TP télégestion éolienne

Présentation du TP « (télé)gestion d’une éolienne »
Cette séquence d’apprentissage est destinée à découvrir et appréhender un savoir nouveau.
Principes à découvrir :
• Quantification de la puissance du vent.
• Conversion de l’énergie cinétique du vent en énergie électrique.
• Contrôle et exploitation de la puissance fournie par l’éolienne.
• Relation caractéristique d’une Machine à Courant Continu.
Thèmes abordés, par ordre d’importance.
Axe
Thématique
Contenu associé
CI.7 : Comportement dynamique et énergétique du système.
Architecture, puissance et
Transformation de différente formes d’énergie, leur
E4
rendement d’une chaîne
énergétique.
dégradation et les paramètres permettant d’améliorer le
rendement.
CI.8 : Pilotage, contrôle et comportement d’un système pluritechnique.
Modulation de l’énergie (liaison avec Modifications des paramètres permettant d’améliorer le
E6
la chaîne d’information).
rendement.
Modification des caractéristiques électriques de la puissance
de sortie.
CI.3 : Motorisation, conversion d’énergie.
Structure et fonctionnement d’un
Relation tension de sortie/vitesse de rotation en mode
E1
moteur courant continu à vitesse
variable.
génératrice.
Mise en évidence de la réversibilité du moteur à courant
continu.
Objectif terminal
Modifier les paramètres permettant d’améliorer le rendement d’un système de production
d’énergie.
Prérequis.
Notion de puissance et d’énergie mécanique.
Notion de puissance électrique en courant continu.
Connaissance sommaire des machines à courant continu.
Objectifs opérationnels.
Mettre en pratique les notions théoriques en modifiant les différents paramètres de l’éolienne.
Transférer les observations d’une éolienne modèle réduit à une éolienne de taille réelle.
Conditions de réalisation :
Temps : 3 heures.
Situation : Travail en binômes ou individuel
Travail demandé : Voir sujet du TP.
(Télé)gestion d’une éolienne
Introduction.
A l’issue de cette séquence d’apprentissage, l’élève devra connaître les paramètres permettant d’exploiter
correctement une éolienne. L’accent sera mis sur la puissance électrique restituée en fonction de la puissance
du vent absorbée et des paramètres tels que l’orientation des pâles, la tension de sortie voulue et la charge de
la génératrice (à vide, charge résistive ou batterie 12V).
Elle est destinée plus particulièrement au première S option SI.
1) Etude théorique et ordres de grandeurs.
11) Energie cinétique du vent fournie à une éolienne.
Wc = ½ m υ2
Wc : énergie en Joule
υ : vitesse du vent en m/s.
m : masse d’air traversant la surface balayé par
les pales de l’éolienne (en kg).
12) Puissance théoriquement disponible au niveau de l’éolienne.
Masse d’air traversant la surface balayé par les pales en 1 seconde :
Vitesse du vent
m
= ρ V = ρS
ρ : masse volumique de l’air (1,225kg/m3).
V : volume du cylindre en m3.
S
d
2
S : surface balayée par les pales (π d / 4) en m².
: longueur parcourue par le vent en une seconde en m.
υ : vitesse du vent en m/s ; υ = /t
On peut donc écrire :
Wc = ½ ρ S υ2
Pvent = ½ ρ S υ3
Pvent = Wc/t = ½ ρ S υ2 /t
Avec Pvent : puissance du vent fournie à l’éolienne.
Malheureusement cette énergie ne peut être captée car la vitesse du vent en aval du dispositif de récupération n’est
jamais nulle. La théorie de Betz montre que le maximum d’énergie pratiquement récupérable est égal à 16/27 de
l’énergie totale (60%).
Pvent = 16/27 . ½ ρ S υ3
Pvent : puissance du vent fournie à l’éolienne en W
υ : vitesse du vent en m/s.
S : surface balayée par les pales (π d2 / 4) en m².
Pvent = 0,363 S υ3
13) Conséquences :
a) La puissance du vent P est proportionnelle à la surface balayée par les pales et donc proportionnelle au
carré de la longueur des pales (S = π d2 / 4).
Si on double la longueur des pales, on multiplie par 4 la puissance du vent fournie à l’éolienne.
b) La puissance de vent P est proportionnelle au cube de la vitesse du vent.
Si on double la vitesse du vent, on multiplie par 8 la puissance du vent fournie à l’éolienne.
14) Ordres de grandeurs.
Appliquons les formules précédentes à une éolienne moderne de puissance nominale de 1000kW (1MW).
Elle possède des pales de 27m de long.
L’axe du rotor est entre 50m et 80m de hauteur.
La puissance donnée est la puissance nominale fournie par l’alternateur et est donnée pour un
vent de 15m/s environ.
a) Calculer la masse d’air traversant la surface des pales en 1s pour un vent de 1m/s.
b) Calculer la puissance du vent absorbée par l’éolienne pour 15m/s de vent.
c) Calculer le rendement de l’éolienne pour un vent de 15m/s. (La puissance fournie par
l’éolienne dans ces conditions est Pu = 1MW).
L’éolienne de notre banc d’essai possède un diamètre de rotor de 58,2cm. Calculer la puissance fournie à
l’éolienne pour des vitesses de vents de :
Vitesse vent
(vvent en km/h)
Vitesse vent
(vvent en m/s)
Puissance vent
théorique
(Pvent en W)
5
10
20
30
40
50
15) Conclusions.
la puissance fournie par le vent est extrêmement variable puisqu’elle est proportionnelle au cube
de sa vitesse.
la puissance du vent sera 1000 fois plus grande pour un vent de 150km/h que pour un vent de
15km/h.
Pour exploiter au mieux l’énergie du vent, il faut une mécanique « bien huilée » lorsque le vent
est faible et une mécanique très solide pour résister aux rafales exceptionnelles.
Les éoliennes fonctionnent en générale pour des vitesses de vent comprises entre 15km/h et
90km/h. Au delà on arrête l’éolienne pour éviter toute destruction.
Les performances d’une éolienne seront jugées vis à vis de la quantité d’énergie fournie sur une
longue période en situation et en fonction d’une utilisation définie.
2) Expérimentation.
21) Sensibilisation à angle d’attaque des pales.
Afin d’obtenir une meilleur efficacité de l’éolienne, les pales sont orientables.
On propose de montrer influence de l’angle de ces pales et de définir quels sont les paramètres à
prendre en compte pour le régler.
Procédure à suivre :
Ce qu’il faut faire
Vitesse vent
Ce qui se passe
Vitesse
rotation
génératrice
Positionner la charge de la génératrice sur résistance et régler sa valeur sur infini.
Régler l’angle des pales à
5°
Augmenter la vitesse du
vent jusqu’à 25km/h
Régler l’angle des pales à
24,1°
Régler l’angle des pales à
5°
Régler l’angle des pales à
24.1°
0km/h
L’éolienne ne tourne pas
0
tr/s
25km/h
tr/s
25km/h
tr/s
25km/h
tr/s
25km/h
tr/s
Conclusion :
L’angle optimal des pales dépend de la vitesse du vent et de leur vitesse de rotation.
Dire à quelle configuration correspond chaque figure.
Justifier alors ce qui se passe.
Pas de déplacement
de la pale
Vitesse du vent
Pas de déplacement de
la pale
Vitesse du vent
Vent dû au déplacement
de la pale
Vent résultant des 2
composantes
Vitesse du vent
22) Relation entre vitesse de rotation et tension de sortie de la génératrice.
Rappel sur les Machines à Courant Continu (MCC):
E : force électromotrice = tension à vide (en V)
Ω : vitesse de rotation angulaire en radian/seconde (rd/s)
φ : flux magnétique créer par l’inducteur en Wéber (Wb)
il est constant pour cette machine à aimant permanent.
C : couple mécanique sur l’arbre moteur (en N.m)
I : courant dans l’induit (en A).
k : coefficient commun aux 2 formules et caractéristique de la
machine.
Modèle équivalent à l’induit de la MCC:
: résistance de bobinage de l’induit.
La relation E = k.φ.Ω s’établit lorsque la génératrice ne débite pas de courant (à vide) pour ne pas
prendre en compte les chutes de tension dans l’induit.
Régler l’angle des pales à 10°.
Supprimer la charge de la génératrice (résistance de charge infini).
Modifier la vitesse du vent de manière à renseigner le tableau suivant :
Vitesse
rotation géné
(vrot en tour/s)
Tension à vide
génératrice
(E en V)
Coefficient
k.φ=E/Ω
0
X
10
20
30
40
a) En déduire le coefficient k.φ caractéristique de la génératrice.
b) On se place maintenant dans le cas où la génératrice débite un courant de 2A. calculer
le couple résistant imposé par la génératrice à l’éolienne. (Ne pas faire l’essai).
23) Régulation de la tension de sortie de la génératrice.
On souhaite obtenir en sortie de la génératrice une tension standard Ugéné = 12V quelque soit le vent.
Pour cela on peut agir sur l’angle des pales, mais on exploitera mal l’éolienne.
Par contre ou peut faire varier le courant débité par la génératrice, on augmente ainsi sa charge, ce
qui la ralentira ; plus la génératrice fournit de la puissance, plus elle offre un couple résistant à sa
rotation.
Régler l’angle des pales à 10°.
Positionner la charge de la génératrice sur résistance et régler sa valeur pour obtenir 12V en
sortie.
Vitesse vent
(vvent en km/h)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Vitesse
rotation géné
(vrot en tour/s)
Tension
génératrice
(U en V)
Courant
génératrice
(I en A)
Puissance utile
(PU en W)
On se rend compte que l’on peut réguler la tension de sortie de la génératrice en modifiant sa charge.
Par contre cette variation se faisant manuellement, ce n’est pas exploitable : il faudrait une charge
variable.
a) On a vu dans la préparation que l’éolienne devait être stopper pour des vents de
vitesse supérieures à 90km/h. Proposer 2 solutions pour arrêter l’éolienne sans frein
mécanique.
23) Couplage de la génératrice sur une batterie.
Dans ce cas la batterie sert de charge variable. Sa résistance série interne étant très faible, elle peut
absorber une puissance importante tout en maintenant une tension à ses bornes égale environ à 12V.
Essayons d’obtenir les meilleurs performances de l’éolienne dans ces conditions. Pour cela on règle
l’angle des pales pour obtenir la puissance maximale en sortie (faire des essais entre 4° et 10°).
Positionner la charge de la génératrice sur batterie.
Vitesse vent
(vvent en km/h)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
49
Puissance vent
théorique
(Pvent en W)
0
0,4
3,5
11,8
27,9
54,6
94,3
150
223
318
410
Angle des
pales ( θ en °)
Vitesse
rotation géné
(vrot en tour/s)
Tension
génératrice
(U en V)
Courant
génératrice
(I en A)
Puissance utile
(PU en W)
Rendement de
l’éolienne
(η sans unité)
a) Dire pourquoi pour des vitesses de vent trop faibles le courant est négatif.
b) Surligner les cases du tableau où la batterie entraîne l’éolienne.
On remarque que si le vent n’est pas suffisant, c’est la batterie qui entraîne l’éolienne. Dans ce cas
on dépense inutilement de l’énergie.
c) Proposer un schéma de câblage évitant cette dépense d’énergie inutile (l’éolienne sera
alors à l’arrêt).