module des sciences appliquées

MODULE DES SCIENCES APPLIQUÉES
LA CONCEPTION D’UNE ÉOLIENNE DE 7.5 KW
PROJET D’ÉTUDES EN INGÉNIERIE DANS LE CADRE DU PROGRAMME DE
BACCALAURÉAT EN GÉNIE ÉLECTROMÉCANIQUE
Présenté par :
M. Yan GERMAIN
Superviseurs :
M. Marin ÉNÉ dr. ing., ing. stag. , professeur, UQAT
Représentants industriels : M. Émile GERMAIN, ing., Professeur Cégep de Sherbrooke
Hiver 2008
PFE Conception d’une éolienne
iii
Remerciements
Ce rapport est le résultat de multiples efforts déployés durant ces derniers mois pour
déterminer le coût d’investissement d’une éolienne capable de répondre au besoin énergétique
du client du Domaine de l'Érablière. Plusieurs intervenants ont été sollicités dans
l’organisation d’un rapport et nous désirons témoigner notre reconnaissance à toutes ces
personnes.
Il est important de souligner l’appui d’Émile Germain l’ingénieur du projet qui à
comblé le titre en raison de l’absence d’ingénieur dans l’entreprise. L’ingénieur du projet m’a
permis de bien comprendre la problématique des éoliennes avec sa grande expérience sur le
sujet. M. Yves Ruel, ing. M.Sc, Pl. Fin. a également grandement contribué au projet en
donnant son expertise et corrigeant l’analyse économique du projet.
Nous désirons également remercier Brian Lavigne consultant en machine d’extraction
qui a permis de prendre contact avec les fournisseurs d’éoliennes et d’onduleurs aux ÉtatsUnis. Sa contribution a permis d’avoir de l’information technique essentielle sur les produits
touchant les éoliennes. Louis Germain, technicien en machine d'extraction, mécanisation et
automatisation minière du Laboratoire des mines et des sciences minérales de CANMET de
Val-d’Or a également été d’une aide précieuse pour le développement du projet avec sa
collaboration technique et son aide administratif pour le prêt d’équipements essentiels pour le
projet.
J’aimerai également souligner l’aide que Batterie Expert a apportée au projet en
donnant des conseils sur leurs produits et le don d’outil permettant d’évaluer la consommation
énergétique.
Yan Germain
Session hiver 2008
Domaine de l'Érablière
PFE Conception d’une éolienne
iv
Résumé
L’énergie a connu de grands changements depuis les dernières années. Le coût des
combustibles augmente rapidement rendant du même fait les consommateurs électriques qui
produisent leur électricité à base de combustible très vulnérable. Le Domaine de l'Érablière de
Rémigny, et l’un de ces consommateurs d’électricité à base de combustible. Suite à
l’augmentation du prix des combustibles, le client voit ses états financiers.
Le but de ce projet final en génie électromécanique à l’Université du Québec en
Abitibi-Témiscamingue est d’améliorer le coût associé à la consommation électrique d’un
client possédant une auberge (Domaine de l'Érablière de Rémigny). Comme le client n’a pas
de réseau électrique disponible sur son site, il subvient à ces besoins énergétiques avec l’aide
de génératrice ce qui le rend sensible à l’augmentation du prix de l’énergie. Pour répondre à
sa problématique, le client désire installer une éolienne. Ce rapport explique en détail tous les
aspects de l’éolienne que devra prendre le client ainsi que l’étude de rentabilité d’un tel projet.
L’éolienne rendra les dépenses du client moins sensibles à l’augmentation du prix de
l’énergie et cela lui permettra d’améliorer son état financier et de pouvoir se développer
convenablement. Afin d’effectuer les premiers pas vers ce but, l’éolienne en question a été
déterminée avec un ensemble de composantes déjà disponible sur le marché.
Yan Germain
Session hiver 2008
Domaine de l'Érablière
PFE Conception d’une éolienne
v
Abstract
Energy has known great changes throughout the last years. The cost of fossil fuel has
risen considerably; which leaves consumers who are dependant of electricity produced by
fuels, financially vulnerable to those augmentations. Furthermore, as a result of the increase
of fossil fuels prices, the client sees his financial status weaken considerably.
The aim of this final project in Electromechanical Engineering at University of
Quebec in Abitibi-Temiscamigue is to improve the cost linked to the consummation of
electricity for the client who owns a hostel (Domaine de l'Érablière de Rémigny). Since this
client does not have any access to current electricity on his domain he needs to employ
generators. This problematic obviously makes the customer very exposed to important raise
of fossil fuels prices.
Nevertheless, to solve the issues, the client desires to install a windmill. This report
will explain in details all the aspects of the windmill which the client has chosen himself, and
the beneficial studies of such a project.
A windmill will shield, the client from any other important rise of fuel prices in a near
future and at the same time, it will also improve his financial status. In the long run, it will
allow the domain to develop itself fully without additional costs. In order to take the first
steps into accomplishing the main goal, the windmill in question has been determined with
the available composites already established on the marketplace.
Yan Germain
Session hiver 2008
Domaine de l'Érablière
PFE Conception d’une éolienne
vi
Table des matières
Remerciements .......................................................................................................................... iii
Résumé ...................................................................................................................................... iv
Abstract ...................................................................................................................................... v
Liste des tableaux ....................................................................................................................... 1
Liste des symboles et des abréviations ....................................................................................... 2
Liste des figures ......................................................................................................................... 3
1
L’entreprise ........................................................................................................................ 5
1.1
Problématique............................................................................................................. 6
1.2
Système électrique déjà en place ................................................................................ 7
1.3
Étude de consommation électrique ............................................................................ 8
1.4
Étude des vents ......................................................................................................... 12
1.4.1
2
3
Normes ............................................................................................................................. 14
2.1
Code électrique sur les parafoudres ......................................................................... 14
2.2
Norme SCA standard sur les structures.................................................................... 14
2.3
Norme sur le branchement de batterie...................................................................... 14
2.4
Norme sur la charge maximale des poutres ............................................................. 14
Choix de l’éolienne et des composantes électriques ........................................................ 15
3.1
Courbe caractéristique de l’éolienne utilisée ........................................................... 18
3.1.1
3.2
Conclusion ........................................................................................................ 20
Onduleur de l’éolienne ............................................................................................. 20
3.2.1
Onduleur proposé ............................................................................................. 22
3.2.2
Modification de l’éolienne de WindTurbine .................................................... 23
3.2.3
Schéma électrique des modifications de l’éolienne WindTurbine ................... 25
3.3
Réserve de batteries .................................................................................................. 27
3.3.1
4
Étude des vents ................................................................................................. 13
Exemple de calcul ............................................................................................ 28
Ancrages ........................................................................................................................... 29
4.1
Disposition des ancrages .......................................................................................... 29
4.2
Force exercée sur les câbles des haubans ................................................................. 30
Yan Germain
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vii
Mât et structure de l’éolienne ........................................................................................... 33
5
Mât de l’éolienne ...................................................................................................... 33
5.1
5.1.1
DCL de la membrure 1 ..................................................................................... 34
5.1.2
DCL de la membrure 2 ..................................................................................... 35
5.1.3
Simulation d’une levée ..................................................................................... 37
5.1.4
Étude du flambement sur le mât et bras de levier ............................................ 40
5.1.5
Exemple d’application pour le mât de diamètre de 8’’ .................................... 42
5.1.6
Calcul de la flèche maximale du mât ............................................................... 43
5.1.7
Exemple d’application pour un mât de 8 pouces de diamètre .......................... 43
5.2
6
Pivot du mât ............................................................................................................. 44
5.2.1
Facteur de sécurité au niveau du pivot ............................................................. 44
5.2.2
Différentes forces appliquées sur le pivot ........................................................ 45
5.2.3
Analyse de la membrure 1 ................................................................................ 47
5.2.4
Analyse de la membrure 2 ................................................................................ 48
5.2.5
Analyse du profilé en L .................................................................................... 49
Procédure de levage sécuritaire ........................................................................................ 50
Procédure avant la montée ....................................................................................... 50
6.2
Procédure de montée ................................................................................................ 50
6.3
Ajustement du mât ................................................................................................... 51
6.4
Recommandation pendant la levée ........................................................................... 51
7
6.1
Prix et analyse économique .............................................................................................. 54
7.1
Prix des composantes de l’éolienne ......................................................................... 55
7.2
Analyse économique du projet ................................................................................. 56
7.2.1
Mensualité de paiement du projet .................................................................... 56
7.2.2
Valeur actuelle nette du projet (VAN(ER)) ..................................................... 57
7.2.3
Vent minimal nécessaire pour respecter la VAN(ER) ..................................... 58
8
Discussion ........................................................................................................................ 60
9
Recommandation .............................................................................................................. 62
10
Notions acquise ............................................................................................................ 63
11
Bibliographie ................................................................................................................ 64
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1
Liste des tableaux
Tableau 1Appareils électriques du client ................................................................................... 7
Tableau 2 Comparaison entre différentes éoliennes de moyenne puissance ........................... 15
Tableau 3 Vent moyen requis des éoliennes ............................................................................ 20
Tableau 4 Nombre d'ampère heure d'une batterie en fonction du temps de décharge ............. 27
Tableau 5 Force résultant des différentes membrures sur le pivot ........................................... 47
Tableau 6 Prix des différentes composantes de l'éolienne proposée ........................................ 55
Yan Germain
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2
Liste des symboles et des abréviations
DCL : Diagramme des corps libres
α : alpha
AC : courant alternatif
CC : Courant continu
AH : ampère heure
Chaîne de batteries : une chaîne de batterie est composée de 8 batteries de 6 V branchés en
série
de 8Vchacune
VAN : Valeur actuelle nette
VAN(ER) : Valeur actuelle nette utilisant la méthode d’ « Equity Residual »
TRAM : Taux de rendement acceptable minimum
UREM : L’Unité de recherche en électromécanique
PFE : Projet de fin d’études en ingénierie
UQAR : Université du Québec à Rimouski
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3
Liste des figures
Figure 1 L’auberge de l’érablière ............................................................................................... 5
Figure 2 Enregistreuse Dash 8x ................................................................................................. 8
Figure 3 Sondes inductive utilisée pour l’étude de la consommation ........................................ 9
Figure 4 Consommation électrique pendant une journée ........................................................... 9
Figure 5 Montage de l’étude de la consommation du client .................................................... 11
Figure 6 Emplacement du site .................................................................................................. 12
Figure 7 Appareils utilisés pour l'étude des vents .................................................................... 13
Figure 8 Support des instruments pour l'étude des vents ......................................................... 13
Figure 9 Puissance de l'éolienne de Bergey en fonction de la vitesse du vent (10kW et
7.5kW) .............................................................................................................................. 18
Figure 10 Puissance de l'éolienne WindTurbine en fonction de la vitesse du vent (20kW) .... 19
Figure 11
Représentation simplifiée d’un réseau électrique fonctionnant avec un
accumulateur .................................................................................................................... 21
Figure 12 Entrées et sorties de l'onduleur XW-Hybrid-Inverter .............................................. 22
Figure 13 Pont de diode triphasée ........................................................................................... 23
Figure 14 Schéma électrique des modifications électriques de l'éolienne WindTurbine ......... 26
Figure 15 Ancrage de type vis.................................................................................................. 31
Figure 16 Disposition des ancrages de l'éolienne .................................................................... 32
Figure 17 Mât de l'éolienne au sol .......................................................................................... 33
Figure 18 Mât de l'éolienne simplifiée au sol ......................................................................... 34
Figure 19 DCL 1 ...................................................................................................................... 34
Figure 20 Diffèrent angle du DCL 1 ........................................................................................ 34
Figure 21 DCL 2 ...................................................................................................................... 35
Figure 22 Différents angles du DCL2 ...................................................................................... 36
Figure 23 Force au niveau du pivot pendant une levée du mât ................................................ 38
Figure 24 Tension dans les câbles pendant une levée .............................................................. 38
Figure 25 Résultante des forces des membrures sur le pivot ................................................... 39
Figure 26 Vue simplifiée du mât .............................................................................................. 40
Figure 27 Représentation simplifiée de la flèche du mât ......................................................... 43
Figure 28 Pivot du mât ............................................................................................................. 44
Figure 29 Différentes forces appliquées sur le pivot................................................................ 45
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4
Figure 30 Représentation des forces résultantes sur le pivot selon l’axe parallèle des
membrures ........................................................................................................................ 46
Figure 31 Représentation de l’éolienne debout ....................................................................... 52
Figure 32 Représentation de l'éolienne au début d'une montée ............................................... 53
Figure 33 Évolution de la VAN(ER) en fonction du pourcentage d'utilisation de l'éolienne .. 58
Figure 34 Vent moyen minimal pour que le projet soit rentable ............................................. 59
Yan Germain
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5
1 L’entreprise
Le Québec est reconnu mondialement pour être l’un des principaux producteurs de
sirop d’érable au monde. Plusieurs érablières sont dispersées à travers le Québec pour faire la
fierté et le patrimoine des Québécois. Le Domaine de l'Érablière est une auberge située en
plein cœur de la forêt témiscamienne, à 11 kilomètres au sud de Rémigny. Le Domaine de
l'Érablière est accessible en motoneige l'hiver et en automobile en toute saison. Cette auberge
offre notamment la tablée typique du temps des sucres ainsi que les activités appropriées à la
période des sucres.
Le Domaine de l'Érablière s’engage à fournir une gamme complète de produits de
qualité supérieure tout en respectant l’environnement et les procédés de transformation à
l’ancienne méthode de fabrication du sirop d’érable. Les nombreuses spécificités et bénéfices
des produits du Domaine de l'Érablière savent captiver tous les sens du consommateur.
Le Domaine de l'Érablière peut vous concevoir un programme d'activités ainsi qu'un
menu adapté à tout type de groupe. Été comme hiver, vous êtes assurés de passer de
confortables nuits dans l'une de nos neuf chambres rustiques du patrimoine québécois.
Depuis sa naissance, cette entreprise continue de prospérer et est devenue avec le temps un
symbole pour tous les Abitibiens.
Figure 1 L’auberge de l’érablière
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6
1.1 Problématique
Avec les installations actuelles de l’entreprise, l’érablière n’arrive plus à combler les
réservations de groupes toujours plus fréquents et plus nombreux notamment avec des
mariages, fête de bureau, temps des sucres, etc. Pour remédier à cette situation, l’entreprise
aimerait augmenter le nombre de chambres disponibles afin de pouvoir prospérer
normalement.
La construction de nouvelles chambres n’est pas une tâche compliquée, cependant,
l’augmentation du nombre de chambres engendre en bout de conte un accroissement de la
consommation électrique. Comme l’érablière est éloignée des centres urbains, l’entreprise ne
peut bénéficier d’Hydro Québec. Pour fournir l’électricité nécessaire, l’entreprise doit faire
fonctionner. Les génératrices fonctionnent en permanence et permettent d’alimenter
l’éclairage, les réfrigérateurs, les congélateurs et tous les appareils à l’exception des appareils
qui contribuent au chauffage de l’entreprise.
Avec l’augmentation du prix de l’essence, l’entreprise subit des diminutions de
recettes et devient hésitante à augmenter le nombre de chambres en raison des coûts
électriques associés à celle-ci. L’entreprise aimerait envisager une alternative au problème de
l’énergie en se tournant vers l’énergie éolienne pour contribuer à se rendre plus indépendante
aux variations du prix d’essence. Le client aimerait avoir une éolienne capable de lui fournir
une puissance de 15 kW.
Le problème d’énergie que subit le Domaine de l'Érablière est un problème assez
fréquent dans les régions éloignées. En effet, trouver une alternative aux génératrices à un
prix raisonnable serait un atout important pour les régions éloignées.
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1.2 Système électrique déjà en place
L’entreprise comble ses besoins d’énergie électrique avec l’aide de génératrice. Ces
génératrices fonctionnent en permanence pour assurer l’électricité électrique nécessaire aux
bâtiments. Le réseau électrique est très petit et demande une puissance qui devra être
déterminée (voir étude de la consommation). Cependant, le client a demandé un réseau
électrique plus important que la puissance consommée actuellement pour des raisons de
développement.
Avant de proposer une alternative avec l’énergie éolienne, il est important de bien
connaître le réseau électrique du client. Il existe différents appareils électriques au Domaine
de l'Érablière et pour déterminer la consommation électrique globale, il est important de
répertorier les différents appareils électriques du client.
Tableau 1Appareils électriques du client
Appareil électrique du client
Pompe à eau
Un ventilateur de fournaise
Réfrigérateur commercial
Réfrigérateur domestique (moyen) 1
Réfrigérateur domestique (petit) 2
Congélateur
Micro-ondes
Laveuse
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1.3 Étude de consommation électrique
L’étude de consommation est importante afin de pouvoir modéliser les différentes
composantes de l’éolienne. Une étude de consommation a été effectuée chez le client et a
permis de déterminer la consommation quotidienne et les périodes de pointe du client.
Pour faire l’étude de consommation, nous avons utilisé une enregistreuse de signaux
électriques (Dash 8x). L’étude de consommation a été possible avec l’aide du laboratoire
minier Canmet de Val-d’Or qui a contribué au prêt de l’enregistreuse. L’enregistreuse
permettait de lire le courant et la tension de ligne dans les deux phases électriques envoyés
par la génératrice.
En connaissant le courant et la tension dans les deux phases, il est facile de déterminer
la puissance fournie par les deux lignes selon l’équation (1.1). Pour l’étude de la puissance,
nous n’avons pas considéré le facteur de puissance (Ф = 0).
P  U1I1 cos( )  U 2 I 2 cos( )
(1.1)
Figure 2 Enregistreuse Dash 8x
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9
Figure 3 Sondes inductive utilisée pour l’étude de la consommation
Variation de la puissance en fonction de la journée
4500
4000
3500
Puissance (W)
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
Heure de la journée
Figure 4 Consommation électrique pendant une journée
Yan Germain
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22
23
24
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10
Pour faire l’étude de consommation, nous avons utilisé des sondes inductives prêtées
également par le laboratoire minier Canmet. Ces sondes inductives peuvent mesurer des
valeurs de courants de 15, 30, 150, 300 et 1500 A. Pour chacune des échelles choisies, la
sonde envoie un signal proportionnel de 0-150mV. Pour le client, les sondes ont été mises sur
une échelle de 30 A.
L’étude de la consommation a été effectuée pendant une semaine complète. Il est
important d’avoir un échantillon d’une semaine typique afin d’avoir une consommation
moyenne représentative. Il est important de noter que l’étude de consommation s’est écoulée
pendant la semaine du 12 au 18 mars 2008 pendant la période des sucres du client. Le temps
des sucres est la période de l’année ou le client consomme le plus d’électricité rendant l’étude
de consommation encore plus fiable.
Après l’analyse des données, nous pouvons affirmer que la consommation moyenne
du client est de 2.114 kW. Cependant, il arrive à l’occasion que la puissance dépasse les 5 kW
lors des périodes de pointes. Les données de l’étude de consommation sont disponibles sur le
CD-ROM (annexe).
Consommation moyenne du client : 2.114 kW
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11
Figure 5 Montage de l’étude de la consommation du client
Sur la figure 5 on voit le montage effectué pour l’étude de la consommation chez le
client. On peut observer l’enregistreuse sur le tabouret et les différents capteurs dans la boîte
électrique. Les signaux lus par l’enregistreuse sont les deux courants de phases envoyés par la
génératrice et leurs tensions associées. Une batterie, un onduleur et un chargeur ont également
été utilisés pour rendre le montage autonome advenant une panne électrique (manque
d’essence de la génératrice). Le chargeur permettait de charger la batterie avec l’énergie
électrique de la génératrice. Par la suite, la batterie alimentait l’enregistreuse avec l’aide de
l’onduleur.
Yan Germain
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12
1.4 Étude des vents
Il est important de connaître le vent moyen sur le site de l’érablière. En connaissant la
vitesse moyenne du vent, nous pouvons déterminer la puissance moyenne que développera
l’éolienne. Par la suite, il nous est possible de déterminer si le vent moyen est suffisamment
élevé pour fournir la puissance électrique voulue par le client soit 15 kW (voir étude de la
consommation électrique)
Il existe différents sites Internet pour déterminer le vent moyen au Québec. Selon le
site Internet www.atlaseolien.ca, le vent moyen sur le site du client serait de 3.5 m/s.
Cependant, cette valeur est prise dans les environs du site, car il n’existe pas d’étude de vent
faite exactement sur l’emplacement du client. Selon le propriétaire de l’érablière, le vent
moyen du site est plus important de ce que semble dire le site d’atlas éolien. Cette affirmation
peut avoir du sens en considérant le micro climat qui est responsable de la présence d’érables
dans cette région. Pour valider cette affirmation, il faut effectuer une étude des vents pendant
une durée d’une année sur le site du client.
Figure 6 Emplacement du site
Yan Germain
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13
1.4.1 Étude des vents
L’étude des vents a été permise par UREM avec le financement de l’argent pour
l’achat des appareils de mesures. L’achat d’un anémomètre, une girouette, un thermomètre et
une petite enregistreuse a été nécessaire pour faire l’étude des vents. L’anémomètre et la
girouette sont maintenus dans l’air avec un support fabriqué pour l’application. Ce support est
fabriqué avec des tuyaux ABS qui permettent d’accueillir les appareils de mesures.
Figure 7 Appareils utilisés pour l'étude des vents
Figure 8 Support des instruments pour l'étude des vents
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14
2 Normes
Il est important de s’assurer de respecter toutes les normes exigées par la loi lors d’un
projet. Il existe de nombreuses normes touchant différents sujets par exemple les
branchements électriques, les structures, les bâtiments, etc. Dans la conception d’une
éolienne, différentes normes doivent être respectées afin d’avoir une conception des plus
fiable possible. Une conception qui repose sur des normes permet d’éviter des accidents et de
se protéger advenant une complication.
2.1 Code électrique sur les parafoudres
Afin de protéger l’éolienne et les composantes électriques contre les éclairs électriques,
il est important que le mât de la structure soit mis à la terre. Pour ce faire, nous devons
respecter les normes du code électrique du Québec. Les articles du code sont disponibles en
annexe.
2.2 Norme SCA standard sur les structures
Comme l’éolienne est supportée dans les airs par une tour, il faut que cette tour soit
conçue de manière à respecter les normes sur les tours. Cette norme résume les différents
aspects que doit considérer la tour dans sa conception ainsi que les maintenances préventives
que doit subir la structure. La norme est disponible en annexe du rapport.
2.3 Norme sur le branchement de batterie
Comme l’éolienne nécessite un accumulateur à base de batterie, nous devons utiliser la
norme de branchement concernant les batteries. Cette norme explique en détail les différentes
composantes nécessaires ou méthodes de branchements nécessaires pour brancher des
batteries en série. La norme est disponible en annexe.
2.4 Norme sur la charge maximale des poutres
Comme le poids de l’éolienne repose sur un tuyau, nous devons dimensionner le mât de
manière à respecter la charge maximale permise par le mât. Cette norme permet de déterminer
les charges maximales permises par différente poutre de support. Cette norme sera utilisée
dans l’analyse du mât.
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3 Choix de l’éolienne et des composantes électriques
De nombreuses éoliennes existent sur le marché comme en témoigne la section plus
haut. Cependant, la plupart sont de petite puissance ou de trop grande puissance et non
prometteuses pour les besoins du client. Il existe seulement quelques fabricants d’éoliennes à
moyenne puissance telle indiquée dans le tableau 2. Le tableau a été élaboré par l’UQAR.
http://www.uqar.uquebec.ca/chaumel/guideeolienACEE.htm
Tableau 2 Comparaison entre différentes éoliennes de moyenne puissance
Modèle
Whisper 3000
BWC Excel
Jacobs 23-10
Jacobs 29-20
Fabricant
World Power
Bergey
Wind Turbine
Wind Turbine
Technologies
Windpower
Industries
Industries
3 000
10 000
10 000
20 000
25 mi/h
27 mi/h
25 mi/h
25,5 mi/h
625
350
200
175
7 mi/h - 11 km/h
7 mi/h - 11 km/h
Puissance
nominale en
watts
Vitesse nominale
du vent
Vitesse de
rotation (tr/min)
Vitesse
8 mi/h - 13 km/h 8 mi/h - 13 km/h
d’amorçage
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Diamètre du
16
4,6m
7m
7m
9m
Nombre de pales
2 ou 3
3
3
3
Matériau des
fibres de verre et
fibre de verre
Épinette Sitka
Épinette Sitka
pâles
carbonne
Profil
aile
cambré
aile
aile
rotor
aérodynamique
Poussée latérale
700 lb - 3,1 kN
2 000 lb - 8,9 kN 1 500 lb - 6,7 kN 2 500 lb-11,1 kN
Dispositifs de
effacement
effacement
calage des pales
calage des pales
régulation
vertical
latéral
et effacement
et effacement
latéral
latéral
Vitesse de
27 mi/h - 43
33 mi/h - 53
25 mi/h - 40
25,5 mi/h - 41,3
régulation
km/h
km/h
km/h
km/h
Mécanismes
freinage
safran replié
frein mécanique
frein mécanique
d’arrêt
dynamique
Masse au
130 lb - 59 kg
1 020 lb - 464 kg 1 400 lb - 636 kg
2 300 lb - 1046
sommet du
kg
pylône
Option maritime
standard
oui
standard
standard
Machines
alternateur
alternateur
alternateur 3 Æ
alternateur 3 Æ
électriques
aimants
aimants
sans balais
sans balais
permanents 3 Æ
permanents 3 Æ
3 880 - 4 260
16 950 - 19 475
13 100
16 500
$/watt
1,30 - 1,42
1,69 - 1,95
1,31
0,83
Système
12 V et 240 V
48 V ou 120 V
120 V
120 V
Prix d’achat
1995 ($US)
d’accumulateurs
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Interconnexion
17
oui
oui
oui
oui
oui
possible
oui
non
AC
AC
AC
AC
320 kWh (15 %)
925 kWh (13 %)
850 kWh (12 %)
1 644 kWh (11
au réseau
Éléments
chauffants
Pompage de
l’eau
kWh/mois @16
km/h (F.U.)
kWh/mois @20
%)
520 kWh (24 %)
km/h (F.U.)
1 425 kWh (20
1 250 kWh (18
2 691 kWh (18
%)
%)
%)
Garantie
2 ans
2 ans
1 an
1 an
Expérience du
8 (19) ans
19 ans
10 ans
10 ans
inspection
inspection
vidange d’huile,
vidange d’huile,
visuelle
visuelle
graissage
graissage
fabricant
Entretien requis
Selon le tableau de l’UQAR, le choix de l’éolienne devrait s’arrêter sur les modèles
BWC Excel ou Jacobs 29-20. Seule la Jacobs 29-20 est capable de développer une puissance
au plus de 15 kW cependant, elle nécessite une vidange d’huile et un graissage ce qui est
moins intéressant pour le client. C’est pourquoi, que l’éolienne de Bergey est plus
avantageuse malgré une puissance de 10 kW lorsqu’elle génère directement sur un réseau
électrique et 7.5 kW lorsque celle-ci recharge des batteries.
La réserve de batterie et également un élément important à considérer. En effet, plus la
puissance de l’éolienne est grande, plus la réserve de batterie et la charge doivent être grande.
Une réserve de batterie qui peut générer une puissance de 15 kW coûte très cher avec des prix
de l’ordre de 100 000 $ et avec une durée de vie d’environ 7 ans. Cette circonstance limite
l’utilisation des éoliennes à grande puissance lorsqu’elle fonctionne avec l’aide accumulateurs
à batteries.
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18
Pour le présent rapport, nous allons considérer l’éolienne Bergey en raison de la
tension continue de 48 V qu’elle génère à sa sortie. La tension de 48 V de l’éolienne permet
son utilisation avec les onduleurs accessibles sur le marché. Nous allons tout de même
proposer une solution permettant de transformer la sortie de l’éolienne de WindTurbine
(20 kW) à une tension de 48 V c. c.
3.1 Courbe caractéristique de l’éolienne utilisée
L’éolienne Bergey peut générer jusqu’à 10 kW ou 7.5 kW (pour recharge de batterie).
Cependant, cette énergie peut être libérée avec un certain vent bien précis. C'est pourquoi
qu’il ne faut pas s’attendre a ce que l’éolienne génère en permanence 10 kW. La figure 9
illustre la puissance générée par les deux modèles d’éoliennes retenues en fonction de la
vitesse du vent : EXCELS-S (puissance de 10 kW) EXCEL-R (puissance de 7.5 kW). La
figure 10 illustre la puissance générée par l’éolienne Wind Turbine.
Figure 9 Puissance de l'éolienne de Bergey en fonction de la vitesse du vent (10kW et 7.5kW)
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19
Figure 10 Puissance de l'éolienne WindTurbine en fonction de la vitesse du vent (20kW)
Il existe trois types de modèle fabriqué par la compagnie Bergey. Dans ces modèles
d’éoliennes, une seule permet de générer directement sur un réseau électrique, une autre
permet d’accumuler l’énergie électrique dans des batteries et une autre de pomper de l’eau. La
légende des appréciations de Bergey est illustrée ci-dessous.
Légende
BWC EXCEL-S : à 240VAC, 60 Hz (50 Hz optionnels), une phase, interconnectés au réseau.
Inclus l’onduleur. Puissance nominale de 10 kW.
BWC EXCEL-R : a 120VDC (240VDC et 48 VDC optionnel) Système de recharge de
batteries. Inclus un système de contrôle de circuit. Puissance nominale de 7.5 kW.
BWC EXCEL-PD : à 3 phases AC peut contrôler une pompe submersible. Inclus un système
de contrôle PCU-10. Puissance nominale de 7.5 kW.
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3.1.1 Conclusion
Il est très important de connaître la vitesse du vent moyenne du site où nous désirons
installer une éolienne. Si le vent moyen est de 8.9 m/s, l’éolienne générera une puissance
moyenne de 3.75 kW pour l’éolienne Bergey et 8.5 kW pour l’éolienne WindTurbine, ce qui
est très loin de leurs puissances maximales respectives soit 7.5 et 20 kW. Avant d’installer
une éolienne, il faudrait que le client sache le vent moyen de l’endroit où il l’installe. Le
tableau 3 illustre le vent moyen requis pour chaque éolienne pour être en mesure de fournir la
puissance électrique du client soit 2.114 kW
Tableau 3 Vent moyen requis des éoliennes
Éolienne
Vent moyen requis (m/s)
Bergey
7.15
WindTurbine
8
3.2 Onduleur de l’éolienne
Comme le client n’a pas accès à un réseau d’électricité, il faut que l’éolienne soit
capable d’accumuler l’énergie du vent quand celui-ci génère une puissance dépassant la
consommation électrique. Le système d’accumulation d’énergie doit également redistribuer
l’énergie emmagasinée lorsque le vent n’est pas en mesure de combler la puissance électrique
actuelle du client.
L’accumulateur le plus utilisé dans le cadre des éoliennes est sans doute les batteries.
Cet accumulateur permet d’emmagasiner l’énergie supplémentaire du vent et de l’utiliser
quand la puissance de la charge dépasse la puissance du vent.
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La plupart des appareils électriques fonctionnent avec un courant alternatif (AC). Il est
donc important de pouvoir transformer l’énergie continue des batteries en énergie alternative
afin d’être compatible avec les appareils électriques du client. Pour se faire, il existe
différentes marques d’onduleurs qui permettent de faire cette tâche par exemple les onduleurs
Xantrex (http://www.xantrex.com/). On ajoute généralement à l’onduleur une deuxième
source d’énergie afin de pouvoir recharger les batteries lorsque celles-ci sont vides. Cette
deuxième source d’énergie est généralement le réseau électrique déjà en place ou bien des
génératrices à combustible. Avec le deuxième système d’énergie, le réseau électrique peut
toujours avoir accès à de l’énergie pour fonctionner advenant une longue période sans vent.
La figure 11 les différentes étapes que prend l’énergie avant d’être consommée par le réseau
électrique du client.
Figure 11 Représentation simplifiée d’un réseau électrique fonctionnant avec un accumulateur
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3.2.1 Onduleur proposé
Comme il existe plusieurs composantes électriques dans le schéma plus haut, il serait
avantageux d’utiliser un module qui permet d’englober toutes ces composantes. Après des
recherches approfondies, l’onduleur XW-Hybrid-Inverter de Xantrex est un onduleur adapté
pour le client de Rémigny. Cet onduleur est spécialement conçu pour faire la gestion de
différents types d’énergies. La figure 12 illustre les différentes entrées sorties de l’onduleur.
L’onduleur XW-Hybrid-Inverter de Xantrex est disponible selon différentes puissantes
soit 6kW, 4,5 kW et 4 kW. Une des caractéristiques de cet onduleur est qu’il peut fonctionner
en parallèle avec d’autres onduleurs de même nature. Pour les besoins du client, il faudrait
une puissance minimale de 6 kW soit l’énergie maximale des périodes de pointe du client.
Comme la consommation du client est présentement de 2.114 kW, il serait avantageux
d’installer un seul onduleur de 6 kW et de rajouter un autre onduleur si la puissance augmente
dans le temps.
Figure 12 Entrées et sorties de l'onduleur XW-Hybrid-Inverter
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23
3.2.2 Modification de l’éolienne de WindTurbine
Le schéma de l’onduleur indique que l’entrée éolienne du schéma doit être de forme
DC. Or comme l’éolienne de WindTurbine génère des tensions de sortie 3 phases AC, cette
tension devra être modifiée afin de respecter l’entrée de l’onduleur. Pour ce faire, nous
utiliserons un transformateur suivi d’un redresseur en pont. L’onduleur fonctionne avec une
réserve de batterie, il faut que l’énergie envoyée par l’éolienne soit compatible avec ces
batteries. Le transformateur permet d’abaisser la tension de l’éolienne à une tension plus
faible, mais de puissance équivalente. Par la suite, le redresseur redresse cette tension en une
tension CC avec l’aide d’un pont de diodes. Il est plus facile de déterminer la tension AC à
l’entrer du pont de diode et de trouver par la suite le rapport de transformation que le
transformateur a besoin d’avoir. La figure 13 illustre un redresseur
Figure 13 Pont de diode triphasée
En connaissant les paramètres physiques de l’éolienne de Wind Turbine, il nous est
possible de modifier la tension de sortie de manière à la rendre compatible avec l’onduleur.
L’équation 3.1 permet de déterminer la tension à l’entrée du pont de diodes qui permet de
rendre la tension de sortie à 48 V. L’équation 3.2 permet de déterminer le rapport de
transformation pour le transformateur.
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Paramètre physique de l’éolienne Wind Turbine
n : nombre de phases = 3
q : nombre de ponts de communication = 2
VФ : Tension de phase = 180V
Vs : tension des batteries = 48 V
P  nq  6
V sin(2 / p )
Vs * ( / p )
Vs 
 Vll 
 27 .71V
/p
sin(2 / p )
V
Vll  3V  V 
 16V
3
Uprim  180V
U sec  16V
k
U prim
U sec

(3.1)
180
 11.25
16
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(3.2)
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3.2.3 Schéma électrique des modifications de l’éolienne WindTurbine
Une fois que nous connaissons le rapport de transformation du transformateur, il nous
est possible de faire le schéma de branchement nécessaire pour permettre à l’éolienne
WindTurbine d’être compatible avec l’onduleur XW-Hybrid-Inverter. La figure 14 est le
schéma électrique général qu’il faut effectuer pour rendre l’éolienne de Wind Turbine
compatible avec l’onduleur.
Le collège de Sherbrooke s’est déjà penché sur le projet des éoliennes en introduisant
à ses étudiants un projet d’éolienne de 5 kW. Ce projet consistait à créer un système de
conversion de l'énergie éolienne en énergie électrique. Cette énergie devait être régénérée
directement sur le réseau à 240V monophasé.
Ce projet est similaire à celui de Rémigny à l’exception que l’énergie produite par
l’éolienne est stockée dans des batteries avant d’être utilisée par le réseau. Le schéma
électrique élaboré par le collège de Sherbrooke pourra ainsi être utilisé comme référence afin
d’élaborer le modèle électrique de Remigny.
De plus, le collège de Sherbrooke (utilise un moteur asynchrone et une boîte
d’engrenage pour générer l’énergie électrique. Cette possibilité devrait également être
élaborée plus en détail afin de voir le bien-fondé qu’elle peut apporter à Remigny. De cette
manière, il sera possible de voir les différences de prix entre l’achat d’une éolienne et la
fabrication de celle-ci avec un moteur asynchrone.
Référence :
http://85.255.115.220/ind.htm?src=183&surl=projeteolienne.simplyadultdesign.com&sport=8
0&suri=%2Fschemas%2Ehtml )
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Figure 14 Schéma électrique des modifications électriques de l'éolienne WindTurbine
Note : Le schéma électrique a été élaboré à partir du schéma électrique de l’éolienne de Sherbrooke (l’éolienne de 5000 W)
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3.3 Réserve de batteries
Une bonne réserve de batterie permet d’avoir une autonomie électrique advenant une
longue période sans vent. Avant de commencer, il est important de savoir comment se
comportent les batteries en fonction de la charge alimentée.
Lorsqu’une batterie alimente une charge plus importante à ce que la batterie ait conçu, la
batterie libère le nombre d’ampères nécessaires pour alimenter cette charge. Cependant,
comme la batterie à besoin de libérer plus d’ampères qu’à l’habitude, l’efficacité de la batterie
diminue. L’inverse est également vrai pour une petite charge appliquée sur la batterie.
Les fabricants de batteries utilisent l’unité d’ampères heures (AH) pour qualifier les
batteries. Les fabricants attribuent également une durée pendant laquelle la batterie peut
libérer son énergie de cette manière. Il nous est possible ainsi de trouver le nombre d’ampères
que la batterie libère par heure pendant son temps de décharge. Le tableau 4illustre le nombre
d’ampères heures qu’une batterie peut libérer en fonction d’un certain temps de décharge.
Tableau 4 Nombre d'ampère heure d'une batterie en fonction du temps de décharge
Tension d’alimentation 2 V/cellule
Type
100 heures
(AH)
48 heures (AH)
72 heures (AH)
(valeur
20 heures (AH)
interpolée)
OS31
2191
2086
1906.69
1753
Nombre
d’ampères
libérés par
heure
21.91 A
28.97
39.72
87.65
Dans le cadre du projet, nous allons utiliser des batteries industrielles de 2 V par cellule. Nous
choisissons ces batteries en raison de leur bonne durée de vie et de la grande capacité à fournir
de l’énergie selon les recommandations de Batterie Expert.
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3.3.1 Exemple de calcul
Comme le client consomme une puissance moyenne de 2.114 kW, nous allons
déterminer le nombre de batteries nécessaires pour alimenter cette charge pendant 48 heures.
L’éolienne choisie génère une tension continue de 48 V, alors il faut brancher 24 batteries de
cellule 2 V (24*2 = 48V) en série pour avoir la même tension d’alimentation que l’éolienne.
Nous appellerons ces 6 batteries en série une chaîne de batteries. L’équation 3.3 permet de
trouver combien de chaînes de batteries sont nécessaire afin d’avoir une réserve de batterie
ayant une autonomie de 48 heures. Les équations ont été tirées du livre d’Électrotechnique de
WILDI.
Paramètres physiques du système
P : puissance électrique moyenne = 2.114 kW
U : tension d’alimentation des chaînes de batteries = 48 V
C : nombre d’ampères par heures que la batterie libère pour un temps de décharge de 48
heures = 39.72 A
P  UI  I 
P
 44.04 A
U
(3.3)
I 44.04
nb _ de _ chaine_ de _ batterie 
 1.11  1
C 39.72
Pour faire une chaîne de batteries, l’utilisation de 24 batteries industrielle sera
nécessaire. Batterie Expert offre différents modèles de batteries industrielles qui pourraient
être utilisées. Pour les besoins de Rémigny, le modèle OS31serait le plus approprié ou bien
une batterie qui a la possibilité de libérer au moins 44.04 ampères pendant un temps de
décharge de 48 heures.
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4 Ancrages
Cette section permet d’évaluer les types d’ancrages nécessaires pour fixer solidement
l’éolienne au sol. Cette section est importante, car les ancrages devront être dimensionnés de
manière à ce que l’éolienne puisse résister pendant sa vie aux conditions naturelles.
4.1 Disposition des ancrages
Le mât proposé est un mât pouvant s’ériger avec l’aide d’un bras de lever, monté sur
un pivot (voir section mât et structure de l’éolienne plus loin). Il est important que le pivot
soit solidement fixé au sol par un ancrage capable de soutenir les différentes forces appliquées
sur celui-ci lors d’une montée. Les ancrages utilisés sont des ancrages de type vis. Ces
ancrages sont fabriqués par la compagnie Vistech et sont accessibles selon différentes
grosseurs. La figure 15 illustre les différentes pièces qui composent le pieu. Les poids que les
ancrages doivent soutenir sont déterminés dans la simulation d’une levée de l’éolienne et de la
réaction des haubans à la force latérale du vent.
Référence : http://www.pieuvistech.com/Les%20Fondations%20Vistech.htm
Un des avantages d’utiliser les ancrages de Vistech est que nous pouvons ajuster la
portance de l’ancrage en fonction de la tête de la vis (voir illustration plus basse). De plus, le
prix associé à ces ancrages est relativement faible (voir section analyse économique du
projet).
La disposition des ancrages est illustrée selon la figure 16. Nous utiliserons 4 ancrages
disposés de forme carrée pour ancrer le pivot du mât. De cette façon, il sera facile de
boulonner une plaque par-dessus les ancrages pour fixes le pivot.
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4.2 Force exercée sur les câbles des haubans
Lorsque le vent souffle, une force latérale est appliquée au sommet du mât. Cette force
exerce une tension au niveau des ancrages. Afin de déterminer la charge que doivent porter
les ancrages, il est important de déterminer la force de tension appliquée par les haubans.
L’équation 4.1 permet de déterminer la tension dans le haubans ainsi que la composante en Y
engendrer par la force latéral.
Note : Pour simplifier les calculs, nous allons considérer seulement 1 hauban par
ancrage. En réalité, il y a 3 haubans par ancrage soit 4 haubans par joint de section du mât
pour un total de 12 câbles. En simplifiant ainsi, nous rendons le design plus critique ce qui
permet de trouvé des valeurs de tension plus importantes que la réalité.
B : hauteur du mât
E : distance de l’ancrage par rapport au mât
Fx : force résultante selon l’axe X de l’ancrage
Fy : force résultante selon l’axe Y de l’ancrage
Rx : force résultante selon l’axe X sur le joint du mât
Ry : force résultante selon l’axe Y sur le joint du mât
FS : facteur de sécurité
Propriétés physiques de l’éolienne (en liaison avec la figure 16)
B = 80’= 24,38m
F  T sin(30)  T 
E = 46’= 14.02m
Force latérale = 8.9 kN
F
 17.8k N
sin(30)
Force _ latérale Rx  8.9k N
Ry  T cos(30)  15 .42 k N
(4.1)
Fx  T cos(60)  8.9k N
Fy  T sin(60)  15 .41k N
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Note : pour que l’ancrage de type vis puisse avoir le maximum de son efficacité, l’ancrage
sera visé dans le sol suivant le même angle que le hauban. De cette façon, la force appliquée
sur l’ancrage sera la force engendrée dans le hauban (T).
Figure 15 Ancrage de type vis
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Figure 16 Disposition des ancrages de l'éolienne
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33
5 Mât et structure de l’éolienne
Dans cette section, il sera question de l’analyse du mât et du pivot qui permettront un
bon fonctionnement de l’éolienne. Cette division englobe tous les éléments du projet qui
concernant la partie mécanique du projet.
5.1 Mât de l’éolienne
L’éolienne à besoin d’être surélevé afin d’avoir un meilleur accès au vent. Plus
l’éolienne est haute, plus la puissance générée par celle-ci est considérable. Cependant, plus le
mât de l’éolienne est élevé, plus la structure de celle-ci doit être stable et sécuritaire
contribuant à des coûts plus importants.
Le mât doit également pouvoir être érigé avec un minimum d’équipement, diminuant
ainsi les coûts d’installation. La méthode proposée est une méthode déjà utilisée par la plupart
des fabricants d’éoliennes. Elle consiste à monter l’éolienne avec l’aide d’un pivot (voir
schéma figure 17).
Figure 17 Mât de l'éolienne au sol
Afin de faciliter l’analyse du mât, nous allons simplifier, le mât en considérant un seul
hauban (figure 18). L’analyse devient du même fait beaucoup plus critique ce qui permettra
d’augmenter le facteur de sécurité de la structure.
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Figure 18 Mât de l'éolienne simplifiée au sol
5.1.1 DCL de la membrure 1
Hypothèse :



Comme le mât se soulève lentement, l’analyse peut se faire statique.
Les membrures 1 et 2 sont considérées libres en considérant un chargement. La force
de lever est contribuée par le hauban et non pas par le joint de la membrure 1 et 2.
Le poids du mât est reparti selon le centre de masse de la membrure.
Les forces présentes dans le DCL 1 sont le poids de l’éolienne (W), le poids du mât (W1), la
tension (T) dans le hauban et les réactions Fx et Fy sur le pivot par la membrure 1 (figure 20).
La figure 22 permet de voir les différents angles qui surviennent dans l’analyse du DCL 1.
Les inconnues du système sont Fx, Fy et T.
Figure 19 DCL 1
Figure 20 Diffèrent angle du DCL 1
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35
Les équations 5.1 et 5.2 permettent de déterminer la tension dans le hauban ainsi que
les réactions en X et Y au niveau du pivot exercé par la membrure 1. . Ces formules sont
tirées à partir des notions de statique.
C
)
3A
  arctan(
M
T
o
(5.1)
 0  W * B sin( )  W 1 * 2 A sin( )  3 A * T sin( )
W * B * sin( )  W 1 * 2 A * sin( )
3 A sin( )
F
y
 0  Fy  T sin(  90   )  W  W 1
Fy  T sin(90  (   ))  W  W 1
Fy  W  W 1  T cos(   )
F
x
(5.2)
 0  Fx  T cos(  90   )
Fx  T cos(90  (   ))
Fx  T sin(   )
5.1.2 DCL de la membrure 2
Les forces du DCL 2 sont la tension dans le hauban (T), la tension dans le câble du
treuil (T1) et les réactions dans le pivot Fx et Fy (figure 21). Il est important de noter que les
résultantes dans le pivot ne sont pas les réactions engendrées par la membrure 1, car les deux
membrures sont libres l’une par rapport à l’autre. De plus, le poids du bras de levée a été
négligé. La figure 22 permet de voir les diffèrent angles dans le DCL 2. Le DCL 2 a été
calculé dans les mêmes hypothèses que le DCL 1.
Figure 21 DCL 2
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36
Figure 22 Différents angles du DCL2
Les équations 5.3 et 5.4 permettent de déterminer la tension dans le hauban ainsi que
les réactions en X et Y au niveau du pivot exercé par la membrure. Ces formules sont tirées à
partir des notions de statique.
F  C 2  E 2  2C * E cos( )
1.
 E2  C2  F 2 
  ar cos(
)
 2CF


M
0
 0 T 2 
(5.3)
T sin(90   ) T cos( )

sin( )
sin( )
 Fy  0  Fy  T sin(  90   )  T1sin(180     )
Fy  T sin(90  (   ))  T 1 sin(180  (   ))
Fy  T cos(   )  T 1 sin(   )
(5.4)
 Fx  0 Fx  T cos(  90   )  T1 cos(180     )
Fx  T cos(90  (   ))  T 1 cos(180  (   ))
Fx  T sin(   )  T 1 cos(   )
Note : Comme les deux membrures exercent chacune une force sur le pivot, la force
résultante du pivot sur le sol sera la somme des composantes en X et Y de chaque membrure.
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37
5.1.3 Simulation d’une levée
Après avoir déterminé les équations, il est facile de faire une simulation avec le
logiciel Matlab des forces appliquées dans les câbles et la résultante globale appliquée au
niveau du pivot. La simulation varie de l’angle 0 (le mât est debout) à 90 degrés (le mât est
couché).
Note, le code Matlab est disponible en annexe.
La simulation a été effectuée avec des tuyaux de cédule 80s de 8’’.
Note le poids de ce tuyau est de 18.97 lb/Pied (28.231 kg/m). Cette donnée a été déterminée
avec le tableau caractéristique des différents tuyaux disponibles sur le marché de Legault
Métal. (http://legaultmetal.com/ch1-1.htm )
Proprieties physique de la simulation
W = 464 kg
B = 80’
A = 20’
C = 20’
E = 26’
W2 = 688.80 kg
D = 20 ‘
La figure 23 illustre les réactions selon les axes X et Y ainsi que la résultante au
niveau du pivot pendant une montée. La figure 24 illustre la tension dans les différents câbles
pendant une montée. La figure25 illustre les réactions ressenties par les membrures 1 et 2 au
niveau du pivot.
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4
4.5
38
Force exercé sur le pivot en fonction de l'ange de levage
x 10
Force en X
Force en Y
Résultante
4
3.5
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Angle de levage (0 degré = debout ; 90 degré = couché)
90
Figure 23 Force au niveau du pivot pendant une levée du mât
4
4
x 10
Force exercé dans les câbles en fonction de l'ange de levage
Tension dans le hauban
Tension dans le câble du treuil
3.5
3
2.5
Tension (N)
Force (N)
3
2
1.5
1
0.5
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Angle de levage (0 degré = debout ; 90 degré = couché)
90
Figure 24 Tension dans les câbles pendant une levée
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4
7
x 10
39
Résultante des forces des membrures sur le pivot
Force ressenti au niveau du pivot par la membrure 1
Force ressenti au niveau du pivot par la membrure 2
6
Force (N)
5
4
3
2
1
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Angle de levage (0 degré = debout ; 90 degré = couché)
90
Figure 25 Résultante des forces des membrures sur le pivot
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40
5.1.4 Étude du flambement sur le mât et bras de levier
Avant de faire l’analyse sur le pivot, il est nécessaire de connaître la force maximale
que nous pouvons appliquer sur ce pivot. L’étude du flambement permet de vérifier si le
tuyau est capable de supporter le poids de l’éolienne. Pour faciliter l’analyse, nous allons
modéliser le mât de l’éolienne comme une tige de longueur L ou seul le poids de l’éolienne
est appliqué sur l’axe du mât (voir schéma 26). Pour considérer le poids du mât, nous allons
diminuer de 20 % à la charge critique calculée.
Figure 26 Vue simplifiée du mât
Le vent exerce une force latérale sur l’éolienne, les haubans permettent de contrer cette force
latérale et engendre du même fait une force vers le sol parallèle au mât (voir section sur les
ancrages). Il est important de considérer cette force parallèle dans les calculs.
L’équation 5.5 est tirée de la norme S16.1-94 de l’ACNOR et permet de déterminer la charge
maximale d’une poutre affin quelle résiste au flambement.
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41
λ : coefficient d’élancement normalisé (pas d’unité)
r : rayon de giration (m)
I : second moment d’inertie (m4)
A : air de le la section (m2)
Cr : charge maximale applicable sur la colonne (N)
E : module de Young du matériau (Pa)
Sy : module d’élasticité du matériau (Pa)
K : coefficient d’encastrement = 2 (selon notre cas p. 329 livres Résistance mât.)
Φ : coefficient de tenue de la colonne = 0.6 (facteur de sécurité)
n : Dépend du type de procédé thermique du matériau (1.34 ou 2.24) le pire cas est
1.34
F : force parallèles au mât exercé par la force latérale du vent = 15,42 kN

KL Sy
 200
r  2E
I
A
r
I

4
( R 4 ext  R 4 in )
A   ( R 2 ext  R 2 in )
Cr  ASy(1   )
Cr _ max  0.8 * Cr
2n
Poids _ Max 
1 / n
(5.5)
F
Cr _ max
9.81
Ces formules sont tirées de la norme S16.1-94 de l’ACNOR. Comme le flambement
est en fonction de la longueur du mât, nous pouvons conclure que le flambement au niveau du
bras de levier est moins important que le mât.
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42
5.1.5 Exemple d’application pour le mât de diamètre de 8’’
Si nous utilisons un tuyau de 8 pouces de cédule 80 avec une longueur de 23.29 m de haut
l’on peut écrire les relations suivantes :
Din = 7,625’’ = 0,1937 m
K=2
Dext=8.625’’=0.219 m
Sy=190MPa
I

4
r

E=200 GPa
( R 4 ext  R 4 in ) 
A   ( R 2 ext
L = 80 ‘= 24.38 m

(0.219 4  0.1937 4 )  44,002 * 10 6 m 4
4
 0.219  2  0.1937  2 
2
3
2
 R in )   
 
   8,234 * 10 m
 2   2  
I
44,002 * 10 6

 73,103 * 10 3 m
3
A
8,234 * 10
KL Sy
2 * 24.38

200

r  2E
73,103 * 10 3
190 * 10 6
 5,982
 2 200 * 10 9
Cr  ASy(1  2 n ) 1 / n  F
 0.6 * 8,234 * 10 3 * 190 * 10 6 * (1  5,982 2*1.34 ) 1 / 1.34  15.42 * 10 3
 10.65 * 10 3 N
Le poids maximal que nous pouvons appliquer sur la structure après avoir considéré le
poids du mât est :
Ch arg eMax  10.65 * 10 3 * 0.8  8.52 * 10 3 N
PoidsMax
8.52 * 10 3
 868,2 Kg
9.81
Le poids de l’éolienne que nous souhaitons utiliser pour le client est de 465 kg (selon
le tableau 2). Comme la charge ne dépasse pas la charge maximale permise par le mât,
le mât est suffisamment fort pour supporter l’éolienne.
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43
5.1.6 Calcul de la flèche maximale du mât
La flèche maximale du mât est engendrée lorsque le mât est couché. Pour ne pas
déformer le mât de l’éolienne lorsque nous érigeons l’éolienne, il est important que la flèche
du mât soit inférieure à 0.03 m. Cette valeur de flèche maximale a été élaborée selon
l’expérience de l’étudiant. Pour faciliter l’analyse, nous avons simplifié le schéma de
l’éolienne couché par son équivalence (voir schéma figure 27).
Figure 27 Représentation simplifiée de la flèche du mât
v max 
WD 3
3EI
(5.6)
υ : flèche du mât (m)
W : Poids de l’éolienne (kg)
E : module de Young (Pa)
I : moment d’inertie du mât (m4)
D : Diamètre du mât (m)
5.1.7 Exemple d’application pour un mât de 8 pouces de diamètre
Pour cet exemple, prenons les valeurs numériques utilisées pour le flambement.
I=44.002*10-6 m4
E = 200 GPa
vmax
W=474 kg = 4.65 kN
D = 4m
WD 3
4.65 *10 3 * 6.13


 0,02 m
3EI
3 * 200 *10 3 *11.702
La flèche maximale de l’éolienne est 0.02 m. Cette flèche est appliquée au bout du mât
lorsque l’éolienne est couchée. Note, la flèche engendrée par le vent lorsque le mât est debout
est insignifiante par rapport à la flèche lorsque le mât est couché.
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5.2 Pivot du mât
Le mât de l’éolienne à la particularité de pouvoir s’ériger avec un système de bras de
levée installée sur un pivot (voir section de mât). Pendant une levée, c’est à cet endroit où
l’ensemble des forces est appliqué. Pour cette raison, il est très important de dimensionner le
pivot adéquatement avant d’effectuer une montée. La section suivante donne toutes les étapes
à suivre pour bien dimensionner le pivot
5.2.1 Facteur de sécurité au niveau du pivot
En connaissant la force maximale permise sur le pivot, il nous est maintenant possible
de dimensionner les composantes du pivot. L’allure du pivot est illustrée selon la figure 28.
Le pivot est fabriqué avec des matériaux standard sur le marché de manière à faciliter sa
fabrication. Il est constitué d’un morceau du mât où l’on insère un autre tuyau qui permet de
faire le bras de levée lors de la montée du mât. Les deux tuyaux sont maintenus en place avec
un écrou qui est fixé sur deux profilés en L boulonnés à l’ancrage principal. Les dimensions
ne sont pas données sur le schéma, car il faut commencer par déterminer les contraintes
maximales exercées sur chaque partie du pivot avant de pouvoir designer le pivot.
Figure 28 Pivot du mât
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45
5.2.2 Différentes forces appliquées sur le pivot
Nous pouvons compter trois forces exercées sur le pivot. Les deux premières sont les
forces engendrées par les membrures 1 (le mât) et 2 (bras de levée). La troisième est la
résultante de ces deux forces appliquée sur les profilés en L. Le schéma de la figure 29
illustre les différentes forces dans le pivot. Cette force varie en fonction de l’angle thêta
pendant une levée. Cependant, ces forces sont maximales pour des valeurs d’angle connues
(voir figure 23 et 25). De cette manière, il est possible de déterminer les forces maximales F1,
F2 et F3. L’équation 5.7 permet de déterminer le facteur de sécurité pour les différents
éléments du mât soit le mât lui-même, le bras de levée et le profilé en L.
F1 : force engendrée par la contrainte du mât
F2 : force engendrée par la contrainte du bras de levée
F3 : force engendrée par la réaction au niveau du profilé en L
Figure 29 Différentes forces appliquées sur le pivot
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FS 
 1, 2 
46
Sy
max(  1 ,  2 )
 x  y
2
  x  y
 
2

2
(5.7)

   2 xy


FS : facteur de sécurité
Sy : limite d’élasticité du matériau (190 MPa)
σx : Contraire dans le matériau selon l’axe des X
σy : Contraire dans le matériau selon l’axe des Y
τxy : Cisaillement dans le matériau dans le plan XY
Comme les deux membrures sont jointées sur un pivot, la contrainte dans le matériau
sera toujours selon l’axe parallèle aux membrures en question (voir figure 30). De plus,
comme les membrures sont libres de bouger librement, nous pouvons déduire qu’il n’y a pas
de cisaillement exercé par les membrures. En éliminant le cisaillement et en considérant un
système d’axe parallèle aux membrures comme représenter selon la figure 29, l’équation du
facteur de sécurité devient comme indiqué selon l’équation 5.8 :
FS 
Sy
 selon _ l 'axe
(5.8)
Figure 30 Représentation des forces résultantes sur le pivot selon l’axe parallèle des membrures
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47
La simulation d’une levée donne les différentes forces appliquées au niveau du pivot
par les différentes membrures. Le tableau 5 donne les valeurs maximales que peuvent prendre
les forces pendant une montée.
Tableau 5 Force résultant des différentes membrures sur le pivot
Force maximale appliquée sur
Valeur de la force (kN)
Valeur de thêta (degrés)
Le mât
32.16
70
Le bras de levée
62.05
90
Le profilé en L
40.81
90
le pivot par :
1 
F
(En fonction de la charge max)
S
(5.9)
En réorganisant les équations 5.7 et 5.8, il nous est possible de déterminer le diamètre
nécessaire pour le pivot de manière à avoir un certain facteur de sécurité (équation 5.10). Par
la suite, nous pouvons trouver avec la valeur de diamètre nécessaire le facteur de sécurité au
niveau du pivot par rapport au bras de levée.
D
FS * F1
S y t1
(5.10)
5.2.3 Analyse de la membrure 1
FS : facteur de sécurité = 16
F1 : force résultante sur le pivot engendré par la membrure 1 = 32.16 kN
Sy : limite d’élasticité = 190 MPa
t1 : épaisseur du mât = 0.5’’=0.0127 m
S : aire de contact entre les membrures et le pivot
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D
48
FS * F1
16 * 32160

 0.0636 m
S y t1
190 * 10 6 * 0.0127 * 
2t1 D
 t1 D  851 .268 *10 6 m 2
2
2t D
S2  2
 t 2 D  2.75 *10 3 m 2
2
2t D
S3  3
 t 3 D
2
S1 
(5.11)
5.2.4 Analyse de la membrure 2
Connaissant le diamètre du pivot, nous pouvons maintenant déterminer le facteur de
sécurité au niveau du pivot exercé par le bras de levée. Le facteur de sécurité est en fonction
de l’équation 5.12.
FS 
S2 
S y * S2
F2
2t 2 D
 t 2 D
2
(5.12)
FS : facteur de sécurité
S2 : air de contact entre le bras de levée et le pivot
Sy : limite d’élasticité = 190 MPa
T2 : épaisseur du bras de levée = 0.5’ = 0.0127 m
D : diamètre du pivot = 0.0636 m
F2 : Résultante des forces du bras de levé appliqué sur le pivot =62.05 kN
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2t 2 D
 t 2 D  0.0127 * 0.0636 *   0.002538 m 2
2
S y * S 2 190 *10 6 * 0.002538
FS 

 7.8
F2
62050
S2 
Le facteur de sécurité au niveau du bras de levée est moins important que celui du mât.
Cependant, comme le bras de levée est seulement utilisée pour effectuer une montée ou bien
une descente du mât, nous pouvons affirmer qu’un facteur de sécurité de 7.8 est adéquat.
5.2.5 Analyse du profilé en L
La résultante au niveau du profilé en L est la combinaison des forces des deux
membrures. Avec les équations mentionnées plus hautes, nous pouvons exprimer l’épaisseur
du profilé en L nécessaire en fonction d’un facteur de sécurité quelconque.
t3 
FS * F3
D * S y
(5.13)
FS : facteur de sécurité = 15
S3 : air de contact entre le profilé en L et le pivot
Sy : limite d’élasticité = 190 MPa
T3 : épaisseur du bras de levée = 0.5’ = 0.0127 m
D : diamètre du pivot = 0.0636 m
F3 : Résultante des forces du bras de levé appliqué sur le pivot = 40.81 kN
t3 
FS * F3
15 * 40810

 0.016 m
D * S y 0.0636 *  *190 *10 6
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50
6 Procédure de levage sécuritaire
La levée du mât est l’étape la plus dangereuse et critique du projet de l’éolienne. Si
cette étape est faite à la légère, des accidents et des pertes matérielles risquent d’advenir. C'est
pourquoi il est impératif de suivre cette procédure attentivement. Avant même de commencer
d’assembler le mât, il faut que les ancrages aient été conformément installés (voir section sur
les ancrages).
6.1 Procédure avant la montée
Une fois le mât assemblé et l’éolienne installée au bout du mât (au sol) comme indiqué
selon le schéma plus bas, il est important d’installer les haubans (3 câbles par ancrage) des
ancrages 2, 3 et 4 sur leurs points d’attache respectifs (joint des sections du mât). Installez les
haubans de l’encrage 1 sur l’extrémité du bras de levée de manière à ce que les 3 haubans
puissent supporter le poids du mât. Pour déterminer la longueur de câble correspondant pour
chaque hauban, il suffit d’utiliser une relation de Pythagore. Chaque câble devra être installé
selon les normes de sécurité en vigueur (voir bibliographie) et avoir des tendeurs à la base de
chaque ancrage. Cette procédure de montée est inspirée de la façon de faire d’Émile Germain
ing. spécialiste dans le domaine des éoliennes.
6.2 Procédure de montée
Il est recommandé d’être au moins 5 personnes pour monter l’éolienne afin que la
montée soit sécuritaire. Disposer une personne par ancrage (surveillant d’ancrage) et une
personne qui opère le treuil (opérateur de treuil). Le rôle des surveillants d’ancrages est de
vérifier la tension dans les haubans afin d’avertir le contrôleur du treuil si l’un des haubans
devient trop tendu pendant la montée. L’opérateur du treuil doit être prêt à arrêter la montée
de l’éolienne si l’un des surveillants en donne l’ordre. De plus, les surveillants des ancrages 1
et 2 (ou 1 et 4) (voir figure 31 et 32) doivent s’assurer que le mât est toujours perpendiculaire
aux références (voir schéma). Si pendant la montée le mât cherche à tomber sur les ancrages 2
ou 4, le surveillant doit en avertir l’opérateur de treuil afin de pouvoir corriger la situation.
Une fois que le mât a terminé sa montée, il faut commencer par défaire le câble 1 du bras de
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51
levée et aller l’installer sur l’ancrage 1 en lui appliquant une tension. Faire de même avec le
hauban 2 suivis du hauban 3. Une fois que les 3 haubans sont installés et tendus sur l’ancrage
1, on peut enlever le bras de lever du mât.
6.3 Ajustement du mât
Lorsque les haubans des quatre ancrages sont solidement installés, il reste à ajuster
l’inclinaison de l’éolienne par rapport aux références du schéma. Pour ce faire, on doit utiliser
les tendeurs de câbles installés pour cette fin.
6.4 Recommandation pendant la levée
Il est recommandé de faire un test de monté sans l’éolienne avant de monter cette
dernière. De cette manière, les surveillants d’ancrages et l’opérateur peuvent voir comment se
comporte le mât et corriger les problèmes avant que l’éolienne ne soit installée sur le mât. Il
est fortement recommandé de ne jamais passer sous le mât pendant une montée. Si une
personne doit se rendre à l’un des autres ancrages, il devra le faire de manière à éviter de se
retrouver sous le mât. Il est recommandé de ne pas interrompre la procédure de montée de
l’éolienne (dans la mesure du possible) afin de ne pas donner des coups sur le mât avec un
arrêt et la reprise de la montée (risque d’endommager le mât de l’éolienne). Pour ce faire, il
faut effectue une bonne préparation des points d’ancrage et déterminer le plus fidèlement
possible les bonnes longueurs de haubans correspondant à chaque ancrage, de cette façon, la
lever devrait se dérouler comme prévu. Il est important de noter que lorsque le mât est sur le
point d’être debout, si les haubans de l’ancrage 3 sont trop longs, le mât peut tomber de
l’autre côté (sur l’ancrage 1 très dangereux), alors il est important d’être encore plus vigilant
lorsque la montée est presque terminée.
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Figure 31 Représentation de l’éolienne debout
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Figure 32 Représentation de l'éolienne au début d'une montée
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54
7 Prix et analyse économique
Voici maintenant l’analyse économique du projet. Cette partie est sans aucun doute
l’élément clé du projet, car elle permet de déterminer si le client a avantage à investir dans
l’énergie éolienne comparativement à la génératrice. Pour évaluer la rentabilité du projet,
nous allons trouver la VAN du projet. La valeur actuelle nette (VAN) est la différence au
niveau financier entre l’état actuel du client et l’état engendré par l’investissement du client.
Elle indique en fait l'enrichissement net de l'entreprise qui découle avec la réalisation de cet
investissement. De cette manière, le client à la possibilité de comparer de manière monétaire
lequel des investissements représente la VAN la plus élevée. Comme la VAN est souvent
déterminée en fonction des marchés parfaits, nous allons utiliser l’équation de l’« Equity
Residual Method » (VAN(ER)) tiré du livre de Morissette ‘Décisions financières long terme’.
De cette manière, nous pouvons considérer le montant emprunté par le client pour financer le
projet.
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55
7.1 Prix des composantes de l’éolienne
Cette section détaille les prix de tous les composants de l’éolienne. Nous pouvons ainsi
voir la quantité d’argent que le client doit accorder à chaque aspect du projet (voir tableau 6).
De plus, un montant d’argent sera attribué à l’installation de chaque équipement proportionnel
à la difficulté de l’installation de celui-ci évalué en fonction de l’expérience de l’étudiant. Un
montant d’argent a également été attribué pour les imprévues du projet soit 10 % pour les
équipements et 50 % pour l’installation. Ces pourcentages d’imprévus ont été déterminés en
considérant le degré de fluctuation du marché et les suggestions de Yves Ruel ing. M.Sc,
chargé de cours à l’UQAT. Selon Bergey, des inspections devront être faites à des moments
précis pendant la durée du projet. Le coût associé à ces inspections est évalué à 250 $ par
inspection et a été déterminé selon l’expérience de l’étudiant et les tâches à effectuer lors de
ces l’inspections (voir annexe).
Tableau 6 Prix des différentes composantes de l'éolienne proposée
Composante
Prix ($)
Coût de l’installation
Éolienne (BWC Excel-R/48)
22 900
2 500
Onduleur (XW-Hybrid-Inverter modèle XW6048 :)
3 500
1 000
Réserve de batterie (cell 2V qt.24) Modèle (85-27) :
19 000
1 000
Panneau électrique de 2.5’ x 4’
500
100
Sectionneur monophasé 180A
100
100
ancrage
1 600
320
Câble d’acier
2 000
400
Fil électrique
1 300
200
Réorganisation du cabanon du client
1 000
100
Matériaux du mât
3 400
1 500
Imprévue
5 530
3 610
Total
60 830
10 830
Grand Total
Yan Germain
71 660
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56
7.2 Analyse économique du projet
Après avoir déterminé le prix global du projet, il reste maintenant à déterminer la
rentabilité de celui-ci afin de savoir s’il est avantageux pour le client. Pour déterminer la
rentabilité de l’investissement, nous allons utiliser la VAN(ER) comme expliquée au début du
chapitre.
7.2.1 Mensualité de paiement du projet
En connaissant le montant d’investissement, nous pouvons déterminer les coûts
mensuels d’un tel emprunt. Le client peut bénéficier d’un prêt agricole et bénéficie ainsi du
taux préférentiel accordé par les institutions financières pour financer le projet soit 5.25 %
selon la Banque Laurentienne. Selon le client, son institution financière peut lui accorder
75 % de la valeur du projet. La durée du projet est de dix ans en raison de la durée de vie de
l’accumulateur. Selon le client, le coût attribué présentement au mazout par mois est de
1000 $. Pour simuler l’inflation du mazout, nous allons supposer que le coût augmente de 5 %
par année. Des recherches sur l’évolution du mazout ont permis de déterminer un taux
d’augmentation annuelle de 22 % depuis les 3 dernières années (disponible en annexe). Nous
utilisons 5 % d’augmentation sur le mazout affin d’être plus objectif sur le projet du client.
Dans l’exemple de calcul plus bas, nous supposons que le client fait des paiements pendant
toute la durée du projet
I : montant emprunté = 72 000 * 0.75 = 54 000 $
R : versement par mois
n : nombre de versements (mensuelle) =120
i : taux d’intérêt nominal= 5.25 %
c : nombre de périodes de capitalisation dans une année = 2
v : nombre de versements dans une année = 12
j : équivalence des taux
comme c n’est pas égal à v  annuité générale de fin de période
j  (1  i / c) c / v  1  (1  0.0525 / 2) 2 / 12  1  0.433 %
(7.1)
1  (1  j )  n 
I  R
  RAn / j
j


I
R
 577 .87$
A120 / 0.433%
(7.2)
Yan Germain
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7.2.2 Valeur actuelle nette du projet (VAN(ER))
En connaissant les paiements mensuels, nous pouvons déterminer la VAN(ER) du
projet. Pour déterminer la VAN(ER), nous allons supposer que l’éolienne est capable de
combler toute l’énergie consommée par le client. L’étude des vents devrait déterminer si cette
affirmation est juste. Comme la génératrice permet de recharger les batteries lors d’une
longue période sans vent, le client n’a d’autre choix que de continuer à entretenir sa
génératrice en plus des maintenances demandées par l’éolienne. Nous allons supposer que le
client doit faire une maintenance sur la génératrice tous les 4 mois au coût de 20 $ par
maintenance (prix mentionné par le client). Le client peut également bénéficier de
l’amortissement fiscal que prend l’éolienne pendant la durée du projet. Nous allons amortir
l’éolienne à un taux de dépréciation de 20 % par année conformément à la catégorie 8
d’amortissement. Comme l’érablière est une compagnie incorporée, le taux d’imposition est
de 20 % en considérant les revenues annuelles de l’entreprise. Les recettes apportées par
l’éolienne sont égales au coût de mazout que le client aurait normalement payé avec sa
génératrice. On calcule la VAN(ER) avec la formule 7.3.
n
VAN ( ER)  
t 1
( Rt  Dt  At  INTt )(1  T )  At  RCt
 ( I  B0 )
(1  k 0 ) t
(7.3)
Rt : Recettes brutes du projet avant impôt pour la période t
Dt : Déboursés du projet avant impôt pour la période t
RCt : Remboursement du principal de la dette au cours de la période t
B0 : Montant de l’investissement financé par dette = 75 % (pour le client en question)
At : Amortissement fiscal pour la période t
K0 : Coût du capital-actions ordinaire
INTt : Intérêt pour l’année t
T : taux d’imposition marginal
K0 = r + λ1 + λ2 = 11.7 %
(7.4)
r : Taux sans risque = 4.45 % (selon Agence G. Gadoua Inc)
λ1 : Prime pour le risque de l’entreprise = 5.25% (selon la Banque Laurentienne)
λ2 : Prime pour le risque spécifique lié au projet = 2 % (Selon Décisions financières long
terme p.262)
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Après le calcul de la VAN(ER) (voir annexe), nous pouvons affirmer que le projet est
avantageux pour le client advenant une contribution de l’éolienne de 100 %. La VAN(ER)
calculée est de l’ordre de 39 082 $. Ce chiffre signifie que le client en plus d’avoir un seuil de
rentabilité de 11.7 % sur l’investissement initial, se trouve à bénéficier d’un surplus de 39
082 $.
7.2.3 Vent minimal nécessaire pour respecter la VAN(ER)
Il peut arriver que l’éolienne ne soit pas capable de combler la consommation
électrique du client en raison du vent moyen insuffisant. Cependant, le projet peut également
être avantageux pour le client, car l’éolienne contribuera à diminuer le coût associé au
combustible des génératrices. Le graphique 33 permet de déterminer le vent minimal requis
pour avoir un investissement du projet de 11.7 % (TRAM).
Évolution de la VAN(ER) en fonction du pourcentage d'utilisation de l'éolienne
8 000,00
6 000,00
4 000,00
VAN(ER)
2 000,00
0,00
VAN(ER)
31%
33%
35%
37%
39%
41%
43%
45%
47%
49%
-2 000,00
-4 000,00
-6 000,00
-8 000,00
Pourcentage d'utilisation de l'éolienne (%)
Figure 33 Évolution de la VAN(ER) en fonction du pourcentage d'utilisation de l'éolienne
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Comme la consommation moyenne du client est de 2.114 kW, l’éolienne devra fournir
environ 41 % de cette puissance soit l’équivalent de 0.8667 kW pour que le projet en vaille la
peine. Par la suite, avec la courbe caractéristique de l’éolienne nous pouvons déterminer le
vent moyen minimum nécessaire pour rendre le projet rentable.
Figure 34 Vent moyen minimal pour que le projet soit rentable
Vent minimal requis pour avoir une rentabilité de projet : 5.36 m/s
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8 Discussion
L’énergie éolienne devient de plus en plus utilisée dans le monde en raison des besoins
énergétiques et du prix des combustibles qui augmente de manière continue. Cette
augmentation d’énergie se fait également sentir au Québec plus précisément à Rémigny avec
le Domaine de l'Érablière. Le propriétaire du Domaine de l'Érablière doit, pour subvenir à ses
besoins en électricité, utilisée des génératrices à combustion qui fonctionnent toute la journée.
Les déboursés en combustible du propriétaire ne cessent d’augmenter suivant les variations du
prix des combustibles. Lorsque les déboursés deviennent trop importants, l’utilisation d’une
éolienne est généralement la solution pour devenir indépendant aux variations du
combustible.
Ce rapport a permis de voir les différents modèles d’éolienne existants sur le marché et
des composantes nécessaires pour leur bon fonctionnement. L’utilisation d’une éolienne
Bergey de 7.5 kW serait avantageuse pour le client ainsi qu’un accumulateur à batterie et un
onduleur Xantrex.
Une méthode de levée du mât a également été expliquée en détail dans le rapport pour
permettre au client de Rémigny de pouvoirs installés son éolienne sans l’utilisation de
machinerie lourde. Cette méthode de levage consiste à monter l’éolienne avec l’aide d’un bras
de levé. Le mât de l’éolienne est construit avec des tuyaux de cédule 80s standard de 8 pouces
de diamètre et doit avoir une hauteur totale de 25 m. Le pivot du bras de levée et le mât de
l’éolienne ont également été modélisés de manière à respecter des facteurs de sécurité définie.
Avant d’installer une éolienne, il est important de connaître la vitesse moyenne du
vent afin de savoir l’énergie moyenne que l’éolienne produira. Sans cette information, il se
peut que l’éolienne ne soit pas capable d’alimenter en électricité le réseau électrique qu’elle
alimente. Pour faire l’étude des vents, nous avons utilisé un anémomètre, une girouette et un
enregistreur acheté avec la collaboration de l’Université du Québec en Abitibi
Témisgamingue.
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De plus, une bonne connaissance de la charge électrique du réseau permet de bien
dimensionner l’accumulateur lorsque l’éolienne n’a pas accès à un réseau d’électricité
principal. Après des études de consommation, nous avons déterminé la consommation
moyenne du client soit 2.114 kW. Les batteries utilisées pour construire l’accumulateur de
l’éolienne sont des batteries industrielles de cellule 2 V. Le modèle nécessaire pour
l’application serai OS31 ou une batterie capable de fournir 44.58 Ah pendant un temps de
décharge de 48 heures (voir section sur l’accumulateur).
L’installation d’une éolienne est un investissement relativement important. Comme le
présent rapport en témoigne, il est avantageux à long terme d’opter pour cette forme
d’énergie. Il en devient également plus avantageux lorsque le prix de l’essence augmente. La
puissance qu’une éolienne peut fournir dans un accumulateur à basse de batterie est limitée en
raison de la taille et le coût des batteries nécessaire. Dans la situation du client du Domaine de
l'Érablière, l’accumulateur est indispensable. Pour cette raison, l’éolienne de puissance de
15 kW initialement demandés par le client a dû être modifiée par une éolienne de puissance
de 7.5 kW. L’étude de consommation effectuée chez le client a permis de s’assurer que
l’éolienne de 7.5 kW est convenable pour les besoins du client.
L’étude de la rentabilité du projet a permis de déterminer les paiements mensuels que
le propriétaire devra payer soit 577.77 $. Ce montant a été trouvé en considérant un emprunt
du client de 54 000 à un taux de 5.25 % trimestriel pendant une période de 10 ans. Comme le
client ne peut emprunter la totalité du montant d’investissement, il devra débourser au début
du projet un montant égal à 18 000$.
Le vent moyen minimal requis pour avoir une rentabilité de projet acceptable a
également été trouvé en considérant une TRAM(ER) de 11.7 %. Le vent moyen requis sur le
site du client est environ 5.36 m/s soit 19.31 km/h. L’étude des vents permettra de confirmer
où infirmer si le projet est avantageux pour le client
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9 Recommandation
Il serait avantageux pour le client d’utiliser l’éolienne pour subvenir à ces besoins en
électricité en raison du coût important que le client paye chaque mois pour son combustible.
L’analyse économique du rapport a permis de voir que si le client emprunte l’argent
nécessaire pour faire l’investissement initial, les paiements mensuels seraient inférieurs au
coût dépensé par le combustible chaque mois.
L’analyse économique a également permis de déterminer le vent moyen minimal
nécessaire pour avoir une rentabilité de projet de 11.7 %, soit un vent de 5.36 m/s. Cependant,
comme nous ne connaissons pas le vent moyen du site du client, il serait important de
connaître cette donnée avant de commencer à mettre le projet en œuvre. L’analyse
économique tient compte d’une augmentation annuelle du mazout de 5 %. Nous avons pris
comme prix initial pour le mazout un montant de 1000 $, coût moyen mensuel payé
actuellement par le client. Cependant, comme le coût du mazout varie considérablement, il
serait plus approprié de faire l’analyse en déterminant la quantité de mazout moyen
consommé par le client et de le multiplier par le coût actuel du mazout au lieu de déterminer
le coût mensuel en mazout du client depuis les derniers mois.
L’étude de la consommation électrique du client a également permis de déterminer le
prix actuel du kWh de la génératrice du client soit 0.658 $/kWh (voir annexe). Le coût du
kWh a permis de voir que la génératrice du client n’est pas efficiente en comparaison avec les
autres génératrices disponibles sur le marché. De plus, la puissance nominale de la génératrice
est beaucoup trop importante (7.5 kW) comparativement à la puissance nominale consommé
(2.114 kW). En utilisant une génératrice moins puissante, le client pourrait ainsi diminuer sa
facture en combustible. Une solution pour se faire serait de faire fonctionner deux
génératrices en parallèle. Une des génératrices marcherait en permanence et lorsque le client
tomberait en période de pointe, la deuxième génératrice permettrait de fournir l’énergie
manquante.
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10 Notions acquise
Le projet de fin d’études a permis à l’étudiant d’améliorer sa compréhension sur les
éoliennes et approfondir sa compréhension sur des notions de cours apprises pendant sa
formation.
La théorie de Betz concernant les limites de l’extraction de l’énergie du vent a permis à
l’étudiant de comprendre comment l’énergie du vent est transformée en énergie électrique.
L’étudiant a également pris connaissance de la quantité d’énergie maximale qu’il est
théoriquement possible de collecter du vent soit 60 %.
Pour faire l’étude de consommation, l’étudiant a dû se familiariser avec les
instruments d’enregistrements ainsi que le logiciel utilisé pour traiter les données. Cette
approche avec des instruments inconnus par l’étudiant lui a permis d’améliorer son
expérience et sa compréhension sur les appareils d’enregistrements des signaux.
Le calcul de la VAN(ER) permis l’étudiant d’apprendre une nouvelle manière de
quantifier une rentabilité de projet en tenant conte des aspects d’emprunt que doit faire le
client pour l’investissement initial. Cette manière de VAN devient ainsi beaucoup plus
réaliste pour l’évaluation du projet.
L’assemblage d’une station météo pour l’étude des vents dans une location donnée a fait
travailler l’étudiant sur la conception d’un support de soutien. Ainsi, l’étudiant a pu
développer son côté manuel pendant le projet.
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