niversité oulay smail
École Nationale Supérieure d’Arts et Métiers MEKNES
RAPPORT FINAL DU PROJET DU BUREAU D’ETUDE III Intitulé :
Conception et Dimensionnent D’une éolienne tripale
Réaliser par : Mohamed Amine HAMDAOUI
Encadré par : M. Ali CHAABA M .ARBAOUI
A n n é e U n i v e r s i t a i r e 2 0 0 7 -2 -2 0 0 8
.
SOMMAIRE 1.
......................................................................................................................................................................... 3 Introduction .........................................................................................................................................................................
1.1.
.................................................................................................................................................................... 3 Historique ....................................................................................................................................................................
1.2.
Technologie ........................................................................................ ......................................................................... 3
1.3.
Importance de l'évaluation des ressources éoliennes ........................................................................ 3
1.4.
.............................. ............................................................................................... 3 Les éoliennes dans le monde .............................................................................................................................
1.5.
.................................. ............................................................ 4 Impacts de l'éolienne sur l'environnement ..............................................................................................
1.6.
Perspectives d'avenir de la technologie éolienne au Maroc ............................................................ 4
2.
Description d’une d’une éolienne .......................................................................................................................................... 5
3.
................................................................................................................................................................ 6 Étude Technique Technique ................................................................................................................................................................
4.
3.1.
..................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................ 6 Pales fixes .........................
3.2.
...................................................................................................................................................... 9 Pales en rotation ......................................................................................................................................................
3.3.
................. ........................................................................................................................ 10 Loi (Np – Vv) et ( et (β – x).........................................................................................................................................
3.4.
Loi Fv - Cp........................................... ........................................................................................................................ 11
Conception du circuit hydrauliq circuit hydraulique ue ....................................................................................................................... 14 4.1.
.................................................................................................................................................. .......................................................................................... 14 Schéma du circuit ........................................................
4.2.
.................................. .......................................................................................... 16 Dimensionnement du Dimensionnement du Vérin ............................................................................................................................
4.3.
Dimensionnement du Dimensionnement du distributeur du vérin vérin ......................................................................................... 18
4.4.
Dimensionnement du Dimensionnement du régulateur de débit ............................................................................................. 19
4.5.
.................... ..................................................................................... 19 Pression et Puissance et Puissance (Récepteur (Récepteur 1) .........................................................................................................
4.6.
Dimensionnement de Moteur ................................... ..................................................................................... 19
4.7.
Dimensionnement du distributeur du moteu moteur..................................................................................... 20
4.8.
Dimensionnement du Dimensionnement du régulateur du moteur ........................................................................................ 21
4.9.
Pression et Puissance et Puissance (Récepteur 2) ......................................................................................................... 21
4.10.
........................................................ ....................................................... 21 Dimensionnement de la pompe ........................................................
4.11.
Dimensionnement des conduites..................................................... ....................................................... 23
4.12.
Calcul de la pression pression de tarage et du et du limiteur de pression ....................................................... 24
4.13.
Moteur de pompe ............................................................................................................................................. 24
4.14.
............................................ ................................................................................................. 25 Bilan énergétique............................................
4.15.
Système de freinage : .................................... ................................................................................................. 25
5.
Travail CATIA CATIA (Voir CD et Dessin et Dessin en annexe) ................................................................................................ 27
6.
Conclusion .......................................................................................................................................................................... 27
1. Introduction 1.1. Historique Il y a bien longtemps que les hommes ont imaginé des moyens pour exploiter le vent. On a trouvé, chez les Perses et dans la région de la Mésopotamie, des roues à aubes que le vent faisait tourner. Vers le XIIe siècle apparaissent en Europe, jusqu'en Grèce, les premiers moulins à vent, étranges machines tournantes qui servaient surtout à remplacer les animaux pour les travaux harassants. Cependant, cette éolienne, l’une des plus anciennes machines capables de fournir une puissance mécanique, était sur le point de devenir une pièce de musée s’il n’y avait pas eu les deux chocs pétroliers des années 70 et surtout les multiples inquiétudes objectivement fondées tant sur les risques que fait courir à l’environnement l’utilisation des combustibles fossiles que sur la menace d’épuisement de leurs réserves exploitables, dans un avenir qui ne tardera pas à voir le jour.
1.2. Technologie Les principes de l’éolienne sont anciens de telle sorte que la conception de celle‐ci n’a guère changé au cours des siècles, mais les matériaux et la technologie ont évolué. Le développement technique des éoliennes modernes a emprunté beaucoup à l'aviation et les pales d'aujourd'hui sont réalisées en fibre de verre et en matériaux composites, notamment avec de la fibre de carbone (légère et résistante). La plupart des éoliennes modernes sont à axe horizontal, et sont munies de 3 pales, mais il existe des éoliennes à 2 pales ou à une seule Il existe aussi d’autres variantes d’éoliennes, dont principalement le rotor Darrieus et le rotor Savonius qui tournent, contrairement aux éoliennes précédentes, autour d’un axe vertical.
1.3. Importance de l'évaluation des ressources éoliennes En raison des phénomènes météorologiques et de la forme des reliefs, le vent est sans doute l’une des sources d’énergie qui varie de la façon la plus aléatoire. A cause de cette irrégularité du vent, l’intérêt économique de l’énergie éolienne peut être considérable en un lieu donné et négligeable dans un autre pourtant voisin. C’est la raison pour laquelle, l’énergie éolienne doit être prospectée, comme c’est le cas pour beaucoup d’autres sources d’énergie.
1.4. Les éoliennes dans le monde La puissance électrique d'origine éolienne installée dans le monde a été de près 9362MW fin 1998 et a cru de 64% par rapport à 1996 ; l’Allemagne, en première position, en détient à elle seule 2875 MW. Depuis plus de 15 ans, on assiste à une diminution progressive des coûts et un accroissement de la fiabilité mécanique des aérogénérateurs le coût totale d'investissement est actuellement de l'ordre de 1200 US$/kW et la fiabilité technique dépasse 95%. En même temps la puissance unitaire est en augmentation continue. La puissance unitaire moyenne des aérogénérateurs, utilisés dans les parcs éoliens en Allemagne et ayant atteint 50 kW au milieu des années 80, est passée en 1998 à700 kW.
1.5. Impacts de l'éolienne sur l'environnement Réduction de l'émission de gaz a effet de serre et d'autre polluant et substitution des ressources épuisable par une autre non ‐épuisable. On peut résumer les impacts de l'éolienne relevés jusqu’à ce jour, essentiellement dans les émissions sonores qu’engendre la rotation des pales du rotor et le danger que peuvent présenter dans certains cas, les aérogénérateurs en fonctionnement, sur la vie des oiseaux. Concernant les émissions sonores, des efforts considérables sont été déployés dans le but de réduire celui‐ci à un niveau plus bas. Les fabricants ont ainsi réduit cette nuisance potentielle en améliorant l'aérodynamisme des pales, en trouvant des moyens pour réduire le bruit des engrenages dans la nacelle et plus récemment, en supprimant complètement le multiplicateur de vitesse. Quant à l'impact des éoliennes sur les oiseaux, plusieurs études scientifiques ont démontré que la plupart des oiseaux identifient et évitent l'hélice qui tourne. Il est néanmoins essentiel de s'assurer que le lieu d'un projet d'implantation d'éoliennes ne se situe pas dans un couloir de migration d'oiseaux, ni à proximité d'un site de reproduction.
1.6. Perspectives d'avenir de la technologie éolienne au Maroc Avec à la fois des gisements éoliens importants (surtout au nord et au sud du pays) et un potentiel scientifique et technologique à la hauteur des ambitions de notre pays, le Maroc dispose des atouts nécessaires pour développer et tirer profit de cette technologie. Celle‐ci est donc à même de créer une dynamique qui peut amener les opérateurs économiques à investir dans ce secteur. Ce qui peut engendrer l’émergence d’un tissu industriel à f ort potentiel de création d’emploi Mais, en attendant, les petits pas réalisés jusqu’à maintenant peuvent être qualifiés d’importants. En effet, dans le cadre de la politique de production concessionnel d’électricité initiée par l’ONE, il est prévu de réaliser un parc éolien de 50 MW à Koudia Al Baida dans la province de Tétouan et un projet d'installation de 200 MW est en cours de préparation.
2. Description d’une éolienne Une éolienne permet de transformer l'énergie cinétique du vent en énergie électrique. Elle se compose des éléments suivants : • Un mât permet de placer le rotor à une hauteur suffisante pour permettre son mouvement (nécessaire pour les éoliennes à axe horizontal) et/ou placer ce rotor à une hauteur lui permettant d'être entraîné par un vent plus fort et régulier qu'au niveau du sol. Le mât abrite généralement une partie des composants électriques et électroniques (modulateur, commande, multiplicateur, générateur, etc.). • Un rotor , composé de plusieurs pales (en général trois) et du nez de l'éolienne. Le rotor est entraîné par l'énergie du vent, il peut être couplé directement ou indirectement à une pompe (cas des éoliennes de pompage) Source : Wikipedia ou plus généralement à un générateur électrique. Le rotor est re lié à la nacel le par le moyeu. • Une nacelle, montée au sommet du mât, abritant les composants mécaniques, pneumatiques, certains composants électriques et électroniques, nécessaires au fonctionnement de la machine. • Frein d’urgence, Ce mécanisme se déclenche automatiquement lorsque la vitesse atteint un certain seuil par l’intermédiaire d’un détecteur de vitesse. En cas de ralentissement du vent, le frein est relâché et l’éolienne fonctionne de nouveau librement.
3. Ét ude Technique On a :
C1
dS
r1‐r2
Avec r‐r2
On va faire notre étude dans les de ux cas :
‐ ‐
Pales fixe : aucune rot ation Pales en rotation
C2
3.1.Pales fixes Dans le cas des pales fixes, on a :
On pose
3.1.1. Couple du moteur de la nacelle L’effort par pale est : L’objectif est de trouver la valeur maximale de F. Pour cela on va maximiser par rapport à θ puis par rapport à Cx, Cz. En dérivant la fonction par rapport à θ, on tro uve : Avec Il faut maximiser par rapport à Cx, Cz, pour cela on choisie un profil est caractérisé par le polaire d’équation : Avec Le problème revient à trouver le maximum de la fonction :
. Ce profil
% Déclaration des constantes rhoair = 1.25 ; C1 = 0.6 ; C2 = 1.7 ; r1 = 14.0 ; r2 = 1.0 ; V = 25 ; Cz = -0.9:0.01:0.9; for i=1 : 181 gama = 0.25 * rhoair * (C1+C2) * (r1-r2) * V^2 ; a = Cz(i)/(0.036+0.0666*Cz(i)^2); F(i) = gama * ( Cz(i)*sin(atan(a)) + (0.036+0.0666*Cz(i)^2)*cos(atan(a)) ) ; end plot(Cz,abs(F)); title('Variation du couple Nacelle en fonction de Cz'); xlabel('Cz'); ylabel('C(N.m)');
Ainsi la valeur maximale de l’effort sur une pale est
Alors le couple maximal sur la couronne de la nacelle est :
Avec d : distance entre le centre de la nacelle et la pale, on prend d 3 mètres
3.1.2. Couple sur la pale L’effort normal sur la pale est : De la même façon que le paragraphe précédent, on doit maximiser la fonction :
rhoair = 1.25 ; C1 = 0.6 ; C2 = 1.7 ; r1 = 14.0 ; r2 = 1.0 ; V = 25 ; Cz = -0.9:0.01:0.9; for i=1 : 181 gama = 0.25 * rhoair * (C1+C2) * (r1-r2) * V^2; if Cz(i)== 0 F(i) = -gama * 0.036 ; else a = (0.036+0.0666*Cz(i)^2)/Cz(i); F(i) = gama * ( Cz(i)*cos(atan(a)) - (0.036+0.0666*Cz(i)^2)*sin(atan(a)) ) ; end end plot(Cz,abs(F)); title('Variation de l"effort normal sur la pale en fonction de Cz'); xlabel('Cz'); ylabel('F(N)');
Résultat :
Ainsi :
Pour calculer le couple induit par cet eff ort, il calculer le centre de poussée de la pale. le centre de poussée Px, y est défini par :
y C1
Pour faciliter le calcul, soit le centre de poussée de la surface S1 et le centre de poussée de la surface S2. On a :
S1
S2 C2
Avec : Et Le calcul donne :
Pour maximiser le couple, on suppose que l’axe de la pale est l’axe OY. Le couple induit par la force normale sur la corde de la pale est donc :
Alors
3.2.Pales en rotation Dans le CAS des pales fixes, on a :
Avec
De même que dans le paragraphe précédent, on calcul le couple maximal dans la couronne de la nacelle et le couple dans la pale. On trouve :
x
et Remarque : Pour calculer la puissance du moteur entrainant la couronne de la nacelle, il faut choisir le rapport de réduction entre pignon du moteur et couronne de la nacelle. Et cela en respectant les rendements mécaniques des la transmission.
3.3.Loi (Np – Vv) et (β – x) Après un déplacement Δx, on a la figure suivante : A
J
A’
α
B
µ
θ
λ
λ
I
B’ β
O’ ABO’ : configuration initiale A’B’O’ : configuration après déplacement Δx Nous allons calculer x = f(β) avec x le déplacement du verin.
Considérons le triangle A’B’J :
On a Avec
sin α JB'
=
sin π
2=
A' B'
sin(θ ) AB + Δ x − BJ
=
sin(π − α )
2
AB + Δ x − BJ
⎧ A' B ' = AB = b ⎨ ⎩ BJ = OB' sin β = OB sin β = a sin β cos(α ) =
b + Δ x − a sin( β )
(I)
b
Considèrons le triangle O’B’B :
On a :
sin( β ) B ' B
=
sin λ O ' B '
=
sin(
(π − β ) O ' B
)
2 =
cos( β )
2
a
λ =
π − β
2
B' B = a *
Car le triangle O’B’B est isocèle.
sin( β ) cos( β )
a
2
Considérons le triangle A’BB’ :
On a
sin α BB'
=
sin( μ ) A' B'
D’après (a), on a :
=
sin(π − λ )
2
AB
π − β sin(π − ( ))
=
2
2
b
β sin( β ) sin( 2 ) sin α = a * * β b cos( )
=
β sin( ) b
2 .
(II)
2
Et d’après (I) et (II) on trouve que : 2
⎛ 2 sin( β ) ⎞⎟ ⎜ sin( β ) ⎛ b + Δ x − a sin( β ) ⎞ 2 * ⎟ =1 ⎜a* ⎟ +⎜ β b b ⎠ ⎜ cos( ⎟ ⎝ ⎝ ⎠ 2) Δ x = b 2 − ( a * tg ( β 2) * sin( β )) 2 + a sin( β ) − b Nous savons que la course de la pale est β = 40° . On prend a=40cm et b=50cm.
Course = 24.82 cm
Donc la course du vérin sera :
Si on dérive la relation précédente on trouve la relation entre la vitesse du piston du vérin et la vitesse de rotation de la pale : ⎛ ⎛ a * sin( β ) ⎞ ⎞ ⎜ ⎟⎟ ⎟ ° (a * tg ( β / 2) * sin( β )) * ⎜⎜ a * tg ( β 2 ) * cos( β ) + 2 ° 2 cos ( β 2 ) ⎜ ⎝ ⎠ ⎟ * x = ⎜ a * cos( β ) − ⎟ β 2 2 b ( a * tg ( β 2 ) * sin( β )) − ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ °
Si on prend
β = 23.27 * 10−
3
rad / s
(c.-à-d. une rotation de 40° dans 30s).
On trouve la vitesse moyenne du piston du vérin :
3.4.Loi Fv - Cp On isole la barre AB, on trouve l’équation suivante (Voir schéma page suivante)
Avec
D’où :
Cette force est induite par une seule pale, pour 3 pales on a :
Ainsi
Schéma cinématique tu système Pale Rotor Rotor
O1
C1 Biell B
A Plaque
Tige du vérin C
O1
Corps du
A
Fv
B
α γ
Fp
β
Rotor O1
C1 C
O
Schéma du module de calage des pales
4. Conception du circuit hydraulique 4.1.Schéma du circuit
4.2.Dimensionnement du Vérin On a les données suivantes :
• • • •
4.2.1. Choix On a :
Alors d’après le catalogue ATOS (B015.pdf), on trouve :
Diamètre piston = 125 mm Pour calculer le diamètre de la tige, on utilise le critère de vérification au flambage : On a : Course = 400 mm Donc : Li = 800mm Alors :
;
F = 12000 N ;
K=2
Le diamètre de la tige doit être supérieur à 45, alors d’après les valeurs normalisées, on a :
Diamètre tige = 56 mm Ainsi notre vérin choisi est :
• • • •
Réf : CK 125/56*400 P 0 Piston 125 mm Tige 56 mm Course 400 mm
4.2.2. Vérification On a :
et
Or
et
Le vérin résiste en flambage.
4.2.3. Calcul du débit Vérin On a :
Alors :
Vu l’absence dans le catalogue, d’un abaque ou méthode pour trouver le rendement volumétrique, on peut prendre par exemple Alors :
4.2.4. Pression et Puissance réels du Vérin La pression transmise par le vérin : La puissance transmise par le vérin :
4.3.Dimensionnement du distributeur du vérin
D’après le catalogue ATOS (E010.pdf), on choisie :
DHO-0711/2 XK Ce distributeur induit à une perte de charge :
4.4.Dimensionnement du régulateur de débit La charge doit translater avec une vitesse V = 0.08 m/s, ce qui est équivalent à un débit au coté tige
D’après catalogue ATOS (C321.pdf), on choisie :
QV20/2/K Ce composant induit à son tour une perte de charge, et depuis le catalogue) : Il faut tourner le « knob » cinq fois pour avoir le débit souhaité.
4.5.Pression et Puissance (Récepteur 1) Nommons l’ensemble Vérin+Dist. Vérin+ Régulateur, récepteur 1. On a :
Et Cette ensemble peut être considérer comme récepteur pour la pompe.
4.6.Dimensionnement de Moteur 4.6.1. Choix Puissance apparente
On a deux valeur pour Alors
pour Ou
pour
D’après catalogue PARKER-CALZONI, on choisie :
• • • •
Réf : Cylindrée :
4.6.2. Calcul des rendements
D’après le graphe ci-dessus, on relève :
et
et
4.6.3. Calcul du débit réel On a :
>>
4.6.4. Calcul de la pression et Puissance Moteur On a la puissance dans le moteur s’écrit :
>>
Et la puissance absorbée par le moteur sera : >>
4.7.Dimensionnement du distributeur du moteur
D’après le catalogue ATOS (E010.pdf), on choisie :
DHO-0711/2 XK Ce distributeur induit une perte de charge :
4.8.Dimensionnement du régulateur du moteur
D’après catalogue ATOS (C321.pdf), on choisie :
QV20/2/K Ce composant induit à son tour une perte de charge, et depuis le catalogue) : Il faut tourner le « knob » trois fois pour avoir le débit souhaité.
4.9.Pression et Puissance (Récepteur 2) Nommons l’ensemble Moteur+Dist. Moteur+ Régulateur, récepteur 2. On a :
Et Cette ensemble peut être considérer comme récepteur pour la pompe.
4.10. Dimensionnement de la pompe 4.10.1. Choix On a pour le dimensionnement d’une pompe en utilisant le critère de la puissance apparente :
Or on a
est déjà inclus dans les puissances des récepteurs, et on prend
Et vous avez imposé D’où
, on a
Alors d’après le catalogue ATOS (A005.pdf )ci-dessus, on choisie :
• • • •
4.10.2.
Réf : Cylindrée :
Détermination de la vitesse et rendement volumétrique
Le fonctionnement du système impose que la pompe fournis au moins 60 l/min. alors d’après catalogue suivant, on a :
En plus on trouve le rendement volumétrique :
>>
4.10.3.
Détermination du couple pompe et du rendement mécanique
On négligeant dans une première partie, les pertes de charges linéaire, on a :
En plus on trouve le rendement volumétrique :
>>
(Récepteur 2)
>>
(Recepteur 1)
le
4.11. Dimensionnement des conduites 4.11.1. Conduite de refoulement Pour déterminer le diamètre de la conduite de refoulement, on impose la vitesse limite d’huile dans la conduite a , alors on a :
>>
TUYAU R8-16
Estimation des pertes de charges
‐
Vitesse moyenne d’écoulement
‐
Nombre Reynold
λ = 0.03 en prenant L=3m.
‐
4.11.2.
Conduite d’aspiration
Pour déterminer le diamètre de la conduite de refoulement, on impose la vitesse limite d’huile dans la conduite a , alors on a : >>
TUYAU R4-32
Estimation des pertes de charges
‐
Vitesse moyenne d’écoulement
‐
Nombre Reynold
λ = 0.048 en prenant L = 1 mètre
‐
4.12.
Calcul de la pression de tarage et du limiteur de pression
Puisque on n’a pas un fonctionnement simultané entre les deux récepteurs définis précédemment, Alors on doit prendre la pression maximale plus les différentes pertes de charges
= 155.82 bar
Alors
D’après le catalogue ATOSC010.pdf, on choisie :
SP-CART ARE-15 /200 /F
4.13.
Moteur de pompe
D’après l’ensemble de calcul fait, en prenant un coefficient de sécurité s = 1.25, le moteur d’entrainement de la pompe est :
N = 1200 tr/min P = 20 kW
4.14.
Bilan énergétique
Le rendement total de l’installation est :
Alors
4.15.
Système de freinage :
L’industrie offre une grande variété de système de freinage. Dans cette partie nous choisissons un système de freinage à disque hydraulique dans les catalogues de la société TWIFLEX. Le freinage est fait par ressort, et l’ouverture est faite par ouverture hydraulique (mise sous pression d’une chambre). On a
:
Choix du disque de frein :
Alors on dimensionne avec un coefficient de sécurité de 1.5
Dimensionnement du système de freinage :
D’après l’abaque ci-contre, la pression d’entée nécessaire pour l’ouverture est
On choisie alors un système de freinage :
MX XSH 9.6
Modification de circuit pour ajouter le système de freinage
5. Travail CATIA (Voir CD et Dessin en annexe) 6. Conclusion Ce projet nous a permis de pratiquer les différentes techniques de conception et de dimensionnement dans le domaine hydraulique. Comme perspectives :
• Conception du système hydraulique en Load Sensing pour augmenter le rendement • Dimensionnement et ajout d’un système de refroidissement • Utilisation d’une pompe à débit asservis pour éliminer les grandes pertes au niveau des étrangleurs
