Étude d’un aérogénérateur Analyse fonctionnelle et comportementale

Étuded’unaérogénérateur
Analysefonctionnelleetcomportementale
Source:http://technicalillustrators.org/files/2009/11/jhatch_WindTurbine_Orig1.jpg
DELORDJean‐David,ROGEREmmanuel,LycéeMaximilienPerret–AlfortvilleAcadémiedeCréteil 

Analysefonctionnelleetcomportementaled’unaérogénérateur
Présentationdusystème Page2sur42
Sciencesdel’Ingénieur
Tabledesmatières
Présentationdel’éolienne:......................................................................................................................................4
1.1.Problématiquesurl’exploitationdel’énergierenouvelable............................................................................4
1.2.Définitiondel'énergieéolienne:......................................................................................................................4
1.3.Constitutiondel’éolienneàaxehorizontal:....................................................................................................4
1.4.Fonctionnement................................................................................................................................................5
1.5.Présentationdusystèmeétudié.......................................................................................................................5
1.6.Structuregénéraledelatransmissiondepuissanced’uneéolienne...............................................................7
1.7.Problématiqueliéeàcetteétude......................................................................................................................7
1.8.Indicationsurlasuitedutravailproposé..........................................................................................................8
1.8.1.Activitésproposées...................................................................................................................................8
1.8.2.Compétencesdéveloppéesdanscetteétude...........................................................................................9
Analysefonctionnelle..............................................................................................................................................10
2.1.Bêteàcorne....................................................................................................................................................10
2.2.Diagrammepieuvre.........................................................................................................................................10
2.3.DiagrammeS.A.D.T.........................................................................................................................................11
2.4.DiagrammeFAST.............................................................................................................................................14
Orientationdelanacelleetgestiondel’asservissementenposition....................................................................16
3.1.Déterminationdesdiamètresprimitifsd1,d2.................................................................................................19
3.2.Déterminationdelavitesseangulairemoyenneω2/1.....................................................................................19
3.3.Déterminationdelavitessetangentielle(VA2,2/1)............................................................................................19
3.4.Tempsdedéplacementdelanacelle..............................................................................................................20
3.5.Influencedel’orientationdelanacellesurlaproductionénergétique..........................................................21
3.6.Étudedusystèmed’orientationdelanacelle.................................................................................................22
3.6.1.Analysefonctionnelledel’orientationdelanacelle...............................................................................22
3.6.2.Orientationdelanacelle:fonctionnement............................................................................................22
3.6.3.Fonctionnementsouhaité.......................................................................................................................23
3.6.4.Systèmesasservis–Notions:Régulationetasservissement.................................................................23
3.6.5.Étudedel’acquisitiondelamesuredelagirouette...............................................................................24
3.6.6.Étudedel’acquisitiondelapositiondel’éolienne.................................................................................26
3.6.7.Étudeetréglaged’uncorrecteurPID:....................................................................................................27
Expérimentation:....................................................................................................................................................28
3.6.8.Étudeetréglaged’uncorrecteurtoutourien:......................................................................................30
Étudeénergétiquedelatransmissiondepuissance...............................................................................................31
4.1.Puissancetransmissibleetloisd’entrées‐sortiesdel’éolienne......................................................................31
4.1.1.Puissancedisponiblesurl’arbrelentdurotor........................................................................................31

Analysefonctionnelleetcomportementaled’unaérogénérateur
Présentationdusystème Page3sur42
Sciencesdel’Ingénieur
4.1.2.Dimensionnementdudisqueéolien.......................................................................................................31
4.1.3.Courbedepuissance...............................................................................................................................33
4.1.4.DéterminationdeL...............................................................................................................................34
4.1.5.Coupledisponiblesurl’arbrelentdurotor.............................................................................................34
4.1.6.Déterminationdurapportderéductionr...............................................................................................35
4.1.7.Validationdurapportderéduction........................................................................................................35
4.1.8.Puissancedisponiblesurl’arbrerapidedumultiplicateurPR.................................................................37
4.2.Modélisationdesliaisons................................................................................................................................39
4.2.1.Désignationdesliaisons..........................................................................................................................41
Réponseàlaproblématique...................................................................................................................................42

Analysefonctionnelleetcomportementaled’unaérogénérateur
Présentationdusystème Page4sur42
Sciencesdel’Ingénieur
 Présentationdel’éolienne:
1.1. Problématiquesurl’exploitationdel’énergierenouvelable
Ledéveloppementetl’exploitationdesénergiesrenouvelablesontconnuunefortecroissancecesdernièresannées.
Pourlesprochainesdécennies,toutsystèmeénergétiquedurableserabasésurl’utilisationrationnelledessources
traditionnellesetsurunrecoursaccruauxénergiesrenouvelables.Lesénergiesrenouvelablesconstituentdoncune
alternativeauxénergiesfossilesàplusieurstitrescarellessontgénéralementmoinsperturbatricesde
l'environnement:
 ellesn'émettentpasdegazàeffetdeserreetneproduisentpasdedéchets;
 ellessontinépuisables;
 ellesautorisentuneproductiondécentraliséeadaptéeàlafoisauxressourcesetauxbesoinslocaux;
 ellesoffrentuneimportanteindépendanceénergétique.
LaFranceestenretardsurlesimplantationsd’aérogénérateurs,enraisondel’énergieproduiteparlescentrales
nucléaires:notrepaysdisposeencorede17centralesthermiques,trèspolluantesetquiserventàproduirele
complémentd’énergienécessaireencasdepicdeforteconsommation.LaFrancedisposepourtantdudeuxième
gisementÉoliend’Europe.(Ressourcesenvent).
Au1erjanvier2014,laFrancedisposed’unparcde4058aérogénérateursetunepuissanceinstalléede6640MW
soituneprogressionde15%enuneannée.http://fee.asso.fr/centre‐infos/cartographie
1.2. Définitiondel'énergieéolienne:
Unaérogénérateur,pluscommunémentappelééolienne,estundispositifquitransformel'énergiecinétiqueduvent
enénergiemécaniquedisponiblesurunarbredetransmissionpuisenénergieélectriqueparl'intermédiaired'un
générateur.
1.3. Constitutiondel’éolienneàaxehorizontal:

Analysefonctionnelleetcomportementaled’unaérogénérateur
Présentationdusystème Page5sur42
Sciencesdel’Ingénieur
Lerotorpossèdetroispalesquipermettentdecapterl’énergieduventetdelatransféreràl’arbrelent.Unsystème
hydrauliqueouélectriquepermetd’orienterlespalesetderégulerlafréquencederotationdurotoràunevaleur
constante.Lespalesfournissentégalementunfreinaérodynamiquepar«miseendrapeau»ouseulementpar
rotationdeleursextrémités.Unmécanismeutilisantdesmoteursd’orientationpermetd’orienterlanacellefaceau
vent.Unanémomètreetunegirouettesituéssurletoitdelanacellefournissentlesdonnéesnécessairesausystème
decontrôlepourorienterl’éolienneetladéclencheroul’arrêterselonlavitesseduvent.
1.4. Fonctionnement
Quandleventselève,l’unitécentralegrâceàlagirouettesituéeàl'arrièredelanacelle,commandeauxmoteurs
d'orientationdeplacerl'éoliennefaceauvent.Lestroispalessontmisesenmouvementparlaseuleforceduvent.
Ellesentraînentavecellesl'arbreprincipalquiestliéàl’arbred’entréedumultiplicateur.
Dèsquelavitesseduventserasuffisante(4m/ssoitenviron15km/h),l'éoliennepeutêtrecoupléeaugénérateur
parl’arbredesortiedumultiplicateuretpeutfournirdel’électricitéauréseau.Lespalestournentalorsàune
fréquencederotationde30toursparminuteetentraînentlegénérateurà1500toursparminute.Cettefréquence
derotationresteraconstantetoutaulongdelapériodedeproduction.Lorsquelavitesseduventatteint(14m/ssoit
50km/h),l'éoliennefournitsapuissancenominale.Legénérateurdélivrealorsuncourantélectriquealternatifàla
tensionde690voltsà50Hzdontl'intensitévarieenfonctiondelavitesseduvent.Ainsi,lorsquelavitesseduvent
croît,laportances'exerçantsurlespalesaugmenteetlapuissancedélivréeparlegénérateurs'accroît.
Pourdesvitessesdeventsupérieuresà14m/s(soitenviron50km/h),lapuissanceestmaintenueconstanteen
réduisantprogressivementlaportancedespales.L’unitéhydrauliquerégulecetteportanceenmodifiantl'anglede
calagedespalesquipivotentsurleursaxes.
Lorsquelavitesseduventdépasse25m/s(soit90km/h),lespalessontmisesendrapeau(parallèlesàladirectiondu
vent)etleurportancedevientquasimentnulle.Tantquelavitesseduventrestesupérieureà90km/h,lerotorde
l’éolienneest«enrouelibre»etlegénérateurestdéconnectéduréseau:l’éolienneneproduitplusd’électricité.
Dèsquelavitesseduventdiminue,l’éolienneseremetenproduction.
Toutescesopérationssontentièrementautomatiquesetgéréesparl’unitécentrale.Encasd'arrêtd’urgence,un
freinàdisqueplacésurl’arbrerapidedumultiplicateurpermetdestopperl'éolienneafind’évitersadestruction.
Aupieddel’éolienne,untransformateurconvertitlatensionde690voltsen20000volts,tensionduréseaunational
d'ÉlectricitédeFrancesurlequeltoutel'électricitéproduiteestdéversée.
1.5. Présentationdusystèmeétudié
L’éoliennequenousallonsétudiercorrespondàlacatégoriemoyenneselonsapuissancenominaledélivréeau
réseau.Ils’agitdel’éoliennepolyvalenteV52‐850kWfabriquéeparlasociétéDanoiseVESTAS.
Voicisescaractéristiquestechniques:
Diamètredurotor:àdéterminer Vitessedecoupure:25m/s
HauteurduMoyeu:55m Freinaérodynamiqueetrégulationdespalespar3
vérinshydrauliquesindépendants
Vitessededémarrage:4m/s
Générateurtype:asynchrone
Puissancenominale:850KW
Tension:690V50Hz
Vitessenominale:14m/sFréquencederotationdurotor:30tr/min