3.... CYCLE
~SEIGNEMENT SUPÉRIEUR
N° d'ordre: 2108
...
\\
...
. ,
THESE
\\ ~'
\\
PREsENTEE DEVANT
L'UNIVERSITÉ DE BORDEAUX 1
POUR OBTENIR LE TITRE DE
DOCTEUR EN GÉNIE MÉCANIQUE
PAR
Romain
NIERE
ÉTUDE D'UNE STA TIaN AÉROGÉNÉRATRICE
UTILISANT UN ROTOR DE DARRIEUS
Soutenue le 12 Décembre 1985, devant la Commission d'examen:
M.
? MORLiER
Pré1ident
D. BERNARD
J.? CALTAGIRONE
Exominoteuf1
J.? DRIVIERE.
J. ROTURIER
-
1985
-

---

A mon père,
A ma oère,
A mes
frères et soeurs,
A tous ceux qui ce sont chers.
A mes amis,
A tous mes compatriotes
à Bordeaux

---

A la mémoire de Bernard SABOYA

---

1
".
1
,1
Le ~v~ ~~é~enté danh ~e mémo~e a été e~~ectué ~ te ~~e
du. Labo.':.a.-Co~e de Gé/Ûe Ci..vi.l. q0. e4t cU/t..i.gé palt MOI1~ùu,~ .le P.':..Q ~ ~~ eu,~
P. MORLIER. Je û.U. v::p.'t..<ine ma ~w~cllde g.'t.iLU-tude POUIl ~cn a~~u.u..e. et l'a..t-
~I ten.W1l ~oU-te.tu.Le qu'i.l. a eu. pou,.,~ ~e .t'tavai.l..
tl
Mon6.i.euIt. te P~~e44eu1t. VRIVIERE de l'ENSAM de PARIS m'a ~ait t'hon-
neu,.,~ de juge,~ malt ~va..il.. Qu'i.l. .twu.ve .i.u l' e.x.p.~e4~-i..o11 de ma. p~o~onde
jl IlttOtt1UI...i.2.~a.n~e.
1
Je Ile.me..'lue MOn6..leult. le Pllo~~~eu,~ CALTAGIRONE, Vüe~.teult. du LEPT-
ENSAM; d' avo~ ~w ~ottna..i..bha.n~e de ~e mémoüe et de pCl/t.t..i.c.tpeA a.u. jl.VUJ.
1
Monûeu,.,~ le PIlO~eA~eu,.,~ ROTURIER de .e.'A.F.M.E. a l.0.vi.. ~e .t'tava..il.
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depu-w .e.e débu.-t et m'a cU.dé palt ~e4 ~Jnl.UL6 a le mene!t. a bÙn. Qu.'i.l.
1 VelJ..(,P.l..e bi.-en .t'tCuve!t. ..lu .t'ex.p.~~ûon de ma g.'ta..Û..tude.
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MCI1l.i.-e(J.,~ BERNARV, Clta--~gé de Re~he..u.he.!. au CNRS, a ci0':...i.9 é ~e.,Ue
J thè~e. Sa ~ompétell~e et ~~ qu.a.U.A:é~ Iu.unt:Lût~ m'o,tt été d'une a...i.de pllé-
ue..u.!Je. Qu' i.l. \\.:eu.il..e.e .t~OuVelt. .i.u .e.' ex.p~e.!..~i..ol1 de m~ v.i.~~ .~e..",e,~uemv1.-Ù.
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,'.lct~Ü'.u·'t. SABOYA, 1.la.U~e.-M~.0Ita.'t.-t à .t 1 Utuve..'l..~.i.té de. Bc.wea.u.x. I, a
été à .e. 1 o.'li..gi..Jle de ce. ,c,-..a.va..il., avant de fupa/uu..C'le. .t.wg.ù{ue.rr:vtt. Il a w
, m'.utté.~e..~.;e..~ à. Wl dC~la..i.J1e peu c.onnu que. c.e..e..u..L de i'é>1e..~gi..e. écUvme. Je ne
plU.'; ex.p/t.i..me..~ i..U que me...!. p.w ~OI1d.~ lleg.Hè.w pCI.J.,~ bCIl ab·H.J1c.e. e...<: rru .!>.ulc.èlle.
.'le~cnl1a.(..;janc.e po~ JOI1 e.11~ad.~eme.rl.-t.
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Je .'te.'71e..'lue l.loll.~.i.eUo't VASPET,
Illgé'ueu~ au C.E.A. de. 30.wea.ux., pou,~
• l'a..i.de. qu'û a I.'C'uJ:u m'a.PPO'l..te..~ daJU .L'itabo'lCl.t<-Oil de ~e ,t';J;.I.'a.i.l.
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de ce mémo.üe.
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1 CO't0'ta-t Ilo 10/50), et .t'Agence Fw.l!ccU.~e 1;'C~<·'i. W ,I.!a.~ù~e de i' EIli!.,'tg.ü, :Cc.t.t'ta-t
nO 32173150).
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SOMMAIRE
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1
INTRODUCTION
il
l
GENERALI TES
II -
LE VENT
;1
1 -
Le gisement éoLien à L'écheLLe de La pLanète
1
2
Le gisement èoLien à L'écheLLe locale
3 -
Expression de La vitesse du vent
1
a) - mesures
..
b) - Lois de distribution
4 -
Régime du vent et performances des éoLiennes
1
5
Le vent dans La région de Bordeaux
a) - données de La MétéoroLogie NationaLe
(aéroport de Mérignac)
i
1
,
,
b)
vent sur Le si te IUT "A"
!,
6 -
ConcLusion partieLLe
..
III -
DIFFERENTS TYPES D'EOLIENNES
J
1 -
EoLiennes rapides et éoLiennes Lentes
2 -
Puissance d'une éoLienne et utiLisation
3
Classification suivant La position de L'axe de rotation
a) - axe horizontaL,axe verticaL
b) - comparaison de deux éoLiennes rapides
1
IV -
PROGRAMMES RECENTS ET EN DEVELOPPEMENT
1
1 -
A L'étranger
2 -
En France
... / ...

---

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1
1
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EOLIENNES DARRIEUS
1
1 -
Théorie aérodynamique
t
a) - Limite de Betz
i
1
;
b) - fonctionnement simpLifié
,
2 -
ModèLes pour le caLcul des performances
a) - théories de quantité de mouvement
b) - théories tourbiLLonnaires
VI -
AEROGENERATEUR DE L'IUT "A"
1
1
Description
2 -
Rotor
1
3 -
Génératrice
a) - machines éLectriques utiLisées par Les
..
aérogénérateurs
b) - génératrice de L'aéromoteur de L'IUT "A"
.:".
'"
i
4 -
MuLtipLicateur
t
1
5 -
Haubannage
]
VII -
REGULATION
J
RéguLations mécaniques
2 -
RéguLations éLectriques
1
•
3 -
RéguLation de L' aéromoteur de L' IUT "A"
,
a) - principe de la régulation par ada~tation
de La charge
•
b)
régulation par microprocesseur
c) - acquisition de La vitesse du vent
d) - acquisition de La vitesse de rotation
1
e) - La charge
Il
f) - principes et organigrammes du programme de
réguLation
1
,
..
... / ...
1
1

---

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1
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VIII -
RESULTATS
1
, -
Buts et principes de mesure
a)
-
résistance induit-Ligne
b)
paramètres de frottement et d'inertie
1
c)
fréquence de résonance des cab Les
d)
- vitesses d'accrochage,
de décrochage,
résistances de charge
1
vitesse du vent
"
2 -
Expérimentation et résuLtats
a) - résistance induit-Ligne
1
b)
-
paramètres de frottement et d'inertie
c) - fréquence de résonance des haubans
d)
vitesses d'accrochage, de décrochage et
résistances de charge
"•
e) -
vitesse du vent
·
"·,
1
1
IX -
SIMULATION
1
1 -
Modele
al - aspect théorique
bl - aspect numérique
,
cl - organigramme
2 -
Résultats de la simulation
•,•
x -
CONCLUSION
,
,
ANNEXES
1
.'
Etude économique
2 -
SymboLes et figures
1
1
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1
l N T R 0 DUC T ION
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1
Ce mémoire est consacré il L'étude d'une éolienne Darrieus fonctionnant
l'IUT "A" de Bordeaux.
~I il
Il est d'abord présenté le cadre général du travail, Qui traite dans
les cinq premiers chapitres, du vent, de différents types d'éoliennes et des
'1 éoliennes Darrieus.
Le chapitre VI décrit l'aérogénérateur étudié
rotor, génératrice,
multiplicateur, haubannage.
Le chapitre VII est consacré aux procédés de régulation et il la régu-
lation de l'aérogénérateur étudié: l'3utomatisation d'une éolienne par micro-
, processeur permet en effet le lancement, la régulation et l'arrêt d'urgence.
Il
Le chapitre VIII donne les résultats de l'expérimentation (frottements
~".
et inertie, résonance des haubans, vitesses d'accrochage et de décrochage).
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1
Le chapitre IX présente enfin une simulation numérique du fonctionne-
.
ment de l'éoLienne étudiée, dont les résultats sont comparés aux résultats
expérimentaux.
1
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-
GENERALITES
1 L'utiLisation de L'énergie éoLienne par l'humanité remonte à l'Antiquité.
tI navigation à voiles apparut en premier. Ensuite vint le moulin à vent que l'on
l'ouva it déjà en Perse au début de notre ère.
Au 11ème et 12ème siècle après J.C., les croisés ramenèrent l'idée en
1
Europe, oû elle prit forme et se développa avec Les mouLins à vent à quatre ailes
~ croix servant à moudre le blé, tirer l'huile des graines et des noix ••
En Hollande, l'emploi de ces moulins, à partir de 1350, permit l'assèchement des
lerrains pris à la mer (polders)
iCUNTY, 19791, (LE GOURIERES, 19801.
Les mouLins furent introduits en Amérique au 17ème siècLe, mais la concur-
I ence de l'énergie hydraulique fut trop forte. Ce n'est qu'au milieu du 19ème siècle
que L'éolienne de pompage multipale fut développée et son usage se répandit pour
If'approvisionnement en eau de l'homme, du bétail, et des premières locomotives à
vapeur.
1
c'est à La fin du 19ème siècLe, que vit le jour le premier aerogenerateur
(éoLienne couplée à une génératrice). On se servit beaucoup. de petits aérogénéra-
IIteurs entre 1920 et 1930, dans le Midwest (USA), et ce, jusqu'à l'electrification
de Lac a mp ag ne
1DIVO NE, 19831.
1
La muLtipale revint, en Europe sous le nom de moulin américain, après son
1expansion aux USA (fin du 19ème siècle).
En France, les premiers aérogénérateurs furent l'oeuvre de DARRIEUS. Entre
11929 et 1931, il conçut 3 éoliennes à axe horizontal, dont la réalisation a été
faite par la "Compagnie Electromecanique" ILE GOURIERES, 19801.
1
Le développement de l'énergie éolienne s'arrêta vers 1940 aux USA, tandis
1qu'il continuait en Europe (Angleterre, Allemagne, Danemark, France). En France,
par exemple, l'effort était orienté vers les appareils de grande
puissance, sous
L'impulsion d'E.D.F ••
1
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Ainsi avaient été construits Les aérogénérateurs "Sest Romani" pouvant pro-
500 klo' sur Le réseau, deux "Neyrpic", L'un de 132 kW, L'autre de 1 Mw,conçus
par L. VADOT pour la Société Neyrpic.
~I Le faibLe prix du pétroLe, vers 1967, porta un coup d'arrêt à ce programme,
partout en Europe, IDIVONE, 19831, ILE GOURIERES, 19801.
La crise de l'énergie a relancé l'intérêt accordé aux éoLiennes, ceLa après
Des programmes de construction d'éoliennes de grande puissance (de L'ordre du
:~) raccordées aux réseaux nationaux ont été Lancés dans Le monde, et des organismes
li(écialisés ont été crées. Le rôLe moteur de L'Etat dans ce renouveau est à souli-
'gner. Ainsi, Le vaste programme de recherche en énergie éolienne lancé par les USA
;
'1 1973 est financé pour la majeure part par l'Etat américain par l'intermédiaire
.
abord de La NASA, ensuite de l'ERDA, et finaLement du DOE (Département of Energy).
Ir france, c'est L'AFME (Agence Française pour La Maîtrise de L'Energie), successeur
~.
IJ COMES, qui joue ce rôLe IGOETHALS, 19801, ICASTELLO, 19841, IEnergies NC'uvelles,
19841.
, .
..-,
1
. ~
Le comportement aérodynamique d'une hélice d'éoLienne n'étant pas très dif-
1
I~rent de celui d'une héLice d'avion, il a été fait appel aux grandes sociétés
t
eronautlques pour La réalisation d'éoliennes de grande puissance, leur dimension
'(
Ifxigeant l'utilisation des :echniques de pointe de l'aéronautique. Par exempLe,
lIux USA, la NASA s'est adressée à General Electric et à Boieng IGOETHALS, 19801.
i
i
1
1 En France, L'AFME a choisi L'ONERA (Office NationaL d'Etudes et de Recherches
1
Aérospatiales) pour La coordination du programme de recherche. L'ONERA s'est adjoint
It0u~_p~rte~aire d~ns la réalisation des éoliennes de moyenne et grande puissance des
OCletes aeronautlQues telles que la SNIAS, RATIER-FIGEAC, LATECO~RE ...
l'CASTELLO, 19841, !Energies Nouvelles, 19841.
'1
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L'énergie éoLienne a donc retrouvé une pLace parmi les énergies renouvelables.
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Figure 1: RouLeaux convectifs Lors de La circuLation Générale
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(RErlENIERAS,'976)
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1 1. Le Gise,~nt éolien à l'éçhelle de la planète
~I
La circuLation atmosphérique est due à une cause principaLe: L'échauffement
~on uniforme de La terre par Le soLeiL (rayonnement soLaire pLus important à L'é-
:~teur qu'aux pôLes). En pLus du soLeiL Qui est Le moteur de cette circuLation,
.Jlautres facteurs déterminent son aLLure généraLe. Ce sont La rotation de La terre
liiéviation par effet de Coriolis) à l'échelle globale, les frottements et Les vis-
~lIsités à un niveau plus local.
~I
Cette action du soLeil se traduit par des mouvements convectifs structurés
[en 3 rouLeaux par hémisphère. Le courant ascendant dans Les rouLeaux donne naissance
~ldes basses pressions (basses pressions équatoriales et poLaires), et Le courant
..'
f scendant à des hautes pressions (subtropicaLes et poLaires). Ces rouleaux créent
~
ilu niveau du soL une circulation aLlant des hautes pressions (ou anticyclones) vers
t es basses pressions (ou dépressions), ilLustrée par Les aLizés dans Les zones tro-
~ picales, et les vents d'Ouest dans les zones tempérées jLE GOURIERES, 19801 (Figure 1).
II
L'énergie cinétique correspondant à la circulation de l'at~osphère est estimée
~ à 2 7. de l'énergie solaire incidente dont 35 ï. se trouvent localisés à moins d'un
llJilomètre du sol. Il n'est pas envisageable de récupérer la totalité de cette énergie
l pour des problèmes de hauteur des instalLations et de surface occupée au sol. En se
1=·
1imitant à une fraction récupérable de 10 ï., on obtient une énergie disponibLe de
~ 'ordre de 1,3 x 10'· k~h par an. Ainsi, l'énergie des mouvements atmosphériques
I
~ captable équivaudrait à 20 fois la consommation énergétique mondiale estimée en
1980 IGOETHALS, 1980\\.
~
:<:;
2.
Le gisement éolien à l'échelle loçale
La description des mouvements de L'atmosphérique à l'aide ces zones de basses
hautes pressions n'est que schématique, car ils sont perturbés par le reLief,
les Océans, la succession des saisons •••

---

1
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1
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1
(e)
Figure 2: Effet des collines sur l'écoulement
1
(JUSTUS,19GO)
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1
1
1
1
1
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Figure 3:Silla~e d'un batiment à angles vifs
(JUSTUS,1930)
1
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---

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Gi-iï"-iïj"ili1i;i;'Ii;"tlôl~d'1i:"iil'bimg''ïi:"iOÏni.iiiarilil'ili&m;;li:
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Figure t.: Variations rapides du vent sur Le site de L'I.U.' A
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H. T, U.
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Figure 5: Variations journaLières du vent
(données météo,Mérignac)
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1
Loin du soL (au-dessus de 1500 m), Le champ de vitesse de vent peut être
.~écrit en tenant compte des anticycLones, des dépressions, et de L'effet de CorioLis.
Dans certaines zones, ce dernier peut avoir un effet important; par exempLe aux
Itautes et moyennes Latitudes
La direction du vent.est quasi paraLLèLe aux isobares.
;1
En se rapprochant de La surface de La terre, Les frottements deviennent impor-
~ tants par rapport à La force de CorioL is, ce qui entraîne La diminution de La vitesse
du vent et L'augmentation de sa turbuLence. La région où Le soL
fait sentir ses
leffets est appeLée couche Limite atmosphérique.
1 Ce champ est infLuencé de manière importante, à des degrés divers, par Les
différentes sortes d'ob~tacLes qu'iL rencontre. C'est Le cas des chaînes de monta-
Ignes, et des océans. Les coLLines et Les faLaises accéLèrent (pente douce) ou
décéLèrent avec augmentation de La turbuLence (Figure 2). Les bâtiments et Les
arbres freinent Le vent et Le rendent pLus turbuLent par effet de siLLage (Figure 3).
lA ces obstacLes physiques s'ajoutent d'autres causes de variations qui so~t Les
effets thermiques (brises).
1
Après Les variations spatiaLes de La vitesse du vent vues ci-dessus, nous
aLLons nous intéresser à son évoLution dans Le temps. ELLe peut être considérée
1à pLusieurs écheLLes. Nous avons tout d'abord Les changements rapides aLéatoires
de L'ordre de QueLques fractions de secondes à QueLques minutes, qui sont Liées
1aux caractère turbulent de l'écouLement (Figure 4). Ensuite, viennent les variations
cycliques Qui correspondent à l'aLternance jour-nuit (iL y a souvent pLus de vent
1au milieu de la journée que La nuit) (Figure 5), celLes Qui sont de l'ordre de 3
ou 4 jours (perturbations cycloniques), et ceLLes Qui sont saisonnières (Figure 6)
1(il y a plus de vent en hiver qu'en été) ILE GOURIERES, 19801, !SACRE, 19821,
IDUCHENE MARULLAZ, 19821.
1
3.
Expressions de la vitesse du vent
1
ELLe varie dans L'espace et dans Le temps d'une manière assez compLexe.
D'où L'introduction des méthodes statistiques pour obtenir des résultats utilisables.
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2
•
mois
J
F M A M J
J A S O
N
0
Fiçure 6: Variations saisonnleres du vent
(données météo,Méri9nac)
....
Fréquence
Durée en jours
'aa
"
•
H'
, ,a
Loi de distribution
de IJEIBULL
le
Loi de \\.J El 8 UL L
lit
1
Données t"étéo
,aa
corri"ées
f - - - - DCI'r·~"s météo
•
corri,ees
..1
llP
•
.a
"
, .
"lie
Figure : 7 Fonction de répartition des
Figure 8
Densité de probabiLité (Bordeaux
vitesses de vent à Bordeaux
aéroport de Mérignac)(BOULAY, 10
(Aéroport de Mérignac)
<BOULAY, 1980)
,
1
il

---

- - - ---~--.- -- ---.--:
-.-, h
-11-
1
J;ii
i
a)
mesures
:i
Cette vitesse, notée V en fonction de la hauteur z peut s'expri~er par les
relations suivantes
- dans le cas d'un sol homogène et de stabilité dite neutre
u
vez) = .::i Log -L
(1)
k
Zo
avec
U* la vitesse de frottement,
k
la constante de Von KARMAN (= 0,4),
Zo le paramètre de rugosité dépendant de la nature du sol.
- et plus généralement, on a la formule empirique
(2)
v 'f
vitesse moyenne de référence à la hauteur z 'f'
re
re
a
paramètre dépendant de la rugosité jSACRE, 1982\\,
1
IOUCHENE MARULLAZ, 19821.
l1
i1
'J
Les données météorologiques qui sont les premiers éléments d'esti~ation
du
•1i
,r0tentiel éolien d'un site
sont traitées statistiGuement et présentées sous forme
îlJe courbes.
la vitesse du vent, (données météo), et en
1
Ces dernières ont en abcisse
rdonnée soit:
La durée annueLLe des vents superleurs à cette vitesse
(fonction de répartition, Figure 7),
1
- sa fréquence annueLle en ï. (densité deprobabiLité, Figure- 8),
La fréquence annuelLe des vents supérieurs à cette vitesse
(courbe des fréquences cumulées
Figure 9),
!
1
!
- son énergie annuelle en kwh/~2(Figure 10).
1
b)
lois de distribution
Il
Elles sont utilisées pour prédire la direction ou la vitesse du vent. Cette
i
, dernière est assez bien modél isée par la loi de WEIBULL
IJUSTUS, 19801.
!,,
,
1
1
1
,
1
ii
.
1

---

•
-12-
•
FréQuence
J
1
75
Loi de IoIEIBULL
69, 9'r------,-~ ..........
r-é;:éo corriç;ées
1-
J
]
]
v
o
6
(Bordeaux,aéroport de Kériçnac)
(S0ULAY,19S0)
([)OULAY,19SOi
•
-
•
",
•
-i'" .,
,-'
tA
~ ';.
\\
•
. ( J
"?....'-l
1.1
'.'
A
Figure 11: C~rte des valeurs des coefficients de ~EIBULL ~n France
,
(OUCHENE-MARULLAZ, 1977)
~ _ .. ,
..

---

_-libp§i."~~i2fW@L_:~o~~~o~--·-'--'~N&ffi;~·--~
1
-13-
..j
..'
Elle correspond à la relation suivante
~,
p
~ +A'lp~cr']
(3)
,CV) •
1
Pd:
densité de probabilité,
:.
C
facteur d'échelle,
A:
facteur de forme,
··1iI
On peut en déduire:
la probabilité que V soit supérieur à Vx
(4 )
la vitesse moyenne:
(5)
r
fonction Gamma.
1
Les valeurs de A et C sont données, pour la France par les cartes tracées
DUCHENE MARULLAZ \\1977,
(Figure 11).
r
1 4. Régi~e èe vent et performances des éoliennes
1 Les principaux paramètres du vent influant sur les performances des éoliennes
font
- sa vitesse moyenne,
- sa variabilité spatiale (avec l'altitude),
1
- sa variabilité temporelle en intensité et en direction (rafales).
La puissance Pv disponible sur une veine d'air de section S est
·1
P
= 1 PSv l
(6 )
~I
V
2
.
où
Il
est la masse volumique de l'air,
1 et
V
sa vitesse.
1
~------------------

---

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-
L._ _-------L.--
- - ' - - - - '
..
FiQure 12: Carte ce france de l'énerQie éolienne récupérable par an
2
(en k\\olh/rr. )
(DUCHENE-~'ARULLAZ, 1977)
•
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-15-
•,
ÎÎ
La puissance moyenne recueiLLie par un aéromoteur est proportionneLLe à v3
(V)3, La vitesse moyenne au cube. Le
If moyenne du cube de V Qui est différente de
,~pport entre ces vaLeurs moyennes peut être évaLué à partir des caractéristiques
statistiques de La vitesse du vent en un site.
La reLation (6) permet L'introduction d'un coefficient adimensionneL Cp, Qui
-1est Le coefficient de puissance caractérisant une éoLienne
{'
:~.
(7)
p
puissance captée par L'éoLienne,
S
Section de La veine d'air interceptée par L'appareiL.
Sa vaLeur maximaLe théorique a été caLcuLée par BETZ, pour Les éoLiennes à
~~xe horizontal, et est appeLée Limite de Betz. Mais eLle est aussi considérée comme
Limite, jusqu'à présent, pour Les éoLiennes à axe verticaL (voir V.1.a).
"
•
La variation avec l'aLtitude intervient dans le choix de la hauteur du pylone,
:Icar La vitesse croit avec la distance par rapport au soL, donc La puissance aussi.
'iMais un pylone de taiLLe trop importante anéantit cet avantage par son coGt trop
élevé comparé à l'apport supplémentaire de puissance \\JUSTUS, 1980!. Pour les
]grandeS éoLiennes, la vitesse du vent dans La partie supérieure du rotor est plus
éLevée Que dans la partie inférieure, d'où l'apparition de contraintes cycliques
! sur les paLes pour les appareils à axe horizontal et d'efforts de torsion pour le
•
rotor des appareils à axe vertical.
Les rafales jouent sur la puissance de sortie du rotor. La turbulence agit
favorablement en ce Qui concerne les caractéristiques aérodynamiques Ide St LOUVENT,
19821. Mais elle a aussi un effet néfaste car le changement de direction du vent
crée des effets gyroscopiques sur les éoliennes à axe horizontal.
5.
Le vent dans la région de Bordeaux
!l;o
li
O
1 D'après la Fig~re 12, l'énergie éolienne annuelLe récupérable dans la région
de Bordeaux est estimée à 500 kWh/ml/an, ce qui montre Que la région n'est pas
très ventée par rapport à d'autres zones telles Que les côtes bretonnes.
1
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III
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1
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1

---

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_.
.'=-:?~-.
i
11
a)
données de la Météorologie Nationale (aéroport de Mérignac)
Elles ont été exploitées suivant la méthode présentée au paragraphe 11-3.
Les résultats sont présentés sur les Figures 7, 8, 9 et 10.
Vu les caractéristiques du site (anémomètre à 11 m du sol au lieu de 10 et
site qui n'est pas de rase campagne), les données brutes ont dues être corrigées
IBOULAY, 19801. Elles ont été multipliées par 1,18. Ce coefficient est égal à
C(z) où C(z) tient compte des variations de la vitesse du vent avec l'altitude et
de la rugosité du sol.
C(z) :: V(z) ::b
Log
Z
(8)
V
Zo
o
U*
avec
b : : - - - - - - - , - -
(9)
j
.~
--.1.L
U* Re Log zORC
i
1
.,
ZORC
rugosité en rase campagne,
U*RC
Vitesse de frottement en rase campagne,
Vo
Vitesse moyenne à 10 m en rase campagne.
A ces courbes sont superposées celles obtenues par La distribution de WeibuLL
, (~.(3) dont les coefficients A:: 4,4 et C:: 1,5 sont tirés de La carte de DUCHENE
/'lA RUL LA Z.
•iil Les données météo montrent que Le vent Le plus fréquent est compris entre
3 et '- mIs, et il est estimé à 2,1m/s par la Loi de 'WEIBULL. La vitesse la plus
productive est de L'ordre de 7 mIs.
Nous remarquons donc, après observations des Figures 7, a, 9 et 10 que la
loi de WE1BULL Cavec Les coefficients correspondants) suit assez bien Les données
ait~orologiques, malgré le léger décaLage concernant La courbe de fréquence annuelLe.

---

-18-
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~esures
Bâtiment
Phys;qGes
•
Fi('ure
14: L'I.U.T. A et
les environs
'*
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1
1
1

---

r.
il
-19-
~
1
1
1
--~---44 m -------1-
1
Figure 13: Oâtiment ~esures Physiques et aérogénérateur
1
",(" c
~::-:-::===-:--=.
-=~.--=-=-::-:-.===~_. _.-
.,
Fi"ure 15: Silla"e en hauteur et en lar"eur c'e.,,', bât;r-ent
•
(J LS TUS, 1 9Cù)
,..
0.7 h
h
Figure 16: Perturbation sur une falaise
·1

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Il
1i
1
11
b) Vent sur le site de l'aérogénérateur de l'IUT "A"
1.!ï
Cet aérogénérateur est situé sur Le toit du département "Mesures Physiques"
:11 de L'IUT "A" de Bordeaux. L'Institut étant situé en banLieue, la rugosité est supé-
1.
rieure à ceLLe des environs de La station de La MétéoroLogie NationaLe __~""oW.J
,,1
été confirmé par des mesures de vitesse du vent qui ont montré par rt.awort
: ,-','
"
'
nées de La MétéoroLogie :
h l
,
des variations journaLières sembLabLes,
II
- des intensités inférieures.
Il
Le bâtiment supportant L'éoLienne <Figure 13) est pLacé
l'Institut. Dans la direction des vents dominants <S.O), iL y a deux obstacLes
1. importants qui Le dominent par La hauteur: un petit bois pLacé à 200 met une
i
tour d'habitations à 50 m environ
<Figure 14). Cela a pour effet d'augmenter
encore la turbuLence du vent LocaL <Figure 4).
Il
Les perturbations causées par Le bâtiment Lui-même sont très difficiLes
à évaLuer. Même dans Les cas simpLes <Figure 3 et 15), L'écouLement est très com-
pLexe. Il existe en particuLier un courant de retour au ras du toit,
IL n'y a pas
, de règLes généraLes permettant une estimation quantitative de La zone perturbée•
.. Le recours à L'expérimentation en souffLerie ou à L'anaLyse n~mérique sortant du
l
cadre de ce travaiL, nous aLLons tenter une évaLuation quaLitative,
1
1
Dans Le cas d'une faLaise de hauteur h, La zone de courant de retour dans
1
1
1
.. La partie supérieure a une épaisseur approximative de 0,7 h SACRE, 19821. Dans
cette situation, L'éoLienne se trouverait entièrement dans La zone perturbée
,. <Figure 16). CeLLe-ci sembLe moins importante dans Le cas d'~n bâtiment isoLé
il
IJUSTUS,1980i,
mais iL est vraisembLabLe que L'éoLienne y soit tout de même con-
, tenue.
lit
D'après ce qui précède, Le vent aux aLentours immédiat de l'éoLienne est
extrèmement turbuLent, ce qui
rend difficiLe L'utiLisation:
des données de La MétéoroLogie NationaLe à des fins de prévision,
- des données fournies par L'anémomètre sur Le toit pour réguLer Le
fonctionnement de L'instaLLation.

---

1
1
1
1
If
1
,•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
1

---

"':
1
-23-
1
il
6.
Conclusion partielle
fi
La circuLation du vent au niveau du soL est un phénomène compLexe. A partir
é,
des Lois de modéLisation CI.'EIBULL, ••• )etdes données de La
MétèoroLogie NationaLe, une
{Iestimation grossière du potentieL éoLien d'un gite peut être faite.
Connaitre La variabiLité de La vitesse du vent et sa vaLeur moyenne en un
~I Lieu permet de dimensionner Le système éoL ien non seuLement au niveau énergét ique
mais aussi au niveau résistance des matériaux.
L'aérogénérateur de L'IUT "A" n'est pas idéaLement situé car en banLieue et
~ 1 sur un bâtiment ne dominant pas touts Les proches obstacLes. IL est à noter cependant
~ Que sa situation rend pLus faciLement disponibLes Le matérieL de mesure du départe-
ment Mesures Physiques, ainsi que Les compétences diverses rassembLées sur Le campus
_II de L'Université de Bordeaux •
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Cp
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10
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Fi~ure 17: Coefficient de puissance Cp de Quelques
..
eoliennes (GOETHALS,19~O)
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•
•
•
•
•
ft!!
..
Bipale de l'ile d'Ouessant
..•
Darrieus
Figure 18: Hultipale rapide et Darrieus (GOKTHALS,1980)
•
1

---

1
ilII DIFFERENTS TYPES D'EOLIENNES
-
Dans ce chapitre, nous limiterons notre propos aux éoliennes les plus
-
fllassiques. Comme le montre le tableau l, il existe une grande variété de moteurs
~lIoliens, mais peu sont opérationnels.
III
I~DOT,
1.
Eoliennes rapides et éoliennes lentes !LECLERE, 19821,
19821.
f
"III
Une des courbes caractéristiques d'une éolienne est celle de son Cp en
!"
fonction de l la vitesse spécifique, qui est le rapport :
Rw
(10)
l
:: V
où R est le grand rayon du rotor, w sa vitesse de rotation et V la vitesse
du vent.
~
Le coefficient de puissance Cp a un maximum pour une vitesse spécifique notée
lopt.
:1(Figure 17).
1
La classification en éolienne lente ou rapide dépend de la valeur de
"; À opt. En général, celles qui vérifient
Àopt < 4 sont dites lentes, et celles pour
1lesquelles Àopt > 4 sont dites rapides.
Le rotor de SAVONIUS et la multipale américaine sont les éoliennes lentes
Jles plus connues. Parmi celles qui sont dites rapides, l'éolienne à axe horizontal
ayant deux à trois pales, et la Darrieus, sont les plus représentatives (Figure 18).
,Il Les caractéristiques des éoliennes lentes (fort couple de démarrage, •••)
•
les font préférer pour des utilisations mécaniques directes (pompage, ..• ), tandis
1 que les éoliennes rapides sont bien adaptées à la production du courant électrique.
,
2.
Puissance d'une éolienne et utilisation
1
1
1
1
Suivant l'utilisation prévue, la conception du systè~e éolien est plus ou
1
~ moins complexe. On distingue généralement trois gammes de puissances: les appareils
L
de petite puissance jusqu'à quelques dizaines de kW, ceux de moyenne puissance, jus-
î
~"I :~'à
1
quelques centaines de kW, et ceux de grande puissance qui atteignent plusieurs
-
.".
1LECLERE, 1982 1.
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Tab le,Ju 1;
Capteurs
E:ol i ens (r.~ART IN, 1982)

---

·~;...._----- --
1
-27-
~Il
Les premiers sont d'une utiLisation individueLLe. S'agissant d'une éoLienne
il
1
.
rap,de, eLLe produirait du courant éLectrique pour des usages domestiques ou pour Le
~
chauffage d'une maison. Les éoLiennes Lentes serviraient pLutôt au pompage (mouLin
~Iaméricain dans Les campagnes fournissant de L'eau pour Le bétaiL ••• ). Leur concep-
fi
tion est reLativement simpLe, car Les matériaux sont peu soLLicités.
il
il~
Ceux cLassés dans Les puissances moyennes peuvent servir à aLimenter en
ri éLectricité un petit groupe d'habitations, ou aLors de petites entreprises. Les
soLLicitations mécaniques deviennent pLus importantes, rendant nécessaire des caLcuLs
"1 soignés.
Les machines de grande puissance sont en généraL raccordées à un réseau
de distribution d'éLectricité de type cLassique. Les matériaux utiLisés doivent
1être tres performants (composite) et Les caLcuLs de résistance des matériaux tres
poussés. Les exigences de QuaLité du courant produit (fréquence, tension) et de
1sécurité impose une réguLation fine.
1
3 -
Classification suivant la position de l'axe de rotation
a) axe horizontaL, axe verticaL
1
•
La cLassification La pLus immédiate est ceLLé Qui tient compte de La po-
sition de L'axe de rotation; verticaL ou horizontaL. CeLa n'excLut pas L'interac-
1 tion avec Les cLassifications précédentes.
Les appareiLs à axe horizontaL, Qui comptent parmi eux La muLtipaLe amé-
ricaine et La muLtipaLe rapide, nécessitent un pyLone et un systeme d'orientation
mettant Le pLan de rotation de L'héLice perpendicuLaire au vent.
Les principaux aéromoteurs à axe verticaL sont La Darrieus et Le rotor
de SAVONIUS. ILs n'ont pas besoin de systeme d'orientation et Leur pyLone peut
être pLus bas.
Notre intérêt étant dirigé vers La production d'éLectricité, nous aLLons
comparer deux éoLiennes rapides; La muLtipaLe rapide et La Darrieus.

---

-28-
1
1
1
1
1
,
t~
i
DI
1
[ol~nM rripal~ ci ~m~nnaK~.
[oli~nn~ bipal~ aUlo-on~nlabl~.
Il
il,
Figure 19: position du rotor de La ~uLtipaLe rapide par rapport
au pyLone (LE r-OüRIERES,1982)
Jil
1
..
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Cm
•Cl..•ci
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rCLTIPALE RAPIDE.
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À
2
4
6
8
10
12
l,
Fi~ure 20: Coefficient de mo~ent Cm de queLques éoLiennes
l,
1
•

---

-29-
~J!,
i
1
i
b) comparaison de deux éoLiennes rapides.
.;
1
1
Le rotor de La mu Lt i pa Le rap i de est composé de paLes profiLées, fixées
au moyeu de L'axe de rotation. Leur nombre va ri e de un à quatre. Par rapport au
ILone, Le rotor est situé soit en avaL, soit en amont de L'écouLement (Figure 19).
Dans Le deuxième cas L'orientation se fait à L'aide d'un gouvernaiL.
Il
Il
Le rotor de DARRIEUS possède Lui aussi, des paLes profilées, au nombre
1deux ou trois, fixée par Leurs extrémités à un mât verticaL. La forme optimaLe
'iL faudrait Leur donner est ceLLe de La troposkienne, mais eLLe est souvent
i Proximée par une paraboLe, ou deux droites pLus un arc de cercLe, •••
LACKWELL, 19771.
1
Après cette brève description des deux rotors, nous commencerons Les
comparaisons en considérant Leur courbe caractéristique Cp fonction de À (Fig.1?).
:
Le Cp maximum des Darrieus actueLLes est Légèrement inférieur à ceLui
,des éoLiennes à axe horizontaL. Leur Limite maximaLe réeLLe n'a pas encore été
, lIaLcuLée. La courbe de Cp des éoLiennes à axe horizontaL est étaLée au voisinage
du Cp maximum, contrairement à ceLLe des Darrieus qui a un pic, pLus ou moins marqué
"uivant La soLidité (N:), ce qui est un désavantage Lors du fonctionnement car une
"
~ourbe étaLée permet d'avoir un bon rendement sur un intervaLLe de vaLeur de À im-
Le coefficient de moment Cm en fonction de
rortant.
l
La figure 20 représente
À pour
différentes éoLiennes:
2 M
(11 )
1
,1
M
moment des efforts aérodynamiques.
"hl
On constate qu'au démarrage Le Cm des éoLiennes à axe horizontaL rapides
babien que faibLe est non nuL contrairement à ceLui des Darrieu5. Les éoLiennes à
~I;
r
axe horizontaL démarrent seuLes pour des vitesses de vent assez éLevées. Par contre
1
" Les Darrieus nécessitent un système de Lancement.
!
i.
1
Pour un vent particuLier, L'angLe d'incidence à rayon donné d'une paLe
.'
d'éolienne à axe horizontaL
ne varie pas Lors de sa rotation. Ainsi, Les efforts
Il," aérodynamiques ~xercés sur Les paLes sont constants. Au contrainre, L'angLe d'inci-
rdenced'unesectlon de paLe de Darrieus varie cycliquement sur un tour, Les efforts
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L'essentiel des avantages des aéromoteurs à axe horizontal vient de la
grande quantité de connaissances accumulées les concernant. Par ailleurs, leur
fonctionnement étant proche de celui des hélices d'avion ou d'hélicoptères, ils
profitent rapidement de certains acquis obtenus en aéronautiques. Ainsi, la modé-
lisation du comportement aérodynamique des pales et la régulation mécanique (angle
de calage variable) seront plus développées pour les éoliennes à axe horizontal.
L'avantage principal de la Darrieus est sa conception mécanique simple.
D'abord le pylone est bas, ce qui facilite l'installation et la maintenance. Les
pales peuvent être plus légères car elles ne subissent qu'un minimum d'efforts de
~I flexion (forme troposkienne) et sont fixées aux deux extrémités, d'où un coût moin-
dre.
~-I
A ces avantages de la Darrieus correspondent des inconvénients de la
multipale rapide. Il y a d'abord les contraintes dues au moment de flexion subies
par les pales, car elles ne sont fixées qu'à une seule extrémité, et celles dues
à l'effet gyroscopique. Ensuite la position de son ax~ impose d'avoir Le système
-- .......
de conversion en haut du pylone. Tout cela rend la conception mécanique et l'ins-
1 tallation d'une multipale rapide plus difficiles.
Grâce à ces avantages cités plus haut, les Darrieus connaîtront un déve-
Loppement appréciabLe surtout dans le domaine des petites et moyennes puissances.
Quant aux bipales ou tripales à axe horizontaL, Les différents grands projets et
:1 réaLisations montrent leur rapide essor.
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FiQure 21: Aéro~énérateur ~OO 0
(GOETHALS,1980)
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PROGRA."'.MES RECENTS ET EN DEVELOPPEMENT
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Le pLus important programme de déveLoppement de L'utiLisation dé L'énergie
;
éoL ienne est;- ceLui des U.S.A. Il comprend essenti;L Le;ent -La sfrie ~MOD,-composée
Il de bipaLes à!axe horizontaL (Figures 21 et 22). L~s p~emières machlnes furent MODO
•
l
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_
_
~
.:~_:§_~-·I et MODOA d'une puissance de 100 et 200 kW. Puis vinrent des machin~sde-L'ordre
~
du MW teL que MOD-' 1 (2MW) et MOD 2 (2,5 MW). ActueL Lement est Lancée La-construc-
_tion deMOD SA (7MW) et MOD SB (7,5 MW).
fi
La réaLisation de grands aérogénérate~s se poursuit égaLement dans d'au-
1
tres pays teLs que Le DANEMARK <TWIND, 2 MW) (Figure 23), La SUEDE -(WTS-3, 3 MW),
L'ALLEMAGNE (GROWIAN l, 3 MW), Le CANADA (AEOLUS, 1 MW) • :-. <TabLeau II)
IDIVONE,19831
IMASBROUCK, 19831; ISAEED QURAESHI, 19801,IGOETHALS, 19801.
--.......
Les éoLiennes de grande puissance construites actueLLement sont presque
, toutes à axe<horizontaL. Ce n'est qu'au CANADA que L'ôn envisage dé con~truire
..
"
Il
(AEOLUS) et que L'on a réaLisé des éoLiennes de grande puissance à-axe verticaL .
•
En plus des grands aérogénérateurs débitant dans le réseau, une:place est
accordée dans ces programmes aux appareiLs de petite et moyenne puissanèe.
2 -
En
France
A défaut de réalisations de grande puissance, L'industrie française s'est
orientée vers La gamme des petites puissances, les principaux constructeurs étant:
..
AEROWATT (241.' à 4JOO 1.'), ENAG (650 à 1000 1.'), HUMaLOT (600 à 100 kW) !CUNTY, 19791.
~
-
i
La plus grande réaLisation française depuis 1970 est l'éol;enne corÏ~truite par
1
i
,
AEROWATT/EDF à l'îLe d'OUEVANT. ELle a été détruite après une rupture de pale.
i1,1
1
;
En 1982, L'AFME a Lancé un pro~ramme de développement sur deux ans (84-85)
i,
-.
pour créer une industrie français~ de l'éoLienne axée sur L'exportation~ IL vise
1
!
1 La fourniture d'éoLiennes de petite puissance pour des sites isolés (phares, ba-
Lises), de machines de puissance moyenne pour le pompage de l'eau en miLieu rural,
1 et de machines de grande puissance pour aLimenter des îLes (îLes Grecques, DOM-TOM.J
ICASTELLO, 19841, IEnergie Magazine, 19841.
1
-

---

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Tableau II:
Grands aérogénéraceurs
(QURAESHI,1980)
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1
11
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-37-
1
1
La création en cours d'un "réseau nationaL d'essais et de QuaLification
d'éoLiennes" s'inscrit dans Le même courant. Ce réseau est constitué du C.N.E.E.L.
(Centre NationaL d'Essais de Lannion) pour La certification des éoLiennes,
1 Le Centre d'essais du C.E.A. à Chamrousse pour des études en miLieu givrant.
1
1
Le C.N.E.E.L. Qui est Le premier maiLLon de cette chaine permet à des
constructeurs d'essayer Leur machine et de Leur donner un LabeL de garantie fa-
ciLitant Leur commerciaLisation. Une éoLienne sembLabLe à ceLLe d'OUESSANT y est
1 d'aiLLeurs actueLLement en essai, avant d'être instaLLée à OUESSANT. ELLe a été
construite par La Société RATIER-FIGEAC.
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Figure 24: Veine d'air intercept~e par le rotor
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-39-
v -
EOLIENNES DARRIEUS
1 -
Théorie aérodynamique
a)
limi te de Betz 1LE GOURIERES, 19801, 1 COMOLET, 19691.
La Limite de Betz est Le rendement maximaL que peut avoir un moteur éo-
Lien. BETZ L'a étabLie pour des machines à axe horizontaL. Mais ce maximum est
aussi considéré comme Limite pour Les éoLiennes à axe verticaL.
Considérons Le cyLindre représentant La veine d'air interceptée par Le
rotor (cf. notations sur La Figure 24). Le théorème de La quantité de mouvement
nous donne La force F exercée par Le rotor
(12)
L'air étant supposé incompressibLe, La conservation du débit massique
donne
(13)
S et V se rapportant au cyLindre au niveau du rotor.
En utiLisant L'équation (13), La puissance P fournie par L'héLice s'écrit
(14 )
Cette puissance
est égaLe à La variation de L'énergie cinétique de L'air tra-
versant L'héLice ; d'où L'égaLité
(15)
(16)
(17)
(18)
1

---

-40-
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Figure 25:
Efforts sur un profil
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,

---

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-41-
1
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La puissance maximale Pmax correspondant à la vaLeur de Vz qui annuLe La
dérivée partielLe de P par rapport à Vz
(19 )
soi t
Vz =
Nous en déduisons alors
Pmax
(20)
qui est la formule de BETZ.
Le coefficient de puissance maximum correspondant Cpmax est donnée par
la relation suivante :
8
27
C
=.lQ.
(21 )
pmax =
1
27
p
S v~
2
b)
Fonctionnement simplifié de la DARRIEUS
:1
Les pales d'une éolienne Darrieus étant profilées, les efforts aérodyna-
i
miques exercés par le vent sur elles peuvent être décrits à partir du coefficient
II
de portance Cz et du coefficient de trainée ex (Figure 25). Ils sont définis par
i.
Les reLations:
li
1
F
o
x
V2 S
t rainée
="2 Cx
c
(22)
1
F
C
œ
z
V2 S
portance
=
D
Z
2
c
1
avec Fx la force exercée par le vent dans La direc,ion de ce dernier,
1
Fz celle exercée perpendiculairement au vent,
1
et
Sc le produit de la corde du profil par sa Longueu r.
Ji
Ces coefficients dépendent du nombre de Reynolds ce la veine et de l'angLe
d'incidence 1.
~
~"1i

---

f- .
1
f
•
-42-
Cn•c'-e
t
t
NACA 0012
u
1
1
1
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1
,
,
1 c, ~ A•• 0 J • tO' \\
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1
1
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00
10
1
Figure 26: Coefficients Cn et Ct fonctio~ ce l'ançle d'icicence
(LE r,O~RIERES,'982)
v
1
l,..
v'"
---+-------",.f'----~--_t---
•
•
o
FiQure 27: Vent résultant sur la ~ale
..
30
Zone 'aval' du rotor
..
....
....
V -;. V
20
'"
Pour ce calcul simplifié, on adm
10
....
....
..
V ;0 V'"
..... e
o ~-----------.::lIIk_-----J-----"2''--
0
450
..
180
Zone "amont" du rotor
..
'"',
•
F;9ure 28: Anale d'incidence i fonction de la position de la pale
•
1

---

-43-
Pour L'appLication au~ Oarrieus, iL est pLus utiLe de considérer Les
coefficients Cn et Cr définis par
1
Fn =
:J
2
(23)
1
Ft =
~
2
où
Fn
fore e normaLe à La corde
Ft
fore e suivant à La corde
(F igure 25).
Ils sont Liés à C~ et à Cz par Les reLations
C
= Cz cos i + C~ sin
n
(24)
Ct
= -C
sin i + Cx cos i
z
Guand Le rotor est immobiLe, Le coupLe sur L'axe,exercépar une section de paLe est
-_....
moteur dans certaines positions par rapport au vent (C~ > 0), et résistant dans
,
d'autres (Ct < 0) (Figure 26). Le moment créé par toutes Les paLes est donc mo-
teur, puis nuL, et ensuite résistant, Lors d'un tour du rotor à vitesse de rota-
tion quasiment nuLLe. C'est ce qui expLique Le fait qu'une éoLienne Darrieus ne
peut démarrer toute seuLe.
~
En rotation, La paLe voit un vent W résuLtant du vent réeL V et du vent
induit par La rotation de L'éoLienne. U (Figure 27).
W= V - U
(25)
-1
~
avec
U = Rw t
où t est un vecteur unitaire suivant La corde et dirigé vers Le
bord de fuite.
La Figure 28 nous montre que L'angLe d'incidence
est compris entre
U
0 et 15° à peu près, pour un rapport ïj supérieur à 4. Ce qui veut dire que quand
La vitesse de rotation est assez éLevée, Le moment produit par chaque paLe est tou-
jours moteur, car d'après La Figure ~6, Ct est positif pour i compris entre 0°
et 18°. Pour une vitesse de rotation assez éLevée, Le rotor de DARRIEUS peut
donc fournir de L'énergie.
Cette e~pLication du fonctionnement du rotor de Darrieus n'est que quaLi-
tative.

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1Pour prédire Les performances de ce rotor, des modèLes pLus fins sont utiLisés.
1
ILs tiennent compte notamment d'une vitesse de vent dans Le rotor qui est dif-
férente de La vitesse Loin en amont.
1
2 - Modèles pour le calcul des performances
·1
ILs font appeL à des théories qui peuvent être divisées en deux groupes
-Il Les théories tourbiLLonnaires et Les théories de quantité de mouvement.
1
a)
Théories de quantité de mouvement
Le premier modèLe proposé fut ceLui de TEMPLIN (1974) qui adapta aux
1aéromoteurs à axe verticaL La théorie de GLauert empLoyéepour ceux à axe horizon-
ta L.
1
Comme GLAUERT, TEMPLIN considère un tube de courant unique Qui passe par
Le rotor, et dont La vitesse dans La traversée de ce dernier est uniforme. En ap-
1 pLiquant Le théorème de La quantité de mouvement comme au paragraphe 1.1.a, on
obtient La force exercée par L'air sur Le rotor, dans La direction de L'écouLe-
1
1
ment, Fa·
i
Fa = 2 p 5 V(V l - V)
(26)
d'où La trainée totaLe du capteur
1
Fa
V
C
(27)
1
xx = ...,...---- = 4 (-l... - 1)
.1 p V 25
V
2
D'autre part en considérant un éLément de paLe, iL en déduit Les compo-
1 santes de La force aérodynamique qui s'exerce sur eLLe dans Le sens de L'écouLe-
ment. Après intégration sur toute La paLe, et moyennage sur un tour, iL en tire
1 une autre expression au coefficient de trainée totaLe:
3
Nc
1 J2"
5
Rw.
i
Cxx = - -
1
8;-;
R
Jo 0 1(R x V T COS8)2 + (sine COS 6)2 i x
1
1
1
(28 )
1
1
1
1
1
avec
6 = arctg (I..L)
(29)
À ÀR
1
.1
)
1
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F"19ure 29: Rotor de DARRI-U
t.
S à
J pales
(TE~!?LI''1
" , 1974)
•
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Il
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---

- - ~-------~--- "-
....-.
1
H
b = 2R
~ = 1 - (~)2 pour un profil parabolique
(Figure 29 ).
A partir de la relation (28) on peut calculer numériquement Cxx pour des
valeurs données de la vitesse V dans le rotor, et de la relation (27) tirer la
vitesse spécifique correspondante;
Rt:l = Rw ( _ _-,,_ _
À
(30)
= Vl
V
,
~.1 Cxx
4
;::-
Il est alors possible de tracer Cxx en fonction de À.
~I
De même en considérant un élément de pale, on calcule la composante des
forces aérodynamiques créant le moment de rotation, et on en déduit le couple M,
1
- ' ,
puis la puissance P captée par le rotor, d'ou le coefficient de puissance Cp ;
2
1
r
r
n
p
N c w
V
),R
(~ x Rw ~ COS8)2
Cp =
=
x Vï
+
, p S Vl 2 -;r S 1 _,ÀR 0 R V
2
1
c, r
(sinS cos6)2lx
dSey
( 1 )
cos
1
<5
Pour tracer les courbes Cp en fonction de À, il faut pour une valeur de
V donnée, calculer Cxx ' puis Vl et ) , ensuite calculer numériquement l'intégrale
1 de (31).L'inconvénient de ce modele,qui permet d'estimer rapidement les performan-
1 ces en puissance d'une éolienne, est qu'il ne permet de connaître ni la structure
de l'ëcoulement au niveau du rotor, ni les efforts cycliques.
1 D'où l'affinement du lëodèle de TE11PLIN qui a consisté à décc:cposer le rotor en
deux demi cercles amont et aval, et à appliquer deux fois la théorie de GLAUERT
pOur deux disques placés dans un tube de courant
1HEALEY, î98, 1.
Dans les métho-
~I des
;
à multitube de courant, l'unique tube de courant est divisé en plusieurs tubes
,
i
parallèles auxque~s s'applique le théoreme de la quantité de ~uvement.
1
1 Actuellement, ce sont des méthodes mixtes dîtes à "double multitube de courant"
!,
'"
qui sont les plus développees. Elles considerent plusieurs tubes de courant de
1
,
la
i
sections différentes dans la moitié aval et dans la moitié amont du rotor
1
ICOMOLET, 1982[, [PARASHIVOIU, 1982[.
~-
~\\
1
,
i

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1
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•
•
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1
1
1
1

---

ln ; ;
'S
-49-
..........
1
1
b)
Théories tourbillonnaires
!ASHLEY,
19771,
IAZUMA,
19831.
~I
Elles découlent de celles utilisées pour des hélices propulsives. Elles
ri
-
sont de deux types.
r
Certaines considèrent un échappement tourbillonnaire continu, station-
ri
naire. La vitesse dans le rotor est considérée comme résultat de la nappe
~
tourbillonnaire et du mouvement des pales. Leur nombre est supposé infini,
et elLes s~,t représentées par des tourbillons.
fi
-
D'autres suivent les pales dans leur mouvement et l'écoulement tourbil-
lonnaire ainsi considéré, est instationnaire : c'est un èchappement tourbil-
~I
lonnaire cycLique.
~I
'"
~
Ces méthodes tourbiLLonnaires donnent en général des résultats plus pré-
:=
cis (puissance, efforts cycliques) que ceux obtenus par les modèles à muLtitubes
~'-
~I
de courant. Mais elles demandent un temps de calcul plus long \\COMOLET, 1982\\.
1
--
Les modèles à tube de courant unique permettent d'estimer la puissance
recueillie par le rotor, et ceux à muLtitube de courant, donnent en plus Les
efforts exercés sur La pale pendant sa rotation. L'écouLement dans Le rotor
1
étant turbulent, Les modèles tourbillonnaires sont pLus réaListes. En parti-
culier, iLs prennent en compte La différence entre Les efforts amont et avaL.
tl
En stationnaire, ces modèLes demandent des temps de calcul Gui restent raison-
nabLes, mais ils ne tiennent pas compte du décrochage aérocynamiGue. Seuls Les
~I
modèles instationnaires Le permettent .
.~
On dispose actuellement des modèles plus sophistiqués et plus performants
t.1" que celui de TEr~PLIN; maLgré tout aucun ne permet une représentation complète
de l'écouLement au travers du rotor (paLes considérées com~e droites et infinies).
il,.o!;;il
1
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~
~ilf;;:capo

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1
1
Figure 30: Rotor de
L'aeroÇlenerateur de
L'LU.T. A
1
1
1
-----_._
_
......,..--....
..._._._.._---_.---
1

---

·..
-51-
·1
VI -
IlER(X;ENERATEUR DE L'IUT
"Il"
}
1 -
Description
L'éoLienne de L'IUT "A" est pLacée sur une structure métallique de 2 m
de haut, dont Le sommet abrite Le moteur, Le muLtipLicateur, et Le système
éLectronique de mesure de vitesse de rotation. Cette structure est haubannée.
Le rotor est de type darrieus à deux paLes de forme paraboLique. Deux
rotors de SAVONIUS sont fixés sur Le mat. IL est maintenu verticaL par quatre
haubans.
A 11 m de L'aérogénérateur et à mi-hauteur du rotor se trouve un anémo-
mètre à coupeLLes. Un étaLonnage effectué à L'IUT permet de reLier La tension
Il
.. fournie à La vitesse du vent.
1
2 -
Rotor (Fiqure JO )
J
Les paLes ont une forme paraboLique. CeLLe-ci étant une approximation de
La troposkienne. Cette dernière est, pour rappeL, La forme que prend un cabLe
infiniment soupLe en rotation autour d'un axe, et fixé aux deux extrémités à
ceLui-ci. Le sommet de La paraboLe est à 1,65 m du mât. Le profiL des paLes est
un NACA 0012 de 10 cm de corde.
Les paLes ne sont pas profiLées sur toute Leur Longueur. Jusqu'à une dis-
]
tance de 0,95 m du mat, eLLes sont constituées d'une simpLe Lame de métaL. CeLa
entraîne une perte de puissance captée d'environ 10 ï. par rapport à une paLe
compLètement profilée iSLACKWELL, 1975\\. La portion profiLée est en composite
résine poLyester, fibre de verre.
1
Le mat est un tube d'acier de 3,2 m de haut et de 9 cm de diamètre. Les
rotors de SAVON lUS fixés sur ceLui-ci, ont été dimensionnés de façon à faci-
Liter Le démarrage de La Darrieus sans trop perturber L'écouLement au travers
du rotor. Leur diamètre a été chGisi pour que Les deux rotors fonctionnent
•
simuLtanément à Leur vitesse spécifique optimaLe.
il

---

1
1
1
1
1
1
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.....
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•..•
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...-....
•,.
•
....
..

---

-53'-
1
RD W
)..optp
1
= V
.
,
RSw
)..opt s =
( 2 )
V
)..optS
R
=
S
RD )..optD
où les indices 0 et S se rapportent aux rotors de DARRIEUS et de SAVONIUS
respectivement. Leur hauteur est telle Que leur section totale soit égale à
10 r. de celle interceptée par la DARRIEUS, valeur maximale conseillée par
SANDIA 1 Contacts personels, 19801. Les SAVONIUS sont décalés l'un par rap-
port à l'autre pour obtenir un couple total plus régulier. Dans notre cas,
ils le sont de 60°. Il sont placés le plus près possible des extrémités du
mât dans la zone où les pales de la Darrieus captent le moins de puissance.
L'aéromoteur ainsi constitué a un couple de démarrage non nul mais Qui
est trop faible pour assurer un lancement efficace.
-~''''.
3 -
Génératrice
a)
machir.es électriques utilisées sur les aérogénérateurs.
l
~:1
l
Les génératrices à courant continu sont utilisées dans les petites
installations autonomes, ce Qui permet le stockage direct de l'énergie four-
~~1
nie
dans une batterie d'accumulateurs. Mais leur coût élevé, leur rendement
~.
faible, leur fragilité mécanique (collecteur) font qu'elles sont de plus en
plus délaissées au profit des alternateurs à aimants permanents !SOLTON, 1979\\
ou des génératrices excitées par une batterie de condensateurs.
Les grandes installations utilisent des génératrices à courant alternatif
débitant dans un réseau electriQue. La génératrice asynchrone a pour elle la
robustesse, l'absence de contacts tournants et la facilité d'accrochage sur le
réseau, mais ell: a l'inconvénient d'emprunter de la puissance réactive.
L'alternateur nécessite une vitesse d'accrochage précise mais ne prend pas
de puissance réactive.
La solution intermédiaire est l'utilisation des alternateurs avec des
amortisseurs Leblanc en cage d'écureuil permettant un délT'a'rrag~e en asynchrone
]1
et empêchant le pompage électrique.

---

1
1
1
1
1
1
1
J
J
]
..
..
'"..
....
."...

---

-55-
b)
Génératrice de l'aéromoteur de l'IUT "A"
Comme génératrice nous avons pris un moteur AXEM M19. C'est un moteur
pLat à entrefer pLan et dont Le bobinage de L'induit est LameLLaire. L'induc-
teur est constitué de pLusieurs aimants permanents. C'est une machine à cou-
rant continu sans coLLecteur. Les baLais frottent directement sur Les conducteurs
ICEM,19801.
Comme iL a un rotor sans fer et des aimants permanents (seLf induction
négLigeabLe, fLux constant), ses caractéristiques intensité et vitesse de ro-
tation en fonction du coupLe sur L'arbre
sont Linéaires.
A partir des courbes tension Uv enfonction du courant l à vitesse de ro-
tation
wm constante, en moteur, on oeut tracer ceLLes de La génératrice.
<'
En effet, pour un moteur à courant continu:
~.':';I
U
+ r l
(33)
= E - h
v
"
m
l
3
et pour une génératrice
(34)
Uv = E - hm - rI l
-1 avec E force éLectromagnétique à vide.
r
résistance induit-baLais.
réaction d'induit.
Pour un mot eu r AXEM, nous avons
hm - 0
E = KE
(35)
W m
U = K'
wm + rI l
v
E
avec KEune constante donnée par Le constructeur; d'où Lors du fonctionnement
en génératrice:
Le constructeur du moteur AXEM M19 donne KE= 25,5 x 10-3 et r = 0,46D.
I
avec w en trs/min et l en ampères.
Nous avons vérifié expérimentaLement La Linéarité des caractéristiques
U(I). La puissance nominaLe de notre moteur étant de 1 kW
à 3000 tr/min, nous
en avons utiLisé un de 1,5 kW à 3000 tr/min pour L'entraîner et Le faire fonc-
tionner en génératrice.

---

•,
1
,,
Uv
v
1
1 '
2000
1
ISOO
"••.'
~I
•..
,
"'
l'
..
1
,
1,,
t

---

"'".
.
1
-57-
1
Pour pLusieurs vaLeurs de La résistance de charge, nous avons mesuré
1 L'intensité correspor,dante ainsi que La tension aux barres de La génératrice,
La vitesse de rotation étant maintenue constante en ajustant Le courant pas-
1 sant dans L'inducteur du moteur d'entraînement.
1
Les courbes obtenues (Figure 31) sont sensibLement des droites paraLLé-
Les de coefficient directeur 0,5, qui correspond à La résistance de L'induit
et du contact des baLais, en n . Nous rappeLons que Le constructeur donne une
1 résistance de 0,46 O.
1!
,
4 -
Multiplicateur
•
Le muLtipLicateur permet d'adopter La pLage de fonctionnement de L'éo-
i
Lienne C$ 300 tr/min) et ceLLe de La génératri:e (vitesse de rotation nomina-
1
---·1
Le supérieure à 1000 tr/min).
,
1
En généraL, pour déterminer Le coefficient de muLtipLication, on part
de La courbe puissance à fournir en fonction de La vitesse de rotation. CeLLe-
ci est caLcuLée à partir des caractéristiques de la génératrice, de la valeur
de sa charge et des valeurs ces frottements mécaniques. Ce coefficient sera
choisi de telle sorte que la courbe de puissance à fournir passe le plus près
possible des lieux des maximas de puissance de l'éolienne
:LE GOURRIERES, 1982:.
1
..
Nous avons choisi
la démarche inverse. La régulation s'effectuant par varia-
tion de la charge (cf. Chap. VII) et celle-ci pouvant être quelconque, ce sont des
considérations o.écaniques (adaptation de la puissante) qui nous ont permis de fixer
le coefficient de multiplication. Notre génératrice ayant une vitesse ce rotation
1 nominale de 3000 tr/min, et la vitesse nominale de l'éolienne étant ce l'ordre de
iIIII
250 tr/min (limite nominale: 300 tr/min), nous avons choisi un coefficient égal à 12.
:·1
Le multipl'cateur est composé de deux étages.
Il a été construit à l'IUT,
'fi et permet d'obtenir plusieurs coefficients de multiplication en changeant cer-
~-~
"
tains éléments
IBARREAU, 1982\\.
'·;.~.·.·I~~;
'1
1•....
lij""kiSilllli<E.~.:;ux""'~n:.::.
IIiI• • •
.....

---

-58-
•
l1li
..
...
..•
•
-
';rore soLidaire cie
L'eoLienne
•
III'
•
Chaine cOL;bLe
•
Gén~r<1tri.ce
•
"""_ _ 7
]
"••

---

;1 .. ..
~.-
1
-59-
1
_.
1
1
1
Capteur ce
force
1
Tenceur
"
1
1
Fi "ure 33:
Detai ls d'un haLban
1
1
PrOduit prOtecteur
J
1
J a use S
1
Fi gure 34:
Capteur ce
force
1

---

1
!lit
•
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Il!'
•
""
..
....
•
•
,~
1
1
1
1
1

---

-ô1-
1
1
Le premier étage est à chaine, et le deudème à courroie "poly V". La
1 première roue dentée du pre~ier étage est solidaire de l'axe de l'éolienne
et la deuxiéme poulie du deuxième étage de l'axe de la génératrice (Fig. 32).
La courroie sert de limiteur de couple inpulsionnel en cas de court-circuit
1 au niveau de la génératrice.
1
5 -
Haubannaqe
1
L'éolienne est maintenue verticale par Quatre haubans. Ce sont des ca-
1 bles en acier, possédant une âme en plastique dur. Ils sont reliés aux plots
de béton par des "maillons rapides".
1
Chaque hauban comprend un capteur de force et un ou deux tendeurs per-
mettant de régler la verticalité de l'éolienne et la tension des hau~~ns
1 (Figure33) iBAILLET,19821.
1
Les capteurs de force sont constitués de plaquettes d'acier sur lesQuel-
les sont collées des jauges de déformation, l'une longitudinalement, l'autre
perpendiculairement (Figure 34). Ils permettent d'estimer les efforts verticaux
exercés sur la structl.:re supportant l'éolienne et SiJr le mât :u rotor, etdenous
renseigner s~r le comportement dynamique de l'ense~ble de l'installation
1 (fréquences propres, ... ).
1
"..
1
•

---

-1.,
-62-
.,..
-
'"
•
I!!'
•..
..
----
'"•
•
",n
C.
..
·C~fl·on
C,
C.
...
•
•
..
"cure 35: ~er,ulat;on Dar var'a,;on de ~ 'anr,le ce cala~e
•
•
.,
•
••
R
si
-------------

---

--63-
1
1 V7I - REGlII.ATIO.'l
1
L'énergie éoLienne est aLéatoire et sujette a une grande variabilité
(La puissance est fonction du cube de La vitesse du vent) ce qui
im~lique que
La réguLation d'un aéromoteur est un des principaux facteurs d'efficacité de ce
1 dernier.
Suivant L'utilisation, Les buts de La réguLation peuvent être divers;
- ~aintenir La vitesse de rotation w constante dans Le cas d'une production de
courant aLternatif à fréquence imposée,
1
limiter La puissance fournie à la puissance maximale de l'in~talLation éLec-
1
trique,
- maintenir La vitesse spécifique à sa vaLe~r optimaLe afin de produire Le
1
maximum d'énergie, •••
1
Dans ce qui suit, nous cLasserons les systémes de régulation en deux
types
1
Les réguLations mécaniques qui agissent au niveau du caoteur d'énergie
mécanicue,
- les rég~lations électriques qui agissent au niveau de la transforma-
tion ce L'énergie mécanique en énergie électrique.
1
1 -
Réqulat;cns mécaniques
Elles sont très utilisées pour les éoliennes à axe ~orizontaL. Pour
1 ceLles-ci, elles consistent généralement en une variation de l'angle de calage
(angle entre la corde de la pa le et le plan de l' héL ice)
(Fi "ure 35). Ce système
1 permet d'agir, sur les ef'orts aérodyna~iques exercès par le vent sur La paLe,
et donc sur Le couple moteur.
1
IL existe d'autres systèmes de réguLation, moins courants, qui utiLisent
L'effacement du rotor, ou des freins aérodynamiques, comme technique de réduc-
1 tion de la puissance captée par Le rotor ILE GOURIERES, 1982, ICUNTY, 1979:.
1
1
1

---

1
I!'
•
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•
'"•
"..
•
•
•
..•
I I
fil
•
•

---

J~
L
__ - -
1
-65-
o '
1
1 Un système similaire à la variation de l'angle de calage n'est pas en-
visageable pour les éoliennes Darrieus. Des essais d'utilisation de freins aé-
~ynamiques placés sur La zone équatorial~ du rotor ont été faits
:KA~AMOTO,
~91, : VANSANT, 1978:. Ces freins servent surtout COr:!me l imitateur de vitesse
rotation. Les résultats obtenus ne sont pas complètement satisfaisants, mais
I s améliorations sont possibles.
1.·.
1
2.
Régula:ions éleccriques
Elles se font en agissant soit sur la génératrice, soit sur la charge.
.1sont actueLlement les plus utilisées pour les éoliennes Darrieus à pales
xes. Suivant le type de la génératrice, Les possibilités d'action sont dif-
férentes. Sur une génératrice à inducteur excité, on peut moduler le courant
!lexcitation, et sur une génératrice à flux constant, agir sur le courant dè
charge. Pour ces deux cas, on peut utiliser un chopper.
a)
action d'un chopper.
1
Un chopper agit comne un interrupteur sur un circuit. Il ceut être un
~ansistcr, un thyri stcr, ... , dont la conduction est déclenchée pac des i~cul-
Si nous considérons un train d'impulsions carrés de péricde 3 fixe, Ii
l
courant traversant
la charge ou l'induit durant la conduction c;ui dure :l~l' Le
courant l résuLtant peut être considéré comme La moyenne sur "Ide l'i~ouLsion
de courant traversant le chopper durant el'
1
Nous avons aLors
l
=
-:l l .
(37)
1
1
La puissance P, fournie par la génératric·e, est donnée par
La reLation
1
P = E lc
(38 )
,
et
E = kil w
v
•
l
courant traversant
La charge,
c
l
courant traversant l'inducteur.
v
1
1

---

-1·
-66-
"•
•
1
,
•
•
a)
•
b)
•
•
a) maintien de la rirent de rot';llon
..
constante
b} contrôle de la p:JiJsance
cJ rr:ainr:"en
..
de la ...·l,"rt.u Jpe"cljiq~e a Sil
ra/l'ur optimale
c)
•
'i"ure 36: Circuits èLectro~i~ues de rèçu,ation
•
(LE r-0~Rl~?ES,19GO)
•
•
'"•
•
~
-.;~.

---

--.-------• 8z:t
1
-67-
...... ;
1
i
L'action du chopper sur la generatrice donne une expression suivante de
'11
puissance
(39)
1
avec
Sur le courant de charge, l'action du chopper donne une expression equi-
·1
valente de la puissance
1
P =R 1 2
l c
l
= al·
c
'c
(40 )
1. = k 3'"
,C
P = k a 2 ..,2
..
1
Le chopper permet de faire varier la puissance en agissant sur le rapport
, en effet, celle-ci varie comme le carré a 2 •
r Dans les expressions ci-dessus les ki sont des constantes.
1
La réguLation à puissance constante entraîne La reLation;
k'
a
=
(41)
et à puissance opti~ale (P = kw3)
, l f 2
a
= k w
(42)
'1
où k' est une constante.
•
Ces relations sont vraies, que l'on agisse sur la generatrice ou sur
: 'ILe courant de charge.
;î11
,
Un circuit de régulation avec boucLe de contre réaction, utiLisant comme
tldonnées La vitesse du vent, La puissance, ou La vitesse de rotation, permet de
f. faire varier a en fonction de w suivant les relations (41) et (42) (Figure 36).
3.
Régulation de l'aéromoteur de l'IUT '~,.
fi
Le type de regulation que nous avons choisi est celui de L'optimisation
~
1 de La puissance en jouant sur La charge, pLutôt que sur Le courant qui La tra-
Iverse.
~~.'
f.·.I:
fr.

---

-68-
lIIt
•
Génératrice
•
\\l!l,
.'!
Résistances en série
Résistances en parallèle
•
.-!;
FiQure 37: Con~ection des résistances pour la régulatior. par adaptation
•
..
de la char~e
•
p
..
•
•
•
Figure 38:
Superposition des caractéristiques de l'éolienne
et de
la charge
1
l ,
~
-

---

=:== ......
-----Er_~
-69-
i
..... :
1
1
·i
Le fonctionnement de l'éolienne est controlé par un microprocesseur
MOTOROLA 6800 monté sur le kit correspondant.
1
a} -
Principes de la r~lation par adaptation de la charge
Elle se limite au cas où la charge est résistive, et où il n'y a pas
de contrainte sur sa valeur. La charge est divisée en plusieurs blocs connectés
ou court-circuités par des relais ou des thyristors (Figure 37).
Pour dimensionner ces blocs, on considére.la superposition de la carac-
téristique puissance-vitesse de rotation de l'éolienne et celle de la charge
(Figure 38). On remarque que pour une résistance donnée, la caractéristique de
la charge passe près des maximas de puissance de l'éolienne pour une certaine
gamme de vitesse de vent. Il est donc possible à partir de quelques valeurs de
la résistance de charge, de couvrir une gamme importante de vitesses de vent,
en assurant une puissance captée maximale. La valeur de ces résistances dépend
évidemment du coefficient de multiplication.
De même, on peut déterminer plusieurs valeurs de résistances permettant
un fonctionnement à puissance ou vitesse constante. Ce système de régulation
est très simple à mettre en place, s'il est piLoté par un micro-processeur, mais
son utilisation reste limitée à des cas particuliers (chauffage par exemple).
b)
- Ré~ûlation par microprocesseur
L'automatisation d'un aérogénérateur Darrieus à l'aide d'un micro-
'1Il ordinateur est une solution souple et commode. Le lancement de l'aéromoteur,
la régulation et l'arrêt d'urgence sont assurés par le microordinateur. Il
1 peut traiter, stocker des mesures venant des capteurs placés sur le système
mécanique et les environs (anémomètres, tempérarure de l'air, .•. ), et en même
1temps accomplir les fonctions de régulation proprement dîtes 1MAURIN, 1984\\.
Le kit MOTOROLA MEK 6800 construit autour du microprocesseur 6800
J n'est pas aussi "puissant" qu'un microordinateur. En plus du 6800 il comprend
des mémoires vives (f/AM) (tl<octets), une mémoire morte (ROM) contenant le
!l programme moniteur, 2 interfaces parallèles (PIA) dont l'un sert pour le cla-
,
vier, 1 interface série (ACIA) pour l'utiLisation d'un magnétophone, et d'un
cLavier (Figure 39).
1
1
1
\\
_U~,~:~tm~:~:\\~;;.~1~~;~~~~-~7:t:s.~=:-~--~:.~"-.~~.~,.~_o-'~:~r_!.~._'_~~~:.~-'~ "_~ '~'
----''-'_:-~_----'---'~~~.:_:~c:.::---~.,,-,,~-,--,,-.,_-,._.
_ _
_ _
__
_0.'_-

---

..
-70-
"
•
1
1
1
Horloge ~
HC 6800
1
Commande
enregistreur
lecteur cassette
1
magn~tique
RA.'1
L-f-i_-eIA':"CI~A~.r-I-
--ll
Affichage
utilisateur l -
1
IŒIIJm
PIAI-+-
L-f-.f,PP:J"IAAll-_-fC"i":::i:":lL
l
. l'
'--1-+-1-'
.
1
J Clavier ~-....
utl lsateur r-
1 Clavler
1
lt
Circuits
extension
1
"
des bus
lit
Bus
Bus
de données
d'adresse
••
Extenslon du
•
bus
..
Fi~ure 39: Synoptique du ~it ~otoroLa
•
•
Anérr.omètre
1
1
1
AmpLi fi cateur 1
1
1
EchantiLLonneur-bLoqueur
r-
I
Signal
•
1
C.A.N.
1
Sign:>.l
1
1
"début de conversion"
•
"fin de conversion"
1
'----
•
Port A du PIA
Microprocesseur
•
Figure 40: Interface d'acquisition de La vitesse du vent
"
•
",." ~;--~
,',

---

~: -'-'-'-- -- -~---
-----=--------~
1
-71-
, 1
.
.~ ,•i
1
1
La programmation se fait en langage machine.
1
Le programme de régulation réside dans les 512 octets de la RAM. La
capacité en mémoires vives du kit peut être étendue. Mais les difficultés de
~rogrammation en langage machine sont un handicap majeur pour La mise au point
d'un programme de réguLation pLus compLet et exigeant donc pLus de memoires •
.1
Le kit MEK 6800 compense sa faibLe capacité mémoire et Le peu de ports
d'entrées sorties par son coût reLativement modéré et sa simpLicité de conception
~Ui permet L'adjonction facile d'interfaces d'acquisition de données, et de
commarde.
1
Pour notre reguLation, nous utiLisons Le 2e PIA pour commander L'aero-
,
moteur. Un PIA est constitué de deux parties semblables appelées port A et
'!fort B. Chaque port comprend 8 lignes de données bidirectionneLles, qui peu-
.
vent être programmées en entrées ou en sorties, et deux Lignes de commande •
• rans notre cas, nous avons choisi Les 8 bits du port A comme entrées par
LesqueLLes Le microprocesseur peut Lire Les donnees, et Les 8 bits du port B
-'.
,comme sorties pouvant commander des Lignes extérieures. Les 2 Lignes de com-
amendes du port A sont aussi utilisées.
J
c)
-
Acquisition de la vitesse àu vent
1
La carte d'interface permettant au microprocesseur de Lire La vitesse
,
u vent comprend un ampLificateur, un échantiLLonneur bLoqueur et un convertis-
leur anaLogique numérique CC.A.N.) (Figure 40).
Le signaL anaLogique vient de L'anémomètre à coupeLLes qui fournit une
tension proportionneLLe à sa vitesse de rotation. Pour éviter une chute de ten-
ion significative à La sortie de La dynamo à courant continu de L'anémomètre,
!fous avons utiLisé un ampLificateur opérationneL car ceux-ci possèdent une im-
~édance d'entrée éLevée.
·l
\\
Après L'ampLification amenant Le signaL à un niveau suffisant pour ex-
~
i!
..
Loiter toute La gamme du C.A.N., iL est échantiLLonné et converti en numérique
1
.1
~lfour aboutir directement sur Le port A du PIA programmé en entrée. Les sorties
1
1
l~u C.A.N. sont à 3 états (état 0, état 1, état haute impédance), L'état haute
c impédance permettant d'isoLer Le C.A.N. du port A.
'1
1

---

1
-72-
..•
lII!Ii
•
•,
•
B
1e icpuls ion
- -
!III
•
""
..
"- "-
•
\\
\\
\\
\\
'"•
\\
1
1
""
/
•
/
..
/
•
"•
lI!II
•
e
p
impulsion
w
•
Figure 41: Roue dentée
'1•
1

---

.
.__
._.."_. .
.. _
. C & I O _ ~
~
~
~
----~
-73-
Le signal d'échantillonnage et de début de conversion, est donné par le
microprocesseur, Qui attend Le signal de fin de conversion du C.A.N. pour lire la
donnée. Aprés cette lecture, le microprocesseur envoie un signal fin de lecture
Qui efface la donnée du C.A.N. Qui a dans ce cas, ses bits de sortie à l'état
h~ute impédance.
d) - Acquisition de la vitesse de rotation
Nous avens utilisé un capteur optique et une roue dentée solidaire du
rotor, dont chaque dent génére une impulsion en passant au niveau du capteur.
Soit
e l'angle total parcouru par la roue durant le temps T, nous
avons
p+l
e:: l: 68. ;-
(43)
i :: l
'
---'.
(Figure (1), avec p le nombre d' impulsions durant T.
Les dents n'étant pas régul i èrement espacées, posons
Z-:; + E •
( (4)
:: e . :: n
1
n
l: E_ :: 0
1
i :: 1
où n est le nombre des dents de la roue.
Dans le cas d'une roue parfaite, CE. :: 0
Vi), nous obtenons la rela-
1
tion suivante, en négligeant
Yo et Y +
p 1
2 rr P
3 ::
(45)
n
e
P
1
W ::
en tr/unité de temps.
= n x T
ZrrT
L'erreur
l!. M faite en considérant
l'angle parcouru donné par la rela-
(51)
est:
l+p
0=
e_2!.f::
l: E·
(46 )
n
i :: l
1

---

1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1

---

.. -",
-75-
1
ri
III el est maxiCDJm pour
y
= 1 et
Y
= 0
(47)
0
ltp+1
,Iou
ï
= 0
et
0
Yl+p+1 = -1
,
Pour une roue "parfaite", nous avons l'erreur suivante, qui est liée
11
à La méthode :
fi
2"
lie
= -
(48)
1
1 parfaite
n
Dans le cas de la roue "imparfaite", une erreur supplémentaire s'ajoute.
tl Pour L'estimer, nous prenons
~I
L+p
TI
l: C • + C
<
,
;
0
n
i =L
flet
(49)
L+p
l: C,
- C
<
l
"
i=1
l+P
n
iJ,
TI
•
- etant l'angle d'une dent.
n
D'où l'erreur totale pour une roue "imparfaite"
6 il '" :!: 3"
(50)
n
De La re Lat ion (45) nous tirons
6w '" '" 8 + ~
(S 1 )
w
e
T
L'erreur commise surletemps de comptage est négligeable
6w'" + l L2.
( 52)
2 T
Dans Le cas de notre roue, nous avons T = 0,5 s et n '" 60, ce Qui nous
donne
+
6w= -
3 tr/min.

---

1
-76-
•
J
Photodiode
1
1
1
Anpli ficateur
1
1
'leM;se il zero
1
CC'"'::l:eur
•
1
•
1
1
Jas cule "la::n" 3 e:ats
r-
I ::Jascule "latch" 3 etatsl
1
?on
A Ct. P' •
C.N.A.
-
.~
1
1
5iç;naL
:-'icroorocesseur
..
fin de corro ta c::e
Enre9ist reur
vi :esse eolien,.,e
1
1
FiCèt.re 1.2:
lrterface d'acquisition de
la vitesse de ro:aticr.
Res i s: ar,ces
l!I'
..
~
1-
ri
1-
..
.
IIÎI
r
JI
9 i t
6
ait
5
ait
2
"..
: 11111
.,j,Li~en'(at "ion
1
ait 0
1
1
Génératrice
1
Figure 43: Circ~it de charc::e
1
1

---

1
-77-
1
1
L'in,erface d'acCuisition ce la vitesse de rotation fonctionne ce la
façon suivante: la roue dentée solidaire de l'axe de rotation du rotor, un
photo-transistor et une diode electrol~ninescente sit~és de part et d'autre
1de la roue, fOJrnissent wn trai~ j'i~~ulsions de fré~~ence ~rc=ortionnelle à
la vitesse de l'éolienne (Figure 421. Ces i~~uLsions arrivent sur deux co~~­
1teurs asynchrones de 4 oi,s reLiés de façon à fonc,icnner en 8 o;ts. Les bits
de sortie des COr:lpteurs arrivent sur deux bascules "latch", aux sorties à
1 trois états. La prer:liere COr:lr:lunicue avec le part ~ du PIA et la seconde avec
un convertisseur nUr:léricue analogique (C.N.A.) nous permettant de disposer
d'une sortie analogique proportionnelLe à la vitesse de rotation de L'éoLien-
1ne (enregi strer.-.ent, mesure, etc .•• ).
1
Durant
le temps de conversion et d'arrivée d'une nouvelle donnée, la
oascule garde la vaLeur précédente.
1
e.1 -
c.~a rqe
La charge est co~~osée de 5 grou0es de résistances disposés
en série.
Des relais, c8~~andés par
Le PIA (Figure 43) du ~icrcorocesseur, ~ettent en
Jsérie ou court-:ircuiten: ces bLocs de resistances, et per~ette~t le passage
du fvnct;onne~ent en -ote~r au fcr.ct;onne~en~ en generatr;c~.
J
Le PI." attaQue les relais par L' interé.édiaire ce transistors qui fcnction-
nen, en cOr:l~u:a:ion, ces =erniers jouant Le rôle d'interrupteur cans Le circui,
1d'aLi~entaticn ces bobines des relais.
1
èe
1
Le prcgra~~e de ré"uLaticn co~~ence ~ar ~ne ~re~;ere 2ar~;e ~er~e~tant
.
le cé~arrage de L'éoLienne.
Après initialisation des oi;férents registres et du PIA,
le m;crCDroces-
1seur lit plusie~rs érhantillons ce la vitesse du ven: dont il calcule la valeur
1 moyenne. Quand celle-ci est comprise entre VD (vitesse de vent m;nim~m de
•
fonctionnement) et VM (vitesse ce vent maximum), l'éolienne est
Lancée par Le
1moteur.
1
1

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1
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'"
III
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1
-79-
1
1
1
1
Calcul de La ~i:esse ~aye~ne du ~e~[ V
1
'lan
Oui
1
ClE'llarrage
1
Te",parisatian 1s
Lire cJ
1
1
Li r e _
F .... e ~ :~ Ci c: e
0,_ '
1
Lire V
-.
1
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il
~~
9i*i!i3iiJ&-'E!3!iIfESt.::~...:t%~~_,_._,\\$,.,L_,,*,·,'P..:r-7"7>--~1L·_"~-:~::':~_··
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'1•
?o'r.:eur ce :J ~ i. e a
i. 1 à~!"'esse
~07r
1
?!:.. :Gor~
.< en en~ree
et
par t
B en sor~ie
1
Initialisa,ion Cu cor.,pt eur
contenant
le nombre d' èchan, i llons
~e
1
1
Initialisation ces nénoires
0014 et 0015 il zéro
Charge op'ir.ale
,
1r, i t i a lis a t ion du
reÇ11stre d
irdex X
1
Il
C;"',arc;e r
~Iacc~ .; 3vec VD+Z
1
1 C:-:-arer
(J(CL'
A)
ec
(accu 5)
iI"i
l ne rer'èr'l e: X
de
1
~
1
1 ~~on
1
1
C~.arc;er
~Ia:<:u .; a·.... €' c
~ e
cor:eru ce
1
1
,
~joUi:er a
acresse cc"te"ue car: <; le re:;'.stce :(
(accCJ ,),)
1
1
..
1
~c~e"
(a':c~
A)
50".;:'""
, e 2'C r: 3
(accu ~): conteru de ~ 'accL~~Lateur ;
(accu 3):
contenu ce
~'accumuLateur 3
1..
_

---

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•
,.
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"'"
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..
""....
1

---

PI
-83-
•
1
Calcul ce la vitesse ~oyenr.e V
avec la -~~o're 0015
1
Non
Incrémenter
(0014) de 1
Décrémenter le co~pteur
f~on
Co~parec le résultat ce l'addition
contenu dans 0014 et 0015 Jvec Ne.VD
,•
Oui
'"•
Dé~arrêse cOl1er~e
(0011.) ~t
(0015);
conteru ces C'ec-oires 0014 et GOiS
".
•

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II!!
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1
1
-85-
le::'..ice ce V
!nitialisa:ion ces
TE~o;res 0012 et 0013 et au corpteur
';,c, cf, , ,'"" "u'
ll~ne c~2 à l'état oas
)~but de conversion
Son
1
lire la dcnnée sur
le por t
A et
la rancer bans
l' JC Cu 6
'"•
~cditicn avec ,e,enue ce
(accu 3)
avec
(0012)
";on
ï
,
1
:~c,èTcr:er (0013) ce 1
J
'----~-
- - - - - - '
\\
'1
•,...,
F~r. ce
lec:wre
....
~lon
"
Oui
'li!'
..
P.ar'rJer
(0013)
dans
l'accu 3
Retour au progranne principal
l\\1li
•.. (0012) et (0013):contenu des nt:r.,oires 0012 et 0013
•

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...

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Il
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-87-
'"•
3i t 0 et Dit 7 a zéro: début
co~ptage et accés ces co~pteurs
a u po r t
A du P1.~
'"
1
•
1
1
Lecture connee vitesse éolierne
11 s~r port B et
ran~ement dans accu B
1
3~~
7 à 1:
cC-:Jte\\..;rs
isoles Su Pl.';
1
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li.
-89-
1
Dès c;ue La vitesse de rotatien de l'éolienne est sU;lèrieure à
,..:El,
!li
li
vitesse de rotation per~ettant l'accrochage, on passe au fcnctionne~ent en
gènèratrice. On connecte d'a!:ord la charge rninirnale; ensuite le rnicro:::>rocessecJf'
1 Lit à nouvea~ la vitesse de rotation ce l'éolienne. Si eLle estco~:::>rise entre
'_~O <vitesse de rotation causant Le Décrochage) et _ ~ 2 <vitesse ,,",axirnale de re-
'1
.. tation), iL lit la vitesse du vent et coC',necte la charge oPtir:",ale correspondante.
Sinon, iL ordonne le freinage rnaxinun en court-circuitant toutes les resistances
et repart au début. Acrès avoir branché la charge optimale, le microprccesseur
Lit à nouveau V et le cycle continue.
Voyons plus en détail
les différentes parties de l'organigrarnne.
D'abord, durant l'initiaLisation, Le port A du PIA est progranmé en entrée et
le port B en sortie. Le port A reçoit les signaux de La vitesse du vent et de
L'éolienne. Le Dort B sert de connande : le bit 0 pernet d'arrêter le conptage,
, Le bit 1 pilote le relai pernettant Le fcnctionnernent en génératrice c~ en "'0-
teur,
Les bits 2 à 6 agissent sur les relais actionnant La charge, ~t Le bit 7
• remet à zéro les compteurs et fait passer Les sorties de la bascule reliant les
.-, compteurs au port A à L'état haute irnpèdance. Les ~émoires 0014 et 0015 qui
contiendront le résuLtat de L'addition des Ne échantiLLons de vitesse de vent
seront mises à zéro. Le conpteur cont~endra Le norbre d'éch2n:illons ~e.
Ensuite, la Soë-e des Ne echan:iLlcns est caLcuLée s~r deux octets, car
un octet ne 507";: :3S :our un nG~bre c'e:nantiLLors assez grand. La ~é",oire
0014 contient l'ec:et
Le plus sicnificatif et La ré70ire 0015 l'octet Le moins
significatif. On conpare alors cette SG",~e a :I
'"
e • v= et Ne x V~.
Cela revient à
• cO~::Jarer la noyenne des échantiLlons à VQ et V1. Des eu'elLe est co~prise entre
ces deux vaLeurs, on Lance L'éolienr,e en :-.e:tan: Le :Jit 1 a 1. Chaque écnantiL-
Lon de vitesse V est en fait ~ne ",oyenne sur 0,5D c'échantiLLons "instantanés".
~lle se calcule par l' in:errcédiaire c',-r, scuS-::Jrogr,,-,~e cui ::llace la .~eyenne
'li
.. correspondante dans l'accumulateur 3. CeL" r::Jus per~e[ de nous dispenser d'un
filtre.
Dès eue la ligne de co~~ance C~2 Cu PIA passe a l'état bas, la vitesse
du vent est échantiLLonnée par l'échantillonneur blooueur et
le CAN cor~ence
La conversion du signal analogieue en nunérieue. Dés eue la conversion est
terminée, Le CAN envoie un signal sur la ligne de commande CAl dt.: PIA,
Le
!!Ill
microprocesseur peut alors lire la donnée nunérique.
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-91-
1
1Dés que La conversion est terminée, le CAN envoie un signal sur La Ligne de
co~rnande CA1 cu PIA, le rnicroprocesseur peut aLors lire La donnée nu~ériQue.
La ligne CA2 ~asse aLors à l'état haut, les sorties du CAN sont à l'état haute
Il i~:édance (a~c~~e connée en sortie). Le microprocesseur effect~e la sc-.-.e sur
deux octets (0012 et 0013) ces 23 e:nantill:ns, leur ~oyenne se trouvant en-
,
tiére~ent alors cans l'octet le plus significatif, contenu cans la ~é~oire 0012.
il Ce contenu ensuite pLacé dans l'accumulateur B avant ce repartir vers Le pro-
1gra~r.-,e princ ipa l.
La lecture de ~
la vitesse de rotation se fait par un sous-progra~rne.
,
Il dure 0,5 s à peu prés. Le bit 0 déclenche, quand iL passe à 1, le verrouiL-
III Lage de la connée venant cu compteur et aboutissant à la bascuLe communiquant
.
Bavec Le PIA, ce qui revient à arrêter Le cor::ptage pour le microprocesseur.
Après la Lecture de la donnée par le microprocesseur, et range~ent de ceLle-ci
,dans L'accumulateur B, le bit 7 passe à L'état haut, ce Qui rer.-,et à zéro les
•
compteurs, et met Les sorties de la bascule à l'état haute imoédance.
Le passage du bit 7 à l'état haut provoque aussi
Le verrouiLlage ce la
.. connée venant du compteur par La bascule com0uniQuant avec Le (NA, relié, Lui,
à L'enregistreur .
•
La vitesse ce ro:=:;on etant cans L'accu~uLa:~~r 8, en re~art au ~rogra~~e
•
pr;nC;;JaL.
Des c~'?
l=:
\\j;:esse
- est
su;:::ér;el.'re à -E11' on oasse en 17lode génèra-
..
trice en ~ettant à zero Le bit 1, et on ret la charge minimaLe (les bits 2 à 6
à 1), c'est-a-dire, Que
La résistance de charge est La plus grande possibLe. La
, charge maximale est connectée en mettant Les bits 2 a 6 à zéro.
La charge ootimaLe est mise en circuit en déterminant dans Quel intervalle
III
La vitesse du vent se trouve, chaque intervaLLe, de longueur 1 ris dans notre
cas, correspondant à une combinaison ces bits 2 à 6 contenue dans Les ménoires
COOO à C004.
•,
III
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-93-
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0(·
VIII -
RESCJLTATS
1
.•
1 -
Buts et principes de mesure
~t­
~,
La puissance mesurée au niveau de La charge est ceLLe provenant du vent,
et amputée de plusieurs pertes (Figure 44). La Limite de Betz fixe L'énergie
maximaLe captable par un rotor. Ensuite, Le rendement du rotor par rapport à
La Limite de Betz, nous donne L'énergie disponibLe sur L'arbre du rotor. De
cette dernière, on soustrait Les pertes par frottement mécanique pour avoir
L'énergie éLectrique disponibLe. L'énergie éLectrique utiLisabLe au niveau de
la
charge est égaLe à l'énergie éLectrique au niveau de La génératrice diminuée
des pertes éLectriques.
La connaissance du rendement de L'aérogénérateur et La mesure de La vi-
tesse du vent permettent d'estimer La puissance éLectrique au niveau de La
charge, si Les pertes par frottement et par effet JouLe dans L'induit-Ligne
-.
sont connues.
a)
résistance induit-ligne
Après avoir déterminé les pertes par effet Joule dans L'induit de La gé-
nératrice
et La Ligne La reLiant à la charge, nous pourrons calculer l'énergie
éLectrique produite par La génératrice à partir de La puissance mesurée au ni-
veau de La charge.
La résistance de L'induit et de La Ligne est faciLe à mesurer. Mais ceLLe
qui existe au niveau du contact baLai-conducteur, est pLus difficiLe à évaluer.
En effet, eLLe dépend non seuLement de L'intensité du courant qui Le traverse,
mais aussi
de La position du rotor.
Pour La mesurer, nous avons choisi de procéder de La manière suivante
Pour pLusieurs positions du rotor de La génératrice, nous avons imposé une
tension constante et mesuré Le courant résuLtant. On en déduira La résistance
correspondante. Nous ferons ensuite varier La tension. Nous prendrons comme
vaLeur de La résistance gLobaLe, La moyenne des résistances mesurées pour
différentes positions et tensions.

---

1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1

---

-95-
1
'1
i
b)
1
Dans le ~ut ce faire u~e s;~~la(ion C~ ~onctio~ne~en~ ce L'~ërc;enèrate~r
de l'IUT "Ali,
il e:a;: necessa~re ::::e C::1~.aitre
tes :cef~1c;E"-,:S :e fr·~tte~e:1:s
sec et visQc;e,-", ainsi Que l'iCler:ie ce l'enseë.:'le.
ft
•
Nous identifierons en pre~ier lieu les coe77icients de fro::e~ent
En
1 faisant tourner le rotor à vitesse constante, et à ven: nc;l, la ~uissance four-
nie par le noteur est consonnée par les frottenents sec et visQueu., ainsi Qc;e
par La trainee ces paLes. Le vent €tant
n~L, la ~Gissance conso~~ëe par la
trainée est pro~ortionnelle à
_;. D'oü la
relation:
PM = T P • u: .;- TF
.;- K
(53)
où
PM est
la puissance fournie par le ~oteur,
TP
le coefficient de frottenent sec,
TF
le coefficient de frottenent fluide
et
K
Modélisant
les frottenents des pales (Darr;ec;s et
Savonius).
..
ConnaissaCl:
la pc;issance p~ et la vitesse de rO:3:ic~ _ ,
il es: GossibLe
.. ~e calcuLer T?, T~ et < si L'ex=érience est faite ~:~r oL~sie'~rs 'Ji:esses de
ro:ë:ion .
••..
Concernant
LI inert~e
de L'eGse~bLe en rotati~~
!~J, r3~erée à l'éolienre,
, neus ferons des nesures en transi:oire. Dans le cas où le -o:e~r es: en circuit
• cuvert, et où le vent es: nul, r.c~s avons la relat;cn :
1
IN
= TP ~ TF
.;- K
(54)
a'Je:
IN
l'irertie de I.'ensec-.:Jle,
\\
'1
..
l 'accélératicn du ro:or de )arr~eus .
Il suffi ra donc ce lancer le rotor ce Darrieus jusc;u'il c;ne certaine Vl-
•
tesse, de couper
le moteur, et d1enreçis:rer la décroissance e~ vitesse cû
rotor. L'acceleratlon
sera èDorox;~ee ~ar
(55)
Où -"
et
:':2
sont
les vitesses de rotation au. ter:-,ps t et t + . t .

---

1
"•
•
•
..•
•
•
•
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-•
•
•
•
",.
•
•
••
••
1

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t
1
-97-
1
,.
•
c)
!'~é,;"e"ce ce réso::a.::<:e
ces cabl es
La résona~:e ces cables ~e~t avoir ces effets néfastes sur l'ense~ple ce
1 l'aéro.énérate~r et cela :eut acler j~s~~'a la destruction de l'appareil si
l'un ce ceux-ci se rO-,,;J3it a la suite ces c~ocs avec
Les paLes ("rande a-pLi-
ft tude ces osciLLations ces cabLes) ou d'~n déDasse~en: ce La Li~ite de r~::ure
... TEMPLIt<, 1978
Nous étudierons le co~pcrte~ent vibratoire des cabLes grâce aux jauges
.. de contrainte ~is en pLace sur ces dernieres.
•
Pour déterminer La première fréquence de résonance, nous opérerons ce
deux manières: soit en excitant manueLLe~ent Les cabLes de teLle sorte qu'iLs
1oscillent suivant Leur mcee fondamentaL, soit par L'intermédiaire du rotor en
ro t a t i on .
III
..••
c)
::':tesses è'2Cc~oc.'Jaçe, ce èéc~ochaqe, "ésiscar.ces ce cr.a~::e
•
Ces vitesses et ces résistances sont des données à cennaître pour pOuvoir
réguLer notre aérogénérat~C1r par L' in:er::lédiaire du ,Clicroprocesseur.
'"•
Le microorocesse_r se c~arge du Lance~ent
de Ltaérogénerateur et
.:'.) oas-
." sase CG fonctic~~e~er:
e:
celui
en génératr;ce~ La cnarse est un
rnéostaé
il dont on ajustera La v3Le~r suivant La
du vent et La rotation de L'éoLienne.
1 La charge composée de pL~sieurs cLucs n'a pas été C1tiLisée durant ces ore"Cières
.. nesures, Le tenps de répe~se de L'éoLienne n'ééant pas oien déterCliné.
,
Pour pLusieurs vaLeurs de La vitesse de vent, nous avens déterminé les
•
vi:esses de rotatien per~ettant c'accrec~age eu causant Le décrechage. IL est
\\
di;ficile à partir des e~regis:re~en:s ce La vitesse du vent, ce La vitesse de
ro!at;on~ de LI intensité e: ce La tensic~ aux bornes de La charge de céd~ire la
résistance de charge op:i~"Le cerrespondant a une vitesse de vent cannée, car on
est rarement en équilibre (vitesse de rotation consta ...,:e durant aueLques ins:ants).
Mais on peut avoir un ordre de grandeur de ceLLe-ci en considérant Les
Zones de faibLes variations de La vitesse de rotation. La vitesse du vent est
elLe aussi estimée car elLe est sujette a de fortes variations.

---

-98-
Il!'
•
•
•
•
•
•
II!!
•
Cc'!:7reur l~-----\\ïresse éolie!'~e
•
....
Alir.enrarion régulee
variable
•
...'
l
•
Chai~e ~e ~~sure ?our la ~~ter~i~3tio~ ~es ?3r3~~tr~~
J~
r~C',tt(':-:-t:t... t
-
•
•
•
•
"
..
1
1

---

1
-99-
1
e)
'Ii :esse è:l 'JE.":
Neus avens cherché a co~~arer les ë.esures ce vitesses ce vent faite sur
Ile site ce l'éolienne ce l'IUT ";.." aux c,;nnees ce La ~etéoroLe;;ie
~,aticrale,
afin de ~ettre e~ êv;ce~ce l'infL~e~ce cu dit site. Les ~es~res c~t ete faites
len ada~tant la ~artie du ~regranë.e de régulaticn effectuant la nes~re et le
"calcul de la vitesse ~eyenne du vent. La noyenne calculée ~ar le ~rogranë.e se
fait sur 4 ~inutes.
1
2 -
Ex;é~:~e~~at~cn et rés~2:a:s
a)
Rés;Stà~Ce ~nèui:-liq~e
\\1
On alinente la génératrice ~ar des tensions allant de 3 à 5 V. Le rotor
Î est maintenu bloqué pencant ce ten~s. Ensuite on change la position du rotor et
'IOn réalinente la génératrice.
•
La résistance est d'autant plus sta8le que l'intensité
(La tensicn) est
lir;-,cortante.
A 3 V nc~s avons des intensités de l'ordre de 2,5 A. La resis:ance ~ue
,."rous ~é~~ircns ne se~2 valabLe Gue 2cur des intensités su2ér;e~res ou égales à
•cette '.:aLeur.. Cette Li~,i:a:ion est faciLe,,;;er.~ reS8ect~~ car L'2erogénérateur
. . En fcnctionneGe~l,
::::;-
fCI~'rn;r ....:ne ;,"ltens;te SUOer1eL..ie â 2~5 A, ~our Les ré-
tilisistances o~ti"'aLes considérées dans La c.'large.
La noyenre des résistances caLcuLées :our des :ensicns
•égales 3 3 V nous conre :
•••..
nesure La tension aux
On en dédu i: La pui s-
Sance électrique conso~née qui est
La sonne des pertes induit-ligne et de
::La puissance absorbée par les frottenents.
La vitesse ce rotation est déter-
ninée grâce à un conpteur connecté au capteur optique (Figure 45).
""•
J.
.. _-~~-.~_~-._ ..-

---

1
li'
•
....
•
•
..•
""•
•
•
•
•
•
JO'
•
•
-...
•
•
•
•
•
•

---

;01
~
-101-
!
1
Le tem~s de co~~tage a ete fixe à 1 s. Durant les mesures, la vitesse du
1vent est cons:a~~en: enregistree de façon à s'assurer de leur validite.
Dans l'ex~ressien de la p~;ssan:e, lors de la rota:ien a vi:esse :cnstan:e,
1 les inconnues à :rouver sent T?, TF, et K. Co~~e nous avons ~lus de ceints de
,
mesure Gue d'inconnues, nous avons choisi
la ~ethode des moindres carres cour
determiner les coefficients de frottement.
•
1
Soit P~i et -i la;e ~uissa"ce fournie ~ar le ",oteur et la i e vitesse
mesuree, nous voulons minimiser l'ex~ression
,
•
. = [ (P . _ pC .. »2
-
.
M,
-1
,
(56 )
peur les variables T?, TF, K
~ous raDpelons que
'"•
1
"
=
= cC.:.) = 0
,K
(57)
•
Ce qUl
jcr~e Le s~stème su~vant
TP = _, + TF ~ ~i +K:-'i- -
- 1
i
!!If
•
TP -
i
... TF
-
- -,
+ K :
-i
= - -,
(53)
T? : ._, + TF -
,
La résoLution de ce sys:ère pour les 3 grcu:es de vaLeurs Que rc~s avO~5
•
nous donne les résultats suivants
1 0
se rie de i.1esures :
-------------------
T? = 5,5 ~~ • r71
Ti'
= 0,3 N. ë1. S
K = I,x10-' ~J • r;l • se
0
2
se rie
--------
TP = 6,2 N.m
TF
= 0,13 N.m.s
K = 13x10-' N.m.s 2
1..
)

---

1
-102-
"
•
II'
•
VITESSE
TENSION
COURANT
li'
tr/C1in
V
A
•
l,3
15,38
2,5
62
21,03
2,8
82
26,64
3,05
••
10l,
33
3,45
ft'
11 2
35,3
3,65
•
121
37,8
3,75
'"
131
l,0,7
3,95
•
140
43,3
4,10
I!!'
•
150
l,6,4
4,30
160
49
4,45
•
Tableau III
1e série de ~esures de Duissance
•
consommée à vitesse ccnstante
•-•
..
....
,,"'"
....•
>
~".-:r
.-,
1

---

1
1
-103-
1
1
1
'JI ESSE
TENSIO~
COURANT
'1
tr/~in
V
A
III
50
17,83
2,65
1
60
20,35
2,75
Il
69
22,82
2,85
•
80
26,15
3,05
1
89
28,69
3,15
101
31,98
3,4
"
109
34,6
3,55
III
119
37,3
3,7
"
Il
128
39,9
3,9
'II
lit
2e serie de ~esures ce ~uissance
consc~~ee à vi~esse ce rotat;cn
constante.
"•
,i
..•
~.

---

,
-104-
•
•
VITESSE
COURANT
TENSION
tr/min
..
A
V
•
28
2,2
11,12
...
49
2,3
17,16
•
77
2,8
25,2
II,!
93
2,8
29,1
•
102
3,2
32,05
•
110
3,2
34,0
120
3,4
37,1
•
134
3,5
41,2
..
143
3,8
43,7
153
3,9
1.6,5
..
164
4,1
49,4
..
3e série de ~esures de 8uissance
consonmée à vitesse de rotation
•
constan~e
•
•
•
•
•
"•
."
d

---

-105-
1
1
3' série
- - - - - -
TP = 4,2 N.~
TF = 0,29 N.~.s
1
Ces résultats sont assez cis~ersés. Cela s'ex:li~ue par l'incertituce
1 sur la mesure ce la valeur ::1oyer.ne de la tension et de l'intensité Qui fluc-
tuent beaucoup, et par la sensibilité cu rotor au vent ~ê~e quand sa vitesse
1est inférieure au seuil de l'ané~o:;,ètre (1 m/s).
Pour la suite, nous avons pris
!If
•
TP = 5 N.m
Ti' = 0,2 N.m.s.
( 59)
1
Le terr.-,e K corres::ond à la trai"ée aérocynar:lique du rotor. Dans le cas 0':'
, les Savonius n'auraient aucun effet sur cette trainée, il peut s'exprimer par
..
1
K = 2 l S'
(to
( t ) )
1ou S' = 1,06 x R x c x N
et (to est le coefficient de trainée de la ::ale à incidence nulle.
lit
••
1
•
(ette valeur de (tO est la ~ê~e q~e celle de l'éolienne utilisée ::ar
1 TE.''':?LIN ,1978 . Bien qu'é~evée, elle est acce::table, ce cui ~ontre que les
Sa<onius n'interviennent ::as telle~ent dans la ::uissance consor.-~ée à vent
•
~~l. Les para~ètres ~e f~:ttement ce La çéGera~rice/ra~enés
a L'axe du ro~or ce
l'éolienne, sont
J
\\
-" :::: 1,2 N."
(61 )
1 • :~
En cOr.'oarant ces oaramètres à ceux que nous avons choisi peur notre
"..
'1=
aérogénérateur, nous pouvons en déduire ~~e ces derniers sont vraiser.-blables,
:;-.
bien oue le para::1ètre de frotte~ent sec soit plutôt assez élevé.

---

1
-"'----- -
•
..
-106-
'"
•
•
II'
•
IW!
•
I l fin
Je co~p cage"
•
''-ttesse
folienne
•
•
AI ir.'entation
.'
Tr~;<.Ul~e
--...._----"'---
•
I;:terrupteur
Synchror.i satio;i
•
1
•
Vitesse du ve,,:
•
?ii ure ~h' C~aine èe ~~su~e ?our la èéterr.i~aticn du para~~tre
u
iner:ie
•
•
'1
..
JI
i
;
\\1
1
:-

---

l
1
-107-
1cr/:rit-.~~::.a.l.--:~ë.e.!>-S.'~~c.u=L.e...__-!.._-----~-----,,--
.....,.
_
~
- j - - -
-."
1
.. - .... i-···----·----·-·-···--·..·--·--..--· - - - - - - -
150
! .....
.~ ....
..............~..__.-----c----~
1
,
". 1. ." .". _.. _."._
........ _
1
~
.
..
!
1
---------------
1
1
"..~- -- --~-~---.- ':--~-----: -:--t-~-~-: _:_- -_.. _-_. -- .
".-.-.-._-----_ ..
:: l
Figure 47: Enregistre~en: du signal Jauge et du signal vitesse éolien~e
(hauban lll)
1
Signal jauge
•..
1
•,
. ,
1
.. -_.---· ... ~I
T- - -- 4---.f" i ~-- ~ _.- -- _.
l '
'! '
j ' 1
•
l
, l' .
_ ...
_
: :Il.l.
t
.,-,--'
:.
----
{.
. : 1 ï
1" ••
\\
.i ~ i :
i J ; .
• .
:
1
; ' .
j r ~
1;
j
-.--_._--.-._------------_.- .-.
··~·I
.;::.
Te:Jps
0
~
4
6
8
s
" , .
.lgure [,8: Signal jauge' quand le câble est exci:é manue lle=en t
(hauban 1\\')

---

1
-108-
'If
•
•
'"
INERTIE
•
MANIPULATION
kg.rr;2
e
1
18,S
..
2e
18,S
•
3e
19,7
III"
4e
19,9
•
..
Se
19,9
6 e
20
•
7 e
lll"
18,7
•
TabLeau VI
Différentes vaLeurs de L'iner~ie
•
caLcuLées à par~ir ces enre~is-
~..
tre~ents ce la chute de v;~esse
•
ce l'aérogénérateur.
..-
•
et
•
1
1
11;

---

1
-109-
1
1
A par~ir de chacue enre;istrement ce la cécroissance ce la vitesse ce
1 rota~ion, en fonction d~ ~e~ps (Figure 46), nous en déduisons pLusieurs vaLe~rs
ce L' ir.ertie grâce il La reLa~icn
1
r ., = OP ... TF x
+ Kx -: ) x 'JT/C: - - . )
(62 )
1
avec :...:~ vitesse de rotat ion au ':.e~.;)s T
-2
vitesse de rotation au ter.,ps t .. Dl
vitesse de ro ta tian au t er..p s t .. 2'JT
1
'"'l
,
Ensuite, La ~oyenne de ceLLes-ci nous donne La vaLeur cherchée.
•
Les vaLeurs de l' inert ie tirées des di fférents enregi s~rements sont pla-
cées dans le ta::lleau 'JI. Par La suite, nous orendrons
1
IN = 19 Kg • m2
11
il
c)
F:éque~ce èe :~sond~ce èes haubans
1
On lance l'éoLienne en faisant fonctionner la génératrice en moteur. La
variation de la vitesse de rotation, est suivie grâce au sous-prcgran~e de resure
et d'enregistre~en: te ~s vitesse de l'éolienne. Acres avoir atteint 150 tr/min,
on di~inue la vitessE de rotation en faisant varier la tensicn d'aLimentation.
Les jauges sont aLimentées par un Dont d'extensométrie
Gui comprenc une
sortie d'enregistreur. La figure 47 montre un enregistrement ce la vitesse de
1
.. rotation et de la tension aux oornes des jauges. La fréquence de résona~:e es:
faciLement
réparaole par les 2 oics de tension corresccndants a La montée et à
2 La descente en vitesse.
En excitant manueLLement les caoles,
La tension aux cornes des ja,uçes
varie sinusoidale~ent, et la frécuence nous donne la premiere fréquence oropre
(Figure 48).
En considéranc que Les cabLes sont excités par Le ro~or il une fréquence
dOubLe (deux paLes) de ceLLe de rotation de L'éoLienne, nous obtenons Les ré-
:1 SuLtats suivants pour Le cas de L'excita~ion par Le rotor
hauban l : aucun sianaL significatif
~,I
hauban II : 3,5 Hz -
hauban III : 3,9 Hz
hauban IV : 3,5 Hz.
ËI
t.._-

---

"--
"
-110-
1
,•
"•
Enre"i St reur
"itesse éolienne
•
Enregistreur ~--_Vitesse cu vent
l'icroprocesseur
If'
•
...
•
"fin ce comptage"
'"
Enren. -
tensi cn
•
""
Enre~.
_ co\\~rar.~
•
49: Chaine de ~esure avec "e'oi,'enne
1 . . .
•
en
'
lonct'onne~.ent
•
-
.....
•
•

---

-111-
1
En excîtant manue ller.-.en t
les cables, nous avons
hauban r
4,3 Hz
1
hauban U
3,8 Hz
hauban ru
4,4 Hz
hauban rv
5
Hz
1
Les ceux met~odes co~ne~t :es res~ltats assez différe~:s. La ~re~ière a
une =réc;sîç~ 1nfërieure â la se~cnce, :~r a llerre~r de Lec:_~e ce L3 v~~esse
1 ce rotation s'ajoute Le fait c~e le p~c ce rëscnance n'est oas :o~jours ~et.
Pour augmenter l'am~lituce ces solLicitations ces haubans, o~ a essayé de tra-
vaiLler avec le vent maximum. Le changement o'océrateur ne cha~ge ~as La frè-
1 quence mesurée ca~s la 2' méthode.
If
..
La frécuence de résonance La pLus élevée, cui est de 5 Hz corres~cnd a
une vitesse de rotation de 150 tr/nin. La vitesse de rotation minimale,
lors
du fonctionner.-ent normaL de l'aérogénérateur, wEO, doit donc être su~érieure
1 a cette valeur.
1
Pour des vitesses de vent inférieures à 5 mis, L'éolienne n'accroche ~as,
o~eLque soit
La charge résistive. Au-delà de 5 mis, eLle peut débiter dans u~e
J résistance de L'ordre de 50 ~ au ~oins.
Une :es~s:=r>c,=:::::o2 L'ordre ce 10 .. ,
cui
corres::::onc al.;
~c''''':it-c;rC',Ji:
de
La
charse provoque ~~ ë'rê, conpLet de La ~ac1ire.
ELle sera dc~c La charge ~axiraLe
• cui servira Lors du freirage total.
•
Des ve~ts atteignant 9 ~/s amènent La vitesse ce rcta:içn de l'éçLierne
au-dessus de 300 tr/min, qui est La vitesse raximaLe ce rota:,çn.
L'éolienne pourra donc fcncticnner ~D~r des vitesses de vents ce~:rises
entre 5 mis et 8 mis incLus. La résistance ~ininaLe sera cene de 50 :, et sera
1 la charge a 5 mis.
1
L'éoLienne pour accrocher, doit être Lancee à 150 tr/~i~, au moins, cui
es: La v;!esse ~aximaLe où eLLe ~eu: être a~e~ée par notre al~~entat;cnw A
1 160 tr/min, on estime cu'elle a accroche et que l'on oeut connecter La charge
(Figure 49).
1
En fonctionnement, quand sa vitesse de rotation descend au-dessous de
150 tr/min, elle ne peut remonter en vitesse
quelle que soit la charge et La
1 vitesse du vent.
•

---

1
,
-112-
li
~.
•
l'lOIS
JOUR
HEU~ES
"'ETEO
IUT """
:ols
,,/s
12
17
8
5
20
6
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1
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14
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2
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17
1 1
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3
2
"VRIL 1985
17
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•
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•
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'"
14
3
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•
17
5
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14
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•
17
2
1,8
~.AI 1985
6
11
3
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14
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2
17
7
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7
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14
6
3,7
•
17
8
4
9
1 1
14
5
1,4
17
5
2,6
14
11
3
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14
4
2,9
III
17
5
1,6
15
1 1
3
1,8
14
4
2,9
17
5
1,6
•
TabLeau VII
Vitesse du vent, 11étéo et IUT "A"
'"
•
1

---

1
1
-113-
1
1
Nous prenons donc 160 tr/~in, =o~r vitesse de rotation =er~ettant l'ac-
crocha~e et 150 tr/nin, =our le =ecrcchage.
1
(es va~e~rs ce vi:esse :e ro:a:icn ~Lace La :c~e de fcnc:ic~~e~en:
ce
1
1
Une co~paraison des donnees de vent de la Météorologie, et celles c~tenues
1 sur le site de l'aero~énerateur de l'IUT "A" (Tableau VII) xnaent que ces der-
nières sont olus fai~les. Bien que la moyenne ne soit pas faite sur 10 minutes
1 comme celles de la Météorologie ~ais sur 4 minutes, cette affai~lissement doit
illustrer l'influence du site sur le potentiel éolien dispcni~le. Cette c3~=a3-e
1 de '"'esures à suivi celle de l' aércgénerateur.
,..
1
,
(
\\
~I
:".
~I
,
il

---

1
1
•
"
..
'"
..
"
•
'"•
•
•
..•
•
'1..
li,.
1
1
1

---

1
-115-
1
1 IX - 5!."1r..::.:,::-:C!.O
Un =ro;ra~~e ~e
si~~latio~ d~ ~cncticnne~ent de l1éclie~~e est ~n ~oyen
1
1
1
1
Pour si~uLer Le 7onctiorne~ent
de L'éoLienne, nous avons choisi un ~odeLe
assez si~pLe. Les efforts aérocyna~iques sont ~odeLises par La courbe Cm en fcnc-
tion de "
obtenue à partir du progra~~e de Le GOURIéRES,
1982
et appLiquée
1 à notre éolienne.
1
A partir d'un vent V, ncus pouvcns déduire
Le ~o~ent des forces aérody-
namiques résuLtant sur
~e rotor, en 7onction de La vitesse de rotation. Sien
que ce modèle soit êtabLi
pour un régime stationnaire, nous
L'avons ~tiLisé ~cur
1 modéLiser L'éoLienne en régime transitoire.
1
les 7:0tte~en:s sont introcuits â oart;r des coeffi:ien:s ~e fr~:te;e~:s
flui~e et v~sçueux, :a~:~Lés précéce~~ent.
1
CO~ie autres ~ff~rts 51 exerçant sur Le rotor, nC~3 av8~S ~e cou2Le eLec-
tro~a"nétiGue C~, croverant de La génératrice. IL est prooorticrreL à l'intensité
1 traversant LI l~du;t, Le coe7f;c;e~: de 0ro~crt;ornaLlté é~à~t ::-~é ~a~ le ccrs-
t;""...,;cteur~
1
En 78ncticnne~en:
~oteGr, GOUS avens Les relations, -M e:~nt eX8r;~é e~
a/".,in
1
E = 0,0255 x
-:',
e f', volts
l
= (V-E)/r
en Arc,oères
(~4)
1
C:1 = 0,244 x l
en N.r.1
1
l~ x c; = 11 -
c:1 x )
-
TF
x
_
-
TP
avec
IN l'inertie d~ toutes Les pièces en rotation ra~e,~e au rotor
1
D Le coefficient de muLtipLication.
1
/

---

1
1
,..
"
•
•
•
•
•..
•
.~
•
••
•
•..•
"..
1

---

1
1
-117-
1
1
En ~ode génératrice, nc~s avons
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= 0,0255 •
en 'Jo l : s
:~
1
= El"
E~
:.. :-.:: er e s
(65 )
C"-;= 0,2~~ • l
e:i tl .::l
= ~ - C~ x ~ - Tf x. - T?
1
1
avec R la résistance de cnarge plus celle de l'induit.
Le couole M s'exer~ant sur le rotor, est celui provenant du rotor Darr;eus
1 preprement dit, sans tenir corpte des Savonius dans un pre~;er te~ps. Dans un
ceux;ème te~es, nous ajouterons au coupLe de la Darr;eus celui des Savcnius, ce
1 qui revient a negl;ger la p~rtur~at;on occasionnée car ces derniers sur l'éccu-
le~ent dans le rotor.
Le couele aerodyna~;que des Sauonius est deduit de la courbe C"
en fonction
1 ce tirée cu livre de Le GOURI~RES '1982 et appLiGuee a nos Savonius.
1
1
!
, .
Ou
et
sont
Les vi:esses de rctat1cn a~x ~nsta~:s ~ e:
1
En s~=:osa~~
l'a::éléra:~cn
dura~t
l'intervalLe de :e-=s
DT é~ale ~
1 \\.laccélera:;cr-, en 't, nc'-,'s dec",;;sc'Îs \\.a vii:esse à l'1,'lstan: : ~ ::>t (-1.) à ::ar:~r
ce la vitesse en t L.)
1
= <:~ + C"
x
D -
i F _.
-
T? )
x
DT /I N .,.
(67J
1
-z = C~ - C1 x D - TF _
-
T?)
x DT /IN .,.
(68)
Les courbes Cm fonction des
de la Darrieus et des Savcnius sont approxi-
r:lees :Jar des points oris sur les courbes, la valeur C~ celles-ci entre ces points
1
etant déduite par interpoLation linéaire.
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Ca~:~l ce ta vi:esse ~oye~re V
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C-..l'
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Calcdde_E
J ~J + 1
1
\\'c-:-
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CaLc",J,
ce
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J ~J + 1
Ecr; re-f,J xOT ... r
Oc:'
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Calcu~de_c
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J =J + 1
Charge
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-121-
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Le pas ce teC1~s est noté ~i, la p~issance cans la c~arçe ?, et La vitesse
:e ~'eoLie~~e VE. le :~r~e J~0ï inci~~e le te~~s é:c~le a~rès le lance~en: ce
Les para~etres tels que ~T, ~EO, ~=1, ~E2, les différentes résistances
1 ce charge sont ces connées sur lesG~elles on jouera.
La charge MiniC1ale est a:fichée,
le tenps que l'éolienne nonte encore
J en vitesse, durant 20 fois DT, cans notre organigraC1C1e.
La vitesse de l'éolienne est calculee pour chaque pas
DT et suivant
les
2 relations (67) et (68) trouvées ;)recéder:-,,,cent.
s :.'~:.:..;" TIC::
Les résultats suivants ont été obtenus lors c'un fonctionnenen: à vitesse
ce vent constant. La charge opti~ale est déterminée en essayant plusieurs valeurs
:1 ce résistances.
Le ~e~cs ce -C~:~7 ce L'3ércgènëià~eur en vitesse es: ce llorcre ~e 27 s.
la v~tesse d~ vent
,~~L~e très =eu sur Lui. Pour des vitesses de vent =~ Lforc~e
~e 5 ~/s l'aérogènérate~~ accrcc~c à vide. ELLe res:e accroc~ée 80~r une réS1S-
Il tance ce 50 ~ , nais décroche ccur une résistance ce 40 ~. La puissance fournie
a cette résistance minirale, est de 50 ~ 3 160 tr/nin.
i
~u-dela ce 8 mis :e vitesse ce ven:,
la vitesse ce rotation est au-dessus
1,
de 300 :r/nin, qui est
l~ vitesse L;~;te de rotation de notre èércgenér~teur.
1
\\
Pour des vitesses de vent cororises entre 6 ris et 8 ris, la résistance
Ce charge optinale est ce l'orere de 20 : , à 8 nls la vitesse de rotation at-
teignant 300 tr/nin (Tableau ViiI).
II
Les résistances de charge opti~ales deterninées par la sir.ulation, son~
les r.êmes que celles trouvées par La superposition des caractéristiques ouissance-
tE vitesse de l'eolienne et de la charge.

---

1
-122-
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TabLeau '/::1
C8~8araiscn ~es résuL,~ts de La si~uLaticn
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et
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l'ex;:ér~ence
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1

---

-123-
Si nous ne tenons pas co~~te ce L'action ces Savonius cans La si~ulation,
le te~~s ce ~ontee en vitesse ne varie ~res~ue pas. ~ais en pleine char~e, il
y a un leger gain en puissance. Par exe~ple, a 7 ~/s, sans les Savonius, la ~uis­
sance recueilLie n'est plus c~e ce 250 ~ pour une charge toujours ce 20 ~.
""•
La co~oaraison
pes resuLtats ce la sinulatic~ et ce L'exoerience, repose
en ceux ~oints. O'acorj, la ~ontee en vitesse, la ~eneratrice fonctionnant en ~­
teur, ~ui est cu même ordre (30 s), ce Qui etait previsible. Ensuite, la ~uissance
recueillie par la charge est cu ~êne ordre, bien ~ue la vitesse du vent corres-
pondante ne soit pas facile a esti~er (Tableau VIII). La valeur un peu èlevee
pour la vitesse ce vent de 4 ~/s s'exoli~ue par le fait que l'èolienne n'avait
pas encore atteint son écuilibre, sa vitesse de rotation etant en train de de-
croître.
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-125-
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CQ:;CLCiS JO:;
Le bu: ce ce travail était l'installation d'~ne éolienne Darrie~s.
1 vent sur les =er~or~a~:es ce l'eolie~re. La ville =e 30r~e3~X es~ dans une
région noyenne~ent ventée.
L'aéregénérate~r ce l'IUT "A" es: en banlie"e urbaine, j'où affaiblis-
1 se~ent ce l'éneôgie ca8tee. En ~lus de cela, le bâti~ent sur leGuel est placé
l'aérogénérateur est source ce tourbillens ~résageant une rég~lation a partir
du vent assez célica:e.
La ~odélisation
du régime de vent 8ar la distribution de ~eibull, est
:1 un ~oyen fiable pour esti~er l'énergie ca~tée par un aérogénérateur cans l'an-
née •
..
La régulation que nous avons utilisé est celle ce l'ada~:a:icn de la
Il charge. L'automatisation Cu fonc,ionnenen: de l'éolienne grâce à un microproces-
,
seur, est un moyen souple pour réguler une Darrieus. Le progran~e
inplan:é dans
i le nicroorocesseur ne res:e plus qu'a être testé conDl~tenent. Les résistances
~ de c~arge ont ête évat~~es Lors j~ oref 7cnc~;onne~en: ce l'ec~~enne.
..
La si~~tatio~
~a~ :rd;nâ:e~r
no~s ~er~ettra de voir la ré:c~se d'~ne
•
eolienne dans un cer-c;:,'l
'-eg;r-,e 'ce vent. Lors d'un vent cons~a ..... :,
il
nous a
•
donné les conciticns d'ac:rochage~ se dècrcc~ageJ et La resis:a~ce ce c~arge
"corresDondante. La conf i r.-a: ion ce
icrc-:::icn-
.i ne~ent conpLe~ de l'aéroç~~erate~r régulé ~ar le rnicrcorocesse~r.
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l'aerogenerate'Jr ce ',' :UT .. ;.. .. est un proto,j:Je ce fa::ricatien artisanale,
• ce Gui nouS a posé un :Jrobl~-e oour evaluer scn ceût. Par ailleJrs, il existe
:Jeu c'exe~oles de co~~ercialis3tien c'aéregénérateurs DARRIEUS. Dans le but
j'estimer la
rentabilité de tels aeresënérateurs cans la region de Berceaux,
nOJS avens alors ado:Jte la ::é~arche inverse Qui censiste il céterminer pour
'"
Bordeaux
l'énergie récupéra::le par un aérogénérateur ser:oblable il celui de
•
l'IUT "A", et d'en ceduire sen coût r:;aximJm estië.é au prix de l'énergie fournie
pendant sa durée de vie.
L'énergie ET t~éoriQue~ent
récuoérable par un aéronoteur, ayant un ren-
~enent égal il celui ce BETZ, est cè:erminée par la relation
f :
ET = 3,24
(1)
ou ?j(VJ est la distr;::~:~on ~e ~EISUll.
~_. ex-"-~ en "_1_ 2
... T
,,"::l '-
, - , , '
-
.... ""',
,
•
..'•
(2 )
En réalit~,
l'aérogènéra:e~r
ne ca~te eue l1&nergie d'une gam~e ce vitesse
de vent cc~~rise entre VD et V~, la vitesse miniMale et ~axi~aLe de fcnctic~ne-
•
"'ent. De :Jlus, sen rendement es: tOujours
inférie~r a celui ce BETZ .
•
Dans le cas consicéré, la régulation perme: ce garcer Cp' le rencenen: de
l'éolienne, égal il C
pour un vent ce~Dris entre VD et V~.
or-:;ëx
Alors, C
l'énergie praticuement récupérable s'ecrit
-p
E
=
'11
5,47fV:~
(3)
p
VD
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A-2
Le choix de VD et ce V~ ne doit ~as unique~ent tenir cc~pte des vents les
~lus prOductifs, "'ais aussi de leur frecuence. En effet, il es;: i::::::cnant Gue
i, l'aérogé:::erateur foncticr.r.e le ~lus souvent possi~le, afin de dininuer la ca-
~acité te stockage des ac:~~~late~rs. ~~~e si La ~roductio~ est au fil du vent,
1
Dans la figure 1, dans la région de Bordeaux, les ve:::ts les plus frec~ents
sont de l'ordre de 3 à 4 :::/s, alors cue les vents les plus prpductifs sont d'en-
viron 7/8 ~/s (figure 2).
Si nous considérons le cas d'un aerogenerateur de la taille de celui
cie l'IUT "A", une zone de fonctionnement entre 4 et 8 mis se",~le un bom compro-
",is entre les vents les plus prodl1ctifs et les vents les olus frécuen;:s •
.1
•
Pour une DARR!EUS ayant c.;n C
écal à 0,32 et une section i:1:erce::::èe
pl'1ax
-
~
cie l'ordre de 6 ",2 (section interce~tée par l'appareil de l'lUi ",,"), nous cb-
~enons :
ç
= 2400 '~h/an.
-p
Dans le cas S~ La prcc~c:icn
au fiL
cu ven:, Les ~e::~s se si~~~~( =~
n~·,..'eau cu '-''.jlti;:'',lc2:eur e:
Le
La :;èneratrice.
Leur rencec-ent peut êue iS1:ir:cé a 0,8 {LECLERE, 1982;.
)'ou l'énergie utilisable
= 1920
,,;h/an.
u
Le orix de kWh E.D.F.
é1:ant de l'ordre de 0,50 F, c.;n fcnctionne,-ent çe
10 ans de l'aerogénérateur i:::plique c.;n coût maxinun de 1COOO F environ, qui
est du mê:::e orcire qc.;e l'estiration d'E.D.F.LECLERE, 1982 .
Ce but est assez difficile à atteindre actuellement,
le :::oteur-~énéra:rice
(1
kW) seul valant ciéjà le quart ce ce prix.
Dans le cas où la production de l'électricité serait assurée par des
grOupes électrogènes (site isolé), le prix de revient du kWh à prendre en
CO"'pte pour nos calculs
serait au minimum d'un franc
iLE GOURlERES, 1982:.

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Le coGt de l'aérogénérate~r i ne oas dépasser serait alors de 20 001) Il
, ~
QUl
doit être realisa~le OOl,;r "re éolienne Darrieus. En effet, ",êr.:e si l',."
"• •
l '."'"
t omote de la régulation électric_e, le Ç<")0t d'une Darrieus devrait être t"..•..
·
. ",
..oins eleve cve celui d'_ne ::i::ale Ov tr,:;ale à axe norizontal,
LE GOURlllq ' ~ l'I~/
'1
Il
a;::;:araîi: cene ~'...;e :ans ~~e r-é~ion ;,c:"enner.-,ent ventee, co:":~e cl'll" .:.
·sordea,a, l'ér.ergie éolie"ne n'es: oas encore ccr.:oetitive Dour les site', 1.,.
:ld'acces et pour les petites ouissances.
Dans le cas ce sites isoles,
les oetits aerogénérateurs sont ces t ',r" .'
!lrents valables Dour les autres sCI,;'ces d'éner~ie, r.:êr.:e dans une région r.'l/, 1 f".
nement
ventée du type de celle ce Borceaux.
Cela est particuliérer.:ent vr." '.
" . 0'
Iles éol iennes Darrieus plus faci Les à ccnstrui re, à installer et
D'lJne raniere plus çénérale,
il
aoparait
LECLEi<E, 1982;
C;ue l • u' 1 J
••
..non de grands aérogenérateurs et
la prOduction en série ces autres garr.,."".
::uissances per~ettraient d'abaisser le ~Wh éolien, et ~eme d'atteindre ~,.,
t e s sources c'énergie les :"'oins cCl':;teuses (nucléaire)
: le projet aë'.éri'.., .
~OD 2 dans une ferr.:e de 3 a::>::areils :)révoit un coût de 0,15 FF/~>;",
LE (.' ... :.:
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A-4
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Etuce des possi~ilites ce cou~la;es ce petits ou gran:s aero;enerateurs
sur le 'éseau.
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\\1
.. O. LE GOURIERES (1982)
Energie eolienne
Théorie, conce~tion et calcul pratique des installations.
EYROLLES, 1982.
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2 - Syrr.boles et lis~e des figures
~;~-.er.c la:ure
1
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~ac:e~r ce for~e
a
"..
C
facteur d'échelle
c
corde du profil
Cm
coefficient ce ~o~ent
Cp
ccefficier.~ ce ~uissance
C
P
pmax'
max
coefficien~ ce puissance et puissance rr.axi~um
C(z) :
coeff~cien~ de correction
III
C~o
coefficient de trainée à incidence nulle
iÎ
Cxx
~rainée totale du rOtor
D :
coefficient de multiplication
Dt, DT
in~ervalle de temps
E
force éLec~rorr.otrice à vice
r
force exercée ~ar l~ rotor
Fn' Cn
70rce no~maLe à La corde e~ coefficien~
ccrrespondàn~
Ft' Ct
force suivant
la cerce et cce7ficient
correspcncant
Fx' Cx
~rainee et ccefficie~t ce trainée
F
C
z'
z
oortance et coefficient ce portance
H
hauteur cu rotor
hm
réaction d'incuit
l
intensité Cu courant
traversant
l'incuit
angLe d'incidence
l c
intensité du courant traversant la charge
I.,
intensité du courant durant le temps de conduc~;on

---

1
1
1
"
..
)
1
J
'"..
..•
•
'"•
•
•
•
•
"•
]
1
1

---

J
f-
- -~~
~-
-- - - - - -
--
A-6
"•
1
,
I
intensité du courant traversant l'inducteur
v
li
inertie del'ense~~le en rotation, par raçport
IN
~ l'axe de l'éolienne
1:1
0::
coefficient ~odëlisant les 7rotte~en~s =~S ~ales
(Darrie0s pLus Savoniusl
constante de VON K:"::(~:.AN
1
"
K'
constante caractéristique =e la génératrice
'V4
::
AXEM (en V/tr/minl
Il
longueur d'une pale
,
~oGent des efforts aérodynamiques
lit
M
N
nombre de pales
'1
lÎ
n
nombre des dents de la roue dentée
nombre d'échantillons
"
Ne
..
p
puissance captee par le rotor
11
p
no~bre d' imculsions durant le teGps T
•
P
~ûissance fournie ~ar Le ~cteur
'1
III
':ens;tê ce probabilite
•
Pa
;>
'
,
;>uissance disponi8le
') e i r, e Cl:: ~
..
r'
sur
Iii
?
..
R
granc rayon cu
rotor
.II
r
distance ce l'eLëi..en~
ce :;aLe à l'axe C.J rote"
résistance de charge
""
"
/'
•
i
rèsis~ance ;ndu;l-~ala;s
rI
1
grands raycns du rc:or de SA~ONIUS et ~e )ARR!~US
!
"•
"S' RD
5
section de la veine j'air
1
5
;,ai:re couple
c
,
T :
te~ps
de co~ptage
•
TP,
TF
coefficients de frottement
sec et fluide
...
"
,i
u :
vent induit par la rotation de
L'éolienne
1
1

---

1
!
1
,..
1
,..
•
•
•
•
"•
"
•
J
1
1

---

,,•,
A-7
•,
I l
u
vitesse de frotte~ent
*
vi:esse de frotte~ent en rase car~agne
:ensic~ au~ oarres ~e la ~énera:rice
v
vi:esse du vent
v
vitesse reye~ne du ven:
v
vitesse royenne à 10 ~ du sol, en rase ca~pagne
o
vitesses et sectiens corresponcantes (figure 24)
VD
:
vitesse de vent nini~ale per~ettant le fenc:ien-
nenent de l'aérogénérateur.
vitesse de vent naxinale de fenctionne~ent de
l'aérogénérateur
vitesse ~oyenne de référence
vent résultant du vent réel et ce la rotation
de
la pale
y
ordonnée de l'élénent de pale
hauteur au-dessus du sol
z
oara~ètre de rugosi~~
o
te~ps de cenduction
expressien peur différences finies (relatien 56)
angle de la nornale à l'élé~ent de pale avec
l'horizentale
,...
erreur sur l'angle ~arceuru car le rotor (rela-
tien 46)
.,
ô ('.
décalage angulaire entre la i e den: et celle cui
le
..
l
préced"
,
E.
e
décalage angulaire de la i
cent de la reue,
l
rapport à une roue parfaite
•
vitesse specifique
À opt
vitesse specifique optimale
J
•

---

1
,..
1
,•
'1
•
,•
'"..
•
•
•
•
"'"
•
••
..
1
1

---

L
A-8
•
-
vitesse de rotation du rotor
r
w EO
vitesse de rotat ion de l ' éo l ; enn e
Il
de décrochage
'- E2
vitesse de rotation ::la x; na le de l'éolienne
- E1
vitesse de rotat ion de l' éo l ; enne d'accrcchage
1
~;~esse
."
de rc=at;cn ~u ro:or
1
=
~asse voluni~~e de l'air
6
angle parcouru par le rotor
•
.
~ositicn du rotor par rapport a l'axe des 0x
.1
. l
:
période des ;~puls;ons attacuant le chopper.
1
1
J
1
1
"..
..---~---

---

•1
1
1
J
.,
..
•
•
•
'"•..•
••
J
1

---

- - - - - ----
•
A-9
•
LISiE DES FIGURES
'JI!!
•
RouLeaux c~nvec:ifs lers de la circula:ic~ gér.é~ate de
"-,f
FiçGre
•
l· 3tr.:cs':"~re
Effet ces collines sur l'écouLe~ent
"
Figure 2
•
Figure 3
Sillage d'c;n bâti~ent a angLes vifs
~
"
Variations ra~ices Cu vent sc;r le site de l'lUi
. "
~
•
Figure [,
Figure 5
Variations journaLières du vent
(données ~étèo, ~érignac)
,
Variations saisonnières du vent
(données ~étéo, Mérignac)
•
Figure 6
Courbe de vitesses de vent a Bordeaux (Aeroport ce ~érignac)
'!!lIt
Figure 7
..
Figure 8
Courbe de fréeuence (Sordeaux, aéroport de ~éri;~ac)
'I!t~
Figure 9
Courbe de fré~uence5 cu~uLées (Bordeaux, aéro~or: de Mérignac)
•
figure la
Energie an~uelle en kWh/rn 2 (Bordeaux, aérooort de ~érignac)
'!II!!
Carte des vaLeurs des coefficients de WEl3ULL en France
•
Figure 11
Figure 12
Carte de Fra~ce de l'énergie éolierne récu~érabLe :ar an
~
(en k;.Jh/ê.2)
..
Fi 9u re 1 3
3ât;ment ~esure5 ~~js~~~es e: aérogénér3:e~~
~
:...'IUi "A" et Les environs
•
Fi gu re 1[,
Figure 15
SiLlage en hau~eur et en largeur d'c;~ Jâ:i~ent
~
IIÏ
Figure 16
Perturbation sur ~ne faLaise
'!!lIt
Figure 17
Coefficient de ~uissarce Cp de ~uel~ues éoLiennes
iii
;:; gu re 18
MuLtipale ra~ide et Darrieus
1
F içure 19
Position du ro:cr ce la multipale raoi:e ~ar ra~~or: au
.-
pylone
Coefficient de ~o~ent Cm de quelques éoliennes
3
Figure 20
Figure 21
Aérogénératec;r ~OD 0
Aérogénératec;r MaD
"
Figure 22
•
Figure 23
Aérogénérateur ïWIND
'"ç,•
'!!lIt
(,1
•
li

---

1
•
1
•
1
1
1
1
•
J
J
J
J
1
J
J
J
J
1
1
1

---

.1
A-10-
Figure 21,
Veine d'air interceptée ~ar Le rotor
Hgure 25
Efforts sur un o~ofil
Fig"re 26
C:eff1c~e~:s C~ et c. fcnct;c~ de L'angLe d';~c~:€n~~
Figure 27
Vent résultant sur La ~ale
Figure 28
AngLe d'incidence i fonction ce La position de La ~aLe
Fi gu re 29
Rotor de )ARRIEUS a 3 ~aLes
Figure 30
.Rotor ce L' aérogénérateur de L'IUT "A"
Figure 31
Caractéristiaues tension-intensité de La génératrice
Figure 32
EnsembLe muLtipLicateur-génératrice
Figure 33
DétaiLs d'un hallban
..
Fi gu r e 34
Cacteur de force
1
•
Figure 35
RéguLation par variation de L'angLe de caLage
..
Figure 36
Circuits éLectroni~ues de réguLation
Figure 37
Connection des résistances pour La réguLation par
adaptation
de La charge
: i gu r e 38
S_::er:Jos;t;cn des
caractéris:~::::'..;es ce L1e::lienne 02: de l::
Fi gu r e 30
S;~opti~ue cu kit MOTOROLA
Fi9uer 40
l~:erface d'ac~uisiticn
de
la
~i:esse ~w vent
Figure 41
Figure 42
I~:erf3ce d'acGuisiticn de La ~~tesse de rotatien
Figure 43
C ; r cui t e e c " a rg e
Figure 44
Sc~é~a de di~férentes ~ertes s~~ies Lors ~u cao:a=e je
L1énergie éolienne :Jar
l'aercs-énérateur
l,
L
1
Figure 45
C~aine de mesure pour La déter~ination
des oara~etres ce
frottei:":ent
t
"
Figure 46
C~aine de mesure Dour La déter~ination
du paramètre d'inertie
•, Figure 47 Enregistrement du signaL jauge et du signaL vitesse de
rotation (hauban III)
•

---

1
S
1
,..
1
1
1
,•
,•
"•
t•
1
•
,..
1
1
1

---

1
L"_-_-
1
A-11
1
Figure 1,8
Signal
jauge Quand le cable est e<cite ~anuelleë.ent
1
(hauban l';)
Figure 1,9
Chaine je ~esure avec l'aerognérateur en fonc:ionne~ent
Tableau!
:
Ca~teurs éoliens
1
Tableau II :
Grands aérogenerateurs
Tableau< III, IV, V :
1 e ,
Ze et 3 e serie de ~esures de puissance
1
ccnso~~ée à vitesse de rotation constante
Tablea'J VI
Differentes valeurs de l'inertie calculée à partir des
enregistre~ents de la chute de vitesse de l'aéro;énérateur
Tableau VII
:
Vi tesse du vent; Météo et IUT "A"
Tableau VIII:
COGparaison des résultats de la si~ulation et de l'expérience
'1
..
1
il
1.,
'1
1

---

1
1
1
1
1
1
1
1
..,Il,•
!
J
1
J
1
1
1
1

---