randriamalazaArsene PH M2 08

UNIVERSITÉ D’ANTANANARIVO

FACULTÉ DES SCIENCES FORMATION DOCTORALE EN PHYSIQUE

DÉPARTEMENT DE PHYSIQUE

Laboratoire de Thermodynamique, Thermique et Combustion

MÉMOIRE

pour l’obtention du

DIPLÔME D’ÉTUDES APPROFONDIES EN PHYSIQUE

option : ENERGETIQUE

sur :

ETUDE D’UN REGULATEUR DE TENSION D’UN AEROGENERATEUR

CLASSIQUE 500W A ALTERNATEUR DISCOIDE

présenté par

RANDRIAMALAZA Arsène

Devant la commission d’examen composée de :

Président : Madame RANDRIAMANANTANY Zely Arivelo Professeur titulaire

Examinateurs : Madame RAHELIARILALAO Bienvenue Professeur titulaire

Monsieur RASAMIMANANA François de Salle Maître de conférences

15 Novembre 2008

UNIVERSITÉ D’ANTANANARIVO

FACULTÉ DES SCIENCES FORMATION DOCTORALE EN PHYSIQUE

DÉPARTEMENT DE PHYSIQUE

Laboratoire de Thermodynamique, Thermique et Combustion

MÉMOIRE

pour l’obtention du

DIPLÔME D’ÉTUDES APPROFONDIES EN PHYSIQUE

option : ENERGETIQUE sur :

ETUDE D’UN REGULATEUR DE TENSION D’UN AEROGENERATEUR

CLASSIQUE 500W A ALTERNATEUR DISCOIDE

Présenté par

RANDRIAMALAZA Arsène

Devant la commission d’examen composée de :

Président : Madame RANDRIAMANANTANY Zely Arivelo Professeur titulaire

Examinateurs : Madame RAHELIARILALAO Bienvenue Professeur titulaire

Monsieur RASAMIMANANA François de Salle Maître de Conférence

15 Novembre 2008

REMERCIEMENTS Ce travail a été effectué au sein du Laboratoire de Physique Chimie de la Faculté des

Sciences de l’Université d’Antananarivo.

Ayant collaboré à la réalisation et à l’élaboration de ce mémoire,

J’adresse ma profonde gratitude à Monsieur ANDRIANANTENAINA Bruno Jacques

Doyen de la Faculté des Sciences de l’Université d’Antananarivo de m’avoir permis de suivre

la formation doctorale en physique au sein de la Faculté des Sciences de l’université

d’Antananarivo et d’avoir autorisé la soutenance de ce mémoire.

Je dédie mes remerciements à Madame RANDRIAMANANTANY Zely Arivelo ,

Professeur Titulaire, Chef du Département de Physique à l’Université d’Antananarivo et

Responsable du Laboratoire Thermique, Thermodynamique et Combustible (L.T.T.C) de la

Faculté des Sciences d’Antananarivo, d’avoir accepté la présidence du jury de cette

soutenance malgré ses nombreuses occupations.

Et puis j’adresse tous mes remerciements à Monsieur RAKOTOMALALA Minoson ,

Professeur Titulaire, Directeur Général de l’Institut pour la Maîtrise de l’Energie (I.M.E)

d’avoir accepté ma présence au sein du Laboratoire d’énergétique afin de me permettre de

poursuivre les études en vue du Diplôme d’Etudes Approfondies en Physique.

Egalement j’exprime ma profonde gratitude et mes vifs remerciements à mon

Encadreur en la personne de Monsieur RASAMIMANANA François de Salle , Maître de

conférences à la Faculté des Sciences de l’Université d’Antananarivo ….

J’adresse mes vifs remerciements à Madame RAHELIARILALAO Bienvenue ,

Professuer titulaire à l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo d’avoir accepté d’être

membre de jury de ces travaux.

Mes remerciements et reconnaissances vont également à Monsieur. Bertrand

Pfister , Directeur de l’association A.E.E TEC. Strasbourg qui nous a aidés financièrement et

matériellement.

Je remercie très profondément mes parents qui n’ont jamais cessé de me soutenir

pendant tout le long de mes études, ainsi que tous les membres de ma famille pour soutien

permanent.

J’adresse également mes sincères remerciements aux différentes personnes que j’ai

rencontrées sur le lieu d’expériences pour leur chaleureux et sympathique accueil.

Et enfin, je n’oublie pas de remercier tous mes collègues de promotion pour m’avoir

aidé dans les travaux en groupe qui ont beaucoup contribué à ma réussite. Qu’ils trouvent ici

toute la grandeur de ma gratitude.

A tous les condisciples et amis, à tous ceux qui ont contribué de près ou de loin à la

réalisation de ce travail.

i

TABLE DE MATIERES

REMERCIEMENTS

NOMENCLATURES ............................................................................................................. IV

LISTE DES ANNEXES ......................................................................................................... VI

LISTES DES FIGURES ....................................................................................................... VII

LISTE DES TABLEAUX ...................................................................................................... IX

INTRODUCTION GENERALE ....................................................................................... - 1 -

CHAPITRE 1 INSTALLATION DES DISPOSITIFS DE MESURE ET

D'ACQUISITION DES DONNEES

1-1 Introduction ..................................................................................................................... - 3 -

1-2 Descriptif du dispositif de suivi et d’acquisition ............................................................ - 4 -

1-3 ROLES DE CHAQUE ELEMENT ................................................................................ - 5 -

1-3-1 VOLTMETRE ..................................................................................................... - 5 -

1-3-2 POTENTIOMETRE ............................................................................................ - 5 -

1-3-3 OSCILLOSCOPE ................................................................................................ - 6 -

1-3-4 AMPEREMETRE ............................................................................................... - 6 -

1-3-5 CAN (Convertisseur Analogique Numérique) .................................................... - 6 -

1-3-6 BATTERIE .......................................................................................................... - 7 -

1-3-7 RHEOSTAT ........................................................................................................ - 7 -

1-3-8 ORDINATEUR ................................................................................................... - 7 -

1-4 RESULTATS PRELIMINAIRES .................................................................................. - 8 -

CHAPITRE 2 REGULATEUR DE TENSION

2-1 Présentation ................................................................................................................... - 12 -

2-2 Principe d’un régulateur classique avec diode de Zener ............................................... - 13 -

2-2-1 Les diodes de Zener ........................................................................................... - 14 -

2-2-2 Principe de fonctionnement d’une diode de Zener ............................................ - 15 -

2-2-3 Influence de la température ............................................................................... - 16 -

2-3 Le régulation à partir de l’entré avec à transistors montés en Darlington .................... - 17 -

2-3-1 Schéma du régulateur à Darlington ................................................................... - 17 -

2-3-2 Principe de fonctionnement ............................................................................... - 18 -

ii

2-3-3 Expression du courant de charge ....................................................................... - 18 -

2-3-4 Détermination des caractéristiques internes des transistors ............................. - 20 -

2- 4 Simulation .................................................................................................................... - 25 -

2- 5 Le régulation à partir de la sortie à deux transistors et à diode Zener ........................ - 27 -

2- 5-1 Schéma de principe ................................................................................................... - 28 -

2-5-2 Fonctionnement du régulateur ........................................................................... - 28 -

2-5-3 Etude théorique du deuxième montage ............................................................. - 29 -

2-5- 4 Déterminations des différentes équations ......................................................... - 30 -

2-5-5 Les résultats théoriques ..................................................................................... - 32 -

2-5-6 Limites d'utilisation pour la tension d'entrée, le courant et la température ....... - 34 -

CHAPITRE 3 BATTERIES DE STOCKAGE D'ENERGIE

3-1 Généralités .................................................................................................................... - 36 -

3-2 Eléments constitutifs des batteries ................................................................................ - 36 -

3-2-1 Electrolyte liquide .............................................................................................. - 36 -

3-2-2 Electrolyte gélifié .............................................................................................. - 37 -

3-3 Différents types de plaque de la batterie ....................................................................... - 39 -

3-3-1 Plaques Planté : .................................................................................................. - 39 -

3-3-2 Plaques tubulaires .............................................................................................. - 39 -

3-3-3 Plaques planes .................................................................................................... - 40 -

3-3-4 Les plaques négatives ........................................................................................ - 40 -

3-4 La matière active ........................................................................................................... - 41 -

3-5 La Charge et décharge de la batterie ............................................................................. - 42 -

3-5-1 La Charge .......................................................................................................... - 42 -

3-5-2 Décharge ............................................................................................................ - 42 -

3-6Grandeurs et termes utilisés en technique des batteries ................................................. - 44 -

3-6-1 Coefficient de charge ......................................................................................... - 45 -

3-6-2 Capacité ............................................................................................................. - 45 -

3-6-3 Courant débuter à basse température ................................................................. - 46 -

3-6-4 Tension d’élément ............................................................................................. - 47 -

3-6-5 Tension nominale .......................................................... Erreur ! Signet non défini.

3-6-6 Tension aux bornes ............................................................................................ - 48 -

3-6-7 Tension de dégagement gazeux ......................................................................... - 48 -

3-6-8 Tension au repos ................................................................................................ - 48 -

3-7 RENDEMENT DE LA BATTERIE ............................................................................. - 48 -

iii

3-7-1 Rendement en quantité d'électricité: .............................................................. - 48 -

3-7-2 Rendement énergétique :............................................................................. - 49 -

CONCLUSION GENERALE .......................................................................................... - 49 -

EXEMPLES DES DISTRIBUTIONS DE LA TENSION FOURNIE PA R

L’AEROGENERATEUR AU COURS DE LA JOURNEE .......................................... - 50 -

DETERMINATION DES CARACTERISTIQUES DU REGULATEUR .. ................ - 57 -

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ........................................................................ - 58 -

Nomenclatures

iv

NOMENCLATURES

C : Capacité de la batterie (Ah)

E : la tension d’alimentation (V)

0E : Tension de la batterie plus la tension interne des deux transistors (V)

e : Variation de la tension d’alimentation (V)

I : le courant de décharge (A)

IB : Courant de base du transistor (mA)

IE : Courant d’émetteur du transistor (mA)

IE1 : Courant d’Émetteur du transistor 2N3055 (mA)

IB1: Courant de base du transistor 2N3055 (mA)

IE2: Courant d’Émetteur du transistor 2N2222 (mA)

IB2: Courant de base du transistor 2N2222 (mA)

IZ : le courant Zener (A)

K : Constante positive (Ω)

N : un nombre entier codé au moyen de huit (08) éléments binaires (bits).

R : la résistance de réglage (Ω)

Tj : température de la jonction (C°)

: Variation de température (C°)

t : la durée de la décharge (heurs)

Ve : la tension d’entrée génératrice variable (V)

Vs : la tension de sortie du régulateur constante (V)

Vz : la tension Zener (V)

E : Tension du générateur (V)

RU : Tension aux bornes de la résistance de base (V)

RCU : Tension aux bornes de la charge (V)

: Nombre d'ampères-heures restitués par la batterie lors de la décharge

: La quantité d'électricité reçue lors de la charge (C)

: Rendement énergétique (%)

Nomenclatures

v

: Nombre de wattheures restitués par la batterie lors de la décharge (w/h)

: Nombre de wattheures reçus lors de la charge (w/h)

SYMBOLES GRECS

α : Gain statique de courant du transistor

β : rapport entre (Ω)

γ : Rapport entre 2

1

BI

i

η : Rendement de la batterie (%)

θ : Constante ν : Différence de potentiel aux bornes de la charge pour le deuxième montage (V)

Liste des annexes

vi

LISTE DES ANNEXES

Annexe 1 : Exemples des distributions de la tension fournie par l’aérogénérateur au

cours de la journée

Annexe 2 : Détermination des caractéristiques du régulateur

Liste des figures

vii

LISTES DES FIGURES Figure 1 : Schéma synoptique du dispositif de suivi et d’acquisition automatique des paramètres Figure 2 : Photo du dispositif de suivi et d’acquisition automatique des paramètres Figure 3 : Courbes de tensions en fonction du temps du 20/08/08 Figure 4 : Courbes de tensions en fonction du temps du 29/08/08 Figure 5 : Courbes de tensions en fonction du temps du 19/07/08 Figure 6 : Courbes de tensions en fonction du temps du 08/07/08 Figure 7 : Présentation générale d’un régulateur

Figure 8 : Schéma d’un régulateur fonctionnant avec une diode Zener Figure 9 : Caractéristique idéale de la diode Zener Figure 10 : Caractéristique inverse de la diode Zener idéale Figure 11 : Schéma d’un régulateur classique avec charge Rc

Figure 12 : Schéma de la première expérience Figure13 : Montage pour trouver la caractéristique d’un transistor Figure 4 : Courbes de tensions en fonction du temps du 29/08/08 Figure 5 : Courbes de tensions en fonction du temps du 19/07/08 Figure 6 : Courbes de tensions en fonction du temps du 08/07/08 Figure 7 : Présentation générale d’un régulateur

Figure 8 : Schéma d’un régulateur fonctionnant avec une diode Zener Figure 9 : Caractéristique idéale de la diode Zener Figure 10 : Caractéristique inverse de la diode Zener idéale Figure 11 : Schéma d’un régulateur classique avec charge Rc

Figure 12 : Schéma de la première expérience

Liste des figures

viii

Figure13 : Montage pour trouver la caractéristique d’un transistor

Figure 14 : Caracteristique Gain 2N2222

Figure 15 : Courbe caractéristique Reb 2N2222 Figure 16 : Courbe caractéristique Gain 2N3055 Figure 17 : Courbe caractéristique Reb 2N3055 Figure 18 Courbe théorique des courants en fonctions des tensions pour Darlington

Figure 19 : courbe de courant en fonction de tension générateur pour montage Darlington Figure 20 : Courbes de courant en fonction de résistance de base Figure 21 : Présentation du deuxième montage Figure 22 : Schémas équivalent du montage Figure 23 : Courbe des courants en fonctions des résistances en% Figure 24 : Courbe du courant de sortie en fonction de la résistance en % Figure 25 : Batterie à l’état déchargé Figure 26 : Charge de la batterie Figure 27 : Présentations de la plaque tubulaire Figure 28 : Présentations de la plaque plane Figure 29 : Batterie à l’état chargé Figure 30 : Décharge de la batterie Figure 31 : Courant restitué=105à 110 0

0 et courant prélevé = 00100

Figure 32 : Capacité disponible d’une batterie (12 V 100 Ah) en fonction de la température et du courant de décharge, référence a un temps de décharge de 20 h et un état de charge de 100%. Figure 33 : Tension nominale d’un élément Figure 34 : Représentation de la batterie avec leurs plaques

Liste des tableaux

ix

LISTE DES TABLEAUX

Tableau n°1 : Représente la valeur trouvée d’après le calcul Gain et Reb de deux

transistors

Tableau n°2 : Représente la valeur trouvée d’après le calcul de tension de deux

transistors

Tableau n °3 : Résultats expérimentaux du premier montage Tableau n ° 4: Deuxième résultats obtenus de la première expérience Tableau n ° 5 : Résultats expérimentaux du deuxième montage Tableau n 6 : Représente la capacité de la batterie en fonction du courant de décharge

Introduction générale

- 1 -

INTRODUCTION GENERALE

Une éolienne est un dispositif qui utilise la force motrice du vent. Cette force peut

être utilisée, soit mécaniquement comme dans le cas d'une éolienne de pompage, où

soit pour produire de l'électricité dans le cas d'un aérogénérateur. Elle offre une

solution économique, simple d’installation et respectueuse de l’environnement aussi

bien pour des particuliers que pour des projets de plus grande ampleur.

L'efficacité d'une éolienne dépend de son emplacement. En effet, la puissance

fournie augmente avec la vitesse du vent, raison pour laquelle les sites sont d'abord

choisis en fonction de la vitesse et la fréquence des vents présents. Une éolienne

fonctionne d'autant mieux que les vents sont réguliers et fréquents.

Par ailleurs, la longévité d’une éolienne dépend, entre autres, de l’efficacité du

système de régulation du courant de charge. Ainsi, le régulateur de tension est un

élément central d’une éolienne car il représente le lien entre le système de

production de puissance et celui d’accumulation d’énergies : les batteries. Le

régulateur protège les batteries contre les surcharges et dans certains cas contre les

décharges profondes. Il assure ainsi l’optimisation de la charge des batteries et la

sécurité du système contre les surcharges.

Une éolienne, contrairement à un panneau solaire ne peut être laissée en circuit

ouvert. En effet, si tel était le cas, ceci conduirait à la démagnétisation des aimants.

Par conséquent, les régulateurs devant être utilisés fonctionnent avec une charge de

diversion. L'énergie produite est ainsi soit dirigée vers la batterie ou dissipée vers

cette charge de diversion.

Les objectifs du présent travail consistaient à étudier le système de régulation

électronique du courant de charge d’une éolienne que nous avons conçue et réalisée

à Ankatso à Antananarivo.

Outre les introductions et conclusion générales, nous avons divisé notre travail en

trois (03) chapitres :

Dans le premier chapitre, nous détaillons le dispositif de suivi et d’acquisition

automatique que nous avons élaboré. Les rôles de chaque élément

constituant sont expliqués. Leurs montages et leur fonctionnement y sont

décrits.

Introduction générale

- 2 -

Le second chapitre est consacré à la description des différentes étapes

franchies lors de l’expérimentation. La familiarisation avec notre dispositif y est

développée. Par ailleurs, cette familiarisation aboutit à l’optimisation de

l’efficacité de notre système de régulation. Des comparaisons des valeurs

simulées avec les valeurs mesurées y sont données.

Le troisième et dernier chapitre décrit le stockage qui est constitué par les

batteries. Leurs comportements dans une éolienne sont étudiés. Un exemple

de calcul de leur capacité définissant leur choix est présenté.

CHAPITRE I

INSTALLATION DES DISPOSITIFS DE MESURE ET D’ACQUISITION DES DONNEES

Installation des dispositifs de mesure et d’acquisition des données

- 3 -

1-1 Introduction

Afin de mieux optimiser l’étude du comportement de l’installation éolienne, nous

avons réalisé un prototype d’un aérogénérateur classique 500W à alternateur

discoïde. Ce prototype a été surtout conçu selon le contexte local et destiné aux

activités de recherche menées par l'IME (Institut de la Maîtrise pour l'Energie) dirigé

par le Pr Minoson RAKOTOMALALA, en matière d’éolienne. Pour ses éléments

constitutifs, nous avons choisi et procédé comme suit :

Les aimants permanents nécessaires à la fabrication de l’alternateur discoïde

ont été importés de France par l’un de nos collaborateurs en la personne de

Monsieur Bertrand PFISTER, Directeur de l’Association Action Energies

Efficientes Trans Europe Culture (AEE TEC).

En ce qui concerne les autres éléments constitutifs tels que les pales, moyeu

supports de génératrice, disques des stator et rotor, gouvernail, mâts, câbles

de fixation, fondation, régulateur, afin d’améliorer son rendement, diverses

améliorations et adaptations ont été apportées. Ainsi, ils ont été fabriqués à

partir des matériaux locaux.

Nous faisons remarquer à ce niveau que nous avons rencontré différents problèmes

tels que :

Pour les pales, nous avons dû essayer plusieurs types de bois avant d’avoir

opté pour le modèle qui répondait convenablement aux conditions de

résistance et d’utilisation.

Pour l’axe de la pale en inox, il n’y avait eu qu’un seul fournisseur. Par

conséquent, nous n’avons pas eu le choix de procéder à l’expérimentation

pour sa détermination.

Une fois le prototype monté, nous avons conçu et installé un dispositif de suivi et

d’acquisition automatique des paramètres tels que la tension délivrée par l’éolienne

et la vitesse du vent.


- 4 -

1-2 Descriptif du dispositif de suivi et d’acquisition

La figure 1 présente le schéma du dispositif de suivi et d’acquisition que nous avons

conçu et réalisé. Il comporte les éléments suivants :

Un (01) multimètre METRIX servant de voltmètre

Un (01) potentiomètre

Un (01) OSCILLOSCOPE

Un (01) multimètre METRIX servant AMPEREMETRE

Un (01) Convertisseur Analogique Numérique (CAN)

Une (01) batterie

Un (01) rhéostat

Un ordinateur

Figure 1 : Schéma synoptique du dispositif de suivi et d’acquisition automatique des paramètres


- 5 -

Sur la figure 2, nous avons la photo du dispositif de suivi et d’acquisition monté.

Figure 2 : Photo du dispositif de suivi et d’acquisition automatique des paramètres

1-3 ROLES DE CHAQUE ELEMENT

1-3-1 VOLTMETRE C’est un instrument de mesure électronique utilisé pour mesurer la variation de la

tension fournie par l’aérogénérateur. Dans notre dispositif, la valeur enregistrée était

à la fois, affichée sur le voltmètre et envoyée à l’ordinateur à travers le CAN pour être

stockée et traitée par la suite. Nous remarquons que les valeurs affichées et

stockées ont des valeurs efficaces.

1-3-2 POTENTIOMETRE Un potentiomètre est un type de résistance variable à trois bornes, dont une est

reliée à un curseur se déplaçant sur une piste résistante terminée par les deux autres

bornes. Pour notre cas, il s’agit d’un potentiomètre de 10k. Il a servi de pont

diviseur et permettait d’éviter le dépassement de la tension d’entrée du CAN qui

devait être inférieure à la valeur maximale admissible de 2,5V. En effet, la tension


- 6 -

maximale délivrée par l’éolienne et enregistrée durant la période d’étude pouvait

atteindre la valeur de 55 V. Et pour une mesure de sécurité, nous avons réglé le

potentiomètre pour une valeur d’entrée maximale de 73 V correspondant à la valeur

2,5 V maximale admissible à l’entrée du CAN.

1-3-3 OSCILLOSCOPE Un oscilloscope est un instrument de mesure destiné à visualiser un signal

électrique, le plus souvent variable au cours du temps. Il est utilisé par tous les

scientifiques afin de visualiser soit des tensions électriques, soit diverses autres

grandeurs physiques préalablement transformées en tension au moyen d'un

convertisseur adapté. Il a permis de visualiser les variations de la tension et surtout

sa forme variable dans le temps. Effectivement, une légère ondulation permanente

reflète le bon fonctionnement du circuit magnétique d’éolienne et surtout sa partie

mobile.

1-3-4 AMPEREMETRE L'ampèremètre est destiné à mesurer l'intensité d'un courant électrique qui s’exprime

en ampère dans le système uSI. Il a permis d’observer le courant de charge de la

batterie de l’éolienne. Nous l’avons monté en série avec la batterie. Ce courant a été

affiché en permanence durant l’expérimentation.

1-3-5 CAN (Convertisseur Analogique Numérique) Un Convertisseur Analogique Numérique (CAN) est un dispositif permettant de

transformer un signal électrique analogique en un signal numérique qui est

compréhensible et peut être traité par l’ordinateur. Ainsi, le signal d’entrée du

convertisseur est une tension analogique ( )tU e .

A chaque instant, le signal de sortie N est un nombre entier codé au moyen de huit

(08) éléments binaires (bits). Ce nombre est tel que :

N = ( )021 .....,,, aaa pp −− (1-1)


- 7 -

Dans notre cas, il était inséré entre le potentiomètre et le port d’entrée de

l’ordinateur. Il transformait la tension analogique atténuée par le diviseur de tension

en un signal numérique.

1-3-6 BATTERIE

La batterie désigne un ensemble d'éléments associés, ayant la même fonction

d'accumulation d’énergie électrique et constituée généralement par le plomb.

Une éolienne ne pouvant être laissée en circuit ouvert, la batterie a servi de charge

afin d’éviter la démagnétisation des aimants.

1-3-7 RHEOSTAT

Un rhéostat est un appareil permettant de régler l'intensité du courant électrique

passant dans un circuit. Il est généralement constitué d'une résistance variable

dimensionnée de manière à supporter l'intensité maximale du courant devant la

traverser. La présence du rhéostat entre l’éolienne et la batterie évitait la surintensité

du courant de charge en l’absence du régulateur.

1-3-8 ORDINATEUR

Un ordinateur est une machine informatique constituée par un ensemble de circuits

électroniques permettant de manipuler des données sous forme binaire et d'effectuer

des traitements automatisés de données et d'interagir avec l'environnement grâce à

des périphériques (écran, clavier, ports...)

Dans notre système, il jouait le rôle d’acquisition automatique et de stockage des

données.


- 8 -

1-4 RESULTATS PRELIMINAIRES

Lors d’une première expérimentation, nous avons fait une série de mesures avec le

dispositif de suivi et d’acquisition automatique élaboré. Les résultats obtenus sont

représentés, à titre d’illustrations, sur les figures 3, 4,5 et 6 où les distributions de la

tension en fonction du temps sont données pour différentes journées.

Figure 3 : Courbes de tensions en fonction du temps du 20/08/08

Interprétation

D’après la figure 3, nous avons avons constaté que les tensions fournies par

l’aérogénérateur ont varié instantanément selon la vitesse du vent.

Par ailleurs, ces tensions pouvaient atteindre une valeur de crête de l’ordre de 50V

pour une vitesse du vent probablement importante devant la vitesse nominale du

vent. Par contre, elles sont très faibles, voire nulles, pour des vitesses du vent au-

dessous de la vitesse de démarrage.


- 9 -


Interprétation

Dans cette figure, nous avons constaté que les fluctuations de la tension ont été

toujours observées à tout instant. Mais il existait une période durant laquelle la

tension descendait pour atteindre la valeur nulle au bout de quatre (04) heures. Cette

diminution s’expliquait par l’affaiblissement soudain de la vitesse du vent.


- 10 -


Interprétation

De 07h à 9h30 du matin, on voit que le vent souffle beaucoup et l’éolien

produira d’énergie, de cet instant là la tension délivrée par notre éolien varie

de 7 à 44V d’une valeur moyenne d’environ 25V. Par contre, entre 9h30 jusqu’

a 18h, il n’y a presque plus du vent, l’éolien ne produit presque pas et il ne

fourni que d’une valeur de tension très faible.


- 11 -


interprétation

le jours du 08/07/08, entre 9h06 à 16h notre aérogénérateur fournie des tensions d’une

valeur moyenne d’environ 20V, a ce moment là le vent souffle fortement. Par contre,

de 16h jusqu'à 5h20 du 09/07/09, on voit que l’éolien ne produira presque pas car il n’y

a peut du vent. De 5h50 l’éolien reprend sa fonction c'est-à-dire il produira de

l’énergie, à cet instant on a chargé la batterie. Lors du chargement, nous avons

constaté que, la tension chute à cause de la charge et évite toute surtension au

générateur. Comme il a été mentionné à l’introduction, l’aérogénérateur doit dissiper

l’énergie pour ne pas endommager le système mobile.

CHAPITRE II LE REGULATEUR DE TENSION

Régulateur de tension

-12-

2-1 Présentation

Un régulateur de tension, est un dispositif électronique qui a pour rôle de maintenir

constante une grandeur électrique de sortie, telle que la tension ou le courant,

indépendamment de la tension d'entrée. Il s’agit d’un élément qui permet de

stabiliser une tension autour d’une valeur de consigne donnée, et à une charge fixée,

ce qui entraîne une stabilisation automatique du courant. Il est nécessaire pour les

montages électroniques qui ont besoin d'une tension qui ne fluctue pas. Un

régulateur de tension peut comporter :

Des composants classiques tels que les résistances, diodes Zener, transistor,

etc.

Des circuits intégrés qui contiennent les éléments nécessaires dans un seul et

même boîtier pour faciliter son usage.

Sur la figure 5, nous montrons le schéma de principe d’un régulateur.

Figure 7 : Présentation générale d’un régulateur

On indique par :

Ve, la tension d’entrée génératrice variable

Vs, la tension de sortie du régulateur constante


- 13 -

2-2 Principe d’un régulateur classique avec diode de Zener

La diode zener est une diode très utilisée en régulation. Elle permet de maintenir une

tension constante entre ses bornes. Sa particularité réside à son fonctionnement en

inverse. Ainsi afin de générer une tension constante, elle doit être montée en

parallèle avec le circuit dont la tension aux bornes est à stabiliser. Pour que la diode

joue son rôle de stabilisateur, il faut que le courant inverse qui la traverse ne soit pas

nul. Si la tension Ve est inférieure à la tension inverse de la zener, alors Vs = Ve. Par

contre, si Ve dépasse la tension Zener, cette dernier conduit fortement et Vs = Vz, Vz

étant la tension Zener (voir figure 6). La chute de tension entre Ve et Vz est effectuée

aux bornes de la résistance R.

Figure 8 : Schéma d’un régulateur fonctionnant avec une diode zener

On indique par :

e, la tension d’alimentation

R, la résistance de réglage

Vz, la tension Zener

Iz, le courant Zener


- 14 -

2-2-1 Les diodes de Zener

La tension inverse est sensiblement constante alors que le courant varie dans des

proportions importantes (voir figure 10).

Figure 9 : Caractéristique idéale de la diode Zener

Dans le cas du sens direct, la diode Zener se comporte comme une diode

conventionnelle c'est-à-dire Vz ≈ 0.6V et le courant direct maximal dépend du circuit

externe de la diode. Elle conduit mais il y a une tension de seul comme pour une

simple diode. Toujours dans ce cas la tension entre l’Anode et la Cathode sont

strictement inférieur à 1V.


- 15 -

Une diode soumise à une tension inverse

Figure 10 : Caractéristique inverse de la diode Zener idéale

Dans le sens inverse la diode présent une résistance très petite des la tension de

claquage, ou autrement dit tension Zener.

En suite le courant est pratiquement nul, si la tension entre l’Anode et Cathode

strictement supérieur à la tension zener, dans ce cas, on dit que la diode est

bloquée.

Lorsque la tension entre Anode et Cathode atteint à la tension Zener, il y a

effectivement effet Zener c'est-à-dire que la tension entre Anode et Cathode varie

très peu. Dans cette figure le point M ou M’ représente son point de fonctionnement.

2-2-2 Principe de fonctionnement d’une diode de Zen er

Une diode de Zener Dz montée en parallèle avec une charge, permet de maintenir la

la tension aux bornes de cette charge :

• à une valeur Vz pratiquement constante,

• lorsque la tension d’alimentation e subit des variations importantes.


- 16 -

Supposons que la tension d’alimentation e augmente de e = e’- e, la tension aux

bornes de la charge ne croit que très faiblement ; en effet le point de fonctionnement

M de la figure 10 : se déplace en M’ suivant la verticale de la caractéristique de Dz.

C’est la chute de tension dans la résistance R qui supporte l’accroissement e il en

résulte simplement une augmentation importante du courant iz dans Dz. On dit que la

tension aux bornes du récepteur est stabilisée par la diode Zener. Mais il faut bien

préciser que cette stabilisation n’est possible que si les variations de tension ne sont

pas trop rapides et n’entraînent pas une coupure de courant à travers la diode. La

résistance R sert de protection au système, charge avec diode, montées en parallèle.

En effet toute surtension e est éliminée par sa chute UR aux bornes de R montée en

série avec le système.

Figure 11 : Schéma d’un régulateur classique avec charge Rc

2-2-3 Influence de la température Une augmentation de la température de la jonction Tj entraîne pour la tension de

Zener Vz :

• une diminution lorsque sa tension est faible

• une augmentation dans le cas contraire.

En effet, on définit alors le coefficient en température vz comme la variation relative

de Vz pour une variation de température de 1 .

vz (2 - 1)


- 17 -

avec vz est souvent comprise entre .

2-3 Le régulation à partir de l’entré avec à transi stors montés en Darlington

Le régulateur de ce type réagit sur la variation du signal d’entrée. En effet c’est la variation du signal d’entrée qui provoque l’atténuation forcée du signal vers la sortie en bloquant un élément actif comme le transistor ou, plus fréquemment, le montage de deux transistor en Darlington.

2-3-1 Schéma du régulateur à Darlington On associe deux transistors de tel sorte que la base du plus puissant est reliée à

l'émetteur du moins puissant, et que les collecteurs étant reliés entre eux, sont

directement raccordés à la tension d'alimentation, comme indiqué sur la figure ci-

dessous. Ce montage s’appelle montage Darlington. Ainsi la base du second

constitue la base de l’ensemble et l’émetteur du premier l’émetteur de l’ensemble. Ce

montage peut être considéré comme un seul transistor, avec un gain de courant égal

au produit des gains des constituants

21βββ =

Figure 12 : Schéma de la première expérience


- 18 -

2-3-2 Principe de fonctionnement Pour une tension donnée du générateur, le courant de charge de la batterie dépend

de la valeur de la résistance de base R et également du gain en courant du

Darlington.

La résistance R est l’un des éléments clé de ce régulateur. C’est elle qui définit le

courant de base du montage Darlington, et détermine en conséquence le courant

d’émetteur IE du Darlington, c'est-à-dire le courant de charge de la batterie.

Puisque le courant de charge IE dépend du courant de base IB par la relation

suivante :

BBBB

CBCE III

I

IIII αβ =+=+=+= )1()1(

Alors le courant de charge IE est étroitement lié avec le courant de la base IB. C’est à

dire la valeur de la résistance R influe beaucoup sur l’intensité du courant de charge.

Notre travail sur ce type de régulateur fut axé sur l’étude de l’influence de la valeur

de la résistance de base R, pour une valeur de la tension fixée par le choix des

transistors.

2-3-3 Expression du courant de charge On sait que le gain statique de courant du transistor au niveau de l’émetteur est

donné par la formule :

B

E

I

I=α (2-2)

Par conséquent on peut tirer à partir de la relation (2-2) le courant d’émetteur du

premier transistor 2N3055 :

111 BE II ×= α (2-3)

Or d’après le schéma de la figure 11, on a l’expression fondamentale de la tension

du générateur E :

012 EUUUUE RCEBEBR ++++= (2-4)

Avec,

×=×=

1

2

ECRC

BR

IRU

IRU


- 19 -

Le courant passant dans l’émetteur du transistor est donné par :

11111 BBCE IIII α=+= (2-5)

Par analogie avec la formule (2-3) on peut tirer aussi l’expression IE2

222 BE II α= (2-6)

Avec :

1EI : Courant d’Émetteur du transistor 2N3055

1BI : Courant de base du transistor 2N3055

2EI : Courant d’Émetteur du transistor 2N2222

2BI : Courant de base du transistor 2N2222

En développant l’expression de E de l’équation (2-1), on a :

0221221222

0111222

EIRIRIRRI

EIRIRIRRIE

BCBEBBEBB

ECBEBBEBB

++++=++++=

ααα

Car 21 EB II =

On remplace 1EI par son expression (2-4) on a une nouvelle expression de E :

( ) CB RIEE ×++= 110 1β

= ( ) CEE RI

IRE ×++

++ 21

2

20 1

1β

β

= ( )

++

++ CE R

RIE 1

1 12

20 ββ

=( )( )

22

120 1

11E

C IRR

E ×

++++

+β

ββ

Remplaçons 2EI par son expression (2-5). Alors l’expression de E devient :

( )( )( ) ( ) 22

2

120 1

1

11B

C IRR

EE ×+

++++

+= ββ

ββ

En faisant la simplification, finalement on a l’expression de E comme ceci :

( )( )[ ] 2120 11 BC IRREE ×++++= ββ (2-7)

étant la force électromotrice de la batterie plus la somme des tensions entre Base-

Emetteur des deux transistors 2N2222 et 2N3055.

D’après l’expression de l’équation (2-7), nous obtenons une expression de de

la forme suivante :


- 20 -

(2-8)

Posons = qui est une constante positive.

D’après l’équation (2-8), nous pouvons tirer l’expression de IE1 :

En remplaçant 2BI par son expression on a :

D’où :

(2-9)

Cette dernière équation est l’expression du courant de charge de la batterie.

2-3-4 Détermination des caractéristiques internes d es transistors

On a besoin de connaître les caractéristiques d’entrées des deux transistors avant de

passer au calcul théorique sur les variations de courant de charge en fonction de la

tension du générateur :

)( EBB UfI = .

Le montage suivant, où R est variable, fut notre schéma de mesure de ces

caractéristiques :

Figure13 : Montage pour trouver la caractéristique d’un transistor


- 21 -

Figure 14 : Caracteristique Gain 2N2222

Figure 15 : Courbe caractéristique Reb 2N2222


- 22 -

Figure 16 : Courbe caractéristique Gain 2N3055

Figure 17 : Courbe caractéristique Reb 2N3055


- 23 -

D’après l’équation (2-4), on a :

( ) 2212120 BCEBEB IRrrREE ααα ××+×++=−

D’où : 9497.0

22 529948 −×= BEB Ir

9424.011 58.626 −×= BEB Ir

1508.022 43.72 BI×=α

3235.011 12.156 −×= BIα

Or :

( ) 321 10−××= BB II α

Tableau n°1 : Représente la valeur trouvée d’après le calcul Gain et Reb de deux

transistors

IB2 µA 10 50 100 200 300 400 500 Reb2 Ohms 59502,23 12903,91 6680,87 3458,96 2353,48 1790,84 1448,84 Alpha2 102,4987 130,6541 145,0503 161,0326 171,1860 178,7760 184,8941 Reb1 Ohms 612,1748 106,8643 50,3920 23,7624 15,3079 11,2052 8,7967 Alpha1 154,8785 85,0699 65,7215 50,7737 43,6599 39,2256 36,0987

Tableau n°2 : Représente la valeur trouvée d’après le calcul de tension de deux

transistors

R=10k E en V 12,70 13,15 13,67 14,69 15,71 16,72 17,72 R=20k 12,20 13,01 14,01 16,03 18,05 20,07 22,09 R=50k 12,51 14,51 17,01 22,00 27,00 32,00 37,00 R=70k 12,70 15,50 19,01 26,01 33,01 40,02 47,02 R=100k 13,00 17,00 22,00 32,00 42,00 52,00 62,00 R=500k 17,01 37,02 62,03 112,05 162,07 212,10 262,12


- 24 -

Figure 18 : Courbe théorique des courants en fonctions des tensions pour Darlington

Interprétation

D’après les résultats théoriques présentées à la figure 17 tension aérogénérateur en

Volts, On constate que la résistance de base a une grande influence sur la variation

du courant de charge en fonction de la variation de la tension généré. En effet, pour

une résistance de base faible, 10k par exemple, le courant de charge varie fortement

de 0 à 3000mA pour une variation de 12V à 17V environ pour la tension générée

alors que pour une résistance de base assez élevée cette même accroissement de

3000mA n’est atteinte que pour une variation de tension de 12V à 60V environ.

Autrement dit, une résistance de base élevée assure une meilleure stabilisation,

donc offre plus de sécurité pour la charge de la batterie. Pourtant une valeur trop

élevée de cette résistance risque de d’étouffer la charge et l’éolienne peut être sous

exploitée dans ce cas.

D’après les résultas expérimentaux sur les tensions enregistrées durant deux mois

de fonctionnement de l’éolienne, on constate que la tension dépasse rarement la

valeur de 50V. Compte tenu des résultats théoriques, nous proposons la valeur de

70k qui présente une variation optimale de charge avec un courant de 0 à 3100mA

environs pour 12V à 50V. On peut adopter également la valeur de 50k an période de

vitesse de vent assez faible (tension de 0 à 37V). C’est pourquoi nous proposons

pour ce type de régulateur un bouton de commutation de résistance de valeurs

différentes.


- 25 -

2- 4 Simulation

La simulation est une partie du travail là où on essaie de vérifier le résultat théorique

sur ordinateur par le biais d’un logiciel de simulation. Dans notre cas, nous utilisons

le logiciel « CIRCUIT MAKER » qui a été conçu en USA vers l’année 2000. Elle nous

permet de vérifier rapidement le fonctionnement de notre circuit. Elle a aussi

l’avantage d’être économique : au lieu d’abimer des composants, par suite d’une

erreur théorique, au cours d’un essai pratique, on le détruit fictivement sur l’écran ;

alors il suffit de les remplacer par un clic sans dépenser de l’argent. Notons que notre

logiciel est une version éducative, ainsi l’application est très restreinte.

Voici le tableau qui illustre toutes les valeurs de la première simulation. Tableau n °3 : Résultats expérimentaux du premier montage

E en Volt 15 20 25 30 35 40 45 50

R1 en KΩ

Ich en mA 622,4 1758 2613 3374 4095 4796 5492 6187

R2 en KΩ

Ich en mA 354,2 1082 1658 2186 2696 3200 3705 4214

R3 en KΩ

Ich en mA 203,9 702,9 1114 1499 1875 2250 2630 3016

Figure 19 : courbe de courant en fonction de tension générateur pour montage Darlington


- 26 -

Interprétation

. Avec ce figure, nous avons remarqué que, même la tension d’entrée du générateur

varie brusquement avec la valeur supposé différemment grande, la fluctuation de

l’intensité du courant a l’intérieur du circuit ne sera pas proportionnel avec la tension.

En effet, pour une résistance de base faible, 20k par exemple, le courant de charge

varie fortement de 0 à 6000mA pour une variation de 12V à 50V environ pour la

tension générée, alors que pour une résistance de base assez élevée

l’accroissement est de 4000mA n’est atteinte que pour une variation de tension de

12V à 480 environ. Autrement dit, une résistance de base élevée assure une

meilleure stabilisation, donc offre plus de sécurité pour la charge de la batterie.

Pourtant une valeur trop élevée de cette résistance risque de d’étouffer la charge et

l’éolienne peut être sous exploitée dans ce cas.

On sait que pour le Darlington, la tension varie très rapide, alors notre éolien fournie

dès fois une tension très faible ; mais grâce a ce montage qu’on est le moyen

d’augmenter la tension a l’intérieure de notre circuit.

Avec la simulation le courant sera augmentée d’une façon très lente, par contre la

tension doit être fixée pour ne pas avoir endommagé le montage, ce pour cela que la

courbe du courant s’incline et il varie aussi suivant la tension.

Tableau n ° 4: Deuxièmes résultats obtenus de la première expérience Darlington

Rb ohms 10 20 40 100 200 400 1000 Tension G14 775,1 774,2 772,5 767,5 759,3 743,7 702,06 Tension G18 5291 5259 5199 5036 4811 4470 3839 Tension G20 7452 7437 7298 6954 6527 5946 4910 Tension G24 11770 11530 11130 10280 9392 8354 6859 Tension G30 17670 17010 16050 14360 12850 11250 9132 Tension G40 26430 24890 22960 20010 17650 15320 12390 Tension G50 34330 31910 29100 25080 22020 19070 15440


- 27 -

Figure 20 : Courbes de courant en fonction de résistance de base

Les sept courbes ci-dessus représentent les courants de sorties qui chargent la

batterie. Ces courbes facilitent l’approximation de la valeur des résistances de base

R et nous permettent de choisir jusqu’à quelle valeur de R la tension de sortie de

notre régulateur sera stable et on pourra les utilisés. Avec ces diverses résultats

obtenus, on peut dire aisément que les courbes de courant de sortie correspondant

aux trois tensions d’entrée de 14, 18, 20V sont plus stables que les autres.

2- 5 Le régulation à partir de la sortie à deux tr ansistors et à diode Zener

Le régulateur de ce type réagit sur la variation du signal de sortie. En effet c’est la variation du signal de sortie qui provoque un effet contraire pour bloquer ou ouvrir un élément actif comme un transistor de puissance (comme le 2N3055). La variation du signal de sortie, par le biais d’un système de commande à base de diode Zener, de transistor et de pont diviseur agit en contre réaction sur le courant de base de l’élément actif de puissance. Lors d’une diminution du courant de charge, le système fait augmenter au contraire la tension de la base de l’élément actif pour compenser la diminution.


- 28 -

2- 5-1 Schéma de principe Un pont diviseur est monté en parallèle avec la batterie, et délivre vers la base du

transistor de commande (2N2222) un courant de contrôle comme indiqué sur la

figure ci-dessous. L’émetteur de ce transistor est maintenu à une tension fixée par la

diode Zener, et toute variation de la tension de sortie se répercute directement sur sa

base, et bloque ou ouvre inversement l’élément actif avec l’aide de la résistance R3.

Ce montage est plus compliqué que le précédent (Darlington) mais plus efficace et

fiable. La diode Zener utilisé a une tension de stabilisation égale à 6.8V (presque la

moitié de V de la batterie)

Figure 21 : Présentation du deuxième montage

2-5-2 Fonctionnement du régulateur Comme son nom l’indique, sa fonction principale est de réguler, c'est-à-dire maintenir

une grandeur physique constante malgré les perturbations internes ou externes.

Dans notre cas, cette grandeur à réguler est la tension de charge de la batterie. Il

doit se place normalement entre l’éolienne et la batterie, sans lui cette dernière sera

très vite complètement détériorée. Sa fonction principale est d’empêcher les

surtensions. Mais ce n’est pas suffisant, c’est-à-dire qu’il faut aussi qu’il gère les

sous-tensions afin de garantir un apport de courant régulier.


- 29 -

Pour bien charger la batterie on a besoin de plus 14 volts à l’entrée du régulateur.

Dans ce cas, l’éolienne doit produire une tension supérieure ou égale à 14 V et le

régulateur pourra interrompre la charge lorsque le courant ne sera plus assez fort

afin d’éviter une décharge complète qui nuit grandement à leur longévité. Mais ce

n’est pas tout : quand il détectera que la batterie est chargée, il interrompra

automatiquement la charge. La tension de sortie sera gérée par le transistor

2N3055 ; en effet elle est réglable par le biais de la résistance variable R qui prélève

une partie de la tension de référence du transistor 2N2222 à laquelle il est soumis.

Cette tension de référence est elle-même stabilisée par la diode de Zener connectée

en série et polarisée par le transistor Q2. La résistance ajustable R’’ détermine la

tension de sortie limitée à 12 volts. La résistance R3 (220 ohms) n’a d’autre utilité que

d’assurer une protection contre un court-circuit qui serait fatal à Q1et elle doit en effet

limiter le courant afin d’éviter l’échauffement excessif, et d’assurer la chute de

tension nécessaire au bon fonctionnement de Q1.

2-5-3 Etude théorique du deuxième montage Vue la complexité du montage, il est préférable de passer au circuit électrique

équivalent, avant de procéder aux analyses et calculs. Puisque le courant de charge

est le courant d’émetteur du premier transistor (2N3055), ce courant est défini

directement par son courant de base IB1. C’est le circuit qui donne ce courant de

base qu’on va remplacer par le circuit équivalent. On remplace alors le premier

transistor par son dipôle d’entrée émetteur base représenté par son RB1. Le second

transistor est remplacé par son circuit équivalent à savoir : le dipôle d’entrée et celui

de sortie. La sortie est un générateur de courant débitant IC2 = IB2 à travers la

résistance R3. Si le courant de charge augmente, la tension de charge en fait

autant. Cela entraine une élévation de IB2, et en conséquence fait chuter la tension

aux bornes de R3 ce qui provoque une diminution de Ub1. La diminution deIB1

entraîne une diminution de courant de charge.


- 30 -

Figure 22 : Schémas équivalent du montage Notre travail fut axé sur le rôle de la résistance R3 pour une valeur fixée de rB2. Plus la valeur de cette résistance est élevée plus efficace sera la commande inverse agissant sur le 1° transistor. Pourtant comme dans tout montage une valeur optimale sera à chercher. On étudie également dans cette partie le rôle également important du coefficient de division du pont.

2-5- 4 Déterminations des différentes équations D’après le schéma ci-dessus, on a une équation de la tension d’entrée suivante :

(2-9)

Soit (2-10)


- 31 -

Est le rapport entre tendis que ce rapport donne ce relation ci-après :

Donc on a : (2-11)

La variation de la tension aux bornes de la résistance équivalente qui est la

somme de et ou la variation de la tension du pont diviseur sera exprimée par

la formule ci-dessous :

(2-12)

En partant de cette expression on peut tirer aussi la variation du courant :

(2-13)

En prenant l’équation de la tension d’entrée (2-9) :

Notons bien que d’après la caractéristique du transistor 2N2222 et

représente la différence de potentiel entre la charge.

En remplaçant l’expression de ∆I B2 l’équation (2-13), on a

(2-14)

Posons quelque soit la valeur de , alors


- 32 -

(2-15)

Nous exprimons l’expression du rendement de ce régulateur théoriquement.

Partons toujours de la dernière équation, on peut écrire :

soit

Ici le et on pose

On peut écrire sous une autre forme :

(2-16)

Pour faciliter l’étude, on pose .

2-5-5 Les résultats théoriques

Figure 23 : Courbe des courants en fonctions des résistances en%


- 33 -

D’après les résultats théoriques présentés à la figure 23, On constate que la

résistance variable Rv a une grande influence sur la variation du courant de charge

en fonction de la variation de la tension généré. En effet, pour une résistance de

faible valeur, 160Ω avec une tau 10% par exemple, le courant de charge varie

fortement avec la dérivée du courant par rapport a la tension générée alors que pour

une résistance assez élevée, l’augmentation la dérivée du courant par rapport a la

tension diminue alors cette accroissement courant n’est atteinte que pour une

résistance faible. Autrement dit, une résistance de base élevée fonctionnant avec un

pourcentage environ de 85% assure une meilleure stabilisation, donc offre plus de

sécurité pour la charge de la batterie. Pourtant une valeur de la résistance faible

risque de d’étouffer la charge et l’éolienne peut être sous exploitée dans ce cas.

D’après les résultats expérimentaux sur les tensions enregistrées durant deux mois

de fonctionnement de l’éolienne, Compte tenu des résultats théoriques, nous

proposons de travailler avec la résistance variable Rv dont sa valeur est élevée,

fonctionnant de 80% environ qui présente une variation optimale de courant de

charge. C’est pourquoi nous proposons pour ce type de régulateur un bouton de

commutation de résistance de valeurs différentes.

2-5-2-1 Les résultats de la simulation Tableau n ° 5 : Résultats expérimentaux du deuxième montage Tensions en volts 5% 10% 20% 40% 45% 50% 55% 60% 20 1272 1272 1272 1272 1272 1272 1256 348,5 30 2456 2456 2456 2456 2456 2456 1873 842,1 40 3499 3499 3499 3499 3499 3350 2362 1313


- 34 -

Figure 24 : Courbe du courant de sortie en fonction de la résistance en % Avec cette figure, nous avons constaté que lorsqu’on travaille avec un pourcentage

faible, par exemple 5%, on a vu que le courant de charge s’élève à 3500mA, cela

entraine une détérioration rapide de notre batterie. Pour avoir une meilleur

fonctionnement de ce régulateur, nous proposons de travailler avec une pourcentage

élevée.

2-5-6 Limites d'utilisation pour la tension d'entré e, le courant et la température

Tout régulateur doit être capable de supporter une tension sur son entrée jusqu'à

une certaine valeur (par exemple 1,5 à 45V) et de délivrer un courant maximal (par

exemple 1A ou 3A). Les limites d'utilisation sont liées aux contraintes thermiques, car

un régulateur s’échauffe. La dissipation thermique du composant est proportionnelle

à la différence de tension qui entre son entrée et sa sortie, et du courant qui le

parcourt. De plus, elle dépend aussi de la résistance thermique, qui spécifie de

combien de degrés vont s'élever sa température pour une puissance dissipée

donnée. Cette dissipation est exprimée en °C/W (degrés Celsius par Watt), par

exemple 35°C/W quand il n'y a pas de refroidisseur. Avec cette valeur, on sent bien

que le composant va vite s’échauffer. On est donc obligé d’utiliser un refroidissement


- 35 -

du composant pour le protéger contre l’élévation excessive de la température.

La méthode de refroidissement la plus simple et la plus utilisée consiste à ajouter

une pièce mécanique additionnelle appelée radiateur, le plus souvent en Aluminium

parfois en cuivre, qui va augmenter la surface d'échauffement et ainsi répartir les

calories, pour finalement diminuer la température du composant à protéger.

CHAPITRE 3 LES BATTERIES DE STOCKAGE D’ENERGIE

Batteries de stockage d’énergie

- 36 -

3-1 Généralités

La batterie est l’élément qui permet le stockage de l’énergie issue d’une installation

éolienne. Ainsi, elle joue le rôle d’un réservoir d’énergie électrique. Plus sa capacité

est grande, plus elle peut emmagasiner de charges électriques. Le choix de cet

élément ne doit pas se faire de manière hasardeuse.

Ses caractéristiques varient d’un modèle à l’autre selon les fabricants et les

descriptions manquent parfois de clarté. Aussi, il est nécessaire d’étudier son

principe de fonctionnement ainsi que ses caractéristiques.

Malgré son importance, il faut bien le dire, que la batterie est une grosse source de

pollution potentielle. C’est pourquoi, des précautions doivent être prises dans son

utilisation. Cependant, la batterie fabriquée selon les normes européennes et utilisée

correctement n’a que très peu d’impact sur l’environnement.

Pour une installation éolienne, l’utilisation d’une batterie adaptée est une condition

primordiale pour augmenter son efficacité et allonger sa longévité.

3-2 Eléments constitutifs des batteries

La batterie est constituée de plaques accumulatrices de charges électriques au

plomb.

La tension aux bornes de la batterie de 12 V varie normalement entre 11V

(lorsqu'elle est complètement déchargée) et 14,5V (chargée).

3-2-1 Electrolyte liquide

On appelle électrolyte, le liquide qui se trouve à l’intérieur de la batterie.

Dans une batterie au plomb, l’électrolyte utilisé est, généralement, de l’acide

sulfurique dilué.

Pour une batterie à l’état entièrement chargé, la proportion de l’acide sulfurique est

d’environ égale à 38 %, le reste étant de l’eau distillée. L’électrolyte, grâce à ses

ions, est en mesure d’assurer la conduction du courant électrique entre ses

électrodes. La masse volumique nominale de l’électrolyte varie en fonction de l’état

de charge de la batterie.


- 37 -

3-2-2 Electrolyte gélifié

En vue de réduire les risques liés à l’échappement de l’électrolyte, il est possible

d’utiliser un électrolyte solidifié.

Pour ce type d’électrolyte, la solidification se fait à l’aide d’un agent de gélification.

L’adjonction d’acide silicique dans l’acide sulfurique provoque la solidification de

l’électrolyte, qui se transforme en une masse assimilable à un gel. Une autre

méthode de solidification de l’électrolyte consiste à utiliser un mat de verre textile

comme séparateur.

Le non-tissé en fibre de verre lie l’électrolyte et évite les défauts d’étanchéité en cas

d’endommagement du bac.

Hydrogène Oxygène Plomb Ions de sulfate

Electrolyte


- 38 -

Figure 20 : Batterie à l’état déchargé

Figure 21 : Charge de la batterie


- 39 -

3-3 Différents types de plaque de la batterie

En général, il existe deux plaques dans la batterie :

Les plaques positives

Les plaques négatives

Les plaques positives peuvent être de différents types selon les technologies.

3-3-1 Plaques Planté

Les plaques Planté entièrement en plomb pur, sont striées afin d’augmenter la surface d’échange avec l’électrolyte. La matière active est obtenue en surface de la plaque par formation de type Planté. Son coût élevé et la faible énergie massique font que ce type de plaque n’est plus utilisé que de façon marginale dans certain marché d’export.

3-3-2 Plaques tubulaires

Les plaques tubulaires sont constituées d’épines reliées à une tête de plaque. Les épines sont enfilées dans une gaine tubulaire textile qui reçoit, dans l’espace libre entre l’épine et la gaine, la matière active. Ce type de plaque privilégie la durée de vie en raison de la structure métallographique très fine du plomb qui est injecté sous pression.

Figure 22 : Présentation des plaques tubulaires


- 40 -

3-3-3 Plaques planes

Les plaques planes sont constituées d’une grille en alliage de plomb qui assure la

tenue mécanique de la plaque et la collecte du courant. Sur cette grille on dépose la

matière active. Ce type de grille de moindre épaisseur que celle de la plaque

tubulaire permet d’augmenter le nombre de plaques pour une même capacité. De

cette manière la surface d’échange est augmentée et la résistance interne diminuée.

La structure métallographique du plomb qui dans ce cas ne peut être que coulé par

gravité est moins fine que celle du plomb injecté des plaques tubulaires.

Figure 23 : Présentation de la plaque plane

3-3-4 Les plaques négatives

Elles sont toujours réalisées selon la technologie plaque plane


- 41 -

3-3-4-1Les alliages

Ces plaques sont réalisées en alliage de plomb. Parmi les composants de ces

alliage, on peut trouver soit de l’antimoine, soit du calcium. Ces deux additifs ont pour

principal objectif de donner au plomb (métal très malléable) une tenue mécanique

suffisante pour permettre les manipulations durant la fabrication de l’accumulateur

ou pendant les opérations de transport et d’installation ou, sans oublier, durant le

fonctionnement en utilisation. L’alliage avec l’antimoine est utilisé pour les batteries

de type ouvert. Il a l’avantage de permettre une meilleure durée de vie en utilisation

cyclée.

L’alliage avec le calcium est incontournable pour les batteries de type VRLA. Il

permet de limiter le courant qui circule et de réduire ainsi la consommation d’eau, et

il est également nécessaire pour permettre une bonne recombinaison de gaz.

3-4 La matière active

La matière active est réalisée à partir du plomb pur qui est transformé en une poudre

d’oxyde de plomb. Lors de la formation de la plaque, la matière active positive est

transformée en dioxyde de plomb (PbO2) de couleur brune foncée. La matière active

négative contient également d’autres produits en faible quantité, comme des

expansibles. Lors de la formation l’oxyde plomb est réduit en plomb (Pb) de couleur

gris.

La présentation de la technologie de la batterie de stockage est présentée sur la

figure ci-dessous.


- 42 -

Figure 24 : Présentation de la technologie de la batterie

3-5 La Charge et décharge de la batterie

3-5-1 La Charge

La charge correspond à l’injection d’énergie électrique dans une batterie. Lors de la charge, l’énergie électrique est convertie en énergie chimique. Dès que notre

génératrice fonctionne, le régulateur alimente la batterie en charge.

Par conséquence, à partir du sulfate de plomb et de l’eau formés lors de la décharge,

il y a une nouvelle génération du plomb, du peroxyde de plomb et de l’acide

sulfurique. L’énergie chimique nécessaire à la fourniture d’énergie électrique est

restituée. La masse volumique de l’acide augmente.


- 43 -

3-5-2 Décharge

La décharge correspond au prélèvement de l’énergie électrique d’une batterie. Lors

du processus de décharge, l’énergie chimique est convertie en énergie électrique.

Dès qu’une batterie est reliée à un consommateur en circuit ou elle se décharge.

L’acide sulfurique est décompose. Sa proportion en électrolyte diminue. Il se forme

de l’eau. Sa proportion dans l’électrolyte augmente. La masse volumique de l’acide

diminue. Le sulfate de plomb se forme tant au niveau de la plaque positive que de la plaque négative. Une tension de régulation optimale est essentielle pour la charge. Si la tension du

régulateur est trop élevée, l’électrolyse décompose trop d’eau.

Le niveau d’électrolyte dans la batterie chute au fur et a mesure de son

vieillissement. Si la tension du régulateur est trop faible, la batterie n’est pas chargée

correctement. Le manque permanent de charge réduit la capacité de démarrage de

la batterie et en raccourcit la durée de vie. Lors de la charge d’une batterie, il y a

généralement formation de gaz oxhydrique (ou gaz détonant), d’où il faut faire attention à ce risque d’explosion.


- 44 -

Vers utilisateurs

Figure 24 : Batterie à l’état chargé Figure25 : Décharge de la batterie . 3-6 Grandeurs et termes utilisés en technique des b atteries


- 45 -

3-6-1 Coefficient de charge

Il faut toujours remettre dans une batterie plus de courant qu’elle n’en a fourni pour

retrouver le même niveau. Cette surcharge sert à compenser les pertes

électrochimiques lors de la charge. Pour charger une batterie a 100%, il faut lui

restituer entre 105% et 110% de la capacité prélevée. En ce moment là, le coefficient

de charge vaut 1,05 ou 1,10.

Figure 26 : Courant restitué=105à 110 0

0 et courant prélevé = 00100

3-6-2 Capacité

La capacité, exprimée en ampères-heures (Ah) représente un moyen d’évaluation du

rendement d’une batterie ou d’un élément. La capacité est fonction de la température

de la batterie et du courant de décharge. La capacité disponible diminue très

fortement lorsque les courants de décharge augmentent et que la température

ambiante chute.

La capacité C de la batterie s'exprime en ampères-heures (Ah). C'est la quantité

d'électricité que la batterie chargée peut restituer au cours d'une décharge complète :

C = I t (2-18)

I désigne le courant de décharge et t, la durée de la décharge.

La capacité nominale Cn de la batterie est définie pour une décharge complète à

courant constant pendant une durée connue (20 heures en général).

Elle est alors nommée C20 et le courant débité est noté I20 :

C20 = 20 I20 La capacité réelle de la batterie dépend du courant de décharge


- 46 -

Si le courant moyen de décharge est inférieur à I20, la capacité de la batterie

est supérieure à C20.

Si le courant moyen est supérieur à I20, la capacité de la batterie est

inférieure à C20.

Exemple d’une batterie de 60 Ah : 60 Ah : 20 h = 3 A Une batterie de 60 Ah doit délivrer pendant au moins vingt heures un courant de 3A,

sans que la tension de la batterie ne chute au-dessous de10, 5 V.

Le tableau 6 indique de la capacité de la batterie en fonction du courant de

décharge.

Tableau 6 : Capacité de la batterie en fonction du courant de décharge

Durée de décharge (heures) 1 5 10 20 Courant de décharge (A) 1,7 0,44 0,26 0,14 Capacité (Ah) 1,7 2,2 2,6 2,8

3-6-3 Courant débuter à basse température Le courant débité à basse température caractérise l’aptitude au démarrage de la

batterie par temps froid. Le courant à basse température est le courant de décharge

indiqué par le fabricant qui doit être fourni par une batterie neuve, entièrement

chargée, à la température de 18 °C pendant une période spécifiée dans les normes.

La valeur ne doit pas chuter en dessous d’un seuil de tension précise dans la norme.

La figure 27 présente la capacité disponible d’une batterie (12 V 100 Ah) en fonction

de la température et du courant de décharge, pour un temps de décharge de 20 h et

un état de charge de 100%.


- 47 -

Figure 27 : Capacité disponible d’une batterie (12 V 100 Ah) en fonction de la température et du courant de décharge, référence à un temps de décharge de 20 h et un état de charge de 100%.

3-6-4 Tension d’élément La tension d’élément est la différence de potentiel entre les plaques positives et

négatives dans l’électrolyte. La tension d’élément n’est pas une constante. Elle

dépend essentiellement de l’état de charge (masse volumique de l’électrolyte). La

dépendance entre la tension d’élément et la température est négligeable. La tension

nominale d’un élément est par contre constante. Elle s’élève jusqu’à 2 V.

.

Figure 28 : Tension nominale d’un élément

3-6-5 Tension nominale

Sur les batteries utilisées en éolienne ou en solaire, la tension nominale d’un élément

est définie par des normes. La tension nominale d’une batterie est obtenue en

multipliant la tension nominale des différents éléments par le nombre d’éléments. La

tension nominale normalisée des batteries est de 12 V (voir figure 29).


- 48 -

Figure 29 : Représentation de la batterie avec ses plaques

3-6-6 Tension aux bornes La tension aux bornes est la tension entre les deux bornes de la batterie.

3-6-7 Tension de dégagement gazeux La tension de dégagement gazeux est la tension de charge au-dessus de laquelle un

dégagement gazeux de la batterie commence nettement à se produire.

Le dégagement gazeux débute à partir d’une tension aux bornes de 14,4 V (tension

d’élément 2,4 V). Un fort excèdent d’hydrogène peut être produit (gaz détonant)

ainsi il faut faire très attention avec ce phénomène entraînant aussi un risque

d’explosion

3-6-8 Tension au repos La tension au repos, ou tension à vide, correspond à la tension d’une batterie non

sollicitée, déconnectée, une fois une valeur d’équilibre atteinte.

3-7 RENDEMENT DE LA BATTERIE

3-7-1 Rendement en quantité d'électricité : C'est le rapport entre le nombre d'ampères-heures restitués par la batterie lors

de la décharge et la quantité d'électricité reçue lors de la charge :

ch

de

Q

Q=η (2-19)

Le rendement est de l'ordre de 85 %.


- 49 -

3-7-2 Rendement énergétique : Le rendement énergétique est le rapport entre le nombre de wattheures restitués

par la batterie lors de la décharge et le nombre de wattheures reçus lors de la

charge :

(2-20)

• est de l'ordre de 75 % (Ce rendement est plus faible que le précédent car

les ampères-heures ne sont pas stockés et restitués à la même tension).

• : nombre de wattheures restitués par la batterie lors de la décharge

• : nombre de wattheures reçus lors de la charge

Conclusion générale

- 49 -

CONCLUSION GENERALE Le régulateur est un élément fondamental pour une éolienne ; il est le lien entre le

système de production de puissance et les batteries. Tout en assurant l’optimisation

de la charge des batteries et la sécurité du système contre les surcharges.

Pour avoir un système de régulation fiable, on doit bien étudier ses fonctionnements

en s’appuyant sur les grandeurs à régler. Pour cela, on a installé des dispositifs de

mesure et d’acquisition des données pour avoir automatiquement la variation des

paramètres tels que la tenson délivrée par l’éolienne et la vitesse du vent.

D’après les données qu’on a eu, on observe que la tension délivrée par l’éolienne

varie beaucoup donc on doit la régler d’où nécessité de l’étude du régulateur de

tension.

Un régulateur de tension est un dispositif électronique pour maintenir stable la

grandeur de sortie autour d’une valeur de consigne donnée. On distingue 3 modes

de régulation, la régulation avec un régulateur classique avec diode Zener la

régulation à partir de l’entrée avec des transistors montés en Darlington, la régulation

à partir de la sortie à deux transistors et à Diode Zener.

Pour stocker l’énergie, on utilise des batteries, il assure un rôle important dans le

système et son choix nécessite une étude préalable.

ANNEXE 1 EXEMPLES DES DISTRIBUTIONS DE LA TENSION

FOURNIE PAR L’AEROGENERATEUR AU COURS DE LA JOURNEE

Annexe1

-50-

EXEMPLES DES DISTRIBUTIONS DE LA TENSION FOURNIE PAR L’AEROGENERATEUR AU COURS DE LA JOURNEE

25/07/08

22/07/08

Annexe1

- 51 -

02/08/08

06/08/08

Annexe1

- 52 -

14/08/08

19/08/08

Annexe1

- 53 -

14/07/08

08/09/08

Annexe1

- 54 -

11/09/08

18/09/08

Annexe1

- 55 -

26/09/08

03/10/08

Annexe1

- 56 -

05/10/08

10/10/08

ANNEXE 2 DETERMINATION DES CARACTERISTIQUES DU

REGULATEUR

- 57 -

DETERMINATION DES CARACTERISTIQUES DU REGULATEUR

- 58 -

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

[1] A.CHEVALIER, « Guide du technicien industriel », Edition 1982

[2] Désiré Le GOURIERER, « Energie éolienne : Théorie, Conception et Calcul

pratique des installations », Edition EYROLLES, 198 0.

[3] Emmanuel Riolet, « Le mini- éolien », Edition EYROLLES, 1980 .

[4] G. Pissarenko, A. Yankoviev et V. Matveev, « Ai de mémoire de Résistance

des matériaux », traduit du russe par SEGASAYO, Edition Mir Moscou .

[5] Guy CUNTY, « Eoliennes et Aérogénérateurs », Guide de l’énergie éolienne,

Edition 1979.

[6] H. GLAUERT, traduction française par A. TENOT et R.

KEERENS, « Aérodynamique, Ailes portantes et hélice s », DUNOD, Paris1947.

[7] JUSTUS C.G, traduit par J.L PLAZY, « vent et performances des éoliennes »,

France 1980.

[8] www.windpower.org/composite-192.htm .

[9] http://www.planete-eolienne.fr .

TITRE : ETUDES D’UN REGULATEUR DE TENSION D’UN AERO GENERATEUR

CLASSIQUE 500WATTS A ALTERNATEUR DISCOÏDE

RESUME:

Le présent travail est divisé en trois (03) parties. Dans la première partie, un dispositif de

suivi et d’acquisition automatique des données délivrées par l’aérogénérateur est conçu et

réalisé. L’enregistrement s’effectue toutes les cinq (05) secondes pendant 24 heurs. Mais

devant l’instabilité de la tension délivrée de l’éolienne, des études et analyses de la

régulation du courant de charge sont décrites dans la deuxième partie. Deux types de

régulation sont analysés : régulation en amont et régulation en aval. Le régulateur en amont

met en œuvre deux transistors montés en Darlington pour assurer la stabilisation du courant

de charge vis-à-vis de la variation de la tension générée. Quant au régulateur en aval, il fait

également intervenir deux transistors comme éléments actifs réagissant aux variations de la

tension de charge, ceci grâce à un pont diviseur monter en parallèle avec la batterie. La

troisième et dernière partie est consacrée à l’étude du système de stockage d’énergie

électrique : la batterie.

Mots clés : aérogénérateur, régulateur, éolienne, Darlington, charge, batterie, accumulateur ABSTRACT:

The present memory is divided into three parts. In the first part, a device for the automatic

and continuous measurement of tensions delivered by the wind generator is conceived and

realized. The registration takes place every 5 seconds during 24 hours. But, in front of the

instability of the tension delivered by the wind generator, studies and analysis of the load

current regulation are described. Two types of regulation are analyzed: upstream regulation

and downstream regulation. On the hand, the upstream regulator uses two transistors

assembled in Darlington in order to stabilize the load current facing the variation of input

generated tension. On the other hand, the downstream regulator utilizes also two transistors

as active elements reacting, regulation, to variations of the output load tension through a

bridge divider. The bridge is connected in parallel with the battery. The third last part is

dedicated to the study of the electric energy storage system: the battery.

Keywords: generator, regulator, wind, Darlington, load, battery, accumulator.

Encadreur: Impétrant:

RASAMIMANANA François de Salle RANDRIAMALAZA Arsène

Maître de Conférences Tél : 03416 336 68

[email protected]

Lot 1093 Cité67Ha Nord Ouest A ntananarivo

Documents

randriamalazaArsene PH M2 08