Éolienne à axe vertical
Sommaire
Introduction
Projet éolien : Dans le cadre de notre formation d’ingénieur, nous devons réaliser un projet de fin d’études afin de pouvoir gérer les différentes parties d’un véritable projet en entreprise, à savoir l’analyse, la modélisation, la conception et la gestion des coûts. De nos jours, l’avenir énergétique dépend en majeur partie des énergies renouvelables. C’est pourquoi nous nous sommes orientés vers le projet consistant à rendre fonctionnelle une éolienne à axe vertical de type Savonius. C’est-à-dire, lui permettre d’alimenter des appareils de faible puissance, par le biais d’une batterie.
Présentation du projet
Contexte
Dans le cadre d’un projet d’innovation, Madame Hautekeete responsable du pôle développement durable du campus de l’université Lille 1, a souhaité la conception et la construction d’une éolienne. Celle-ci aura pour but de promouvoir les nouvelles technologies dites propres mais également de valoriser le travail des étudiants et sensibiliser les gens vis-à-vis des énergies propres.
C’est pourquoi, le département mécanique de Polytech’Lille a conçu une éolienne de type Savonius (axe vertical). Elle devrait à terme être montée sur le toit de la MDE de l’université de Lille1.
Cahier des charges
L’objectif principal du projet est d’équiper l’éolienne des éléments permettant la conversion de l’énergie mécanique en énergie électrique dans le but de recharger une batterie.
Dans un premier temps, il est nécessaire de caractériser l’éolienne afin de dimensionner les éléments constituants la chaîne, c'est-à-dire, estimer la puissance théorique développée par l’éolienne. L’éolienne mise à notre disposition est une éolienne de type domestique, par conséquent son domaine de puissance est de l’ordre de quelques dizaines de watts. Qui plus est, il est important de déterminer le coefficient de puissance de l’éolienne (Cp) car il est représentatif du rendement de l’éolienne.
En parallèle, il est essentiel de modéliser l’ensemble de l’éolienne afin d’avoir une approche théorique. Ainsi, il conviendra d'utiliser la Représentation Énergétique Macroscopique.
Enfin, après avoir commandé et réceptionné le matériel nécessaire, il sera nécessaire de procéder au montage et aux essais.
L'énergie éolienne et le coefficient de puissance
L’énergie éolienne dépend directement du vent. Cette énergie peut être utilisée de manières différentes. Dans nôtres cas, il s’agit de produire de l’énergie électrique. Le vent est de l’air en mouvement, et comme tout corps en mouvement on peut lui associer une énergie cinétique. Celle-ci est fonction de la masse et de la vitesse du volume d’air. En considérant que la masse volumique de l’air est constant, on peut alors exprimer l’énergie cinétique du vent en fonction de sa vitesse.
Ec=12*m*v2 avec m=ρ*V
m :masse du volume d'air(en kg)
v :vitesse instantanée du vent (en m/s)
Ec :énergie cinétique (en joules)
La puissance théorique récupérable du vent contenue dans un cylindre de section S s’exprime de la façon suivante.
Pcinétique=0.5*ρ*S*v3
ρ :masse volumique de l'air
S :surface des pales de l'éolienne(en m2)
v :vitesse du vent (en m/s)
Cette puissance est bien sur théorique, il est impossible qu’elle soit récupérée telle quelle par l’éolienne car cela reviendrait à stopper le vent et ne pas prendre en compte les écoulements. Un coefficient intervient dans l’expression de la puissance au niveau du rotor, il s’agit du coefficient de puissante (Cp). Le Cp dépend directement de la variable λ qui elle, dépend de la vitesse du vent et de la vitesse au bout des pales d’où l’expression suivante.
λ=R*⍵/vvent
R :rayon des pales (en m)
w :vitesse de rotation (en rad/s)
vvent :vitesse du vent (en m/s)
D’après la limite de Betz, la puissance théorique maximale récupérable est égale à 16/27 de la puissance du vent qui traverse l’éolienne, ainsi le Cp ne peut dépasser cette valeur.
Au niveau du rotor, on peut exprimer la puissance disponible sur l’arbre afin de déduire le coefficient de puissance.
P=0.5*Cp(λ)*ρ*S*vvent3=C*⍵
C :couple au niveau de l'arbre (en N.m)
w :vitesse de rotation (en rad/s)
Cp(λ)=Puissance disponible sur l'arbre/Puissance cinétique(récupérable)
Cp(λ)=(C*⍵)/(0.5*ρ*S*v3)
Matériel à disposition
- éolienne à axe vertical ( 2 pales) couplée à une MCC
- Pales :
-> aluminium
-> Surface = 0.325 m2
- Liaison pivot de l'arbre :
-> Palier lisses
-> Coussinets en bronze auto lubrifié
L’éolienne de Savonius
L’éolienne Savonius
Actuellement, des champs d’éoliennes (onshore et offshore) à axe horizontal se développent partout dans le monde. Les puissances mises en jeu sont de l’ordre du méga watt. Il existe aussi les éoliennes à axe vertical, en l’occurrence l’éolienne Savonius, qui présente de nombreuses qualités mais pour des échelles de production d’énergie plus modestes.
Elles sont en général méconnues alors qu’elles sont peu encombrantes, peu bruyantes et n’ont pas de contraintes sur la direction du vent contrairement aux éoliennes à axe horizontal. De plus, elles démarrent à faible vitesse de vent et ont un couple élevé au démarrage.
Ses inconvénients majeurs sont son faible rendement, sa masse et son couple sinusoïdal, qui plus est, le coefficient de puissance est très difficile à caractériser.
Sur l’image ci-dessus, on s’aperçoit que le Cp est compris entre 0 et 1.5 pour les éoliennes Savonius.
Première phase [Septembre-Octobre]
Prise en main du projet
La première phase de notre projet a été essentiellement des recherches pour se familiariser avec l’énergie éolienne et en particulier les éoliennes à axe vertical.
Dimensionnement
Pour dimensionner une chaines de conversion électrotechniques, il est primordial de déterminer les puissances mises en jeu. On s’est aperçu que l’expression de la puissance reste la même pour tout type d’éolienne. En appliquant la formule cité précédemment, on a déterminé la puissance théorique récupérable, elle est égale à 482W (avec une vitesse de vent de 50 km/h et une surface de pales égale à 0.325m2), or celle-ci ne prend pas en compte le Cp. Celui-ci ne dépasse 0,15 pour une éolienne Savonius. C’est pourquoi, la puissance maximale au rotor est en théorie de 72W pour une vitesse de vent élevée. Selon des études menées dans la région Nord, la vitesse moyenne du vent la plus rencontrée est de 15km/h, ainsi la puissance développée par notre éolienne serait en théorie de 47W.
Représentation énergétique macroscopique
Afin d'avoir une approche théorique, on a réalisé une représentation énergétique macroscopique (R.E.M) du système afin d'avoir une vision des éléments à caractériser et dimensionner.
- R.E.M du système souhaité
Après différentes recherches, nous avons retenu deux solutions principales :
La première solution envisagée consiste à mettre un réducteur devant une MCC (moteur à courant continu) et d’utiliser ce moteur comme génératrice de notre système. L'ajout d'un réducteur avant la MCC permettrait de l'utiliser en tant que multiplicateur et ainsi, on aurait une vitesse de rotation assez grande pouvoir recharger une batterie.
Avantages :
- Possibilité de mettre en place une MPPT(Maximum power point tracker) avec le degré de liberté de commande de la MCC.
- Simplicité de la conversion énergie mécanique/énergie électrique dans la MCC.
- Tension en sortie directement utilisable pour charger une batterie.
Inconvénients :
- Faible rendement d’une MCC en génératrice.
La deuxième solution est l’utilisation comme génératrice d’une machine synchrone à aimants permanents (Brushless).
Avantages :
- Fonctionnement triphasé, assurant un meilleur rendement.
- Pas besoin d’être relié au réseau en brushless, utilisation semblable à une MCC.
Inconvénients :
- Commande beaucoup plus complexe pour la MPPT.
stratégie MPPT(Maximum power point tracker)
Comme on peut le voir sur cette courbe, il existe différents points où la puissance est maximale en fonction de la vitesse du vent. On augmente donc le rendement du système en installant une stratégie MPPT qui en fonction de la vitesse du vent va commander la génératrice pour la faire tourner à la vitesse ou le Cp sera maximal. Pour concevoir cette régulation, nous devons connaitre exactement la courbe du Cp(λ) de notre éolienne.
Deuxième phase[Novembre-Fin janvier]
Résolution de certaines contraintes mécaniques
Le bâtiment P2 de l'université de Lille 1 dispose d'une soufflerie permettant de réaliser des tests réels sur notre éolienne visant à déterminer le Cp, et surtout la valeur de Lambda pour laquelle ce Cp est maximal.
- Soufflerie du bâtiment P2
Pour des règles de sécurités et de performances, il était nécessaire de modifier le bâti de l’éolienne. En effet, les pales n’étaient pas alignés avec l’axe de la soufflerie et les efforts liés à la mise en rotation des pales rendaient la structure instable et causait un réel danger. C’est pourquoi, l’éolienne a été surélevée, une structure plus stable a été conçut au sein du département mécanique. Cette opération a été réalisée début janvier car elle nécessitait une machine d’usinage qui a été livré à cette date.
- Nouvelle structure du bati
Nous avons également constaté un frottement important lié entre autre au problème d'alignement axial entre l'axe de la machine électrique et l'axe de l’arbre des pales de l'éolienne, liées entre elles par un manchon d'accouplement flexible.
Nous avons pu corriger ce problème en changeant le manchon, et surtout en perçant des trous de vis plus larges pour permettre d'ajuster la position de la machine électrique avec précision et réduire au maximum l'écart entre les axes du système. Cette solution a nettement amélioré les problèmes de frottements mécaniques de l'éolienne et donc augmenté ses performances.
- Nouvelle alignement entre l'arbre des pales et de l'arbre moteur
Premier test en soufflerie
L’éolienne mise à notre disposition était directement couplée à un moteur à courant continu sans possibilité de multiplier la vitesse de rotation du rotor.
Lors de notre premier test réalisé avec la soufflerie, on a acquit la vitesse de rotation de l’éolienne à partir d’un tachymètre. Pour une vitesse de vent de 40 km/h, l’éolienne avait une vitesse rotation de 167 tr/min. Or, en visualisant la datasheet du moteur, on a constaté que sa vitesse nominale était de 1000 tr/min. De plus, la tension à vide aux bornes du moteur ne dépassait pas les 2V étant donné qu’on ne fonctionnait pas dans son régime nominal.
Ainsi, on a vérifier notre conclusion lors de première phase du projet, c'est à dire, l'ajout d'un multiplicateur afin de se rapprocher des caractéristiques nominales du moteur.
Choix des éléments de la chaîne de conversion
L'ensemble moto-réducteur
La contrainte sur le diamètre d'arbre de sortie de 8mm afin de ne pas changer l'accouplement retenu a réduit le choix de la machine électrique. Nous avons donc choisi une machine électrique à courant continu de 41W, avec une vitesse de rotation nominale de 7000 tr/minute. Un réducteur de rapport 1:104 est placé en sortie de la machine pour adapter la vitesse de rotation nominale du moto-réducteur à 67 tour/minutes, ce qui correspond à la vitesse de rotation des pales pour une vitesse de vent égale à 15km/h, mesurée en soufflerie. Il est important de vérifier lors du choix que le réducteur est bien réversible. En prenant en compte les pertes liées au réducteur, la puissance de la machine électrique est donc bien dimensionnée pour cette éolienne à axe vertical.
Le régulateur de charge
En fin de chaîne de conversion, il conviendra d'installer une adaptation du courant et de la tension pour charger optimalement la batterie. Il existe pour cela des blocs régulateur de charge MPPT au rendement très élevé. Nous pouvons aussi concevoir un convertisseur DC-DC de tension pour conserver une tension égale à 12V (Tension de la batterie) couplé à un limiteur de courant pour ne pas endommager la batterie en cas de rafale de vent.
La batterie
En considérant la très faible puissance de notre éolienne, nous avons cherché une batterie pouvant faire fonctionner des appareils de faibles puissances classiques, donc une batterie de 12V, en accord avec notre MCC.
Cette batterie a été choisie avec une grille au plomb-calcium, avec une charge électrique maximale de 8Ah car c'était la plus petite disponible auprès des spécialistes des batteries pour matériel de génération d'énergie renouvelable. Cela fait une énergie totale de 12*8 = 96Wh. Il faudrait donc théoriquement 96/41 = 2,34 heures pour la charger complètement en imaginant un régime de fonctionnement à pleine puissance de l'éolienne, cette valeur est cohérente.
Troisième phase [Février]
Deuxième test en soufflerie
Nous avons sollicité une deuxième fois la soufflerie du P2 pour tester notre moto-réducteur. Les résultats sont ici exposés.
Nous avons d’abord testé la machine sans réducteur, qui était originellement couplée à l’éolienne. Voici les résultats obtenus, pour différentes valeurs de charge :
On constate directement que la puissance n’est pas exploitable. En effet, sa valeur est inférieure à 1 watt. Nous avons donc décidé de tester notre moto-réducteur qui devrait être plus optimal.
La tension de sortie du système est bien plus élevée en raison de la vitesse de rotation plus élevée de la machine, grâce au réducteur. En revanche lors des tests de puissance avec charge, nous constatons que la puissance sortie par l’éolienne est très faible, de l’ordre d’1 à 2 Watts, à peine supérieure à celle d’une machine sans réducteur.
On a constaté que le courant est très faible, malgré une vitesse de vent élevée. Le couple résistant du système étant en effet trop important par rapport au couple développé par les pales. Le réducteur a en effet multiplié le couple résistant de la machine.
Prise de recul
Nous devrons au terme de ce projet tirer certaines conclusions, que nous exposerons dans cette troisième partie.
Notre éolienne n’est pas fonctionnelle au terme du projet, plusieurs raisons expliquent ce résultat.
Problèmes dus à l’éolienne
Le choix du dimensionnement de la partie mécanique de l’éolienne engendre une très faible puissance récupérable, et ce à faible vitesse de rotation du rotor. En conséquence, il faut une machine de faible puissance ayant une vitesse nominale très faible. Si l’on souhaite une machine peu onéreuse, le choix d’une Machine à Courant Continu de puissance faible équipée d’un réducteur permettant d’avoir une vitesse nominale faible sur l’ensemble moto-réducteur semble logique. Or le couple résistant de la MCC multiplié par le coefficient du réducteur devient un couple résistant sur l’arbre très important par rapport à la puissance développée par le vent. Cela réduit donc presque d’autant les performances que d’utiliser le moteur sans réducteur.
Une solution serait alors de partir sur des machines plus onéreuses, les Machines Synchrones qui font également de bons générateurs. On pourrait alors obtenir une faible vitesse nominale sans avoir à recourir au réducteur, donc limiter le couple résistant. En effet, la fréquence de rotation nominale de la machine dépend du nombre d’aimants (nombre de paires de pôles). Le problème vient là qu’aucun constructeur ne propose de machines à un prix abordable de machines aux nombreux aimants et de faibles puissances. Il faudrait alors designer et fabriquer la machine nous-mêmes pour ce limiter le coût et obtenir une machine sur mesure.
Améliorations futures
Nous avons constaté des problèmes d’ordres mécaniques sur cette éolienne. L’optimisation de celle-ci passera donc ultérieurement par la modification de certains points, lors de futurs projets en mécanique. En effet, lors de nos différents tests, nous avons constaté qu’il y a des frottements non négligeables. En effet, le choix de paliers lisses semble être une erreur car l’usage pour les petites éoliennes est de mettre des roulements à billes, afin d’exploiter au maximum la puissance du moindre courant d’air. De plus les paliers lisses sont auto lubrifiés, et ne doivent donc pas être installés à la verticale sur des systèmes, le lubrifiant suintant vers le bas lors d’échauffements du système, dégradant le glissement.
