COURS AUF Eolien photovolta?que.pdf

8/13/2019 COURS AUF Eolien photovolta?que.pdf

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Ce cours est ralis dans le cadre du Projet de coopration scientifiqueinteruniversitaire (PCSI) financ par L'Agence Universitaire de laFrancophonie (AUF).

Le contenu du cours est un extrait des mmoires, rapports, articlesraliss au sein du laboratoire GREAH (Groupe de Recherche enElectrotechnique et Automatique du Havre) de luniversit du Havre(France) dans le cadre des travaux du professeur Cristian NICHITA et dudocteur Mirela DRUGA.

Le cours comporte deux parties :

Partie A- Chane de conversion lectromcanique des oliennes de

petite puissance- Fonctionnement dun systme olien de petite puissance

Partie B- Energie solaire photovoltaque- Principe de la conversion de lnergie photovoltaque- Simulation de la chaine de conversion

Le cours sadresse aux tudiants en Licence et en Master. Son contenuest destin des fins acadmiques : cours, travaux dirigs, travauxpratiques. Lutilisation des fins industrielles ainsi que la duplication,traductions titre onreux doivent tre signals lauteur.

Lauteur remercie par avance tous ceux qui par leurs remarquesconstructives apporteront des amliorations ce cours.

Le Havre, dcembre 2012

Dr. Cristian NICHITAProfesseur des universits

UFR des Sciences et TechniquesLaboratoire GREAHUniversit du Havre

25 rue Philippe Lebon, BP 112376 063 Le Havre CEDEX

FRANCEE-mail : [email protected]


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PARTIE A

Chane de conversionlectromcanique des oliennes de

petite puissance

Fonctionnement dun systmeolien de petite puissance


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Chapitre I

Chane de conversion

lectromcanique des oliennes de

petite puissance


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Chapitre I

Chane de conversion lectromcanique desoliennes de petite puissance

INTRODUCTION .................................................................................................................. 3I.1 CONTEXTE ENERGETIQUE ......................................................................................... 4

I.1.1 Energie disponible sous diffrentes formes ............................................................... 4I.1.2 Bilan nergtique mondial, quelques chiffres ............................................................ 5I.1.3 Energie et environnement .......................................................................................... 6I.1.4 Energies renouvelables .............................................................................................. 8

I.1.4.1 Energie hydraulique ............................................................................................ 9I.1.4.2 Energie solaire .................................................................................................... 9

I.2 ENERGIE EOLIENNE, oliennes de faible puissance .................................................. 10I.2.1 Historique et dveloppement ................................................................................... 10I.2.2 Le march de lolien ............................................................................................... 12

I.2.2.1 Installations oliennes en Europe...................................................................... 13I.2.2.2 Le petit olien dans les Etats-Unis dAmrique .............................................. 14I.2.2.3 Progression de la Chine dans lindustrie olienne ........................................... 15

I.2.3 Classement des turbines oliennes ........................................................................... 16I.2.3.1 Classement suivant la direction du vent ............................................................ 17I.2.3.2 Classement suivant laxe de la turbine .............................................................. 18

I.2.4 Critres de choix des oliennes ................................................................................ 22I.2.4.1 Considrations sur la taille et sur la puissance des turbines oliennes ......... 22I.2.4.2 Considrations sur la structure dun systme olien ..................................... 23

I.2.5 Champs dapplication des petites oliennes ............................................................ 24I.3 GENERATRICE ELECTRIQUE pour arognrateurs et son lectronique ................. 26

I.3.1 Arognrateurs asynchrones .................................................................................. 26I.3.1.1 Gnratrice asynchrone cage dcureuil ........................................................ 27I.3.1.2 Gnratrice asynchrone rotor bobin ............................................................. 27

I.3.2. Arognrateurs synchrones ................................................................................... 28I.3.2.1 Gnratrice synchrone rotor bobin ............................................................... 30I.3.2.2 Gnratrice synchrone aimants permanents (GSAP) ..................................... 30

I.3.3 Chanes de conversion d'nergie olienne avec GSAP ............................................ 35Rfrences bibliographiques ................................................................................................ 41


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INTRODUCTION

Les nergies renouvelables, issues du soleil, du vent ou de la mer, ont longtemps t

prsentes comme la solution ultime aux problmes nergtiques que connat notre

civilisation, offrant lavantage dtre illimites et non polluantes, mais pas toujours

disponibles un prix "bon march".

Le facteur cl dclencheur de l'intrt initial port aux nergies renouvelables, a t

l'impulsion des crises ptrolires des annes 1970 et les craintes d'puisement des ressources

nergtiques et d'inscurit politique. En consquence, ce nouveau domaine d'intrt, le

"renouvelable", a connu un bond significatif, traduit par un dveloppement accru des activits

lies aux domaines des nergies renouvelables. Pourtant, pendant les annes 1980 et 1990,

quand les craintes des crises lies lnergie se sont vanouies, tandis que les prix des

carburants fossiles ont chut leur niveau le plus bas, les technologies des nergies

renouvelables sont restes toujours coteuses, en dpit des progrs dj raliss.

Combien faut-il dinstallations oliennes pour subvenir aux besoins nergtiques de la

plante? Il s'agit d'une question d'importance cruciale. Les dtracteurs de l'nergie olienne, et

des nergies renouvelables en gnral, affirment souvent que les nergies renouvelables

modernes ne contribueront jamais plus de quelques pourcents la demande mondiale en

nergie, et donc, ne seront pas digne d'tre tudies srieusement. Ce scepticisme est-il

justifi?

Dans ce chapitre, quelques lments de rponse sont apports. Ainsi, un bilan des

ressources nergtiques exploitables est prsent. La technologie olienne actuelle est dcrite

sous la forme dune classification couramment employe, en mettant laccent sur les

oliennes de faible puissance, destines aux particuliers ou des sites isols.

Diffrents types darognrateurs sont exposs, avec diffrentes stratgies

dimplmentation, comprenant des dispositifs dlectronique de puissance et des systmes destockage, qui simplifient et facilitent la conversion lectromcanique de lnergie olienne en

nergie lectrique pour des systmes oliens de faible puissance.


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RadiateurThermocouple

ELECTRO-MAGNETISME

MOUVEMENT

CHALEURRAYONNEMENT

Moteur lectrique

Gnrateur lectri ue

Frein

Moteur

thermique

Lampe

Pilesolaire

Capteur solaire

Flamme

I.1 CONTEXTE ENERGETIQUE

Dans la nature, il existe quatre formes dnergie libre, savoir : lnergie rayonnante

(ou solaire, lumire), lnergie thermique (ou chaleur), lnergie mcanique(ou cintique)et lnergie lectrique. A partir de ces formes dnergie, il en dcoule douze possibilits de

conversion de lnergie. La Figure I-1 prsente les dix transformations les plus courantes

entre ces diffrentes formes d'nergie, ralisables avec un procd industriel. La conversion

de lnergie rayonnante en nergie mcanique na pas encore dapplication directe, bien que

le phnomne physique est vis dans des systmes en dveloppement, comme le moteur

pression de radiation ou la voile solaire (Naudet & Reuss, 2008 ; Wiesenfeld, 2005).

Figure I-1 :Les principales transformations des formes dnergie libre daprs (Naudet & Reuss,2008).

I.1.1 Energie disponible sous diffrentes formes

Toutes les formes dnergie issues de sources disponibles dans la nature sappellent

nergies primaires ; ces formes dnergie peuvent tre exploites directement, sans

transformation, ou bien, subir toute une srie de transformations. Le Tableau I-1 prsente les

principales sources dnergie primaire, qui peuvent tre classes en deux catgories: nergies

puisableset nergies renouvelables.


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Tableau I-1 :Principales sources dnergie daprs (Naudet & Reuss, 2008).

Comme sources dnergie puisable, on peut citer les combustibles, qui peuvent prendre

les formes suivantes:

une forme solide, tels que le charbon, le lignite et la tourbe ;

une forme visqueuse, tel que le ptrole ;

une forme gazeuse, tel que le gaz naturel.

Les nergies renouvelables se trouvent dans la nature sous diffrentes formes, savoir :

l'nergie hydraulique, l'nergie solaire thermique ou photovoltaque, l'nergie olienne, la

biomasse, la gothermique, ou encore, les nergies marines (Naudet & Reuss, 2008 ;

Wiesenfeld, 2005).

I.1.2 Bilan nergtique mondial, quelques chiffres

En 2008, lAgence Internationale de lEnergie a estim la production nergtique

mondiale 12 267 Mtoe. Cette production est absorbe par les secteurs industriels et

domestiques, tels que : le transport, la production de lnergie lectrique ou lusage

domestique (IEA, 2010). La Figure I-2.A prsente la rpartition de la production mondiale de

lnergie. Dans cette figure, on remarque que les sources dnergie fossile reprsentent encore

87.1% de la production totale dnergie lectrique.

En dpit de limpact cologique du charbon sur lenvironnement dans la production de

llectricit, le charbon reprsente 41% des ressources exploites. Ainsi, des 20 181 TWh

produites dans le monde en 2008, 8 263 TWh sont issues du charbon. La Chine et les Etats-

Unis dAmrique comptabilisent eux deux quelques 4 866 TWh issus du charbon, soit prs

Energies puisables Energies renouvelables

Produits carbons tourbe

lignite houille

anthracite

ptrole

gaz naturel Fission

uranium

Hydraulique Solaire

Eolien Gothermie Biomasse

bois

cultures Energie des mers (hydrolien)


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(B)(A)

de 58% (IEA, 2010). Cette utilisation frntique du charbon peut sexpliquer par labondance

de cette ressource dans certaines zones gographiques du monde et le faible cot

dexploitation.

Figure I-2 :Production de lnergie lectrique : A- production nergtique mondiale. B- productionde llectricit dans le monde, daprs (IEA, 2010).

En deuxime position vient le gaz naturel (21.3%), moins polluant que le charbon. Les

Etats-Unis dAmrique ont produit environ 911 TWh dun total de production mondiale

estime 4 301 TWh (IEA, 2010).

En troisime position, le nuclaire, ce mode de production est rserv en gnral aux

pays les plus industrialiss, cause de la complexit du processus de production et des cots

des investissements ncessaires. La France est le pays qui se base le plus dans le monde sur le

nuclaire, dans la production de lnergie lectrique lusage domestique (77.1%) (IEA,

2010). A titre de comparaison, le deuxime pays est lUkraine avec 46.7%. Le ptrole est peu

utilis dans la production de lnergie lectrique. Par contre, il est la ressource principale

utilise dans le transport, o il reprsente environ 95% de lnergie absorbe par ce secteur.

Enfin, seulement 19% environ de la production lectrique mondiale provient des nergies

renouvelables, dont 15.9% proviennent de lhydrolectricit. Pour la production de

llectricit lusage domestique la Norvge occupe la premire place, sa production est

base essentiellement sur lnergie hydraulique, au niveau de 98.5% (IEA, 2010).

I.1.3 Energie et environnement

Les chiffres prsents dans la section prcdente montrent une production et une

consommation nergtique base principalement sur des sources dnergie fossile. Lesconsquences environnementales de ces activits sont importantes, cest la raison pour


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laquelle un Groupement Intergouvernemental dEtude du Climat (GIEC) a t cre par

lOrganisation Mtorologique Mondiale et le Programme des Nations Unies pour

lEnvironnement. Les conclusions du GIEC affirment que les effets climatiques constats

depuis une cinquantaine dannes sont bien attribuables aux activits humaines. Lun de ces

effets engendrs par lactivit humaine est, par exemple, lmission des gaz effet de serre,

tel que le dioxyde de carbone. Selon lAgence Internationale de lEnergie (voir la Figure I-3),

la consommation humaine dnergie fossile a rejet 29 381 millions de tonnes de CO2 en

2008 (IEA, 2010). En consquence, le phnomne de laugmentation de la temprature

moyenne des ocans et de latmosphre sest acclr ces dernires dcennies, provoquant

une dcroissance spectaculaire de la surface des glaciers et des banquises. Ces derniers jouent

pourtant un rle trs important dans la rgulation de la temprature de la plante, en renvoyant

une partie du rayonnement du soleil dans l'atmosphre.

Figure I-3 :Rpartition des missions de CO2 par type de ressource nergtique, daprs (IEA,

2010).

En plus, les nombreuses catastrophes cologiques lies lindustrie de lnergie ont

aussi un fort impact sur la temprature moyenne de la terre. A titre dexemple, dans

lindustrie ptrolire, les ctes bretonnes ont t pollues plusieurs reprises. En effet

lAmoco Cadiz et lErika reprsentent des noms tristement clbres pour cette rgion, les

mares noires se sont produites respectivement en mars 1978, et dcembre 1999. Plus

rcemment encore, lexplosion de la plateforme de forage de British Petrolium (BP), en avril

2010, a provoqu la plus grande catastrophe cologique dans lhistoire des Etats-Unis

dAmrique. Les consquences de ce genre daccidents sont toujours dsastreuses pour la


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faune, la flore et les activits humaines, telles que la pche, lostriculture, ou encore le

tourisme, qui se voient payer le prix fort.

Un autre type dnergie dont les accidents potentiels peuvent tre trs nfastes pour

lenvironnement, est lnergie nuclaire. Mme si les accidents lis au nuclaire sont

heureusement moins nombreux que dans lindustrie ptrolire, les consquences sont

gnralement dramatiques. La catastrophe de Tchernobyl en Ukraine (1986) et Fukushima au

Japon (2011) sont de remarquables exemples. Depuis la dernire catastrophe, un vif dbat sur

le nuclaire sest poursuivi entre opposants et favorables, dbat qui existe en effet depuis les

annes 70. A noter que l'Allemagne, qui produit 22% de son lectricit avec le nuclaire, a

dcid de fermer son dernier racteur en 2022.

Il est vrai que le processus de conversion de lnergie nuclaire en nergie lectrique,

ne produit pas de gaz effet de serre. Aussi, dans loptique de la lutte contre le rchauffement

climatique, cette source dnergie reprsente une solution viable et existante pour respecter les

engagements pris par diffrents Etats, dont la France, de rduire leurs missions de CO2.

Cependant, le risque zro nexiste pas. En effet, le scnario catastrophe de Fukushima au

Japon (Mars 2011), fort sisme suivi dun tsunami, vient de rappeler la vulnrabilit des

installations nuclaires dans des conditions extrmes. En plus des problmes de scurit de

fonctionnement des centrales nuclaires, le traitement des dchets radioactifs reprsente une

forte contrainte pour cette industrie. La solution mondialement adopte pour le moment

consiste en lentreposage en surface ou en sous-surface ( quelques dizaines de mtres sous

terre) des dchets. En France, une solution de stockage gologique a t vote par le

parlement rcemment (2006), et elle sera mise en application dans les annes suivantes (2012-

2015).

I.1.4 Energies renouvelables

En plus de limpact environnemental engendr par lutilisation des nergies fossiles, la

dpendance vis--vis de ces nergies a provoqu des tensions conomiques et gopolitiques,

car ces rserves nergtiques sont puisables et ne sont pas quitablement rparties. En plus,

mme si lutilisation des nergies fossiles est rduite dune manire significative en

amliorant son rendement, laugmentation de la population mondiale et la demande en

nergie de plus en plus importante des pays mergeants acclrera la fin des nergies fossiles

disponible et bon march .


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Ainsi, on peut dire que les nergies renouvelables reprsentent la solution viable pour

rpondre la demande nergtique tout en respectant lenvironnement. Par dfinition, une

nergie renouvelable est inpuisable et elle peut prendre plusieurs formes. Les nergies

renouvelables, finalit lectrique, les plus utilises en ce moment sont lhydraulique, le

solaire photovoltaque et lolien. Dans ce qui suit, les nergies hydraulique et photovoltaque

seront dcrites brivement, lnergie olienne tant plus dtaille dans la deuxime partie de

ce chapitre, car elle est au centre de ce prsent travail.

I.1.4.1 Energie hydraulique

L'nergie hydraulique est incontestablement la forme dnergie renouvelable la plus

utilise dans la production de l'lectricit, estime environ 16% de la production mondiale

dlectricit (voir la Figure I-2). Historiquement, la production dlectricit partir de la force

de leau a commenc au milieu du XIXe sicle (Clment, et al., 2002). Certains pays trs

riches en ressources hydrauliques, comme la Norvge, le Brsil et le Venezuela, se basent

essentiellement sur cette ressource pour la production de llectricit lusage rsidentiel. Ces

pays produisent respectivement 98.5%, 79.8% et 72.8% de leur lectricit en utilisant

lhydraulique (IEA, 2010). Les ressources marmotrices, de la houle et celles des courants

marins, prsentent un fort potentiel de production dnergie lectrique. En effet, la Francepossde lune des plus grandes installations marmotrices du monde (La Rance) avec une

puissance de 240 MW et une production annuelle de 0.5 TWh (Geraud, 2002).

Les ressources de la houle sont trs importantes et de nombreux travaux de recherche

dans le monde ont montr la faisabilit de leur utilisation, via de diffrents principes

dexploitation (Clment, et al., 2002). Cependant, les sites exploitables sont peu nombreux et

lacceptabilit des riverains nest pas vidente. Le dveloppement de lnergie lectrique

olienne offshore pourrait tre avantageusement coupl une production par les vagues olon pourrait mettre en commun les coteuses infrastructures de gnie civil (Geraud, 2002).

I.1.4.2 Energie solaire

Le rayonnement solaire peut tre exploit en concentrant les rayons pour chauffer un

liquide, ce que lon appelle couramment lnergie solaire thermique. Le second procd

consiste utiliser des panneaux photovoltaques pour produire de l'lectricit.

Lnergie solaire thermique est industrialise depuis plus de 25 ans, elle estactuellement en phase de croissance acclre aux Etats-Unis, au Japon et en Europe. Des


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projets en cours dtudes existent, tel que le gigantesque projet Desertec , qui consiste

interconnecter plusieurs centrales solaires thermiques et centrales oliennes de lAfrique du

Nord et du Moyen Orient lEurope (Desertec, 2011).

Lnergie photovoltaque est obtenue par la conversion du rayonnement solaire en

nergie lectrique en utilisant les panneaux photovoltaques, composs de cellules

photovoltaques base de silicium. Ces cellules ont la capacit de transformer lnergie

photonique en nergie lectrique. Les panneaux solaires ont lavantage dtre faciles

installer, avec une bonne intgration dans les btiments. Ils apportent une bonne rponse aux

besoins nergtiques limits dans les sites isols et disperss (tlcommunication, balises

maritimes, etc.) (Lopez, 2008). Les principaux inconvnients des panneaux photovoltaques

rsident dans le cot de fabrication, et la pollution induite par la technologie employe la

production de ceux-ci.

En raison des caractristiques lectriques fortement non linaires des cellules et de

leurs associations, le rendement des systmes photovoltaques peut tre augment par des

solutions qui utilisent la technique, dsormais classique et prouve, de recherche du point de

puissance maximale (Maximum Power Point Tracking ou MPPT) (Drug, 2006). Cette

solution est galement et largement employe dans la production dnergie olienne.

I.2 ENERGIE EOLIENNE, oliennes de faible puissance

I.2.1 Historique et dveloppement

Lnergie olienne est lune des plus anciennes nergies utilises par lhomme. Des

vestiges de dispositifs fonctionnant avec le vent remontent 900-500 AJC, trouvs la

frontire perso-afghane (Mons, 2005 ; Twidel & Weir, 2006). Ces dispositifs taient utilisspour pomper leau, mais on na trouv, ce jour, aucune trace de mthodologies utilises pour

lextraction et le transport de leau. En Europe, les moulins vent ont fait leur apparition au

13mesicle. En plus de la fonction du meulage, lnergie olienne tait aussi utilise pour le

pompage de leau, surtout aux Pays-Bas (Kaldellis & Zafirakis, 2011). Aprs plusieurs

perfectionnements aux tats-Unis, au 19me sicle, on pouvait compter environ 6 millions de

petites stations de pompage de leau, fonctionnant lnergie olienne (Mons, 2005). Un des

premiers dispositifs olien pour gnrer de llectricit a t dvelopp au Danemark, en1891. Au mme moment, aux Etats-Unis dAmrique, la machine de Brush, dune puissance


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de 12 kW, remportait un relatif succs, mais, trs vite, elle a t dlaisse cause de sa faible

vitesse de rotation.

De nos jours, la capacit de production de llectricit partir du vent dpasse les 200

GW. Une progression consquente et soutenue a t enregistre depuis 2001 (voir la Figure I-

4). En effet, la capacit de production de l'nergie lectrique partir de l'nergie olienne

apparemment double, tous les trois ans. Ce boom peut sexpliquer par le fait que lnergie

olienne est propre, durable et reprsente une solution alternative aux combustibles fossiles.

En tenant compte de la pollution produite lors de la fabrication des diffrentes

technologies, on saperoit que lnergie olienne est la moins polluante avec seulement 9 g

de CO2 par kWh. Seul le nuclaire est en mesure de rivaliser avec les nergies renouvelables

avec seulement 10 g de CO2 mis par kWh. Cependant, les consquences dun accident

nuclaire peuvent tre dsastreuses (Techrnobyl en 1986 et Fukushima en 2011). En plus, les

dchets radioactifs gnrs sont complexes traiter et ont une trs longue dure de vie.

Le Danemark est lun des pionniers dans le dveloppement de lnergie olienne. En

effet, Pool La Cour mit en place une installation olienne en 1891, voir Figure I-4.C,

entranant une gnratrice courant continu. Le fait remarquable est que Pool La Cour sest

heurt au problme du stockage de lnergie lectrique, ds le dbut. Sa solution consistait

dans la production dhydrogne par l'lectrolyse. Ainsi, lclairage de la ville dAskov a t

assur par ce dispositif entre les annes 1885 et 1902 (Hau, 2006).

A partir du sicle dernier, et jusquau premier choc ptrolier (1973), le cot des

nergies fossiles tait bas et plusieurs dcouvertes de gisements ptroliers avaient rservs un

bel avenir cette industrie. Aussi, il est noter que durant cette poque, le dbat sur limpact

cologique des nergies fossiles navait pas encore vu le jour. Le premier choc ptrolier de

1973 reprsente un tournant dans la stratgie nergtique des pays non producteurs de ptrole.

Afin de remplacer le ptrole devenu trop cher, plusieurs secteurs ont connu un fort essor, tels

que le nuclaire, lhydraulique, lolien et le solaire. Un march du petit olien sest aussidvelopp au Danemark durant les annes 80. En effet, plusieurs agriculteurs se sont quips

avec des petites oliennes, dune puissance de 50 kW pour 15 m de diamtre.


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Figure I-4 :Diffrents oliennes : A- Reconstitution dune olienne perse 900-500 AJC. B- Moulin vent sur la cte mditerranenne. C- Eolienne de Poul La Cour, premire unit de productiondlectricit en 1891. D- Eolienne tripale avec une structure de soutien dune puissance de 200 kW,

Danemark 1960. E- Eolienne bipale 200 kW programme NASA 1980. F- Petite eolienne en site isolau Danemark 1985. Daprs (Kaldellis & Zafirakis, 2011 ; Dodge, 2011 ; Hau, 2006)

I.2.2 Le march de lolien

Lolien a eu une croissance moyenne annuelle de 40% ces cinq dernires annes,

comme il est mis en vidence dans la Figure I-5. Ainsi, entre 2009 et 2010 la capacit de

production sest vue augmente de plus de 40 GW.

(A) (B) (C)

(D) (E) (F)


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Figure I-5 :Evolution de la capacit mondiale de production en nergie olienne daprs (WWEA,2011).

Ce dveloppement s'est surtout exprim en Asie ces dernires annes. En effet, mme

si lEurope elle seule compte encore environ 50% des installations oliennes dans le monde,

on remarque dans la Figure I-6 une augmentation significative du pourcentage des

installations oliennes asiatiques sur le total des installations mondiales entre 2008 et 2010.

Figure I-6: Evolution du pourcentage de la puissance olienne install par continent, daprs

(EurObserv'ER, 2009, 2010 & 2011).

I.2.2.1 Installations oliennes en Europe

LEurope est actuellement le leader mondial dans le domaine de lnergie olienne. En

2010, lEurope comptait 45% des installations mondiales, avec une capacit de production qui

atteint les 85 GW (voir la Figure I-7). Huit groupes industriels europens se retrouvent parmi

les premiers dix constructeurs doliennes au monde (environ 43% de part de march). A titre

dexemple, on peut citer les constructeurs Danois Vestas (38 000 oliennes installes pour


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14% de part de march) et le constructeur allemand Enercon, avec 12 500 oliennes installes

pour 8.5% de part de march en 2008 (energie-renouvelables, 2009).

Figure I-7 :Evolution de la capacit de production en nergie olienne cumule en Europe daprs(EWEA, 2008 ; 2010).

Le march du petit olien est assez rcent compar lindustrie olienne de grande

puissance, dj bien implante. Comme tout nouveau secteur, plusieurs entreprises se sont

cres pour dvelopper, construire et/ou distribuer ces systmes. En effet, on peut compter

une cinquentaine dentreprises. Quelques-unes d'entre elles ont disparus, ou ont chang de

secteur dactivit. A titre dexemple, on peut citer le Danois NordTank, le Neerlandais

Euroturbine ou lEspagnol Navantia-Siemens. Dautres ont t absorbes par de grands

groupes (thewindpower, 2010). Lannexe I liste les constructeurs de petites oliennes, le

tableau a t construit en croisant plusieurs donnes disponibles (smallwindindustry, 2005 ;

thewindpower, 2010 ; allsmallwindturbines, 2011 ; energy.sourceguides, 2011). Le petit

olien urbain, connect au rseau, est une specificit europennne car lEurope dispose dun

rseau lectrique assez dense. Le Royaume-Uni est le leader dans le march europan du petit

olien. En effet, le BWEA (British Wind Energy Association) estime la production par le petit

olien 1,2 GW en 2020 (Zervos & Kjaer, 2009).

I.2.2.2 Le petit olien dans les Etats-Unis dAmrique

Mme si la crise conomique de 2008 a frein le dveloppement du renouvelable

lchelle mondiale, la progression du march du petit olien a connu une progression de 15%

en 2009. Avec 21 000 units vendues en 2009 et une capacit de production de 42 MW (34.4

MW connects au rseau et 7.6 MW non connects au rseau), le march amricain continue reprsenter environ 50% du march mondial.


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Figure I-8 :Evolution du nombre des turbines oliennes par gamme de puissance pour la priode2006-2009 aux USA. Daprs (AWEA, 2010).

La Figure I-8 illustre la progression des ventes des petites oliennes de 2006 2009,

en fonction de la puissance olienne installe (AWEA, 2010). A partir de la Figure I-8, on

peut tirer quelques conclusions sur la tendance de lvolution du march du petit olien aux

Etats Unis. En effet, on y remarque une stagnation du "trs petit" olien (infrieur 1 kW) et

une nette augmentation des ventes des oliennes dont la puissance est comprise entre 1 kW

et 100 kW. Cela sexplique par le fait que la technologie tend devenir un bon march et

donc, accessible aux particuliers. Ces oliennes sont destines tre connecte au rseau,

pour que le surplus de production en nergie lectrique soit vendu aux oprateurs. Cela

reprsente un gain pour le propritaire et aussi une alternative la problmatique du stockage

de lnergie lectrique.

I.2.2.3 Progression de la Chine dans lindustrie olienne

L'industrie olienne chinoise a connu une forte croissance ces dernires annes. En

effet, la capacit olienne totale installe entre 1985 et 2002 ne reprsente que 1,8% de la

capacit totale installe au cours des sept annes coules entre 2003 et 2009 (Qiu & Anadon,

2011). De plus, la Chine est passe du 5mepays en termes de nouvelles installations oliennes

en 2005 la premire place en 2009 (GWEC,2011).


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Figure I-9 :Evolution de la capacit de production en nergie olienne cumule en Chine daprs(Qiu & Anadon, 2011).

A partir de la Figure I-9, on remarque quentre 2005 et 2009, la Chine doublait sa

capacit de production chaque anne. Cette progression sexplique en partie par une politique

soutenue de dveloppement des nergies renouvelables, notamment la loi des nergies

renouvelables approuve en 2005 (NPC, 2005), et les plans de dveloppement des nergies

renouvelables moyen et long terme tablies en 2007 (NDRC, 2007).

Dun point de vue conomique, lnergie olienne nest pas encore comptitive

compare celle issue du charbon. A titre dexemple, le prix du kWh olien varie entre 51 et

61 cents, tandis que celui issu du charbon se situe aux alentours de 35 cents. Cela na pas

empch les autorits chinoises investir massivement dans lnergie olienne (Qiu &

Anadon, 2011). Ces efforts ont t payants car, en 2009, deux groupes chinois entrent dans le

top 10 mondial des constructeurs doliennes. En effet, les deux groupes Sinovel (class 3) et

Goldwin (class 5) se partagent dj 16.6% de parts de march, quand le danois Vestas

occupe la premire place avec 14.5%. Il est noter que le constructeur franais Vergnet

occupe la 10me place avec 0.05% de part de march (Energie-renouvelables, 2009). Avec

cette dynamique, la Chine occuperait la premire place mondiale dans les cinq prochainesannes venir, car le march olien chinois est consquent.

I.2.3 Classement des turbines oliennes

Dans la littrature de spcialit, on trouve diffrents types de classement pour les

turbines oliennes. Classiquement, elles sont classes selon la direction du vent (oliennes

sous le vent, olienne face au vent), ou selon laxe de la turbine (oliennes axe horizontal,

oliennes axe vertical).


19/125

17

(B)(A)

I.2.3.1 Classement suivant la direction du vent

I.2.3.1. A Eolienne face au vent

Ces oliennes sont les plus rpandues, les plus courantes. Leur rotor est orient dans la

direction du vent, afin que le vent an amont ne soit pas perturb par le pylne, comme on le

voit sur la Figure I-10.A. A larrire du pylne, un effet de fortes perturbations du vent est

ressenti, l'coulement de l'air tant ralenti par lobstacle que forme le pylne. Il en est de

mme devant le pylne, mais dans une moindre proportion. Le rotor se trouve une certaine

distance du pylne, mais chaque fois quune des ples passe devant celui-ci, la puissance

instantane de lolienne diminue brivement. Ce phnomne est cependant compens par la

forte inertie de lhlice. Les ples des oliennes face au vent doivent tre rigides pour ne pas

risquer de heurter le pylne par fort vent. Ceci est linconvnient majeur de ce type de

structure. En plus, il est obligatoire de munir lolienne dun mcanisme dorientation, afin

que le rotor soit toujours face au vent. Si elle pivotait librement, elle aurait tendance se

mettre naturellement sous le vent, comme un drapeau. Le rotor face au vent est dans une

position dquilibre instable, contrairement la position du rotor sous le vent.

I.2.3.1. B Eolienne sous le vent

Une olienne sous le vent a une construction plus lgre quun modle face au vent.

Leur rotor se situe derrire le pylne, comme le montre la Figure I-10.B. Ces oliennes sont

plus simples, puisque le positionnement du rotor se fait naturellement, en fonction de la

direction du vent.

Figure I-10 : Type dolienne selon la direction du vent : A- olienne face au vent. B- olienne sous le vent.

Les ples du rotor peuvent tre plus flexibles, ce qui allge leur construction et

diminue ainsi la taille du pylne. Par fort vent, la flexion des ples enlve une partie de

leffort de pousse sur le rotor. Par contre, le pylne (bien quil soit plus petit) fait obstacle au


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18

(A) (B) (C)

vent et lorsque la ple passe dans lombre de celui-ci, elle subit une forte variation deffort de

flexion et de rotation. Ceci augmente le risque de rupture de la ple par fatigue des matriaux

et gnre une production fluctuante dlectricit.

I.2.3.2 Classement suivant laxe de la turbine

I.2.3.2. A Eolienne axe horizontal

Cest la structure la plus rpandue dans les installations oliennes, cause de sa faible

emprise au sol et son efficacit nergtique (voir la Figure I-11). Ces oliennes captent le vent

en hauteur et loin du sol, le vent tant beaucoup moins ralenti ou influenc par le relief. A

dimension de pale identique, on pourra produire plus de puissance par le biais de cette

structure par rapport aux oliennes axe vertical. Lemprise au sol reprsente un autre

avantage par rapport aux oliennes axe vertical. En effet, seule la tour occupe de la place au

sol et elle contient gnralement tous les systmes de raccordement.

Figure I-11 :Eoliennes axes horizontal : A- Tripale Excel (7 m 10 kW). B- Bipale Scirocco (5 m -

6 kW). C- Tripale Hummer (9 m 20 kW), daprs (Multon, et al., 2002 ; Eoltec, 2011 ;Hummer,2011).

La plupart des oliennes modernes vendues sur le march sont de conception tripale.

La slection du nombre de ples dpend du profil du vent, du potentiel olien du site et du

fonctionnement de la machine lectrique. Une olienne deux ples a l'avantage d'conomiser

le cot d'une pale et de son poids quivalent, cependant, la vitesse de rotation ncessaire pour

produire en sortie la mme nergie est plus leve. Ceci est un inconvnient, la fois en ce

qui concerne le rendement, mais aussi pour le bruit et la pollution visuelle.


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19

(A) (B)

(C)

(D)

I.2.3.2.B Eolienne axe vertical

Les oliennes axe vertical fonctionnent sur le mme principe que les roues

hydrauliques, avec une direction du vent perpendiculaire laxe de rotation. La conception

verticale offre lavantage de mettre le multiplicateur et la gnratrice au sol directement, maiscela impose que lolienne fonctionne avec le vent proche de sol, en consquence, moins fort

quen hauteur. Un autre avantage est le fait que le vent peut provenir de toutes les directions,

sans avoir besoin orienter le rotor. Par contre, ce type dolienne ne peut pas dmarrer

automatiquement, il faut la lancer, ds lapparition dun vent suffisamment fort pour

permettre la production. Ses inconvnients, allis la faible efficacit de la conversion

dnergie olienne, ont fortement limits le dveloppement de ces oliennes, laissant place

aux arognrateurs axe horizontal.

Figure I-12 : Illustration doliennes axe vertical : A- olienne type Darrieus. B- olienne typeDarrieus de forme hlicodale UGE-4K. C- olienne type Darrieus de forme H. D- olienne type

Savonius WS-4B, daprs (urbangreenenergy ; allsmallwindturbines ; windside, 2011).

Le premier modle construit de manire industrielle fut lolienne de Darrieus,

(Figure I-12.A), daprs la conception de lingnieur franais Georges Darrieus, qui breveta la

conception en 1931. Elle se caractrise par ses deux ou trois pales en forme de C. De nos

jours, des petites oliennes de type Darrieus sont encore utilises, dites de forme H ou

hlicodale, prsentes dans la Figure I-12.B et Figure I-12.C. On trouve des oliennes axes

verticaux dveloppes pour la production dlectricit dans les zones isoles ou en site urbain.

Ce sont de machines de faible puissance, entre 100 W et 25 kW. Elles sont destines des


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20

utilisations permanentes, par exemple la charge de batteries servant alimenter un chalet en

montagne, ou, comme le montre la Figure I-12.D, des installations sur le toit dun immeuble,

pour alimenter les parties communes (Windside, 2011).

Cependant, les recherches et innovations se poursuivent pour faire revenir les

oliennes axe vertical en pratique.

Avantages des oliennes axe vertical:

La gnratrice, le convertisseur, le multiplicateur, peuvent tre placs sur le sol, ce qui

reprsente une conomie considrable dans les cots dinstallation et dentretien.

Un mcanisme d'orientation n'est plus ncessaire pour faire tourner le rotor contre le vent.

Inconvnients des oliennes axe vertical:

Le rendement global des oliennes axe vertical est infrieur celles dotes d'un axe

horizontal, car la vitesse du vent est plus faible au niveau du sol.

Des haubans sont parfois ncessaires pour la tenir debout, et les haubans ne sont pas

pratiques dans les zones agricoles exploites intensivement.

I.2.3.2.C Eolienne ples non conventionnelles

Les oliennes bases sur l'effet Magnus, utilisent des cylindres tournant sur eux-

mmes. Ces cylindres tournent autour de leur axe de rvolution et subissent le courant dair

(le vent). Il sen produit alors une force transversale la direction du vent, cest leffet

Magnus, qui fait tourner l'arbre olien. Sur certains prototypes, les cylindres sont entrans par

des petits moteurs courant continu, aliments par des batteries. L'introduction de nouvelles

machines dans la chane de conversion, constitue un dsavantage en terme de rendement du

systme global.

Lolienne prsente dans la Figure I-13.A produit 0.5 kW, mais utilise deux moteurs

courant continu de 12 V chaqun (ARDESHE, 2006). La Figure I-13.B prsente un prototype

dvelopp aux Etats-Unis dAmrique, ce dernier produit 150 kW, mais 10% de la puissance

produite sert entraner les cylindres (Schefter, 1983). Les cylindres surface lisse requirent

une grande vitesse d'entranement (40 60 tr/min), ce qui conduit une plus grande

consommation lectrique, do une plus grande perte par rapport lnergie produite. Pour

pallier ce problme, des ailettes en spirales ont t rajoutes aux cylindres (Figure I-13.C),

ce qui permet de capter le vent et de lutiliser en mme temps pour faire tourner les cylindres,

et de rduire ainsi lentranement lectrique de ces derniers (Mecaro, 2007). Dune manire


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21

(A) (B) (C)

(A) (B)

gnrale, les oliennes effet Magnus prsentent lavantage du contrle de la vitesse de

rotation des ples. En effet, en cas de vent violent, ce type d'olienne n'a pas besoin des freins

ou d'autres systmes mcaniques quivalents, car il suffit d'arrter la rotation des cylindres.

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Les modles industriels perchs 330 mtres de hauteur sont capables de dbiter

2 kW. Ces modles comportent deux arognrateurs, un de chaque ct du ballon (Radisch,

2008). Lavantage de recourir un ballon gonfl lhlium (Figure I-14.A) est que, non

seulement lolienne se dbarrasse de son mt, mais en plus elle capte en permanence les

mouvements de lair qui sont toujours prsents en altitude, et dispose d'un coulement stable.


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22

Lentre de gamme pour les particuliers commence 2 kW, ce qui convient parfaitement

des applications en site isol, par exemple le pompage (voir la Figure I-14.B).

I.2.4 Critres de choix des oliennes

I.2.4.1 Considrations sur la taille et sur la puissance des turbines oliennes

Les grandes machines sont habituellement en mesure de livrer de l'lectricit un cot

infrieur celui des machines plus petites. La raison en est que le cot des fondations, de la

construction de routes, du raccordement au rseau lectrique, plus un certain nombre des

composants de l'olienne (le systme de contrle lectronique, etc.) sont quelque peu

indpendants de la taille de la machine.

Les plus grandes installations sont particulirement bien adaptes pour l'nergie

olienne offshore. En effet, le cot des fondations n'augmente pas proportionnellement la

taille de la machine. Le rseau lectrique local nest pas adapt, en gnral, pour supporter la

production lectrique d'une grande machine. Cela peut tre le cas dans les rgions isoles ou

loignes par rapport au rseau lectrique de distribution, avec une faible densit de

population et, en consquence, une faible consommation d'lectricit.

Figure I-15 :Illustration de la taille des oliennes en fonction leur puissance produite.

La Figure I-15 prsente une illustration de la taille des oliennes en fonction de la puissance

produite par celles-ci. Les considrations esthtiques du paysage dpendent de la perception

des populations locales. Certaines personnes aiment voir des machines de taille imposante et

les attachent leur propre identit. Dautres ne veulent pas voir des structures extraordinaires

et imposantes, dans leur paysage naturel. La vitesse de rotation joue galement un rle trs


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important dans la perception des oliennes dans le paysage. En effet, une faible vitesse de

rotation attire moins lattention qu'une plus grande. Dans des pays o la disponibilit d'un

rseau puissant pour absorber lnergie olienne, sans perte de stabilit, n'est pas un problme,

la question d'une zone des petits ou des grands rotors devient insignifiante. Il y a une tendance

claire prfrer les grandes machines en raison de l'avantage conomique que prsente un

rotor avec un grand diamtre. Cependant, le choix entre des machines de grandes puissances

et celles de faible puissance devient un critre important dans les pays en dveloppement,

comme l'Inde, o la slection des grosses machines peut devenir inapproprie en l'absence de

la disponibilit d'un rseau lectrique solide face aux perturbations engendres par les

installations oliennes.

I.2.4.2 Considrations sur la structure dun systme olien

Les oliennes sont soumises des vents variables, et donc des forces fluctuantes.

Ceci est particulirement le cas si elles sont situes dans un climat de vent trs turbulent. Les

composants du systme qui sont soumises des flexions rptes, comme les ples, peuvent

ventuellement dvelopper des fissures. La fatigue du mtal est un problme bien connu dans

des nombreux produits techniques. Lors de la conception d'une olienne, il est extrmement

important de calculer l'avance comment les diffrentes composantes vont se mettre vibrer,

individuellement et/ou conjointement. Il est galement important le calcul des forces

impliques dans chaque flexion ou tirement d'un seul composant du systme olien.

titre d'exemple, une olienne a tendance se balancer, disons, toutes les trois

secondes. La frquence laquelle la tour oscille en avant et en arrire est galement connue

comme la frquence propre du mt. La frquence propre dpend de la hauteur de ce dernier,

l'paisseur de ses murs, le type d'acier utilis sa fabrication, le poids de la nacelle et du rotor.

Ainsi, chaque fois qu'une ple du rotor passe devant le mt, le rotor va pousser un peu moins

contre le mt. Par consquent, il est trs important de connatre les frquences propres de

chaque composant, afin de concevoir ou dimensionner une olienne sre, avec une matrise

parfaite de son fonctionnement.


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24

I.2.5 Champs dapplication des petites oliennes

Les diffrents champs d'application des petites oliennes sont rsums dans le Tableau

2. Il existe deux grands marchs pour les oliennes de petite puissance, savoir, connectes etnon connectes au rseau. A partir du Tableau 2, on remarque que les oliennes en site isol

peuvent avoir plusieurs champs dapplication dans diffrents domaines.

En fonction de la taille de l'olienne et de la demande en nergie lectrique, on peut

identifier trois systmes, savoir :

- systme olien autonome,

- systme olien hybride, coupl d'autres sources d'nergie renouvelable

(olien-photovoltaque, pile combustible, etc.),

- systme olien hybride avec un gnrateur disel (olien-disel).

Les oliennes de trs petite puissance (puissance infrieure 1 kW) sont trs utilises

dans les sites isols. Associes des batteries de stockage, ces oliennes fournissent une

tension quasi-continue. Les constructeurs spcialiss dans ce type doliennes sont Marlec,

Amper et Southwest.

Les systmes hybrides mentionns dans ce tableau rfrent des systmes oliens

combins avec le photovoltaque par exemple. La puissance gnre par ce type dinstallation

est gnralement infrieure 50 kW. Les principaux constructeurs dans la fabrication de ce

type dolienne sont Proven, Bornay, Windeco. Les configurations hybrides (olien-disel)

rfrent des systmes dont la puissance est gnralement, suprieure 50 kW. En effet, la

combinaison de lolien avec le diesel est trs rpandue dans les sites isols o la demande en

nergie est assez importante.

Trois types de systmes olien-diesel peuvent tre identifis, en fonction de leur

pntration, savoir: systme olien-diesel faible pntration, moyenne pntration,

respectivement, systme olien-diesel forte pntration. La diffrence entre ces trois modes

rside dans les degrs de libert de la commande du systme multi-source.

Les systmes oliens connects au rseau peuvent eux aussi rpondre plusieurs types

dapplications. Par exemple, ils sintgrent parfaitement aux applications en milieu urbain.

Cependant, des contraintes conomiques lgales et lies lespace disponible, peuvent se

poser avec ce type dapplication.


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CHAPITRE I __Etat de l'art sur la chane de conversion lectromcanique des oliennes de petite puissance.

25

Applications

Puissance

Systme olien-diesel Parc olien

Systme hybride Eolienne seule

Systme olien Eolien urbain

P < 1 kW X X X X X X X X X X X

P > 1 kWP < 7 kW

X X X X X X X X X X X X X X X

P > 7 kWP < 50 kW

X X X X X X X X X

P > 50 kWP < 100 kW

X X X X X

Applicatio

ns

Signalisation

Eclairagepublic

Habitationsisoles

Fermes

Pompage

Dessalementdel'eau

demer

Villageisol

Microrseau,rseauisol

Eclairagepublic

Eoliennesurletoit

Domestique

Centrespublics

Parkings

Zonesindustrielles

Grandeszonesindustrielles

Fermesagricoles

Isole Connecte au rseau

Tableau I-2 :Champs dapplications des petites oliennes, daprs (EWEA 2010).


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CHAPITRE I __Etat de l'art sur la chane de conversion lectromcanique des oliennes de petite puissance.

26

I.3 GENERATRICE ELECTRIQUE pour arognrateurs et son lectronique

Diffrents types de gnratrices lectriques peuvent tre utiliss pour convertir

lnergie mcanique produite par le mouvement de larbre olien en nergie lectrique, en

d'autres mots, pour la gnration de l'nergie olienne. Des facteurs techniques et

conomiques dterminent le type de la machine employe pour chaque application. Quatre

grandes familles se dmarquent, savoir :

- les machines asynchrones rotor bobin ou rotor de type cage dcureuil,

- les machines synchrones excitation spare ou aimants permanents,

- les machines reluctance variable,

- les machines courant continu excitation spare ou aimants permanents.

Les machines synchrones et asynchrones sont les deux types des machines lectriques les

plus utiliss dans lindustrie olienne.

I.3.1 Arognrateurs asynchrones

Lutilisation des machines lectriques asynchrones est avantageuse, car elles sont

relativement peu coteuses, robustes et elles ncessitent peu d'entretien. Leur inconvnient

majeur est la consommation dun courant ractif de magntisation au stator (Lopez, 2008).

Elles sont bien adaptes des vitesses de rotation importantes, mais elles prsentent le dfaut

dimposer la prsence dune bote de vitesse, c'est dire d'un multiplicateur de vitesse. Les

Figures I-16.A.B.C et D montrent les topologies les plus courantes rencontres dans les

applications utilisant des arognrateurs machines asynchrones (Hansen, et al., 2001 ;

Multon, et al., 2004)

(B)

RseauMultiplica-

teur

GAS

Convertisseur

(A)

Condensateurs

RseauMultiplica-

teur

GAS

Convertisseur


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27

Figure I-16 :Illustration des diffrentes configurations utilisant la gnratrice asynchrone.

Dans le domaine de la gnration dnergie olienne couple au rseau, les machines

asynchrones cage dominent encore, car elles offrent des performances attractives en termes

de cot dinvestissement, tout particulirement dans les systmes vitesse fixe, o elles sont

directement connectes au rseau. Mais lorsquil sagit de raliser un entranement vitesse

variable, on leur prfre plutt les machines rotor bobin doublement alimentes, qui offrent

dexcellents compromis performances/cot.

I.3.1.1 Gnratrice asynchrone cage dcureuil

Les machines asynchrones cage ne ncessitent quune installation assez sommaire.

Elles peuvent tre utilises dans les systmes oliens qui fonctionnent vitesse fixe de

rotation. Par ailleurs, elles sont les plus simples fabriquer et les moins coteuses, car elles

ont t fabriques en grande quantit et sur une trs grande chelle de puissance. La demande

en puissance ractive est compense par la connexion dun groupe de condensateurs en

parallle avec le gnrateur. Dans la plupart des cas, un convertisseur statique de puissance

est utilis pour un dmarrage plus doux (voir la Figure I-16.A). Une solution couramment

employe consiste utiliser des machines asynchrones cage deux configurations polaires

du bobinage statorique, qui procurent ainsi deux vitesses de synchronisme.

I.3.1.2 Gnratrice asynchrone rotor bobin

Les machines asynchrones rotor bobin offrent un potentiel conomique attractif

pour la variation de vitesse. Malgr un surcot (machines non standard et construction plus

complexe) par rapport une machine cage et la prsence dun systme de bagues et balais

(C)

G

AS

Multiplica-teur

Convertisseur

Rseau

(D)

G

AS

Multiplica-teur Rseau

Convertisseur


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28

triphas, elles permettent dexploiter des variateurs lectroniques de puissance rduite

(Multon, et al., 2002).

Une des configurations la plus utilise dans le march des turbines oliennes et pour

des applications vitesse variable en pleine croissance, est la gnratrice asynchrone

doublement alimente (GADA). Son stator est directement reli au rseau de puissance et le

rotor est connect un convertisseur de type source de tension, qui fait office de variateur de

frquence. Ce systme permet un fonctionnement vitesse variable sur une plage spcifique

de fonctionnement. Si la variation de vitesse reste rduite autour de la vitesse de

synchronisme, le dimensionnement du convertisseur de frquence (implicitement le cot de

l'lectronique de puissance) peut tre rduit. Ces machines ncessitent toujours un

multiplicateur de vitesse. Cependant le rapport du multiplicateur de vitesse est moins

important car les vitesses de rotation nominales sont dhabitude moins leves que celles des

machines asynchrones cage.

Les avantages et inconvnients de la GADA sont brivement exposs ci-dessous

(Lopez, 2008) :

- une capacit de contrler la puissance ractive et, de cette faon, de dcoupler la

commande des puissances active et ractive,

- la magntisation peut se faire partir du rotor sans prlever au rseau la puissance

ractive ncessaire,

- la possibilit dchanger de la puissance ractive avec le rseau pour raliser la

rgulation de la tension,

- la taille du convertisseur nest pas calcule seulement en fonction de la puissance

totale du gnrateur, mais aussi en fonction de la puissance de glissement et de la

gamme de vitesse choisie. Le cot du convertisseur augmente avec la gamme de

vitesse autour de la vitesse de synchronisme.

- son inconvnient rside dans la prsence obligatoire de bagues et balais.

I.3.2. Arognrateurs synchrones

Les machines synchrones sont gnralement utilises dans les cas des entranements

directs (sans multiplicateur de vitesse), mais aussi associes des multiplicateurs de vitesse.

Elles offrent des couples leves dimensions gomtriques convenables. Globalement, le

cot des machines synchrones est plus lev que celui des machines asynchrones avec


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multiplicateur, mais couple et masse gaux, elles possdent un meilleur rendement, ce qui

devrait permettre terme un amortissement du surinvestissement.

Les machines synchrones peuvent tre rotor bobin ou aimants permanents. Les

machines rotor bobin exigent un entretien rgulier du systme bagues/balais, lments

responsables dune dfaillance prmature dont la frquence atteint 25% des gnratrices

tombes en panne. La Figure I-17 montre les topologies les plus courantes rencontres dans

les arognrateurs utilisant des machines synchrones (Hansen, et al., 2001).

Figure I-17 :Illustration des diffrentes configurations utilisant une machine synchrone.

La Figure I-17.A prsente un dispositif utilisant une machine synchrone aimants

permanents, cette configuration associe un dispositif de stockage est souvent utilise dans

le petit olien rsidentiel ou exploite sur des bateaux voile; la puissance produite par ce

genre de dispositif varie entre 1 kW et 20 kW. Les Figures I-17.A et B illustrent deux

configurations ncessitant une excitation externe par le biais dun redresseur, linconvnientmajeur de ce type de configuration rside dans le recours un circuit d'excitation, de bagues

et dune stratgie de commande plus complexe. La stratgie utilise dans Figure I-17.C

permet un fonctionnement vitesse variable, en rajoutant un convertisseur li au rseau et un

convertisseur de frquence quatre quadrants. La Figure I-17.D montre un dispositif sans

multiplicateur, la machine synchrone utilise est grand nombre de paires de ples

(Camblong, 2003).

(D)

GS Convertisseur

Rseau

Convertisseur

(C)

Multiplica-teur

GS

Convertisseur

Rseau

(A)

Convertisseur Rseau

(B)

Multiplica-teur

GS

Convertisseur

Convertisseur Rseau


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30

I.3.2.1 Gnratrice synchrone rotor bobin

La connexion directe au rseau de puissance implique que la GS tourne vitesse

constante, cette dernire tant fixe par la frquence du rseau et par le nombre de paires de

ples de la machine. Lexcitation est fournie par un systme de bagues et balais. La mise en

uvre dun convertisseur dans un systme multipolaire sans engrenages, permet un

entranement direct vitesse variable. Toutefois, cette solution implique lutilisation dun

gnrateur surdimensionn et dun convertisseur de puissance dimensionn pour la puissance

totale du systme (Abdelli, 2007 ; Lopez, 2008).

I.3.2.2 Gnratrice synchrone aimants permanents (GSAP)

Depuis le 20me sicle, les aimants permanents ont commenc tre utiliss dune

manire industrielle. Les machines tournantes ont aussi bnfici de ce nouvel apport

technologique, surtout avec le dveloppement des aimants AlNiCo dans les annes 1950.

Depuis, les machines synchrones aimants permanents, avec diffrentes structures et sous

diffrentes configurations, ont pris de plus en plus la prdominance sur les autres machines

lectriques, dans certains domaines dapplications. Ce dveloppement sexplique par la

rduction des cots de llectronique de puissance associe et par lamlioration des

caractristiques des matriaux utilises. Il sajoute cela une augmentation rcente du prix du

cuivre, ce qui pnalise les machines stator et rotor bobin.

Dun point de vue fonctionnel, la caractristique dauto-excitation des machines

synchrones aimants permanents leur permet de fonctionner avec un facteur de puissance

lev et un bon rendement, ce qui les rend intressantes dans les applications du type des

systmes de conversion d'nergie olienne. Plusieurs travaux ont montr lavantage de la

GSAP sur la machine asynchrone pour certains niveaux de puissances et applications (Hadji-

Minaglou & Henneberger 1999 ; Lange, et al. 2000 ; Abdelkarim, 2008).

En effet, les machines asynchrones ncessitent une puissance ractive pour lexcitation

du rotor, ce qui induit des pertes statoriques. Un avantage important des rotors aimants

permanents est leur grande flexibilit dusinage. En effet, ils peuvent avoir diffrentes formes,

positions, tailles et orientations, donnant ainsi une grande varit dans les topologies possibles

des GSAP. Suivant leur topologies, les GSAP peuvent gnralement tre classes en quatre

catgories selon :

- lorientation de lentrefer par rapport laxe de rotation : radial (R) ou axial(A);


33/125

31

- lorientation du noyau statorique par rapport la direction de rotation du rotor:

longitudinal (L) ou transversal (T);

- lorientation des aimants permanents par rapport lentrefer: monte en surface

(MS) ou avec concentration de flux (CF);

- la topologie des encoches: encoch (E) ou sans encoches (SE).

Dans la partie suivante du prsent chapitre, les GSAP flux radial, axial et transversal

seront prsentes dans lordre chronologique de leur utilisation et dveloppement. Laccent a

t mis sur les GSAP flux axial, utilises dans beaucoup dapplications oliennes de faible

puissance (Chalmers, Wu & Spooner 1999; Abdelkarim, 2008).

I.3.2.2.A GSAP flux radial

La GSAP flux radial est une machine dont les aimants permanents sont orients

radialement par rapport larbre de rotation de la machine, et o le flux dvelopp prend la

direction radiale (Figure I-18.A.B). Cette machine est rpandue dans lindustrie, elle permet

de dvelopper un meilleur couple sur une large plage de vitesse. De plus, grce sa topologie,

elle utilise moins de matriel magntique, ce qui, en consquence, rduit son cot (Aydin &

Lipo 2004). Cependant, avec la baisse relative des prix des terres rares, lavantage des GSAP

flux radial devient de moins en moins significatif par rapport aux autres machines aimants

permanents.

Figure I-18 :Illustrations dune GSAP flux radial, daprs (Kobayash, et al., 2009 ; Azzouzi 2007).

La GSAP flux radial a t largement tudie. Ainsi, on trouve dans la littrature des

travaux montrant lavantage de lutilisation des GSAP flux radial pour des applications

(A) (B)


34/125

32

oliennes de moyenne puissance (500 kW) (Lampola, 2000). Aussi, des comparaisons, par

simulation, entre diffrentes configurations de construction de machines flux radial, ont t

dveloppes. En effet, cinq diffrentes configurations sont gnralement tudies : aimants

permanents monts en surface, aimants permanents insrs, avec rotor extrieur, avec

aimants permanents en forme de V enterrs et aimants permanents magntiss

tangentiellement (Libert & Soulard, 2004 ; Azzouzi, 2007 ; Abdelkarim, 2008).

Les auteurs concluent que, si lon veut minimiser la masse des parties actives, les

machines aimants permanents enterrs et celle avec aimants en forme de V sont

inappropries pour l'utilisation d'un nombre de ples lev. Dans ce cas-l, la machine la plus

lgre est la machine aimants permanents magntiss tangentiellement. Dautres tudes ont

abord la problmatique du contrle du fonctionnement de cette machine en configuration

d'attaque directe, la machine tudie ayant une puissance de 20 kW, et tournant avec une

vitesse nominale de 110 tours/min (Wang, Bai, et al., 2005 ; Wang, Hou, et al. 2005).

I.3.2.2.B GSAP flux axial

Les GSAP flux axial, appeles aussi discodes, sont utilises pour rpondre un

cahier de charges dont lencombrement axial est fortement contraint. Elles sintgrent

parfaitement pour les applications oliennes. Ces machines permettent l'optimisation de

l'encombrement et de la masse, et permettent l'accroissement du couple, en disposant de

plusieurs tages sur le mme arbre (Azzouzi 2007). Il existe plusieurs configurations des

GSAP flux axial, suivant le nombre des rotors et des stators, et de leurs dispositions, leur

bobinage et la disposition des aimants permanents sur leurs rotors respectifs.

(A) (B) (C)


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33

Figure I-19 : Illustrations dune GSAP flux axial. Daprs (Aydin & Lipo, 2004 ;Azzouzi, 2007 ;Kobayash, et al., 2009).

La Figure I-19.B montre une GSAP flux axial possdant un stator et un rotor, cettemachine est aussi appele GSAP flux axial et entrefer simple. Elle est constitue de deux

parties adjacentes, ce qui simplifie son montage. Cette configuration de machine possde une

inertie rotorique peu leve, ce qui convient des applications de robotique. Linconvnient

de cette structure rside dans les forces dattraction et de rpulsion entre le stator et le rotor

(Azzouzi 2007). Pour rduire ces dsquilibres, des disques supplmentaires peuvent tre

rajouts (voir Figure I-19.C). En effet, la structure dite double entrefer, permet de rduire et

de stabiliser les forces dattraction dcrites prcdemment. Toutefois, il existe deuxconfigurations possibles, savoir: un disque statorique supportant les bobines, insr entre

deux disques rotoriques portant les aimants permanents, et un disque rotorique insr entre

deux disques statoriques (voir la Figure I-19.C). Ces deux configurations sont appeles,

respectivement, stator interne et externe. Pour des applications de grande puissance et de

stricte limitation des diamtres extrieurs des disques, lutilisation de la GSAP flux axial est

possible en juxtaposant plusieurs configurations double entrefer (la Figure I-19.D). Le seul

inconvnient que possde cette configuration est la complication de lassemblage. En effet,

cause de limbrication des anneaux statoriques et des disques rotoriques, le rotor ne peut pas

tre mont comme dans une machine cylindrique traditionnelle (Azzouzi 2007).

Les GSAP flux axial et radial sont de plus en plus utilises dans lindustrie, et elles

ont fait lobjet de plusieurs tudes comparatives. Le tableau suivant, extrait de (Azzouzi

2007), rsume les diffrents points de comparaison et les conclusions auxquelles ces travaux

ont abouti.

(D)


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34

Source Performances

compares

Contraintes de

comparaison

Conclusions

(Zhang, et al., 1996) Couple volumique enfonction du nombre de

paires de ples

Densits liniques ducourant

et les inductions danslentrefer sont identiques.

Le couple volumique desMSAFPAs est toujourssuprieur celui desMSAPFRs.

(Brown et al., 2002) Volume des partiesactivesMasses identiques des

aimants.Les MSAPFAs

deviennentplus performantes

partir de2p=12 et (0.6D0.7).

(Brown et al., 2002)Volume des parties

activesDiamtres externes fixes.

Les MSAPFAsdeviennent

plus performantes quand2p=2 ou 2p14.

(Sitapati & Krishnan2001)

Puissance volumique etRapport des volumes

VAF/VRF

0.25 kW 10 kW,1000 tr/mn.

La puissance volumiquedes

MSAPFAs estsuprieure, etVAF/VRF=0.2.

(Huang, et al., 2002) Couple volumique etRendement 150 kW / 1200 tr/mn.

Les MSAPFAs offrentun couple volumique et

un rendement plusintressant.

(Qu, et al., 2003) Couple massique etRendement

2.25 kW 37 kW1800 tr/mn.

Les deux structuresprsentent les mmescouples massiques et

rendements, MASPFAncessite plus dAPs

(Akatsu & Wakui

2004)

Volume des parties utilesBobinage concentr,

50 kW et 10 000 tr/mn

Le volume de laMSAPFR est 80% plus

grand que celui de laMSAPFA

(Cavagnino, et al.2002)

Couple lectromagntiqueet

Couple massique enfonction

du coefficient de forme

Volume fixe 0.01 m3,1000

tr/mn, mme inductiondans le fer, induction

danslentrefer, pertes/surfacedchange: 2500 W/m2

MSAPFR intressantesquand >1 et np faible,

MSAPFA plusperformante quand


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Figure I-20 :Principe de fonctionnement dune GSAP flux transversal, daprs (Dubois 2004).

Il existe une littrature relativement riche sur les machines flux transversal. En effet,

plusieurs topologies sont tudies, notamment la configuration aimants monts en surface et

la machine concentration de flux avec un entrefer radial (Dubois, et al., 2002 ; Dubois,

2004). Mujaldi propose une topologie base sur une machine flux transversal avec un

entrefer axial et un bobinage statorique torodal, le prototype ralis pourrai tre utilis pour

une olienne de faible puissance (Muljadi, et al., 1999). Plus rcemment, Bang (Bang, et al.,

2008) effectue un passage en revue des diffrentes topologies des machines flux transversald'o il extrait plusieurs avantages de ces machines, parmi lesquels :

- un grand couple massique ;

- de faibles pertes dans le cuivre ;

- un bobinage simple.

Ces avantages sont contrebalancs par une complexit de fabrication, ce qui rend cette

machine moins attractive pour les industriels. Concernant les machines aimants permanents,

globalement, les industriels se basent sur des machines flux radial pour les installations

oliennes de grande puissance, et sur des machines flux axial pour les installations oliennes

de petites et moyennes puissances. Les machines flux transversal restent encore ltude

(Bang, et al., 2008).

I.3.3 Chanes de conversion d'nergie olienne avec GSAP

Ltude bibliographique prsente dans la section prcdente, nous permet de conclure

que lutilisation des machines synchrones aimants permanents est intressante pour lesapplications oliennes. Ces gnratrices fonctionnent vitesse variable, gnralement


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proportionnelle la vitesse du vent. Cependant, le courant lectrique dlivr par la machine,

proportionnel la vitesse de rotation et implicitement celle du vent, peut diffrer des

contraintes imposes par le rseau local, telles que : nature du courant (continu ou alternatif),

valeur de la frquence, limitation du courant, limitations du taux de distorsion harmoniques

(ThD). En consquence, lutilisation des convertisseurs statiques dans la chane de conversion

dnergie simpose.

Les convertisseurs statiques ont le rle de conditionner le flux dnergie vers le rseau

local et du/vers le systme de stockage, si besoin. En mme temps, ils augmentent la gamme

de vitesse pour laquelle une conversion optimale de l'nergie olienne en nergie lectrique

est possible. Lintroduction de ces lments augmente la pollution harmonique du rseau

local, qui peut tre diminue par lutilisation de dispositifs de filtrage.

Dans (Baroudi, et al., 2007), il est prsent un rsum concernant les diffrentes

topologies de convertisseurs statiques associs aux arognrateurs bass sur les gnratrices

synchrones aimants permanents.

Figure I-21 : Chane de conversion olienne avec redresseur diodes et onduleur daprs (Baroudi,

et al., 2007).

La Figure I-21 montre une chane de conversion lectromcanique de lnergie

olienne, en utilisant un redresseur diodes et un onduleur. Linconvnient majeur de cette

configuration rside dans le besoin dune compensation active pour rpondre la demande de

la puissance ractive du rseau et pour pallier aux distorsions harmoniques cres (Chen &

Spooner, 2003).

GSAP

Commande

Rseau


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Dans le cas o le rseau est un bus continu, londuleur peut tre remplac par un

hacheur, lavantage principal tant le cot de cette chane de conversion (Figure I-22). En

effet, le cot dun dispositif lectronique augmente avec la complexit de ce dernier.

Figure I-22 : Chane de conversion olienne avec redresseur diodes et hacheur daprs (Baroudi, etal., 2007).

Plusieurs stratgies de commande tudies dans la littrature, peuvent tre utilises

avec la configuration prsente dans la Figure I-22. Celle qui est dcrite dans (Tan & Islam,

2004), utilise la dtermination de la tension du bus continu en fonction de la puissance

maximale produite par la machine, obtenue par l'extrapolation de donnes pr-enregistres.

Cette technique de contrle utilise une mthode de poursuite du point de puissance maximum

(PPPM ou MPPT en anglais), avec un anmomtre donnant la vitesse du vent de rfrence

(Tan & Islam 2004). Des modles statistiques autorgressifs sont utiliss pour estimer la

vitesse du vent. Le systme de contrle enregistre la vitesse du vent dans une fentre

temporelle et lutilise pour prdire le comportement du vent dans la prochaine fentre

temporelle, fournissant ainsi la puissance optimale ou de rfrence dlivre par

l'arognrateur. Ces mthodes arrivent exploiter entre 55% et 61% de lnergie olienne

disponible (Baroudi, et al., 2007).

Figure I-23 : Chane de conversion olienne avec redresseur diodes et hacheur et onduleur daprs(Baroudi, et al., 2007).

GSAP

Commande

Rseau

Rseau

Commande

GSAP

Commande


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38

La Figure I-23 montre une variante de la configuration prsente dans la Figure I-22.

En effet, ici un convertisseur DC/DC (hacheur) en amont de londuleur, est ajout au

dispositif et offrant les avantages suivants :

- la commande de la tension continue, ct gnrateur, est faite en adaptant le

rapport cyclique du hacheur,

- la possibilit de stabiliser la tension continue du ct onduleur,

- elle fait effet de filtre pour certains harmoniques en augmentant ainsi la qualit

du signal,

- londuleur contrle seulement la tension du ct alternatif, ce qui simplifie sa

commande.

La commande de la puissance au niveau de londuleur se fait par le contrle de

l'amplitude de la frquence fondamentale du courant et du dphasage entre le courant et la

tension (Chen & Spooner 2001).

Pour chaque vitesse de rotation, des valeurs optimales de tension du bus continu peuvent tre

identifies, correspondant la puissance maximale produite par lolienne (Chen & Spooner,

1998, 2001).

Il est noter que les deux configurations cites prcdemment peuvent tre utilises

pour des applications en sites isols ou connectes au rseau. Le rapport cyclique du hacheur

peut tre dtermin pour chaque point de fonctionnement optimal, en utilisant une loi de

commande de la tension et un rgulateur. La tension continue ct onduleur est maintenue

constante, car elle est suppose impose par le rseau. Cela donne une flexibilit au niveau du

transfert de la puissance active et ractive vers le rseau (Ning & Hui, 2006). Cependant, cela

reprsente un dsavantage dans le cas o le rseau local n'est pas connect au rseau de

distribution gnral.

Une batterie peut tre rajoute la configuration prsente dans la Figure I-23. En plus

du rle de stockage de lnergie quand la demande du rseau local diminue, la batterie permetgalement de fixer le niveau de la tension du bus continu (Higuchi, et al., 2000 ; Drug, et al.,

2011).

De ce fait, la commande du hacheur pour obtenir le maximum de puissance est simplifie. La

commande se fait en exploitant une relation entre la puissance produite et le rapport cyclique

du hacheur. A partir dune valeur initiale choisie, le rapport cyclique est adapt

continuellement, et avec de petites variations, dans une plage spcifique de fonctionnement de

l'arognrateur, et dans le but dextraire le maximum de puissance. On observe que lesystme perd de son efficacit pour des grandes vitesses du vent, quand les variations des


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points de fonctionnement du systme physique (larognrateur) deviennent trop rapides

pour que le systme reste command (Higuchi, et al., 2000). Une frquence dchantillonnage

plus grande du hacheur pourrait rsoudre ce problme.

Figure I-24 : Chane de conversion olienne avec deux convertisseurs de puissance 6 thyristorsdaprs (Baroudi, et al., 2007).

La Figure I-24 prsente une configuration qui utilise deux convertisseurs de puissance

six interrupteurs chacun, un redresseur command et un onduleur. La commande du

redresseur est assure par un rgulateur PI en appliquant un contrle vectoriel de la machine.

Une mthode MPPT est utilise pour dterminer la vitesse de rotation optimale, correspondant

chaque vitesse de vent. La tension du bus continu est aussi rgule par un contrleur PI via

londuleur (Schiemenz & Stiebler 2001).

Figure I-25 : Chane de conversion olienne avec deux convertisseurs de puissance 4 thyristorsdaprs (Baroudi, et al., 2007).

Dans la Figure I-25, on peut observer une configuration alternative celles prsentes

prcdemment (Figures I-23 et I-24). Elle est compose de deux convertisseurs quatre

interrupteurs chacun et deux condensateurs de ligne. Encore une fois, une mthode MPPT est

employe, elle calcule la puissance produite en mesurant le courant et la tension de ligne, et

Rseau

Commande

GSAP

Commande

GSAPRseau

commande commande


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agit sur lamplitude du courant pour obtenir le fonctionnement optimal (Raju, et al., 2003).

Bien quelle rduise le nombre des interrupteurs par rapport la dernire configuration, cette

configuration ncessite cependant deux mesures pour appliquer la mthode de commande, ce

qui augmente la complexit de la commande et, implicitement, le cot du systme.


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