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PFE

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by

Pierre Maraquin

on 4 October 2012

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Pré dimensionnement

Objectif : Obtenir 10 kWe à 12 m/s de vent





Surface balayée (notée S) : Surface du vent que l'éolienne peut capter


Pour une éolienne à axe vertical : S = Hauteur hors tout * Diamètre hors tout Projet de Fin d’Études

Développement d’une éolienne à axe vertical
d’une puissance de 10 kW Soutenu par M. Pierre MARAQUIN
Apprenti Ingénieur ITII Pays de la Loire
Société OKWIND SAS – Département R&D Techniques :
Aboutir à un prototype d'une puissance de 10 kWe
Gagner 2 à 3 points de rendement par rapport à la gamme actuelle (33%)

Économiques :
Diviser les coûts de production directs du kW par 2 (1-3 ans)
Respecter le budget alloué à la fabrication du prototype

Date butoir :
Fin Juin Objectifs du projet La chaîne de valorisation de l'énergie du vent Le vendredi 21 septembre 2012 Tuteur Industriel : M. Louis MAURICE

Conseiller industriel : M. Léon GARNIER

Tuteur pédagogique : M. Gilles GUYON Tuteurs et Conseiller Avril 2009 Aujourd'hui Décembre 2010 Permet d'élargir la gamme de produits (1/25 kWe)

S'inscrit dans la stratégie de l'entreprise

Permet d'intégrer des nouveaux marchés :

petites industries
exploitations agricoles
sites isolés Un projet important pour l'entreprise Planification du projet Détaillée en 5 parties majeures :

Aéraulique/mécanique
Génératrice/mode d'entraînement
Mode de freinage
Armoire de commande/puissance et régulation
Mât et onduleur Organisation de l'équipe projet Équipe projet composée de 5 personnes
En charge du pilotage du projet

Une réunion de suivi d'avancement par semaine/quinzaine :

Basée sur le planning projet
Exposé de la situation et de l'avancement des tâches en cours, analyse de difficultés, propositions de solutions
Arbitrage sur les solutions proposées Création de la société
OKWIND SAS La société OKWIND SAS Situation géographique : La Brûlatte - Mayenne (53)

Personnel : 20 salariés

Activité : Conçoit et assemble des systèmes éoliens de petites puissances

Chiffre d'affaires d'environ 750 000 € pour son premier exercice En € Chiffre d'affaires Historique de l'entreprise OKWIND SAS Mise sur le marché des éoliennes OKWIND Janvier 2012 Obtention du statut Jeune Entreprise Innovante (JEI) Année 2011 Lauréat du concours
Crisalide EcoActivités Finaliste du concours
CleanTech Open France     Convertisseur aéraulique/mécanique Convertisseur mécanique/électrique Adaptateur électrique/Réseau Les produits OKWIND Un système éolien composé de : Eolienne (Puissance comprise entre 1 et 3,5 kWe) Application Eolien électrique
Eolien thermique
Future application Injection de courant électrique dans le réseau domestique d'une habitation Chauffage de l'eau du ballon d'eau chaude Couplage de plusieurs sources d'énergie renouvelables (2/3) Pale Génératrice Mât Bras Croisillon Développement d'une nouvelle gamme d'éoliennes (5/25 kW) Répartition des coûts du prototype de 10 kWe     Convertisseur aéraulique/mécanique Convertisseur mécanique/électrique Adaptateur électrique/réseau  

  Dimensionnement aéraulique Le dimensionnement d'une éolienne est régi par trois paramètres :

Le nombre de pales
Leurs cordes
Le diamètre de l'éolienne Deux approches utilisées afin de déterminer l'influence de chacun des paramètres :

Approche expérimentale
Approche analytique Onduleur Coffret frein Protection électrique Coffret de commande
et de régulation (33%) Organigramme Convertisseur aéraulique/mécanique Convertisseur mécanique/électrique Adaptateur électrique/réseau Dimensionnement aéraulique Potentiel de production de l'éolienne Prévision de production d'énergie de l'éolienne Convertisseur aéraulique/mécanique Convertisseur mécanique/électrique Adaptateur électrique/réseau Dimensionnement aéraulique - Approche analytique Méthode de calcul utilisée : Double Multiple Streamtube Theory (DMST) Convertisseur aéraulique/mécanique Convertisseur mécanique/électrique Adaptateur électrique/réseau Dimensionnement aéraulique Comparaison résultats expérimentaux (station d'essais) avec les résultats analytiques obtenus : Conclusions sur les influences des paramètres :

Diamètre Cp et lambda
L'augmentation en Cp stagne à lambda > 3

Corde Lambda
Cp varie de façon aléatoire

Nombre de pales : 3 est le nombre apportant le meilleur Cp à un lambda faible Convertisseur aéraulique/mécanique Convertisseur mécanique/électrique Adaptateur électrique/réseau Dimensionnement aéraulique Convertisseur aéraulique/mécanique Convertisseur mécanique/électrique Adaptateur électrique/réseau Dimensionnement aéraulique Approche analytique Approche expérimentale Convergence ? Optimisation Résultats Convertisseur aéraulique/mécanique Convertisseur mécanique/électrique Adaptateur électrique/réseau Dimensionnement aéraulique Résultats Nombre de pales : 3
Diamètre de l'éolienne : 5,5 m
Hauteur des pales : 5,5 m
Corde des pales : 0,354 m Performances attendues : Cp max à 12 m/s : 0.383 P = 12166 Wm Problématique Convertisseur aéraulique/mécanique Convertisseur mécanique/électrique Adaptateur électrique/réseau Dimensionnement mécanique Solution Convertisseur aéraulique/mécanique Convertisseur mécanique/électrique Adaptateur électrique/réseau Dimensionnement mécanique Solution conçue Convertisseur aéraulique/mécanique Convertisseur mécanique/électrique Adaptateur électrique/réseau Dimensionnement mécanique Sans accouplement élastique Avec accouplement élastique Conception Mise en place du calcul Maillage Résultats Convertisseur aéraulique/mécanique Convertisseur mécanique/électrique Adaptateur électrique/réseau Dimensionnement mécanique Solution conçue Permettre la transmission de la puissance mécanique au générateur d'énergie électrique Concevoir un système mécanique permettant de transmettre l'énergie mécanique (couple et vitesse) en résistant aux contraintes liées à la rotation de l'éolienne. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 19 20 21 22 23 24 31 32 33 34 35 36 38 39 40 41 43 44 45 46 47 Cp : Coefficient de performance Lambda : Rapport entre la vitesse périphérique de la pale et la vitesse du vent Alternateur synchrone à aimants permanents
Puissance nominale (kVA) : 13,1
Vitesse de rotation nominale (tr/min) : 2400
Fréquence (Hz) : 50
Tension (V) : Triphasée 230/400

Multiplicateur de vitesse
Rapport de multiplication : 15.8 (Lambda = 3 à 12 m/s)
Lubrification : PAO ISO VG150

Frein
Couple de freinage nominal (N.m) : 105
Tension d'alimentation de la bobine (V) : 180 Convertisseur aéraulique/mécanique Convertisseur mécanique/électrique Adaptateur électrique/réseau Convertisseur mécanique/électrique Quel choix ? Multiplicateur Alternateur Frein Etat budgétaire État comparé des coûts de production du kWe Gamme 1-3,5 kWe : 100 % (Commande série) 48 52 Convertisseur aéraulique/mécanique Convertisseur mécanique/électrique Adaptateur électrique/réseau Adaptateur électrique/réseau Convertisseur aéraulique/mécanique Convertisseur mécanique/électrique Adaptateur électrique/réseau Adaptateur électrique/réseau Principe de fonctionnement : Injection de puissance sur le réseau électrique domestique 49 50 51 53 54 Bilan
Respect du budget alloué
Prototype en cours de fabrication - Tests à suivre


Développement de ma capacité à manager une équipe de techniciens et d'ingénieurs
Association de compétences fortes (électrique, mécanique industrielle, mécanique des fluides) 55 MERCI POUR VOTRE ATTENTION

QUESTIONS ? Prototype 10 kWe : 93 % de la référence (Commande unitaire) Projet Personnel Gamme 1-3,5 kW

Génératrice :
centrée
surdimensionnée
entrainée directement
freinage électromagnétique

Voilure :
3 pales NACA 0012

Mécanique :
encombrante (du fait de la disposition des bras) Convertisseur aéraulique/mécanique Convertisseur mécanique/électrique Adaptateur électrique/réseau État comparé des gammes de produits Gamme 5-25 kW

Génératrice :
dessous
non surdimensionnée
entrainée indirectement
freinage mécanique

Voilure :
homothétie avec la gamme précédente

Mécanique :
moins encombrante (du fait de la disposition des bras) 42 Convertisseur aéraulique/mécanique Convertisseur mécanique/électrique Adaptateur électrique/réseau Limite de Betz Remise en cause de la limite de Betz pour les éoliennes à axe vertical
Augmentation de 8 % (16/27 16/25) Ecole UPMC
B.Newman. Actuator-disk theory for vertical-axis wind turbines 37 Couple de 13550 N.m sur la platine supérieure Force de 1100 N sur la platine intermédiaire Contraintes (180 MPa) < Re (275 MPa)
Coefficient de sécurité : 1.53 --> OK Facteur de puissance d'un onduleur 6000 W en fonctionnement nominal > 0.99 Rendement optimisé
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