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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

La figure 1b montre une de ces machines communément appelées moulin à vent. Ce amenant des innovations telles que

plus optimisées aérodynamiques et de contrôle de puissance. Au début du 19ème siècle, les

Européens ont une estimation de 1 500MW des dispositifs de puissance maximale installée provenant de ces éoliennes. fait son apparition et devient populaire aux Etats-Unis au 19ème siècle. Ces éoliens serv. Ils sont aussi à axe horizontal, comportent un nombre des pales plus élevé et sont de plus petites dimensions. La figure 1c rotor avec le vent. [8], [9]. 4 (a) (b) (c)

Figure 1

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

américaine.

I-1-2- [8], [9]

Marcellus et Joseph Jacobs commercialisent aux Etats-Unis une éolienne de petite taille

destinée aux régions rurales qui ne sont pas raccordées aux réseaux électriques (voir la figure

2b). Les travaux de danois Poul La Cour servent de base au développement du potentiel (voir la figure 2c). Ce type est inspiré des traditionnels

moulins à vent et développe la technologie éolienne en étant, entre autres, la première

éolienne testée dans une soufflerie. Les éoliennes de la Cour sont commercialisées par la

compagnie Lykkegard. 10 à 35kW sont

installées. Cependant, après la première guerre mondiale, le prix de pétrole chute, ce qui a

pour effet de freiner le développement Avec la deuxième guerre mondiale, le prix de pétrole augme au domaine éolien. omme la figure 2c indique est construite à Gedser, au Danemark en introduisant le contrôle de la puissance par décrochage qui est un concept utilisé sur plusieurs turbines par la suite. En Allemagne, Ulrich Hutter est le premier, en 1959, à construire des pales en composite indiqué sur la figure 2e. Ce dernier a aussi développé la théorie sur les éoliennestnam-Smidth de la figure 2f, développée 5 aux Etats-Unis par Palmer Cosslet et la compagnie S. Morgan Smidth, est, lors de sa construction en 1941, la plus grande éolienne jamais construite.

53.3m est resté inégalé pendant plusieurs années. Cette turbine à deux pales introduit

notamment le système de contrôle de la puissance par angle de calage tel que lon utilise sur les grandes éoliens actuelles. (a) (b) (c) (d) (e) (f)

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 I- Avant toute réalisation, on est indispensable de faire une étude préliminaire du site

Notre travail doit se con

dominantes de la circulation du vent des reliefs et des topologies sur la circulation du vent.

I-2-1) Directions [8]

Les conditions des vents définies par la norme se distinguent en deux types : les conditions normales et les conditions extrêmes. Les conditions extrêmes comprennent le profil de vent normal et un modèle de turbulence normal. Les turbulences comprennent, quant 6 à elles, des situations de rafales, de changement de direction, de cisaillement extrêmes et de vitesse extrême du vent.

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

sa température et son humidité, des paramètres qui cause de la

rotondité de la terre. Le rayonnement solaire est absorbé de façon très différente aux deux

de température provoquent différentes densités de masse son zones de haute pression vers des zones de basse pression. Leurs déplacements sont considérablement influencés par la force de Coriolis qu Sud. Le vent est ainsi caractérisé par deux (02) variables par rapport au temps : sa vitesse et sa direction.

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

A cause de la rotation de la TNord semble se

TSud, vers la

gauche. On appelle cette force de déviation la force de Coriolis 1792-1843). La force de Coriolis est un phénomène visible, par exemple, les rails

Nord, les vents tendent à

souffler dans le sens inverse des aiguilles une zone de Sud, en revanche, ils tendent à souffler dans le sens des 7

Figure 3: Force de Coriolis.

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

Dans le monde, il existe plusieurs types de vents. Parmi ces types, il y a les vents globaux tels que Nord et le Sud dans la haute atmosphère. courants Nord et Sud. On trouve aussi des vents de surface qui se situent jusqu'à environ 100m de haute sol sur , ce sont les vents de surface et

leur capacité énergétique qui présentent le plus grand intérêt. Quant aux vents de montagne,

ils donnent naissance à beaucoup de phénomènes climatologiques intéressants. La brise de vallée en est un exemple. Elle se produit sur les versants exposés au S

Nord, les réchauffements des . En

conséquence, produit.

Force de Coriolis

Hémisphère Sud

Hémisphère

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

Les de sa

puissance et de son Ils nécessitent la présence conditions telles que la courant, le terrain dont le périmètre de monuments historiques, les sites classés, etc. e éolienne dépend notamment de son emplacement. En effet, la puissance fournie augmente avec le cube de la vitesse du vent, raison pour laquelle les sites site avec des vents de 15km/h de moyenne. Une éolienne

vents sont réguliers et fréquents. Certains sites bien spécifiques disposent du vent de vitesse

croissante et sont alors plus propices (convenables) à une installation éolienne.

I-2-2-1) Effet tunnel

Entre les grands bâtiments ou dans un col étroit, le phénomène ffet tunnel peut être

observé. Le vent se trouve comprimé sur le côté exposé au vent du bâtiment ou de la

montagne, ce qui fait accélérer considérablement sa vitesse entre les obstacles. Cela implique

que, bien la vitesse normale dans un terrain dégagé soit 6 m/s, par exemple, elle atteint

facilement 9m/s dans un couloir naturel. ainsi une façon intelligente pour obtenir une vitesse de vent supérieure à celle de la zone t être enclavé de

pentes douces. Si les collines entourant le tunnel sont très rugueuses et accidentées, il peut y

avoir beaucoup de turbulences dans le vent, ainsi le vent change de vitesse et de direction sans cesse et très rapidement. La figure 4 implantation dans un tunnel, [8]. 9

Figure 4: Montage dans un tunnel [8].

I-2-2-2) Effet de colline

les éoliens sur une colline ou une chaine de hauteurs qui sont plus élevées que le paysage

environnant. Surtout, il faut de préférence avoir une vue aussi dégagée que possible dans la

ensuite, une fois passé le sommet, vers la zone de basse pression de côté sous le vent de la

colline. Comme on le voit sur la figure 5 , [8]. Figure 5: Effet de colline sur la direction du vent, [8]. Vent 10

I-2-2-3) Turbulence

Par définition la turbulence résulte des irrégularités de la vitesse et de la direction du

vent. En effet, en règle générale, les éoliennes sont utilisables quand la vitesse du vent a une

valeur comprise entre 10 et 20km/h, sans toutefois atteindre des valeurs excessives qui conduis la plus stable possible pour obtenir un rendement optimal (alizé par exemple). Certains sites proches des grands obstacles sont ainsi à éviter car le vent y est trop turbulent. Madagascar a une potentialité de vent importante entre 2 à 7m/s pour toutes les 22 s travaux de mémoire. Notrequotesdbs_dbs35.pdfusesText_40

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