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DOMAINE : SCIENCES ET TECHNOLOGIES

MENTION : PHYSIQUE ET APPLICATIONS

MEMOIRE

pplôme de

Renouvelables

Sur ETUDE CONCEPTION DIMENSIONNEMENT ET -EOLIEN A ALTERNATEUR

SYNCHRONE

Présenté par

RANDRIANARISOA Jean Romule

Devant la commission de jury composée de :

Président : Mme RANDRIAMANANTANY Zely Arivelo Professeur titulaire Examinateur : Madame RAKOTO JOSEPH Onimihamina Maître de Conférences

Rapporteurs : Monsieur RANDRIANIRAINY Huchard Paul

Monsieur MANDIMBY Junior Zoé Jean Tiganà

Maître de Conférences

Docteur

Le 27 decembre 2019

UNIVERSITE

DOMAINE : SCIENCES ET TECHNOLOGIES

MENTION : PHYSIQUE ET APPLICATIONS

MEMOIRE

pplôme de Sur

ETUDE CONCEPTION DIMENSIONNEMENT ET

MINI-EOLIEN A ALTERNATEUR

SYNCHRONE

Présenté par

RANDRIANARISOA Jean Romule

Devant la commission de jury composée de :

Président : Mme RANDRIAMANANTANY Zely Arivelo Professeur titulaire Examinateur : Madame RAKOTO JOSEPH Onimihamina Maître de Conférences Rapporteurs : Monsieur RANDRIANIRAINY Huchard Paul

Monsieur MANDIMBY Junior Zoé Jean Tiganà

Maître de Conférences

Docteur

Le 27 decembre 2019

REMERCIEMENTS

Je souhaiterais avant tout remercier toutes les personnes qui, de près ou de loin, ont Je remercie vivement Monsieur RAMAHAZOSOA Irrish Parker, Maître de Technologies pour poursuivre mes études au sein de ce Domaine et pour avoir donné son autorisation pour la présentation de ce mémoire ayant offert Physique et Applications dont elle est la Responsable. Mes vifs remerciements vont également à Madame RAKOTO JOSEPH Onimihamina,

Maître de Conférences au sein d

Renouvelables (MIER) » pour avoir accepté comme étudiant au sein dudit Parcours. Mes chaleureux remerciements vont aux endroits de Monsieur RANDRIANIRAINY Huchard Paul, Chef du Département Energétique du Centre National de Recherche Industrielle et Technologique (CNRIT) et Docteur MANDIMBY Junior Zoé Jean Tiganà pour avoir encadré les travaux de ce mémoire. Leurs conseils judicieux et aides précieuses ont permis sa réalisation. Je tiens à exprimer mes sincères remerciements à tous les membres des personnels de pour toutes leurs aides dans les volets ouvrages bois et métalliques.

moral et financier et aussi à mes collègues du Parcours MIER pour leurs appuis et

collaborations durant les études. IV

TABLE DES MATIERES

REMERCIEMENTS .............................................................................................................. III

TABLE DES MATIERES ..................................................................................................... IV

NOMENCLATURE ............................................................................................................. VII

LISTE DES ABREVIATIONS .......................................................................................... VIII

LISTE DES FIGURES ........................................................................................................... IX

LISTE DES TABLEAUX ....................................................................................................... X

LISTE DES ANNEXES ......................................................................................................... XI

GLOSSAIRE ......................................................................................................................... XII

INTRODUCTION .................................................................................................................... 1

Chapitre I : PROTOTYPE EOLIEN DU CENTRE NATIONAL DE RECHERCHES

INDUSTRIELLES ET TECHNOLOGIQUES ..................................................................... 3

I-1)

continents ........................................................................................................................................... 3

I-1-1) Premières éoliennes du monde. [1], [6], [8] ....................................................................... 3

I-1-2- ........................................................................... 4 I- .............................................................................. 5

I-2- du globe [8] ....................... 5

I-2-1-1) Origine des vents [8] .................................................................................................... 6

I-2-1-2) Force de Coriolis [8] .................................................................................................... 6

I-2-1-3) Directions dominantes du vent ................................................................................... 7

I-2-2) Influence des reliefs et des topologies sur la circulation du vent .................................... 8

I-2-2-1) Effet tunnel ................................................................................................................... 8

I-2-2-2) Effet de colline .............................................................................................................. 9

I-2-2-3) Turbulence ................................................................................................................. 10

I-2-2-4) Condi ........................................................... 12 V Chapitre II : PROTOTYPE EOLIEN DU CENTRE NATIONAL DE RECHERCHES INDUSTRIELLES ET TECHNOLOGIQUES ET NOTRE PROTOTYPE EOLIEN ... 13 II-1) Prototype du Centre National de Recherches Industrielles et Technologiques ................ 13

II-1-1) Centre National de Recherches Industrielles et Technologiques ................................ 13

II-1-2) Organigramme du Centre National de Recherches Industrielles et Technologiques 13 II-1-3) Missions du Centre National de Recherches Industrielles et Technologiques ........... 14

II-1-4) Mini-éolien de Bevalala ................................................................................................... 15

II-1- .................................................................................................. 15

II-2) Organisation des études théoriques pour notre prototype éolien ....................................... 16

II-3) Localisation du site ....................................................................................... 17

III-3- ........................................................................................... 18

III-3- ..................................................................................... 18 III- ................................................................... 19 Chapitre III : REALISATION, RESULTATS ET DISCUSSIONS .................................. 20

III-1) Générateur ............................................................................................................................. 20

III-2) Plaque signalétique du générateur ...................................................................................... 21

III- .................................................... 22

III-3-1) Dimensionnement des pales .......................................................................................... 22

III-3-1- ............................................................... 22

III-3-1-2) Diamètre du rotor ................................................................................................... 24

III-3-2) Réalisation des pales ...................................................................................................... 26

III-4) Dimensionnement et réalisation du multiplicateur de vitesse ........................................... 29

III-5) Dimensionnement et réalisation de gouvernail ................................................................... 30

III-6) Convertisseur AC-DC ........................................................................................................... 31

III- ....................................................... 32

III-8) Réalisation de la nacelle ........................................................................................................ 35

III-9) Résultats et discussions ......................................................................................................... 36

III-9-1) Résultats .......................................................................................................................... 36

VI

III-9-2) Discussions ...................................................................................................................... 38

III-9-3) Coût de la réalisation ..................................................................................................... 39

CONCLUSION ....................................................................................................................... 42

REFERENCES ....................................................................................................................... 43

ANNEXES ............................................................................................................................... 45

Annexe A : Limite de Betz .............................................................................................................. 45

ANNEXE B : QUELQUES VECTEURS ENERGETIQUES ET CEUX QUI SONT

POSSIBLES DE LANCER A MADAGASCAR ........................................................................... 48

VII

NOMENCLATURE

Lettres latines

Symbole Définition Unités

Pélec : Puissance électrique du générateur W

H : Hauteur du site M

ho : Hauteur de prise de mesure de la vitesse du vent M

Vvent : Vitesse du vent au site m/s

Vo : Vitesse du vent à la hauteur ho m/s

Pvent : Puissance du vent W

S : Surface balayée par le rotor m2

D : Diamètre du rotor M

Cp : Coefficient de performance du site

R : Rayon du rotor M

ݎ M

F : Force poussée axiale N

Rmoyeu : Rayon du moyeu Cm

P : Force du poids de la nacelle N

T : Tension du support N

R : Réaction du sol N

G : Rapport de multiplication

݀ଵ : Diamètre de la roue menée Cm

E Cm

L Cm

Lettres grecques

Symbole Définition Unités

: Vitesse de synchronisation tr/min

ij : Facteur de puissance électrique

Į : Indice du milieu

ȇ kg/m3

ȁ m/s

turb : Vitesse angulaire de la turbine rd/s

Ǻ : Angle de calage (°)

VIII

LISTE DES ABREVIATIONS

MIER : Masrie en Energies Renouvelables

CNRIT : Centre National de Recherches Industrielles et Technologiques

ECAR : Eglise Catholique Apostolique Romane

JIRAMA : Jiro sy Rano Malagasy

MESupRES : Ministère

MEF

CIDST :

RN : Route Nationale

Rpm : Révolution par minute

E : Est

SE : Sud-Est

NACA : Advisory Committee for Aeronautics

AC : Alternative Current

DC : Direct Curent

ORE IX

LISTE DES FIGURES

Figure 1: Eoliennes servant à moudre le

perse en Afghanistan ; (b) éolienne de type moulin à vent aux Pays-Bas ; (c) éolienne

américaine. .......................................................................................................................... 4

Figure 2

Brush. (b) ; éolienne de Marcellus et Joseph Jacobs ; (c) éolienne de Poul La Cour ; (d) éolienne de Johannes Juul ; (e) éolienne de Hutter ; (f) Eolienne de Putnam-Smidth ........ 5

Figure 3: Force de Coriolis. ....................................................................................................... 7

Figure 4: Montage dans un tunnel [8]. ...................................................................................... 9

Figure 5: Effet de colline sur la direction du vent, [8]. ............................................................. 9

Figure 6: Carte de la vitesse moyenne du vent à Madagascar, [5]. ......................................... 11

Figure 7: Organigramme du CNRIT ....................................................................................... 14

Figure 8: Eolien domestique à Bevalala .................................................................................. 15

Figure 9 .................................. 18

Figure 10: Organes fonctionnels .............................................................. 20

Figure 11: Schéma de la machine électrique synchrone. ........................................................ 21

Figure 12: Plaque signalétique de la machine ......................................................................... 21

Figure 13: Courbes du coefficient de puissance selon le type du rotor, [2], [6], [7], [12] ..... 25

Figure 14: Eléments caractéristiques d'une pale, [8] ............................................................... 26

Figure 15: Direction du vent sur un tronçon de pale [8] ......................................................... 27

Figure 16 ........................................................................................... 29

Figure 17 .......................................................... 31

Figure 18: Convertisseur AC-DC. ........................................................................................... 32

Figure 19: Test du pont diode redresseur. ............................................................................... 32

Figure 20: Mat de l'éolienne, [3]. ............................................................................................ 33

Figure 21: Veine de courant d'air, [9]. ..................................................................................... 34

Figure 22: Forme générale de la nacelle, [3] ........................................................................... 35

Figure 23: Eléments de la nacelle. ........................................................................................... 35

Figure 24 .............................................................................. 36

Figure 25: Courbe de la variation de la puissance en fonction de la vitesse du vent. ............. 37

Figure 26: Courbe de fonctionnement d'une éolienne, [2], [7], [11]. ...................................... 38

Figure 27 .......................................................... 45

Figure 28 ........................... 48

X

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1: Organigramme de nos travaux de projet de mémoire. .......................................... 17

Tableau 2: Vitesse moyenne et annuel du vent à Madagascar en km/h. ................................. 22

Tableau 3: Valeurs du coefficient de gradient vertical de la vitesse du vent en fonction de la

topographie, [12]. .............................................................................................................. 23

Tableau 4 .................................................................................. 28 Tableau 5 ......................................................... 35

Tableau 6: Caractéristiques techniques des appareils, [3]....................................................... 36

Tableau 7: Rapporte les moyennes des mesures des tensions et des intensités en fonction des

vitesses du vent. ................................................................................................................ 37

Tableau 8: Moyenne des mesures des tensions et des intensités en fonction des vitesses du

vent. ................................................................................................................................... 37

Tableau 9: Coût de la réalisation des éléments fonctionnels. ................................................. 40

Tableau 10 ........................................................ 40

Tableau 11: Coût de génie civil. ............................................................................................. 41

XI

LISTE DES ANNEXES

Annexe A : Limite de Betz ................................................................................................. 45

Annexe B : Quelques vecteurs énergétiques et ceux qui sont possibles de lancer à madagascar

............................................................................................................................................. 48

XII

GLOSSAIRE

Aérodynamique : L'aérodynamique est une discipline qui considère des objets aux prises avec des écoulements. Comme telle, elle constitue un chapitre de la mécanique des fluides. Que ce fluide soit de l'air, c'est à dire un gaz, ou qu'il soit un liquide, il ne change rien à la manière d'aborder les choses, et les lois qui s'appliquent aux fluides gazeux sont les mêmes que celles qui s'appliquent aux fluides liquides Simplement, si le fluide est un liquide on parle alors que

érodynamique.

Aérogénérateur : Groupe constitué par une génératrice électrique entrainée par un aéromoteur. Aéromoteur : Moteur rotatif actionné par le vent.

Alternateur synchrone: un stator et

un rotor. Le stator est constitué par une bobine et de carcasse métallique et le rotor est constitué par des aimants permanents. Ce dernier est entrainé par induit au niveau des bobinages statoriques. Le champ magnétique produit de courant électrique quand le circuit est fermé à est proportionnelle à la vitesse de rotation du rotor (ou vitesse de synchronisation). Vitesse de synchronisation : C du rotor de la machine électrique nécessaire afin de produire sa puissance nominale signalée sur la plaque signalétique. XIII Engrenage : Un engrenage est un ensemble de deux roues dentées qui tournent ensemble. Généralement, une roue est entrainée Gouvernail: Pièce du dériveur permettant de le diriger et constitué du safran et de la barre. Mât : Espar vertical qui supporte longitudinalement les voiles.

Régulateur : u

courant dérivé dans les résistances pour que la tension ne excédentaire dans des résistances. Safran : Partie immergée du gouvernail sur laquelle s'exerce la pression de l'eau. Surcharge : C'est la situation dans laquelle se trouve une installation quand celle-ci est parcourue par un courant de valeur supérieure à celle pour laquelle elle a été conçue. 1

INTRODUCTION

De nos jours, la demande sur la production d'énergie durable conduit à une multitude de solutions technologiques innovantes. Les techniques traditionnelles de production en tenant compte de la pénurie prévisible des carburants conventionnels dans un avenir proche, doivent mettre en considération leurs impacts négatifs sur l'environnement.

Ainsi, cette demande incite les ingénieurs à créer une situation forçant les acteurs impliqués

dans le domaine de la production d'énergie à explorer des nouveaux horizons. Les chercheurs ont pensé surtout à des sources dites prop , le solaire, le biogaz, la géothermie excellence dans ce domaine.

pales bien dimensionnées en fonction de vitesse du vent dans le site, la puissance de la

générateur et la nacelle composée du générateur et quelques éléments électroniques, doivent

être placées à une certaine hauteur garantissant une vitesse de vent plus forte et plus régulière,

éolienne). Un projet éolien nécessite alors une étude dans le but de reconnaitre la puissance maximale et minimale des vents et les obstacles qui perturbent leur direction. La compréhension des éolienne pilote. En effet, plusieurs études récentes sont consacrées à surmonter les une éolienne. Il convient de souligner que l'utilisation de trois pales est mieux et facile à réaliser. En ce sens, le présent mémoire ETUDE, CONCEPTION,

DIMENSIONNEMENT ET -EOLIEN A ALTERNATEUR

SYNCHRONE et présente . Un aérogénérateur de puissance 2kW est implanté dans le village de Tsarasaotra, fokontany Ambohitrambo Commune de Ramainandro et District de Faratsiho. Ce dernier se trouve dans la zone Haute- Terre de Madagascar. dans ce village est profitable grâce concernant les énergies renouvelables, doit impérativement avoir une certaine maitrise et une certaine expertise celles-ci ne sont pas suffisamment mises en exergue auparavantle but de ce mémoire. 2 Le présent manuscrit est organisé en quatre chapitres : ¾ Le premier chapitre rapporte une étude bi . Il caractéristiques. ¾ Le second chapitre décrit le prototype éolien du Centre National de Recherches Industrielles et Technologiques (CNRIT). Les organigrammes et mission du Centre sont rapportés ainsi que les avantages et problèmes posés par son prototype éolien. ¾ Le troisième chapitre procède au dimensionnement et à la réalisation de es éléments fonctionnels. Les résultats et discussions terminent ce chapitre. 3 Chapitre I : PROTOTYPE EOLIEN DU CENTRE NATIONAL DE

RECHERCHES INDUSTRIELLES ET TECHNOLOGIQUES

I-1) Evolution dans

différents continents

Quelques pays ont déjà exploité la force du vent depuis des années avant Jésus Christ.

Aussi, nous allons parler dans cette partie, à la fois, les premières éoliennes du monde et la

I-1-1) Premières éoliennes du monde. [1], [6], [8] Les premières éoliennes, selon certains auteurs, sont apparues il y a trois milles ans en Egypte et vers le septième siècle en Perse et en Chine. Ces machines sont faites de bois et de tissus et servent à moudre le grain La figure montre quelques types qui servent à moudre le grain ou à Dans les années 1ne à axe horizontal mis en rotation par

la force de portance générée par le vent sur les pales, commence à apparaitre dans le nord de

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