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UNIVERSITÉ D’ANTANANARIVO
SCIENCES ET TECHNOLOGIES
PHYSIQUE ET APPLICATIONS
MASTER D’INGENIERIE EN ENERGIES
RENOUVELABLES
MÉMOIRE
Pour l’obtention du diplôme de
Master en Physique et Applications
Parcours : MASTER D’INGENIERIE EN ENERGIES RENOUVELABLES
intitulé :
CONCEPTION ET REALISATION D’UNE HYDROLIENNE
présenté par
NALINARIVONY Tsifefikinionja Zarasoa
Devant la commission d’examen composée de :
Président : Madame ROKOTO JOSEPH Onimihamina Maître de Conférences
Examinateurs : Monsieur RASAMIMANANA François de Salle Maître de Conférences
: Madame RAFANJANIRINA Eulalie Odilette Maître de Conférences
Rapporteur : Madame RANDRIAMANANTANY Zely Arivelo Professeur Titulaire
22 Décembre 2020
UNIVERSITÉ D’ANTANANARIVO
SCIENCES ET TECHNOLOGIES
PHYSIQUE ET APPLICATIONS
MASTER D’INGENIERIE EN ENERGIES
RENOUVELABLES
MÉMOIRE
Pour l’obtention du diplôme de
Master en Physique et Applications
Parcours : MASTER D’INGENIERIE EN ENERGIES RENOUVELABLES
intitulé :
CONCEPTION ET REALISATION D’UNE HYDROLIENNE
présenté par
NALINARIVONY Tsifefikinionja Zarasoa
Devant la commission d’examen composée de :
Président : Madame ROKOTO JOSEPH Onimihamina Maître de Conférences
Examinateurs : Monsieur RASAMIMANANA François de Salle Maître de Conférences
: Madame RAFANJANIRINA Eulalie Odilette Maître de Conférences
Rapporteur : Madame RANDRIAMANANTANY Zely Arivelo Professeur Titulaire
22 Décembre 2020
REMERCIEMENTS
Tout d’abord, je tiens à adresser mes vifs remerciements à Monsieur
RANDRIAMAHAZOSOA Irrish Parker, Maître de Conférences, Responsable du Domaine
Sciences et Technologies de l’Université d’Antananarivo pour avoir autorisé la présentation
de ce mémoire.
J’adresse mes remerciements chaleureux à Madame RAFANJANIRINA Eulalie Odilette,
Maitre de Conférences pour avoir accepté ma demande d’inscription dans la Mention
Physique et Applications dont elle est la Responsable et pour avoir participé au jury
d’examen de ce mémoire de fin d’études.
Je tiens également à manifester mes vifs remerciements à Madame RAKOTO JOSEPH
Onimihamina pour m’avoir accepté d’abord de suivre mes études dans le Parcours Master
d’Ingénierie en Energies Renouvelables dont elle est La Responsable, au sein de la Mention
Physique et Applications puis de présider le jury de ce mémoire malgré ses nombreuses
occupations.
Ensuite, j’’adresse ma profonde gratitude à Madame RANDRIAMANANTANY Zely Arivelo,
Professeur Titulaire pour m’avoir encadré tout au long de la réalisation de ce mémoire. Ses
aides et conseils m’étaient utiles dans l’élaboration du présent mémoire.
J’exprime mes chaleureux remerciements à Monsieur RANDRIATEFISON Nirilalaina, Maître
de Conférences à l’ENS Ampefiloha pour son encadrement professionnel efficace qui m’a
incité à bien travailler sur terrain.
J’adresse aussi mes remerciements chaleureux à Monsieur RASAMIMANANA François de
Salle, Maître de Conférences à l’Université d’Antananarivo pour avoir accepté d’examinateur
de ce mémoire.
Je tiens à exprimer ma profonde gratitude aux Membres de l’Equipe pédagogique du
Parcours MIER pour leurs efforts et pour avoir voulu nous transmettre leurs connaissances
et compétences pendant les années passées au sein de ce Parcours.
J’exprime mes vifs remerciements aux Membres du Personnel Administratif et Technique de
ladite Mention et aux membres des Personnels de l’Institut pour la Maîtrise de l’Energie
(IME) pour leur assistance durant ma formation universitaire au sein de leur Institution.
Je remercie l’ensemble des membres du Service des Affaires Générales à l’ENS Ampefiloha
pour leur chaleureux accueil, leurs aides d’orientation et leur amabilité durant la soudure et le
montage de mon projet personnel.
J’adresse mes sincères remerciements à tous les membres de ma famille et à mes proches
qui m’ont soutenu matériellement et moralement pendant les périodes difficiles. Je suis très
reconnaissant envers leur compréhension.
Enfin, mes reconnaissances vont aux endroits de ceux qui ont, de loin et de près, participé à
la réalisation du présent mémoire.
i
TABLE DE MATIÈRES
TABLE DE MATIÈRES ............................................................................................................ i
NOMENCLATURE ................................................................................................................ iv
LISTE DES ACRONYMES ..................................................................................................... v
LISTE DES FIGURES ........................................................................................................... vi
LISTE DES TABLEAUX ....................................................................................................... vii
INTRODUCTION GENERALE ............................................................................................... 1
Chapitre 1 : DESCRIPTION DE LA CENTRALE HYBRIDE D’AMBATOLAONA ET
GENERALITES SUR LES SOURCES D’ENERGIE RENOUVELABLES ............................... 3
1.1 Projet d'Électrification Rurale par HYdrolienne Guinard Énergies (ERHYGE) ......... 3
1.1.1 Acteurs ............................................................................................................. 3
1.2 Société pour la Maitrise de l’Eau, de l’Énergie et de l’Environnement ..................... 3
1.2.1 Historique de la Société ................................................................................... 3
1.2.2 Organigramme de la Société ............................................................................ 3
1.2.3 Contexte du stage ............................................................................................ 4
1.2.4 Localisation de la Centrale d’Ambatolaona ....................................................... 6
1.2.5 Description de la Centrale ................................................................................ 6
1.3 Généralités sur les énergies renouvelables ............................................................. 7
1.3.1 Energies solaires photovoltaïques .................................................................... 7
1.3.2 Energie éolienne .............................................................................................. 9
1.3.3 Energie hydraulique ou hydroélectricité ...........................................................11
1.3.4 Autres énergies renouvelables ........................................................................14
Chapitre 2 : SYSTEME HYBRIDE PANNEAUX SOLAIRES PHOTOVOLTAÏQUES ET
HYDROLIENNE ...................................................................................................................16
2.1 Introduction ............................................................................................................16
2.2 Définition d’un système hybride ..............................................................................16
2.3 Différents types de système hybride .......................................................................16
2.4 Energie hydrolienne ...............................................................................................17
ii
2.4.1 Généralités sur les hydroliennes .....................................................................17
a) Définition .........................................................................................................17
b) Historique des hydroliennes ............................................................................17
c) Composition d’une hydrolienne .......................................................................17
d) Principe de fonctionnement .............................................................................18
2.4.2 Notion de puissance d’une hydrolienne ...........................................................19
a) Puissance théorique ........................................................................................19
b) Puissance récupérable ....................................................................................19
2.4.3 Différents types des turbines hydroliennes ......................................................20
2.4.4 Hydroliennes installées, [7] ..............................................................................20
2.4.5 Comparaison de l’hydrolienne avec d’autres énergies renouvelables ..............20
2.5 Système de conversion d’un système hybride ........................................................22
Chapitre 3 : REALISATION DE LA CONCEPTION ...............................................................23
3.1 Introduction ............................................................................................................23
3.2 Matériels et méthodologie ......................................................................................23
3.2.1 Générateur ......................................................................................................23
a) Générateur synchrone, [9] ...............................................................................23
a1. Fonctionnement d’un générateur synchrone ............................................................23
a2. Fonctionnement à vide d’un générateur synchrone .................................................24
a3. Fonctionnement en charge ......................................................................................24
b) Générateur asynchrone ...................................................................................25
b1. Fonctionnement .......................................................................................................25
b2. Vitesse de synchronisme .........................................................................................26
b3. Glissement d’une machine asynchrone ...................................................................26
3.2.2 Multiplicateur de vitesse : engrenage ..............................................................26
a) Définition .........................................................................................................27
b) Différents types d’engrenage ...........................................................................27
b1. Engrenage cylindrique à denture droite ...................................................................27
b2. Engrenage cylindrique à denture hélicoïdale ...........................................................28
iii
b3. Engrenage concourant ............................................................................................28
c) Rapport de transmission de vitesse .................................................................29
3.2.3 Roulements .....................................................................................................29
a) Définition .........................................................................................................29
b) Caractéristiques des roulements .....................................................................30
3.2.4 Réalisation du projet........................................................................................30
a) Lieu de la réalisation .......................................................................................30
b) Matériels utilisés ..............................................................................................30
c) Réalisation ......................................................................................................31
d) Schéma de la réalisation du projet ..................................................................31
3.3 Résultats ................................................................................................................33
3.4 Discussions ............................................................................................................35
CONCLUSION GENERALE .................................................................................................36
BIBLIOGRAPHIES ET WEBOGRAPHIES ............................................................................37
Annexe 1 ................................................................................................................................ I
Annexe 2 ............................................................................................................................... II
Annexe 3 ...............................................................................................................................III
Annexe 4 ............................................................................................................................. VII
iv
NOMENCLATURE
Symbole Définition Unités
Cp Coefficient de puissance hydrodynamique -
d Diamètre d’engrenage m
Ei Force électromotrice V
f Fréquence Hz
g Accélération de pesanteur N/kg
gs Glissement d’un générateur -
H Hauteur de chute m
HT Hauteur de la turbine m
Ii Courant en ligne A
n Vitesse de la machine tr/mn
ns Vitesse de synchronisme tr/mn
P Puissance W
p Nombres de paires de pôles -
Pcin Puissance cinétique W
Q Débit m3/s
r Rapport de transmission -
RS Résistance statorique Ω
RT Rayon de la turbine m
ST Surface équivalente balayée par la turbine m2
T Travail effectué J
t Temps s
V Vitesse de l’eau m/s
Vi Tension induite V
XS Réactance statorique Ω
Z Nombre de dents -
ρ Masse volumique de l’eau kg/m3
ω Vitesse angulaire rd/s
v
LISTE DES ACRONYMES
AC Courant alternatif
ADEME Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Énergie
ADER Agence de développement de l’électrification rurale
BT Basse tension
DC Courant continu
EnR Energies renouvelables
ENS Ecole Normale Supérieur
ERHYGE Électrification Rurale par HYdrolienne Guinard Énergies
GRET Groupe de Recherche et d’Échanges Technologiques
HT Haute tension
JIRAMA Jiro sy Rano Malagasy
MCT Marine Current Turbine
MT Moyenne tension
PREE Programme d’Engagement Environnemental
SEH Système d’énergie hybride
SM3E Société de la Maîtrise de l’Energie, de l’Eau et de l’Environnement
vi
LISTE DES FIGURES
Figure 1 : Organigramme de la Société SM3E....................................................................... 4
Figure 2 : Niveau de l’eau au début de l’installation, [2]. ........................................................ 4
Figure 3 : Panneaux solaires photovoltaïques installés à Ambatolaona. ................................ 5
Figure 4 : Parc de batteries de stockage dans la Centrale. .................................................... 5
Figure 5 : Niveau de l’eau dans notre visite. .......................................................................... 6
Figure 6 : Plan de repérage du site, [2]. ................................................................................. 6
Figure 7 : Schéma synoptique du fonctionnement d’un PV. ................................................... 8
Figure 8 : Principe de fonctionnement d’une éolienne. .......................................................... 9
Figure 9 : Composantes d’une éolienne. ..............................................................................10
Figure 10 : Eolienne à axe horizontal. ..................................................................................10
Figure 11 : Facteurs fondamentaux au niveau d’une centrale hydroélectrique......................12
Figure 12 : Composition d’une hydrolienne. ..........................................................................18
Figure 13 : Schéma synoptique d’une hydrolienne ...............................................................18
Figure 14 : Schéma synoptique d’une hydrolienne. ..............................................................18
Figure 15 : Fonctionnement d’une hydrolienne. ....................................................................19
Figure 16 : Schéma synoptique du système de conversion. .................................................22
Figure 17 : Fonctionnement d’un générateur synchrone. ......................................................24
Figure 18 : Fonctionnement à vide d’un générateur synchrone. ...........................................24
Figure 19 : Fonctionnement en charge d’un générateur synchrone. .....................................25
Figure 20 : Engrenage à denture droite. ...............................................................................27
Figure 21 : Denture droite en contact avec l’extérieur. ..........................................................27
Figure 22 : Denture droite en contact avec l’intérieur. ...........................................................27
Figure 23 : Denture hélicoïdale. ............................................................................................28
Figure 24 : Engrenage concourant. ......................................................................................28
Figure 25 : Roulement. .........................................................................................................29
Figure 26 : Axe en fer rond. Figure 27 : Roulement axe 12. ..............................................30
Figure 28 : Générateur et engrenage. ..................................................................................31
Figure 29 : Soudure de la roue avec l’axe. ...........................................................................32
Figure 30 : Soudure du moyeu et fixation avec le générateur. ..............................................32
Figure 31 : Fixation de la turbine. .........................................................................................33
Figure 32 : Prototype réalisé. ................................................................................................33
Figure 33 : Expérimentation avec un multimètre. ..................................................................34
Figure 34 : Deuxième expérimentation. ................................................................................34
Figure 35 : Troisième expérimentation. ................................................................................35
vii
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1 : Description générale de l’aménagement de la centrale d’Ambatolaona .............. 6
Tableau 2 : Différents types de centrales hydroélectriques ...................................................12
Tableau 3 : Quelques hydroliennes déjà installées dans le monde .......................................20
1
INTRODUCTION GENERALE
La difficulté de l’accès à l’énergie constitue un risque majeur pour les prochaines
générations. Les éléments d’informations socio-économiques, particulièrement le prix de
l’énergie et la croissance de la demande mondiale, sont des informations essentielles de
cette difficulté.
À Madagascar l’énergie, secteur porteur et levier du développement [1] (voir Annexe
1), assure le bon fonctionnement socio-économique. En effet, elle est une source la plus
nécessaire dans les secteurs productifs et les ménages journaliers de tous les foyers. Mais
aujourd’hui, il y a des difficultés dans le secteur énergie causées par la croissance des
secteurs privés, son coût élevé et l’insuffisance de producteurs d’énergie.
L’offre énergétique à Madagascar est composée à plus de 90% par le bois énergie,
tandis que les produits pétroliers et les énergies renouvelables ne représentent
respectivement que 7% et 1 %, [1] (voir annexe 2).
De ce fait, la problématique énergétique à Madagascar, en particulier l’électricité, est
alors primordiale pour la croissance socio-économique. À nos jours, c’est l’énergie dite
renouvelable est l’une des prévisions sociales utilisées par les politiciens dans leur discours
quand ils cherchent à briguer des sièges ou postes politiques dans la direction de l’État
pendant leur propagande. Elle est dite renouvelable lorsqu’elle est produite par des sources
inépuisables capables de se régénérer à travers le temps comme le Soleil, le vent, l’eau, la
biomasse, etc., ce qui est le contraire aux énergies fossiles qui s’épuisent à travers le temps.
Selon leur source, il existe plusieurs types d’énergie renouvelables à savoir l’énergie solaire
produite par le Soleil et transformée par les panneaux photovoltaïques, l’énergie éolienne
dont la source est le vent, l’énergie hydraulique issue des cours d’eau et des fleuves via les
barrages hydroélectriques et la biomasse, l’énergie provenant de la dégradation de la
matière organique. Parmi les sources d’énergie renouvelables, il existe une énergie appelée
« énergie hydrolienne » provenant des courants d’eau ou marins.
Par ailleurs, cette énergie commence à s’instaurer à Madagascar dans le cadre des
programmes dont celui d'Électrification Rurale par HYdrolienne Guinard Énergies
(ERHYGE), Guinard énergies et ses partenaires le “Groupe de Recherche et d’Échanges
Technologiques (GRET)“ et la Société de Maitrise de l’Eau de l’Énergie et de
l’Environnement (SM3E) qui ont déployé dans la Commune rurale d'Ambatolaona une unité
de production d'électricité comprenant une hydrolienne P66, un ensemble photovoltaïque de
4kWc couplé à un système de stockage qui est un parc de batteries.
2
En outre, pendant notre visite dans cette centrale hybride hydrolienne et solaire
d’Ambatolaona où nous avons fait notre stage, nous avons vu qu’il y a un problème dans le
fonctionnement de l’hydrolienne.
Ce qui conduit au thème du présent mémoire qui est axé sur l’étude de conception
d’une hydrolienne.
Quant au projet personnel, nous nous proposons de réaliser cette conception
d’hydrolienne.
Pour atteindre les objectifs fixés, nous rapportons nos travaux à travers ce manuscrit
comprenant trois chapitres. Ainsi :
- Le premier chapitre procède aux descriptions du lieu de stage, à savoir la Société
pour la Maitrise de l’Eau, de l’Energie et de l’Environnement (SM3E) qui gère la
centrale hybride solaire hydrolienne à Ambatolaona, du projet ERHYGE et des
généralités sur les énergies renouvelables ;
- Le deuxième chapitre développe une étude sur le système hybride « panneaux
solaires photovoltaïques et hydrolienne » ;
- Le troisième et dernier chapitre de ce mémoire décrit le projet personnel qui
consiste en la réalisation d’un prototype d’hydrolienne.
3
Chapitre 1 : DESCRIPTION DE LA CENTRALE HYBRIDE D’AMBATOLAONA ET
GENERALITES SUR LES SOURCES D’ENERGIE RENOUVELABLES
1.1 Projet d'Électrification Rurale par HYdrolienne Guinard Énergies (ERHYGE)
L’Agence De l’Environnement et de la Maitrise de l’Énergie (ADEME), la Société
Guinard Énergies (le pilote opérationnel) et la Société pour la Maitrise de l’Eau de l’Énergie
et de l’Environnement (SM3E) (l’exploitant du réseau) se sont associées pour proposer la
réalisation de ce projet [2] qui consiste à déployer sur la Commune d’Ambatolaona une unité
de production d’électricité comprenant une hydrolienne P66, un ensemble photovoltaïque de
4kWc associé à un accumulateur qui est un parc de batteries, [3].
Ce projet a l’autorisation environnementale délivrée par le PRogramme
d’Engagement Environnemental (PREE), le 22 Janvier 2019, [3].
1.1.1 Acteurs
Les acteurs intervenant dans le cadre dudit programme sont les :
- Agence de Développement de l’Electrification Rurale (ADER), créée en 2004 pour
la régularisation de l’électrification du milieu rural : production, transport et
distribution ;
- Agence De l’Environnement et de la Maitrise de l’Énergie (ADEME) ;
- Société pour la Maitrise de l’Eau, de l’Énergie et de l’Environnement (SM3E) ;
- Groupes de Recherches et d’Échanges Technologiques (GRET) ;
- Guinard Energies.
1.2 Société pour la Maitrise de l’Eau, de l’Énergie et de l’Environnement
1.2.1 Historique de la Société
La Société SM3E, créée le 1er Mars 2007, a pour objets l’étude, la conception, la
réalisation et aussi la gestion de tout projet de développement qui se rapporte aux domaines
de l’eau, de l’énergie et de l’environnement. La SM3E assure la production et la distribution
de l’électricité au village d’Amboarakely Commune rurale d’Ambatolaona.
Son siège social se trouve à Antananarivo à l’adresse : Lot IT I 143ter Alarobia
Amboniloha.
1.2.2 Organigramme de la Société
L’organigramme de la Société SM3E est présenté sur la figure 1.
4
Figure 1 : Organigramme de la Société SM3E.
1.2.3 Contexte du stage
Notre stage a débuté par la visite du site où est implantée la turbine hydrolienne.
Ensuite nous avons contrôlé le bâtiment de la centrale qui accueille sur son toit les panneaux
solaires photovoltaïques. Sa chambre contient le parc de batteries, l’onduleur spécial pour
l’hybride solaire et l’hydrolienne. Après Monsieur Fidèle, un agent technicien de la centrale
nous raconte avec des explications le fonctionnement de cette centrale qui est mauvais
surtout celui de l’hydrolienne. Ainsi, nous nous étions proposés de réaliser une turbine plus
petite que la sienne.
La figure 2 montre le niveau de l’eau au début de l’installation, les figures 3 et 4
montrent respectivement le parc des panneaux solaires et batteries installés dans la
centrale. Et la figure 5 montre le niveau de l’eau dans le temps où nous avons fait la visite.
Figure 2 : Niveau de l’eau au début de l’installation, [2].
5
Figure 3 : Panneaux solaires photovoltaïques installés à Ambatolaona.
Figure 4 : Parc de batteries de stockage dans la Centrale.
6
Figure 5 : Niveau de l’eau dans notre visite.
1.2.4 Localisation de la Centrale d’Ambatolaona
Le site est localisé dans la Commune rurale d’Ambatolaona, District de
Manjakandriana, Région d’Analamanga et Province d’Antananarivo. Les sites à électrifier
sont les villages d’Amboarakely et d’Ambatolaona aux distances respectives de 56,69km,
38,83km à vol d’oiseau d’Antananarivo.
La figure 6 nous montre le site et le village d’Amboarakely qui est la zone raccordée.
Figure 6 : Plan de repérage du site, [2].
1.2.5 Description de la Centrale
Le tableau 1 donne la description générale de l’aménagement de la centrale
d’Ambatolaona.
7
Tableau 1 : Description générale de l’aménagement de la Centrale d’Ambatolaona.
Localisation du site
Commune rurale
District
Région
Province
Ambatolaona
Manjakandriana
Analamanga
Antananarivo
Localité à électrifier Village d’Amboarakely
Permissionnaire SM3E
Puissance installée Hydrolienne 2kW + Solaire 4kWc
Caractéristiques techniques du site
Potentialité hydro-cinétique : 2m/s (vitesse de
l’écoulement moyenne sur l’emplacement de
l’hydrolienne)
Potentialité photovoltaïque : 4,5kWh/j/kWc
1.3 Généralités sur les énergies renouvelables
Dans cette partie, nous allons introduire quelques types de sources d’énergie
renouvelables.
Lorsqu’on parle d’énergies renouvelables, ce sont des énergies inépuisables, comme
les énergies venant du Soleil (énergie solaire), du vent (énergie éolienne), de l’eau (énergie
hydraulique) et de la dégradation des matières organiques (biomasse).
1.3.1 Energies solaires photovoltaïques
a) Définition
L’énergie solaire photovoltaïque (PV) consiste en la transformation directe de
l’énergie provenant du rayonnement lumineux et convertie en énergie électrique.
8
b) Principe de fonctionnement
La figure 7 nous montre le principe de fonctionnement d’un PV.
Figure 7 : Schéma synoptique du fonctionnement d’un PV.
c) Compositions du système photovoltaïque
La cellule photovoltaïque est composée de matériaux semi-conducteurs et convertit
directement l’énergie lumineuse en énergie électrique. Les cellules PV sont constituées
d’une couche fine semi-conductrice telle que le silicium qui est un matériau présentant une
conductivité électrique, une couche antireflet qui permet de traverser les rayons solaires, une
grille conductrice sur le haut appelée cathode et un métal conducteur sur le bas appelant
anode.
Les modules ou panneaux photovoltaïques comportent plusieurs cellules montées
en série et en parallèle.
d) Différents types de cellule solaire
Il y a trois types de cellules :
- Cellule monocristalline : qui est composée d’un seul cristal divisé en deux
couches et qui a un rendement de 12 à 18%. Elle coûte trop chère à cause de la
difficulté de sa fabrication ;
9
- Cellule polycristalline : qui se différencie de la cellule monocristalline. Cette
cellule est à base de polycristaux et a un rendement de 11 à 15%, son coût est
moins cher que celui de la cellule monocristalline ;
- Cellule amorphe : la cellule est réalisée avec du silicium amorphe et fonctionne
avec un éclairement faible. Son rendement est faible par rapport à celui des
cellules monocristallines et polycristallines.
1.3.2 Energie éolienne
a) Définition
Le mot « éolienne » vient d’Eole, nom du dieu de vents dans la mythologie grecque.
C’est une machine permettant de transformer l’énergie cinétique du vent en énergie
mécanique qui est, elle-même, convertie en énergie électrique.
b) Principes de fonctionnement
Comme nous voyons sur la figure 8, l’énergie cinétique du vent (venant de sa vitesse)
fait tourner les pales qui la transforment en énergie mécanique et qui font tourner le rotor.
Enfin le générateur la convertit en énergie électrique comme l’indique la figure 8.
Figure 8 : Principe de fonctionnement d’une éolienne.
c) Composants d’une éolienne
Une éolienne comporte les éléments suivants :
- Pales d’une éolienne : l’éolienne la plus connue est composée de 2 ou 3 pales,
tournant autour d’un rotor par captage de l’énergie du vent ;
- Arbre primaire : axe reliant les pales au multiplicateur ;
10
- Multiplicateur : c’est un dispositif intermédiaire entre l’arbre primaire et l’arbre
secondaire qui permet d’augmenter la vitesse ;
- Arbre secondaire : il conduit l’énergie mécanique au générateur ;
- Générateur : renforce la production électrique ;
- Mât : assemblage de barres métalliques en béton ou en métal, sa hauteur est
essentielle, plus elle augmente plus la vitesse du vent augmente ;
- Système d’orientation de la nacelle : c’est un système qui permet d’orienter les
pales selon la direction du vent.
Figure 9 : Composantes d’une éolienne.
d) Différents types d’éolienne
En général, les éoliennes se décomposent en deux grandes filiations :
- Eoliennes à axe horizontal : la figure 9 donne un exemple d’éolienne à axe
horizontal
Ce type d’éolienne est le plus commercial car il présente un coût moins important.
Le rotor de type hélice à trois pales est le plus utilisé.
Figure 10 : Eolienne à axe horizontal.
11
- Eoliennes à axe vertical : correspondent un peu aux turbines hydrauliques
classiques. Dans ce type d’éolienne, il existe 3 types dont les rotors Savonius, les
rotors Darrieus et la structure H.
1.3.3 Energie hydraulique ou hydroélectricité
a) Définition
L’hydroélectricité consiste à capter l’énergie potentielle de l’eau pour la transformer
en énergie cinétique puis en énergie mécanique et enfin en énergie électrique.
b) Notion de puissance
La notion de puissance est primordiale pour une centrale l’hydroélectrique. Nous
allons voir, dans la suite, comment calculer la puissance d’un site. En commençant par le
travail T effectué par le poids d’une quantité d’eau de volume V de masse m effectuant une
chute de hauteur H, il vient :
T = m g H = ρ V g H (1)
Avec :
g : l’accélération de pesanteur (en N/kg) ;
m : la masse de l’eau (en kg) ;
H : la hauteur de chute (en m) ;
ρ : la masse volumique de l’eau (en kg/m3) ;
T : le travail effectué (en J).
La puissance produite par cette quantité d’eau est alors le rapport de ce travail avec
le temps t c’est-à-dire :
(2)
Si :
t est le temps (en s) ;
Q, le débit (en m/s) ;
P, la puissance (en W).
12
En tenant compte du rendement d’environ égal à 0,7 et l’intensité de pesanteur, à
9,81N/kg, on démontre que la puissance d’un site est donnée par la formule :
P = ᶯ g Q H = 0,7 9,81 Q H (3)
Avec P indiquant la puissance (en W) et ᶯ , le rendement.
On peut arranger cette formule par la relation :
P = 7 Q H (4)
La hauteur de chute H et le débit Q sont ainsi les facteurs fondamentaux en
hydroélectricité, (voir figure 11). Et le tableau 2 rapporte les types de centrale
hydroélectrique selon leur puissance.
Figure 11 : Facteurs fondamentaux au niveau d’une centrale hydroélectrique.
Tableau 2 : Différents types de centrale hydroélectrique.
Puissance de la centrale Type de la centrale
Moins de 50kW Picocentrale hydroélectrique
50kW - 500kW Microcentrale hydroélectrique
500kW - 10MW Mini-centrale hydroélectrique
Plus de 10MW Centrale hydroélectrique
13
c) Eléments constitutifs d’une centrale : prise d’eau jusqu’à la
distribution
Les structures qui existent entre la prise d’eau et la centrale sont les suivantes :
- Barrage : permet de dévier l’eau vers la conduite forcée ;
- Canal d’amené : permet de diriger l’eau vers la chambre de mise en charge ;
- Grilles de protection : c’est un dispositif qui protège la turbine et les vannes contre
les boues et les sédiments ;
- Chambre de mise en charge : permet de mettre à l’abri la conduite forcée ;
- Conduite forcée : transporte de l’eau sous pression de la chambre de mise en
charge à la turbine de la centrale.
La centrale hydroélectrique est composée des :
- Turbine : qui permet de transformer l’énergie hydraulique en énergie mécanique
avec des pales rotatives.
- Générateur : qui convertit l’énergie mécanique en énergie électrique. Il est
composé de deux parties : une partie mobile, appelée rotor qui est formé par un
bobinage de fils de cuivre et une partie fixe, nommée stator ayant la forme
d’électro-aimants.
- Tableau de contrôle : comme son nom l’indique, il surveille et affiche le voltage,
l’ampérage de production et de consommation et la fréquence.
- Régulateur : qui assure les trois phases, régularise les fonctionnements de la
production en fonction de la demande électrique du réseau.
- Canal de fuite : où sortent les eaux turbinées vers le cours d’eau.
- Vanne de garde : se place avant la turbine et permet de régler le débit d’eau
entrée dans la turbine et de procéder à un dépannage en cas de défaillance.
Dans les systèmes de transformation, il existe les composantes suivantes :
- Transformateur élévateur : permet d’élever la tension de sortie du générateur en
haute tension (HT) pour les grandes centrales ou en moyenne tension (MT) pour
les petites centrales ;
- Transformateur abaisseur : permet de décroître la tension HT en MT ou la tension
MT en basse tension (BT).
Du transport jusqu’à la distribution, existent les éléments suivants :
- Poteaux : qui supportent les câbles des lignes électriques ;
- Armements : qui soutiennent les câbles sur les supports (ferrures, isolateurs) ;
- Eclateurs : qui protègent les installations des décharges atmosphériques.
14
Au niveau des distributions, les lignes peuvent être de type :
- Monophasé : pour les usages domestiques ;
- Triphasé : pour les usages des machines.
d) Turbines
Les alternateurs employés dans les centrales hydrauliques sont entraînés par des
turbines dont les caractéristiques sont définies par la chute d’eau avec sa hauteur et par les
débit et vitesse de l’eau. Selon ces caractéristiques, on distingue :
- Turbine PELTON : utilisée dans les centrales à haute chute ;
- Turbine FRANCIS : utilisée dans les centrales à moyenne chute ;
- Turbine KAPLAN : utilisée dans les centrales à basse chute.
1.3.4 Autres énergies renouvelables
a) Géothermie
Le terme géothermie provient des mots grecs « geo » et « thermos » qui signifient
respectivement : la terre et la chaleur. La géothermie peut se définir ainsi comme étant la
technique qui consiste à puiser les calories contenues dans le sous-sol ou dans les roches
pour les rendre disponibles en surface à des fins d’application de chauffage ou de production
d’électricité, [4].
Il existe quatre (04) catégories de géothermie selon le degré de température
disponible à l’exploitation, [5] :
- Géothermie haute énergie : caractérisée par des températures supérieures à
150°C ;
- Géothermie moyenne énergie : caractérisée par des températures entre 80 à
150°C ;
- Géothermie basse énergie : géothermie des aquifères profonds aux
températures entre 60 à 80°C ;
- Géothermie très basse énergie : géothermie de faible profondeur aux
températures de 20 à 60°C.
b) Biomasse
La biomasse désigne l’ensemble des matières organiques pouvant se transformer
sous forme d’énergie. Elle est issue des matières organiques aussi bien d’origine végétale
(résidus alimentaires, bois, feuille) que d’origine animale (cadavres d’animaux, êtres vivants
du sol), [6].
15
On distingue 3 formes de biomasse selon ses caractéristiques physiques :
- Les solides, par exemple, paille, copeaux, buches ;
- Les liquides comme les huiles végétales, bioalcools ;
- Les gaz comme les biogaz.
c) Fonctionnement de biomasse
Dans le secteur de l’énergie, la biomasse peut produire trois formes d’énergie utiles :
chaleur, électricité et force motrice de déplacement.
On peut distinguer trois types de valorisation de la biomasse :
- La voie sèche : qui regroupe les technologies de la combustion, de la
gazéification, de la pyrolyse ;
- La voie humide : qui permet de produire du biogaz et du digestat ;
- La production de biocarburants.
16
Chapitre 2 : SYSTEME HYBRIDE PANNEAUX SOLAIRES PHOTOVOLTAÏQUES
ET HYDROLIENNE
2.1 Introduction
Pourquoi nous choisissons ce thème d’hybridation du système PhotoVoltaïque (PV)
avec une hydrolienne ? Parce que nous faisons notre stage dans la Société pour la Maitrise
de l’Énergie, de l’Eau et de l’Environnement (SM3E) qui gère la centrale hybride PV et
hydrolienne à Amboarakely dans la Commune rurale d’Ambatolaona. Et cette Société nous
assigne à étudier la conception d’une petite hydrolienne et à réaliser un prototype. Alors,
dans ce chapitre, nous allons définir ce qu’on appelle hybridation, citer les différents types du
système hybride avec les énergies renouvelables (EnR) et enfin développer le système
solaire PV et hydrolienne.
2.2 Définition d’un système hybride
La combinaison de plusieurs sources d’EnR permet d’optimiser au maximum les
systèmes de production d’électricité, [5].
Un système d’énergie hybride (SEH) est défini comme une installation qui utilise deux
ou plus des technologies de la génération d’énergies, soit une ou plusieurs sources de
production d’énergie classique (groupe diésel en général) et au moins une source de
production d’EnR, [4].
2.3 Différents types de système hybride
Il existe plusieurs types d’énergie qu’on peut mettre en combinaison :
- Photovoltaïque-groupe électrogène ;
- Photovoltaïque-éolienne-diésel ;
- Eolienne-diésel ;
- Photovoltaïque-éolienne ;
- Photovoltaïque-hydrolienne.
Sachant que le groupe électrogène et le moteur diésel sont des sources d’énergie
thermique et ne sont pas des EnRs mais ils sont généralement utilisés comme alimentation
de secours dans les systèmes hybrides, [5].
17
2.4 Energie hydrolienne
2.4.1 Généralités sur les hydroliennes
a) Définition
Une hydrolienne est une turbine hydraulique (sous-marine ou à flots) qui utilise
l'énergie cinétique des courants marins ou fluviaux comme une éolienne utilise l'énergie
cinétique du vent, [7].
Par définition, une hydrolienne est un dispositif dans l’eau qui fournit de l’électricité à
partir de l’énergie des courants marins ou fluviaux, comme les turbines sous-marines qui
convertissent les énergies cinétiques des courants marins et les transforment en énergie
mécanique. Ensuite ces turbines font tourner un alternateur qui crée de l’électricité sous
forme de courant alternatif.
b) Historique des hydroliennes
L’idée d’exploiter les courants des rivières est découverte depuis des siècles avec les
moulins à eau dont l’objectif est généralement de broyer du grain pour produire de la farine.
L’histoire des hydroliennes vient de ce lointain ancêtre. Puis avec l’invention de l’électricité et
de l’alternateur qui, en tournant, permet de produire de l’énergie électrique, des installations
ont été inventées sur les fleuves, [8].
La Marine Current Turbine (MCT) ou SeaGen est la première grosse machine
installée dans le monde en 2008 au large de l’Angleterre en produisant d’abord 150kW puis
300kW. Une des premières hydroliennes de l’histoire en France est Sabella D03, en 2008,
qui produit 30kW. En 2015, Sabella installe en Bretagne une plus grosse machine nommée
D10 ayant un diamètre de 10mètres et produisant 1MW, [8].
Il existe encore d’autres entreprises qui poursuivent de développer cette technologie,
par exemple, Sabella, Guinard Énergie, Hydroquest.
c) Composition d’une hydrolienne
En général, on peut schématiser la conversion de l’énergie cinétique en énergie
électrique en trois parties, comme le montre la figure 12 :
- Une turbine qui est composée de deux parties : la partie centrale ou le rotor et
celle qui reçoit l’énergie mécanique ;
- Un multiplicateur, un élément facultatif et comme son nom l’indique, permet de
convertir la vitesse de rotation lente de la turbine en une vitesse rapide adaptée
au générateur ;
18
- Un alternateur qui est un générateur électrique et qui permet de convertir l’énergie
mécanique en énergie électrique.
Figure 12 : Composition d’une hydrolienne.
d) Principe de fonctionnement
La figure 13 nous indique le schéma synoptique d’une hydrolienne. Comme l’éolienne
qui utilise l’énergie cinétique du vent, l’hydrolienne utilise l’énergie cinétique de l’eau. Et la
figure 14 montre le fonctionnement d’une hydrolienne.
Figure 13 : Schéma synoptique d’une hydrolienne
Figure 14 : Schéma synoptique d’une hydrolienne.
19
Figure 15 : Fonctionnement d’une hydrolienne.
2.4.2 Notion de puissance d’une hydrolienne
a) Puissance théorique
La puissance cinétique d’un fluide traversant une aire circulaire de surface S est :
(5)
Avec :
, la puissance extraite par la turbine (en W) ;
, la masse volumique du fluide (pour l’eau douce 1000kg/m3 et l’eau de mer 1025kg/m3) ;
, le coefficient de puissance hydrodynamique de la turbine (limité à 59 % par la loi de
Betz) ;
, la surface équivalente balayée par les pales de la turbine (en m2), soit
pour une turbine à axe vertical (flux transverse) ou pour une turbine à axe
horizontal (flux axial), si et sont respectivement le rayon et la hauteur de la
turbine ;
v, la vitesse du fluide.
b) Puissance récupérable
L’énergie récupérable est inférieure à l’énergie cinétique du flux d’eau en amont de
l’hydrolienne [7] et selon la conséquence de la limite de Betz, elle est égale à 16/27 ou 59%
(voir Annexe 3).
La puissance maximale récupérable théorique d’une hydrolienne peut s’exprimer
par :
20
(6)
(7)
Ces relations tiennent compte de la limite de Betz environ égale à 16/27 et de la
masse volumique de l’eau, à 1000kg/m3.
2.4.3 Différents types des turbines hydroliennes
Le centre européen de l’énergie marine reconnait six principaux de types de
convertisseurs d’énergie marémotrice [7], ce sont des turbines à axe horizontal ou vertical,
des hydrofoils oscillants, des venturi, des vis d’Archimède et des cerfs-volants. (Voir Annexe
4 les figures)
2.4.4 Hydroliennes installées, [7]
Le tableau 3 montre quelques exemples d’hydroliennes installées dans le monde.
Tableau 3 : Quelques hydroliennes installées dans le monde.
Date de l’installation Nom de la turbine Diamètre de la
turbine
Puissance Lieu
d’installation
2008 Sabella D03 3m 10kW Bénodet
2015 Sabella 10 10m 1MW Ouessant
Septembre 2018 P66 66cm 3,5 kW Madagascar
2.4.5 Comparaison de l’hydrolienne avec d’autres énergies renouvelables
Le tableau 4 montre la comparaison des fonctionnement et puissance de
l’hydrolienne avec ceux de l’éolienne et de l’hydroélectrique
21
Tableau 4 : Comparaison de l’hydrolienne avec l’éolienne et l’hydroélectrique.
Hydrolienne Eolienne Hydroélectrique
Principe Captage de l’énergie
cinétique de l’eau par
une turbine hydrolienne
en faisant tourner un
générateur pour avoir de
l’énergie électrique.
Captage de l’énergie
cinétique du vent avec
les pales de l’éolienne en
faisant fonctionner un
générateur pour avoir de
l’énergie électrique.
Captage de l’énergie
cinétique de l’eau par
une turbine
hydroélectrique pour
faire tourner un
générateur pour avoir
de l’électricité.
Puissance
P = 7 Q H
D’après le tableau 4, l’hydrolienne a le même principe que ceux de l’éolienne et
l’hydroélectrique. Entre l’éolienne et l’hydrolienne, la différence réside en la masse
volumique de l’eau qui est plus grande que celle de l’air. Entre l’hydroélectrique et
l’hydrolienne, la puissance récupérable dépend du débit de l’eau et de la hauteur de la chute
tandis que pour l’hydroélectrique et pour l’hydrolienne, leur puissance dépend de la vitesse
de l’eau.
22
2.5 Système de conversion d’un système hybride
La figure 15 montre le système de conversion d’un système hybride. A la sortie du
générateur hydrolien, on utilise un convertisseur AC/DC (redresseur). La sortie DC passe par
le régulateur et la sortie de PV charge la batterie. Enfin, on utilise un convertisseur DC/AC à
la sortie du régulateur pour les charges AC.
Figure 16 : Schéma synoptique du système de conversion.
23
Chapitre 3 : REALISATION DE LA CONCEPTION
3.1 Introduction
Pour la réalisation du prototype, notre étude est basée sur le générateur hydrolien qui
est le deuxième élément le plus nécessaire après la turbine, ainsi que le multiplicateur de
vitesse, élément facultatif mais, dans notre cas, indispensable. Comment choisir le type de
générateur et le type d’engrenage ?
3.2 Matériels et méthodologie
3.2.1 Générateur
Un générateur est une machine électrique qui permet de produire de l’énergie
électrique à partir d’une autre forme d’énergie. Dans notre cas, il s’agit du captage de
l’énergie cinétique de l’eau par la turbine qui la transforme en énergie mécanique et enfin le
générateur transforme cette dernière en énergie électrique.
Il y a deux types de générateur :
- Générateur synchrone ;
- Générateur asynchrone.
a) Générateur synchrone, [9]
Le générateur synchrone est une machine constituée de :
- Un rotor, un électroaimant alimenté en courant continu par l’intermédiaire de
balais ;
- Un stator, un bobinage triphasé généralement couplé en étoile.
a1. Fonctionnement d’un générateur synchrone
La figure 16 nous montre le fonctionnement d’un générateur synchrone. Un système
mécanique entraine le rotor, alors il y a une création d’un système de tensions triphasées
dans les bobinages du stator.
La figure 16 présente le fonctionnement d’un générateur synchrone.
24
Figure 17 : Fonctionnement d’un générateur synchrone.
a2. Fonctionnement à vide d’un générateur synchrone
La figure 17 montre le fonctionnement à vide d’un générateur synchrone, les tensions
générées correspondent aux forces électromotrices (fém) induites dans les bobinages du
stator par le champ tournant du rotor.
s
Figure 18 : Fonctionnement à vide d’un générateur synchrone.
a3. Fonctionnement en charge
La figure 18 montre le fonctionnement en charge d’un générateur synchrone, d’après
la loi des branches, la tension Vi entre phase et neutre est égale à la différence de la fém
induite (Ei) avec la somme de la résistance d'un enroulement statorique (Rs) et la réactance
synchrone d'un enroulement statorique (jXs) en facteur du courant en ligne Ii.
25
Vi = Ei – (RS+ jXS) Ii (8)
Avec :
Vi, la tension induite (V) ;
Ei, la force électromotrice (V) ;
RS, résistance statorique (Ω) ;
XS, la réactance statorique (Ω) ;
Ii, le courant en ligne (A).
Figure 19 : Fonctionnement en charge d’un générateur synchrone.
b) Générateur asynchrone
Le générateur asynchrone est une machine composée de deux pièces principales
telles que le stator et le rotor comme la machine synchrone mais contrairement à la machine
synchrone, son alimentation est en courant continu sur le rotor.
Le générateur asynchrone est le plus utilisé surtout dans le cas de production
d’énergies éolienne et hydrolienne. Ainsi, nous utilisons ce type de générateur pour notre
projet personnel.
b1. Fonctionnement
Un générateur asynchrone triphasé dispose de trois enroulements fixes décalés de
120° les uns des autres et constituant le stator. Ces enroulements constitués de plusieurs
bobines créent un champ magnétique tournant lorsqu’on entraine la partie mobile du
générateur ou le rotor.
26
b2. Vitesse de synchronisme
La vitesse de synchronisme est directement conditionnée par la fréquence du courant
(en France 50 Hz) et le nombre de paires de pôles du générateur, [10] :
(9)
Avec :
ns, la vitesse de synchronisme (en tr/mn) ;
f, la fréquence (en Hz) ;
p, le nombre de paires de pôles.
b3. Glissement d’une machine asynchrone
Le glissement mesure l’écart relatif entre la vitesse de rotation de la machine et la
vitesse de synchronisme, [11].
En régime, le glissement est toujours faible de l’ordre de 2% pour les machines les
plus grosses, de 6 à 7% pour les petites machines triphasées et de 10% pour les petites
machines monophasées. Une machine de qualité se doit de fonctionner en faible glissement,
[10].
(10)
Soit : (11)
Avec :
gs, le glissement ;
ns, la vitesse de synchronisme (en tr/mn) ;
n, la vitesse de la machine (en tr/mn).
3.2.2 Multiplicateur de vitesse : engrenage
Nous utilisons un engrenage dans ce projet personnel comme multiplicateur de
vitesse.
Les engrenages ont pour fonction de transmettre une puissance d’un arbre en
rotation à un autre arbre tournant à une vitesse généralement différente, [12].
27
a) Définition
Par définition, un engrenage est une combinaison de deux roues dentées, chacune
en liaison par rapport à un support. La petite roue s’appelle le pignon et la grande roue
s’appelle la roue, comme nous voyons sur la figure 19.
Figure 20 : Engrenage à denture droite.
b) Différents types d’engrenage
b1. Engrenage cylindrique à denture droite
L’engrenage à denture droite se présente sous deux types selon le contact entre les
pignon et roue, comme le montre la figure 21 :
- contact extérieur ;
- contact intérieur.
Figure 21 : Denture droite en contact avec l’extérieur.
Figure 22 : Denture droite en contact avec l’intérieur.
28
b2. Engrenage cylindrique à denture hélicoïdale
Ce type d’engrenage est utilisable lorsque la forme des dents d’un générateur est une
ligne hélicoïdale de même axe que l’axe de rotation. [13]
Figure 23 : Denture hélicoïdale.
b3. Engrenage concourant
C’est un engrenage qu’on trouve entre deux axes concourants et tels que les
surfaces des supérieures de toutes les dents appartiennent à un cône dont le sommet est
confondu au point de concours des axes de roues, [14] (voir figure 23).
Figure 24 : Engrenage concourant.
29
c) Rapport de transmission de vitesse
Les rapports de transmission ont les mêmes principes pour tous les types
d’engrenage. Ce sont le rapport entre :
- ω1 et ω2 qui sont respectivement les vitesses angulaires du pignon et de la roue ;
- Z1 et Z2 qui sont respectivement leurs nombres de dents respectifs ;
- d1 et d2 qui sont leurs diamètres respectifs. Soit :
(12)
Avec :
r, le rapport de transmission ;
ω, la vitesse angulaire (rd/s) ;
d, le diamètre d’engrenage (m) ;
Z, le nombre de dents.
3.2.3 Roulements
a) Définition
Par définition, un roulement est un dispositif mécanique destiné à guider un
assemblage en rotation, [15] (voir figure 24)..
Figure 25 : Roulement.
30
b) Caractéristiques des roulements
Les roulements sont composés de deux bagues, une bague intérieure et une bague
extérieure, d’une cage et des éléments roulants pouvant être des billes ou des rouleaux,
[16].
La liaison se fait entre ces deux bagues :
- Une pièce male appelée arbre ;
- Une pièce femelle appelée moyeu.
3.2.4 Réalisation du projet
a) Lieu de la réalisation
Nous avons réalisé notre projet au Service des Affaires Générales à l’Ecole Normale
Supérieure d’ Ampefiloha.
b) Matériels utilisés
Nous avons utilisé les matériels suivants pour la réalisation de notre projet :
- fer rond axe 13 qui supporte la turbine et la roue comme multiplicateur de
vitesse ;
- deux roues dentées : le pignon et la roue qui sont accolés pour former un
engrenage. La petite roue dentée porte 19 dents et la grande roue, 52 dents ;
- deux roulements axe 12 de référence 6201 : on les utilise pour faire tourner
facilement l’axe qui porte la turbine ;
- fer « cornière » : supporte l’axe qui porte la turbine ;
- fer « tube » : utilisé comme moyeu pour fixer les roulements ;
- Générateur asynchrone triphasé.
Les figures 26 à 27 montrent les matériels utilisés.
Figure 26 : Axe en fer rond. Figure 27 : Roulement axe 12.
31
Figure 28 : Générateur et engrenage.
c) Réalisation
Lors de la réalisation de notre projet, nous avons suivi les étapes suivantes :
- D’abord, nous avons cherché et acheté les matériels comme le générateur,
l’engrenage chez les brocanteurs parce que les nouveaux matériels sont
onéreux ;
- Après nous avons fait élaborer l’axe et les engrenages dans un atelier de tour
mécanique pour que leur axe soit confondu à l’axe du générateur et celui du
roulement ;
- Enfin, nous avons procédé à l’assemblage et aux fixations grâce à des boulons
avec écrou et par des soudures.
d) Schéma de la réalisation du projet
La figure 28 montre le schéma synoptique de notre projet avec la description de ses
composantes.
32
- 1 : turbine
- 2 : pignon
- 3 : axe du générateur
- 4 : générateur
- 5 : grande roue de l’engrenage
- 6 : moyeu
- 7 : roulement
- 8 : axe supportant la turbine
Figure 28 : Schéma synoptique du projet.
Les schémas de la réalisation sont montrés sur les figures 29 à 31.
Figure 29 : Soudure de la roue avec l’axe.
Figure 30 : Soudure du moyeu et fixation avec le générateur.
33
Figure 31 : Fixation de la turbine.
3.3 Résultats
La figure 32 illustre le prototype fixé à un support.
Les figures 33, 34 et 35 montrent les expériences que nous avons faites. Nous
n’avons pas pu faire notre expérimentation dans une rivière à cause du manque de
protection du générateur.
Tout d’abord, nous avons tourné la turbine à la main et en même temps, nous avons
mesuré avec un multimètre la tension délivrée par le générateur pour savoir qu’il fonctionne
ou non.
Enfin, nous avons vu que la tension s’affichait sur le multimètre. Alors nous en étions
satisfaits car nous en avons conclu que notre dispositif fonctionne.
Figure 32 : Prototype réalisé.
34
Figure 33 : Expérimentation avec un multimètre.
Figure 34 : Deuxième expérimentation.
35
Figure 35 : Troisième expérimentation.
3.4 Discussions
Le générateur que nous avons réalisé, dans ce projet, a les caractéristiques
suivantes :
- Puissance fournie : 550W ;
- Tension de sortie : 200-240V ;
- Fréquence : 50/60Hz ;
- Intensité : 3,5A.
- Vitesse de rotation du rotor : 3000tr/mn
Mais la puissance estimée par la turbine réalisée par notre collègue est de 1kW,
pourquoi cette valeur ? Parce que la puissance de la turbine est plus élevée que la
puissance du rotor du générateur pour avoir son fonctionnement.
Pour avoir la puissance fournie du générateur, il faut atteindre la vitesse de rotation
du rotor du générateur mais cette situation dépend de la vitesse du courant d’eau et du
multiplicateur de vitesse.
36
CONCLUSION GENERALE
Nous pouvons dire que l’énergie renouvelable est une source de développement
durable notamment dans les zones isolées. Par rapport aux autres types d’énergie
renouvelables, l’utilisation d’une centrale hybride est très onéreuse mais mieux rentable et
plus durable. L’hybride solaire/hydrolienne est le système hybride que nous avons développé
dans ce mémoire selon la recommandation de la SM3E. Cependant, à travers notre projet,
nous pouvons dire que ce type d’hybridation s’adapte dans la majorité des sites isolés à
Madagascar qui est bien ensoleillé et qui présente aussi plusieurs cours d’eau non exploités.
En outre, Madagascar dispose des courants marins exploitables le long de ses bords de
mer.
Durant le séjour de notre stage dans la centrale hybride solaire d’Ambatolaona, nous
avons pu constater que l’utilisation de ce système répond aux besoins de la population et
engendre aussi l’amélioration du niveau de vie de la population. Son problème apparaît
surtout lorsque la JIRAMA fait son stockage d’eau pendant les mois de Novembre jusqu’à
Février et il en résulte la descente du niveau de l’eau.
La réalisation de notre hydrolienne plus petite que celle déjà installée constitue une
solution alternative à ce problème.
Notre hydrolienne peut être transposable dans tout endroit disposant de cours d’eau
ou de courant marin moyennant des redimensionnements de la turbine et du générateur à
partir de la vitesse du courant d’eau ou celle du courant marin.
Parmi les perspectives de notre projet, la plus urgente consiste à confectionner un
système de protection du générateur.
37
BIBLIOGRAPHIES ET WEBOGRAPHIES
[1] Anne GEORGELIN, “Le secteur de l’énergie à Madagascar”, Août 2016, p.3-4
[2] ERHYGE_fiche de projet
[3] Guinard Énergies, Visite du ministère de l'énergie sur le site d'Ambatolaona, 5 février
2019
[4] https://www.grin.com/document/901614
[5] M. SADAOUI Elias « Gestion d’énergie dans un système hybride (photovoltaïque-
Eolien) » mémoire de master, Université Abderrahmane Mira-Bejaia, 2012
[6] https://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/biomasse
[7] https://fr.wikipedia.org/wiki/Hydrolienne
[8]https://hydrolien.fr/histoire-hydroliennes/
[9]http://fabrice.sincere.pagesperso-
orange.fr/cm_electrotechnique/electrotechnique/cours_machine_synchrone_tgett.pdf
[10] https://fr.wikipedia.org/wiki/Machine_asynchrone
[11]http://fabrice.sincere.pagesperso-
orange.fr/cm_electrotechnique/electrotechnique/ch7%20machine%20asynchrone.pdf
[12] http://chevalierfr54.free.fr/poinca/5Engrenages.pdf
[13]http://www.gecif.net/articles/mecanique/cours/TRANSMISSION_DE_PUISSANCE_PAR
ENGRENAGES.pdf
[14] https://prod-maint-indus.pagesperso-orange.fr/dr/Les_engrenages.pdf
[15] https://fr.wikipedia.org/wiki/Roulement_mécanique
I
Annexe 1
L’énergie, secteur porteur et levier du développement socioéconomique à
Madagascar
Le secteur de l’énergie à Madagascar présente un double intérêt : celui d’une
ressource nécessaire à la croissance de l’ensemble des secteurs produits, d
l’investissement privé comme au bien-être des ménages, et ainsi celui d’un marché
stratégique à fort potentiel à moyen terme et en croissance (+5% en 2014), bien que
sa contribution au PIB ne soit que peu significative (1%).
Au cours de ces dernières années, le secteur de l’énergie n’a pas rempli sa fonction
de facilitateur des activités économiques. Les difficultés d’accès à électricité, son coût
élevé et l’approvisionnement instable constituent au contraire l’un des plus forts
obstacles à la croissance du secteur privé. Pourtant, il ne fait aucun doute que les
ressources dont regorge l’ile permettraient, dans le cadre d’une exploitation durable
et optimisé, de satisfaire l’ensemble des besoins énergétiques du pays.
La problématique énergétique, et en particulier électrique, est donc une priorité pour
le développement socioéconomique de Madagascar, inscrite dans les documents
nationaux stratégiques comme le Plan d’Urgence Présidentiel 2015-2016 (PUP) et le
Plan National de Développement 2015-2019 (PND).
II
Annexe 2
L’offre énergétique à Madagascar est composée à plus de 90% par le bois énergie,
tandis que les produits pétroliers et les énergies renouvelables ne présentent respectivement
que 7% et 1%, afin de satisfaire la demande en carburants et la production électrique.
- Le bois énergie (bois de chauffe et charbon de bois) est principalement utilisé
comme combustible de cuisson par ménages ; l’utilisation des foyers de cuisson
améliorés reste marginale.
- Les produits pétroliers consommés sont entièrement importés. Le gasoil, produit
pétrolier le plus utilisé par le secteur économique, en représente plus de la moitié
54%. Le pétrole lampant est utilisé par environ 80% des ménages.
- Parmi les énergies renouvelables, l’énergie hydroélectrique est le plus exploitée,
mais ne représente qu’une part très faible de l’énergie primaire utilisée.
III
Annexe 3
Démonstration de la limite de Betz
Hypothèses
- L’étude est réalisée dans un référentiel R lié au sol et supposé galiléen
- L’air est considéré comme fluide parfait, homogène et incompressible de masse
volumique
- On suppose que le mouvement de l’air est stationnaire et à symétrie de révolution
autour d’un axe de rotation de l’hélice.
Puissance cinétique
Calculons maintenant la masse d’air déplacée en amont du rotor par unité de temps :
ρ étant la masse volumique de l’air exprimée en kg/m3,
la puissance cinétique de cette masse l’air est donc égale à :
Nous procédons de la même façon pour calculer Ec2, la puissance en aval du rotor
Variation d’énergie cinétique
La variation de l’énergie cinétique par unité de temps de la masse d’air qui passe au travers
le rotor est donc égale à :
IV
Puissance absorbée par le rotor
Calculons maintenant l’énergie absorbée par le rotor, elle s’exprime par la relation
vectorielle :
Avec
La variation de quantité de mouvement par unité de temps de la veine de vent entre
l'amont et l'aval du rotor vaut donc :
Nous pouvons en déduire que la puissance perdue par la veine de vent et donc
absorbée par le rotor est égale à :
en admettant que les vitesses du vent en amont et en aval du rotor ont la même
direction.
Or nous savons que cette puissance est égale à l’opposé de la variation d’énergie cinétique
par unité de temps soit :
En remplaçant et par leurs expressions trouvées précédemment, nous avons
l'égalité suivante :
en développant l'identité remarquable du type a2-b2 nous avons
V
Nous pouvons en déduire l'expression de
Puissance maximale
Déterminons maintenant pour que la puissance soit maximale v2 pour que la
puissance W soit maximale
En remplaçant par son expression calculée précédemment nous avons
La puissance est maximale pour une vitesse telle que sa dérivée première
s'annule et que sa dérivée seconde est négative.
Soit
=0
C’est-à-dire
On résout cette équation du second degré et d’inconnue
Nous avons 2 solutions possibles
Cette solution est impossible
VI
Ou
est donc maximale pour égal à
Calcul de la puissance maximale
Nous savons que
Donc d’après la valeur maximale de
En reportant et dans l'expression de on obtient :
D’où
Calcul du coefficient d'énergie maximal
Nous savons que la puissance récupérable du vent s'exprime par
Nous pouvons donc écrire sous cette forme, soit
Par identification nous en déduisons la valeur de , nous
retrouvons la limite de Betz et nous venons alors de la démontrer.
VII
Annexe 4
Figures des différents types de turbine hydrolienne
Axiale à axe horizontal Axiale flottante
Hydrofoils oscillants
Autoporteuse Turbine venturi axiale (face et profil)
TITRE : CONCEPTION ET REALISATION D’UNE HYDROLIENNE
RESUME
Ce mémoire de fin d’études a pour but de concevoir une petite hydrolienne selon la
recommandation de la Société SM3E.
Il s’agit de confectionner une hydrolienne plus petite que celle déjà installée dans le site
d’exploitation de la Société.
Pour ce faire, nous avons débuté nos travaux en récoltant et en étudiant, à la fois, toutes les
données et caractéristiques de l’hydrolienne déjà installée. Ces données et caractéristiques
nous ont permis de fabriquer notre hydrolienne de taille réduite alors moins encombrante
mais plus agile et plus performante.
Les résultats attendus sont atteints. Nous avons constaté et réalisé que notre prototype
fonctionne. En effet, pendant la série d’expérimentation, nous avons apprecié que le
rendement et l’efficacité d’une hydrolienne dépendent de deux paramètres principaux qui
sont la forme de la pale et la qualité du générateur. Son inconvenient majeur réside dans sa
protection très difficile car le générateur avec l’ensemble de son système est immergé dans
l’eau.
Mots clés : hydrolienne, performante, prototype, l’efficacité, rendement, pale.
ABSTRACT
The purpose of this end of studies thesis is to design a small tidal turbine according to the
recommendation of the SM3E Company.
This involves making a smaller tidal turbine than the one already installed at the Company's
operating site.
To do this, we began our work by collecting and studying, at the same time, all the data and
characteristics of the tidal turbine already installed. These data and characteristics have
enabled us to manufacture our tidal turbine of reduced size then less bulky but more agile
and more efficient.
The expected results are achieved. We have seen and realized that our prototype works.
Indeed, during the series of experiments, we appreciated that the output and efficiency of a
tidal turbine depend on two main parameters which are the shape of the blade and the
quality of the generator. Its major drawback lies in its very difficult protection because the
generator with its entire system is submerged in water.
Keywords : tidal turbine, efficient, prototype, efficiency, yield, blade
Rapporteur
RANDRIAMANANTANY Zely Arivelo
Professeur Titulaire
Lieu de stage
Société pour la Maitrise de l’Eau, de l’Energie
et de l’Environnement (SM3E)
Impétrant
Nom et prénoms : NALINARIVONY
Tsifefikinionja Zarasoa
Contact : +261 34 60 885 11
E-mail : [email protected]
Adresse : Lot G IV 48 Soamanandrariny
