Dimensionnement et conception d'une éolienne à axe horizontal destinée à être installée sur le toit du bâtiment vert de l'ENSP

Abstract

Le but de ce travail est la conception d’une éolienne à axe horizontale fonctionnel à l’aide du logiciel SoidWorks. La conception se fera en trois grandes étapes. La première consiste à rassembler des informations sur les différentes technologies éoliennes. La seconde est une étude aérodynamique de l’hélice permettant de déterminer la vitesse du vent minimal de production d’électricité et la courbe de puissance en fonction de la vitesse du vent. La dernière étant un calcul dynamique des organes constitutifs de la turbine éolienne et simulations par le logiciel CosmosWorks pour obtenir la forme final de la conception. Dans un premier temps, nous exposerons un aperçu historique ainsi que l’état de l’art des différentes technologies, leurs évolutions, avantages et inconvénients. L’état de l’art consiste à présenter les différents types d’éoliennes et leurs architectures; préciser les caractéristiques de chacun des types pour enfin connaître les avantages et inconvénients de chacune d’elles. Ceci nous permettra d’avoir une première idée sur la technologie qui sera choisie pour la conception de notre éolienne. Puis un deuxième temps, nous ferons un rappel des principales théories dont nous aurons besoin lors de la conception, spécialement celle du dimensionnement du rotor. Nous commencerons par la théorie de base développée par Betz au début des années 1920. Cette théorie nous permet d’avoir une approximation de l’énergie maximale récupérable de l’énergie cinétique du vent. Plusieurs approches ont été formulées après la théorie de Betz dont la théorie de l’élément de pale qui consiste à subdiviser la pale en un grand nombre d’éléments pour ensuite, en utilisant les caractéristiques aérodynamiques de la géométrie du profil, calculer les forces agissant sur ces dernières. Une autre théorie largement utilisée de nos jours combine la théorie de quantité de mouvement et celle de l’élément de pale appelée BEM (Blade Element Momentum theory) ou théorie de quantité de mouvement-élément de pale. Après cela, nous détaillerons la procédure de design du rotor basée sur la méthode BEM. Un organigramme de calcul de la géométrie et un autre pour la détermination de la courbe de puissance seront présentés, suivi des résultats de calcul pour une éolienne de puissance nominale égale à 25 kW pour une vitesse du vent de 15m/s. Enfin, nous donnerons des indications pour le choix et le dimensionnement des organes mécaniques qui consiste en premier abord en un calcul analytique approché avec certaines approches simplificatrices. L’étape suivante est la vérification des dimensions par le logiciel SolidWorks qui sera suivi par d’illustrations de montage des différents éléments de l’éolienne.