixe le capteur solaire sur le toit ou sur un endroit où ont eu, le capteur soit
orienté vers le Nord-Ouest avec un angle d’inclinaison entre 25 à 30°. Mais si possible, on
utilise le suiveur solaire afin d’avoir un rendement important.
L’exploitation ces trois sources d’énergie renouvelable est possible de lancer à
Madagascar mais en exigence des normes d’installation.
Titre : ETUDE, CONCEPTION, DIMENSIONNEMENT ET REALISATION D’UN
MINI-EOLIEN A ALTERNATEUR SYNCHRONE.
RESUME
La demande en énergie et le problème de l’environnement constituent notre motivation majeure de
réaliser un système de production d’électricité utilisant des sources d’énergie renouvelables dont le
vent. Notre projet de mémoire de fin d’étude est destiné à réaliser une mini-éolienne de 2 000W afin
de satisfaire les besoins d’énergie électrique d’un ménage rural sis au fokontany Ambohitrambo,
Commune Ramainandro et se trouvant dans le district de Faratsiho. Pour ce faire, des recherches
documentaires et une descente sur terrain sont entreprises avant toute réalisation. Avec les données
ainsi récoltées, les dimensionnements des différentes composantes de l’installation éolienne sont
effectuées. La génératrice de notre aérogénérateur est une machine électrique synchrone de bonne
occasion. Les parties fonctionnelles sont réalisées à partir des produits locaux, comme les aéromoteurs
de 3m de rayon fabriqués à partir du bois sapin. Le prix de mât nous coûte très cher et nous avons
utilisé un mât de hauteur 5m au lieu de 10m. Avec cette installation, lors de l’expérimentaton,
l’intensité du courant produit est de 4,5A au lieu de 10A.
Mots clés : énergie renouvelable, mini-éolienne, dimensionnement, génératrice, aérogénérateur,
synchrone.
Title: STUDY, DESIGN, SIZING AND REALIZATION OF A SYNCHRONOUS ALTERNATOR MINI-
WIND TURBINE.
ABSTRACT
The demand for energy and the problem of the environment are our main motivation to realize an electricity
production system using renewable energy sources including wind. Our final thesis project is intended to build a
2000W mini-wind turbine to meet the electrical energy needs of a rural household located in the fokontany
Ambohitrambo, Commune Ramainandro and located in the district of Faratsiho. To do this, documentary
research and a field trip are undertaken before any realization. With the data thus collected, the sizing of the
various components of the wind turbine installation is carried out. The generator of our wind turbine is a good
used synchronous electric machine. The functional parts are made from local products, such as the 3m radius
aeromotors made from fir wood. The mast price is very expensive for us and we used a 5m high mast instead of
10m. With this installation, during the experiment, the intensity of the current produced is 4.5A instead of 10A.
Keywords: renewable energy, mini-wind turbine, dimensioning, generator, wind generator, synchronous.
Rapporteurs
- Monsieur RANDRIANIRAINY Huchard Paul
Maître de Conférences CNRIT
- Monsieur MANDIMBY Junior Zoé Jean Tiganà
Docteur
Impétrant RANDRIANARISOA Jean Romule
Tél: 0326620157/0347163903
E-mail : [email protected]
