Présentation du TP «(télé)gestion d une éolienne»

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1 Présentation du TP «(télé)gestion d une éolienne» Cette séquence d apprentissage est destinée à découvrir et appréhender un savoir nouveau. Principes à découvrir : Quantification de la puissance du vent. Conversion de l énergie cinétique du vent en énergie électrique. Contrôle et exploitation de la puissance fournie par l éolienne. Relation caractéristique d une Machine à Courant Continu. Thèmes abordés, par ordre d importance. Axe Thématique Contenu associé CI.7 : Comportement dynamique et énergétique du système. E4 Architecture, puissance et rendement d une chaîne énergétique. Transformation de différente formes d énergie, leur dégradation et les paramètres permettant d améliorer le rendement. CI.8 : Pilotage, contrôle et comportement d un système pluritechnique. E6 Modulation de l énergie (liaison avec la chaîne d information). Modifications des paramètres permettant d améliorer le rendement. Modification des caractéristiques électriques de la puissance de sortie. CI.3 : Motorisation, conversion d énergie. E1 Structure et fonctionnement d un moteur courant continu à vitesse variable. Relation tension de sortie/vitesse de rotation en mode. Mise en évidence de la réversibilité du moteur à courant continu. Objectif terminal Modifier les paramètres permettant d améliorer le rendement d un système de production d énergie. Prérequis. Notion de puissance et d énergie mécanique. Notion de puissance électrique en courant continu. Connaissance sommaire des machines à courant continu. Objectifs opérationnels. Mettre en pratique les notions théoriques en modifiant les différents paramètres de l éolienne. Transférer les observations d une éolienne modèle réduit à une éolienne de taille réelle. Conditions de réalisation : Temps : 3 heures. Situation : Travail en binômes ou individuel Travail demandé : Voir sujet du TP.

2 (Télé)gestion d une éolienne Introduction. A l issue de cette séquence d apprentissage, l élève devra connaître les paramètres permettant d exploiter correctement une éolienne. L accent sera mis sur la puissance électrique restituée en fonction de la puissance du vent absorbée et des paramètres tels que l orientation des pâles, la tension de sortie voulue et la charge de la (à vide, charge résistive ou batterie 12V). Elle est destinée plus particulièrement au première S option SI. 1) Etude théorique et ordres de grandeurs. 11) Energie cinétique du vent fournie à une éolienne. Wc = ½ m υ 2 Wc : énergie en Joule υ : vitesse du vent en m/s. m : masse d air traversant la surface balayé par les pales de l éolienne (en kg). 12) Puissance théoriquement disponible au niveau de l éolienne. Masse d air traversant la surface balayé par les pales en 1 seconde : m = ρ V = ρ S l ρ : masse volumique de l air (1,225kg/m 3 ). V : volume du cylindre en m 3. S : surface balayée par les pales (π d 2 / 4) en m². l : longueur parcourue par le vent en une seconde en m. υ : vitesse du vent en m/s ; υ = l/t l S d On peut donc écrire : Wc = ½ ρ S l υ 2 Pvent = Wc/t = ½ ρ S υ 2 l/t Pvent = ½ ρ S υ 3 Avec P vent : puissance du vent fournie à l éolienne.

3 Malheureusement cette énergie ne peut être captée car la vitesse du vent en aval du dispositif de récupération n est jamais nulle. La théorie de Betz montre que le maximum d énergie pratiquement récupérable est égal à 16/27 de l énergie totale (60%). Pvent = 16/27. ½ ρ S υ 3 Pvent = 0,363 S υ 3 P vent : puissance du vent fournie à l éolienne en W υ : vitesse du vent en m/s. S : surface balayée par les pales (π d 2 / 4) en m². 13) Conséquences : a) La puissance du vent P est proportionnelle à la surface balayée par les pales et donc proportionnelle au carré de la longueur des pales (S = π d 2 / 4). Si on double la longueur des pales, on multiplie par 4 la puissance du vent fournie à l éolienne. b) La puissance de vent P est proportionnelle au cube de la vitesse du vent. Si on double la vitesse du vent, on multiplie par 8 la puissance du vent fournie à l éolienne. 14) Ordres de grandeurs. Appliquons les formules précédentes à une éolienne moderne de puissance nominale de 1000kW (1MW). Elle possède des pales de 27m de long. L axe du rotor est entre 50m et 80m de hauteur. La puissance donnée est la puissance nominale fournie par l alternateur et est donnée pour un vent de 15m/s environ. a) Calculer la masse d air traversant la surface des pales en 1s pour un vent de 1m/s. b) Calculer la puissance du vent absorbée par l éolienne pour 15m/s de vent. c) Calculer le rendement de l éolienne pour un vent de 15m/s. (La puissance fournie par l éolienne dans ces conditions est Pu = 1MW). L éolienne de notre banc d essai possède un diamètre de rotor de 58,2cm. Calculer la puissance fournie à l éolienne pour des vitesses de vents de : vent (v vent en km/h) vent (v vent en m/s) Puissance vent théorique (P vent en W)

4 15) Conclusions. la puissance fournie par le vent est extrêmement variable puisqu elle est proportionnelle au cube de sa vitesse. la puissance du vent sera 1000 fois plus grande pour un vent de 150km/h que pour un vent de 15km/h. Pour exploiter au mieux l énergie du vent, il faut une mécanique «bien huilée» lorsque le vent est faible et une mécanique très solide pour résister aux rafales exceptionnelles. Les éoliennes fonctionnent en générale pour des vitesses de vent comprises entre 15km/h et 90km/h. Au delà on arrête l éolienne pour éviter toute destruction. Les performances d une éolienne seront jugées vis à vis de la quantité d énergie fournie sur une longue période en situation et en fonction d une utilisation définie. 2) Expérimentation. 21) Sensibilisation à angle d attaque des pales. Afin d obtenir une meilleur efficacité de l éolienne, les pales sont orientables. On propose de montrer influence de l angle de ces pales et de définir quels sont les paramètres à prendre en compte pour le régler. Procédure à suivre : Ce qu il faut faire vent Ce qui se passe rotation Positionner la charge de la sur résistance et régler sa valeur sur infini. 5 0km/h L éolienne ne tourne pas 0 Augmenter la vitesse du vent jusqu à 24, Conclusion : L angle optimal des pales dépend de la vitesse du vent et de leur vitesse de rotation.

5 Dire à quelle configuration correspond chaque figure. Justifier alors ce qui se passe. Pas de déplacement de la pale Pas de déplacement de la pale Vent dû au déplacement de la pale Vent résultant des 2 composantes 22) Relation entre vitesse de rotation et tension de sortie de la. Rappel sur les Machines à Courant Continu (MCC): Modèle équivalent à l induit de la MCC: E : force électromotrice = tension à vide (en V) Ω : vitesse de rotation angulaire en radian/seconde (rd/s) φ : flux magnétique créer par l inducteur en Wéber (Wb) il est constant pour cette machine à aimant permanent. C : couple mécanique sur l arbre moteur (en N.m) I : courant dans l induit (en A). k : coefficient commun aux 2 formules et caractéristique de la machine. : résistance de bobinage de l induit. La relation E = k.φ.ω s établit lorsque la ne débite pas de courant (à vide) pour ne pas prendre en compte les chutes de tension dans l induit. 10. Supprimer la charge de la (résistance de charge infini). Modifier la vitesse du vent de manière à renseigner le tableau suivant : rotation géné (v rot en tour/s) Tension à vide (E en V) Coefficient k.φ=e/ω X

6 a) En déduire le coefficient k.φ caractéristique de la. b) On se place maintenant dans le cas où la débite un courant de 2A. calculer le couple résistant imposé par la à l éolienne. (Ne pas faire l essai). 23) Régulation de la tension de sortie de la. On souhaite obtenir en sortie de la une tension standard U géné = 12V quelque soit le vent. Pour cela on peut agir sur l angle des pales, mais on exploitera mal l éolienne. Par contre ou peut faire varier le courant débité par la, on augmente ainsi sa charge, ce qui la ralentira ; plus la fournit de la puissance, plus elle offre un couple résistant à sa rotation. 10. Positionner la charge de la sur résistance et régler sa valeur pour obtenir 12V en sortie. vent (v vent en km/h) rotation géné (v rot en tour/s) Tension (U en V) Courant (I en A) Puissance utile (P U en W) On se rend compte que l on peut réguler la tension de sortie de la en modifiant sa charge. Par contre cette variation se faisant manuellement, ce n est pas exploitable : il faudrait une charge variable. a) On a vu dans la préparation que l éolienne devait être stopper pour des vents de vitesse supérieures à 90km/h. Proposer 2 solutions pour arrêter l éolienne sans frein mécanique.

7 23) Couplage de la sur une batterie. Dans ce cas la batterie sert de charge variable. Sa résistance série interne étant très faible, elle peut absorber une puissance importante tout en maintenant une tension à ses bornes égale environ à 12V. Essayons d obtenir les meilleurs performances de l éolienne dans ces conditions. Pour cela on règle l angle des pales pour obtenir la puissance maximale en sortie (faire des essais entre 4 et 10 ). Positionner la charge de la sur batterie. vent (v vent en km/h) Puissance vent théorique (P vent en W) 0 0,4 3,5 11,8 27,9 54,6 94, Angle des pales ( θ en ) rotation géné (v rot en tour/s) Tension (U en V) Courant (I en A) Puissance utile (P U en W) Rendement de l éolienne (η sans unité) a) Dire pourquoi pour des vitesses de vent trop faibles le courant est négatif. b) Surligner les cases du tableau où la batterie entraîne l éolienne. On remarque que si le vent n est pas suffisant, c est la batterie qui entraîne l éolienne. Dans ce cas on dépense inutilement de l énergie. c) Proposer un schéma de câblage évitant cette dépense d énergie inutile (l éolienne sera alors à l arrêt).