Etude d`une chaîne de conversion d`énergie éolienne

Etude d’une chaîne de conversion d’énergie
éolienne à base d’une aéroturbine
A.Mehdary
Domaine Universitaire de Saint-Jérôme Avenue Escadrille Normandie-Niemen
13397 MARSEILLE CEDEX 20
Adil. Mehdary @lsis.org
RÉSUMÉ .
Dans ce papier, nous présenterons les premiers travaux concernant la caractérisation d’une
éolienne à axe horizontal. Dans une première partie, nous décrirons les caractéristiques
géométriques de l’éolienne, une seconde partie concernera la modélisation de la voilure et
une troisième partie traite de la modélisation de la partie électrotechnique, ainsi qu’une
stratégie de commande qui sera décrite.
ABSTRACT .
In this paper, we will present the first work concerning the characterization of a wind turbine
with an horizontal axis. In a first part, the geometrical characteristics of the wind turbine,is
described.In the second part is related to the modeling of the aerofoil part and a third part
treats modeling of the electrotechnical part, as well as a strategy of control..
MOTS-CLÉS : éolienne, machine asynchrone a double alimentation, modélisation,
caractérisation
KEYWORDS : wind turbine, double fed induction machine, characterization, modeling

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1. Introduction
L’énergie éolienne est connue et exploitée depuis longtemps, elle fut l’une des
premières sources exploitées par l’homme après l’énergie du bois, elle fut utilisée
pour la propulsions des navires et pour les moulins de blé entre autres. Elle fut
cependant négligée pendant le XXème siècle au profit des énergies fossiles
exception faite de l’hydroélectricité. Dans les années 70 après le choc pétrolier et les
premières alertes dues au réchauffement de la planète, un nouvel intérêt est porté à
l’énergie éolienne, aussi le développement de nouvelles technologies rend la
conversion de cette énergie de plus en plus rentable et économiquement compétitive,
dans l’échelle mondiale, l’énergie éolienne maintient une croissance de 30% par an
pendant la dernière décennie.
Le travail présenté dans ce papier s’inscrit dans le cadre de la modélisation d’une
chaîne éolienne utilisant une aéroturbine (Figure 2) de forme bien particulière. Ce
travail traitera de la conversion électromécanique, en connectant à l’éolienne une
machine asynchrone a double alimentation, on détaillera dans la suite de notre papier
les raisons et les avantages du choix de ce type de générateurs. La figure 1 illustre
sous forme de schéma blocs les différentes parties du système étudié.
Figure 1 : Schéma des différentes parties du système étudié

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2. Présentation de l’éolienne
Dans ce travail l’étude portera sur l’aéroturbine (éolienne urbaine à axe
horizontal). Cette dernière se caractérise par deux pales symétriques de formes
coniques et qui se différencie des éoliennes classiques du fait que ses pales sont
montées en position horizontal par rapport a l’axe de rotation, le tout installé sur un
support orientable selon la direction du vent.
La particularité de cette éolienne c’est que contrairement aux éoliennes
classiques qui travaillent en surface l’aéroturbine travaille en volume. Ceci permet à
la puissance d’être multipliée par huit si on double les dimensions du modèle de
base. Pour une éolienne classique la puissance ne serait multipliée que par quatre, il
est clair que le rendement est meilleur avec les aeroturbines.[5].
Figure 2 : Aéroturbine : éolienne urbaine a axe horizontal
L’aéroturbine présente plusieurs avantage dont :
- Réduction des nuisances sonores
- Réduction du coût de production
- Facilité d’installation et de maintenance
- Démarrage par vent faible
Un banc d’essai a été conçu au LSIS (figure 3) afin de réaliser des mesures sur
l’éolienne il est formé des éléments suivants :
- Un anémomètre tripode manuel.
- Une soufflerie composée d’un moteur triphasé équipé de pales.
- Un couple-mètre permettant de faire la mesure couple.
- Un tachymètre pour la mesure des vitesses de rotation.
- Le frein a poudre qui est utilisé comme charge.
- Instruments de mesures.

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Figure 3 : Banc expérimental
3. Etude théorique d’une éolienne
Le vent naît sous l'effet des différences de températures et de pression. Le
grand responsable de ce phénomène est le soleil. Il chauffe les mers et les continents
mais pas au même rythme. Une fois réchauffés, ces derniers chauffent à leur tour les
masses d'air qui les surplombent. L'air augmente de volume lorsqu'il est chauffé, ce
qui crée un déplacement des particules de l’air et c’est en capturant leur énergie
cinétique que les éoliennes se mettent à fonctionner.
A partir de l’énergie cinétique des particules de la masse d’air en mouvement passant
par la section de la surface active S de la voilure, la puissance de la masse d’air qui
traverse la surface équivalente à la surface active [2][3] de l’éolienne est donnée par
:
(1)
La puissance aérodynamique est
(2)
Ou est le coefficient de puissance, ρ la densité de l’air et v la vitesse du vent.
3 .1 .Loi de Betz
La loi de Betz stipule que cette puissance ne pourra jamais être extraite
dans sa totalité, le maximum qu’on peut recueillir par une éolienne est 59% soit
(3)

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Soit le coefficient de puissance ne peut pas dépasser 0,59 il dépend du
nombre de pales du rotor et de leurs formes géométriques et aérodynamiques.
On considérera pour un premier modèle que le coefficient de puissance
p
C
est
écrit sous forme d’un polynôme de troisième degré, cette expression est celle de
l’éolienne savonius (dont la géométrie est la plus proche de notre éolienne)
(4)
Pour décrire la vitesse de fonctionnement d’une éolienne une grandeur
spécifique est utilisée : la vitesse réduite , qui est un rapport de la vitesse linéaire
en bout de pales de la turbine et de la vitesse de vent
(5)
3.2.Modélisation de la voilure :
Comme cité dans la formule (6) la puissance éolienne s’écrit [2] [7] [3] :
(6)
En négligeant l’inertie de la voilure et le frottement des paliers le couple
mécanique est égal au couple éolien :
(7)
et en introduisant la vitesse réduite et remplaçant la surface par sa valeur on trouve :
(8)
En prenant en compte l’inertie et les frottements de paliers la voilure [1]
peut être présentée comme dans la figure 4.