Thèse soutenue par M. Adam Mirecki, Laboratoire d’électrotechnique et d’électronique industrielle (LEEI), Institut national polytechnique de Toulouse (INPT), 2005.

Nous disposons de ressources en énergie renouvelable inépuisables, que nous sommes en mesure d’exploiter de plus en plus facilement et proprement. Néanmoins, longtemps négligées, les techniques d’extraction de la puissance de ces ressources demandent des recherches & développements plus approfondis, pour accroitre leur fiabilité, réduire leurs coûts (de fabrication, d’usage et de recyclage) et augmenter leur efficacité énergétique.

Introduction : « grand et petit éolien », rapide état des lieux

Cette étude s’intéresse à la filière éolienne qui semble une des plus prometteuse avec un taux de croissance européen et mondial très élevé, même si la France reste « à la traîne » dans ce secteur par rapport à ses voisins Allemands et Espagnols.

Si la filière du « grand éolien » (fermes de forte puissance, sites offshore,…) est en pleine expansion, l’idée de décentraliser l’énergie en produisant de petites quantités de façon localisée (proche du besoin) est de plus en plus présente.

Parmi les applications potentielles de ce qu’on qualifie habituellement de « petit éolien » (gamme de puissances inférieures à 100 kW), l’électrification rurale occupe une place prépondérante, pour ses usages domestiques, mais aussi , pour le pompage, le traitement de l’eau, l’électrolyse de l‘eau et, à plus long terme, le stockage d’hydrogène… Au delà de ces réseaux isolés (ilotés), on parle aussi aujourd’hui d’intégration des énergies renouvelables en site urbain. En effet, après notamment les incidents récemment intervenus sur les réseaux nationaux et transnationaux, et dans le contexte « délicat » de la dérèglementation du secteur de l’énergie, l’idée d’un habitat partiellement, voire totalement autonome en énergie (« bâtiment zéro énergie ») fait son chemin. Or, pour ce qui concerne l’éolien, les gisements à proximité des habitations sont nettement moins réguliers et a priori moins performants que les sites « dégagés », et nécessitent impérativement une gestion optimisée (systèmes à fréquence variable,…) tout en restant peu coûteuse.

Objectifs de l’étude

C’est dans ce contexte du « petit éolien » que se situe l’étude proposée ici : son but est de recenser les solutions actuelles et d’en imaginer d’autres, dans l’optique d’optimiser le compromis coût / performance au niveau système, c’est à dire en jouant sur l’architecture (choix de convertisseur, minimisation du coût de mesure,…), le dimensionnement et la
gestion de l’énergie (maximisation de puissance).

Contenu

Chapitre I : état de l’art des énergies renouvelables

Quelques chiffres montrent l’importance et l’évolution dans le temps de la production renouvelable mondiale.

C’est dans ce cadre que la technologie éolienne est abordée et développée. La qualité du gisement éolien est un des facteurs du choix de la configuration de la chaîne éolienne : les méthodes d’évaluation du gisement éolien sont explicitées. Le document illustre de quelques exemples, habituellement utilisés à l’échelle industrielle, les architectures de chaînes de conversion d’énergie, en association avec différents types de génératrices. Dans la limite de ces travaux de thèse, l’ auteur s’est intéressé à des systèmes éoliens de petite puissancen, dédiés à un site perturbé comme ceus rencontrés dans les milieux urbains. Les turbines à axe vertical, qui semblent être adaptées à ces conditions de fonctionnement fortement turbulentes, ont été prises en considération. L’aérodynamique et l’insertion de telles voilures en site urbain ont été et sont étudiés par l’Institut de mécanique des fluides de Toulouse. Ces travaux, auxquels l’auteur a collaboré, sont succinctement décrits en fin de chapitre.

Chapitre II : étude des éléments de la chaîne éolienne

La chaîne éolienne est constituée de la voilure, d’une génératrice synchrone à aimants à grand nombre de pôles, d’une chaîne de conversion d’énergie et de la charge de type batterie.

Les travaux ont été menés parallèlement sur le plan théorique, par simulation et sur un banc d’essai dédié, puis en partie développé par l’auteur au LEEI. Les modèles permettant un comportement dynamique de la voilure sont développés. Un « générateur de vitesse » commandé en fonction de la vitesse du vent fait office de « simulateur numérique ou physique (banc d’essai) de voilure éolienne ». Une machine synchrone autopilotée est spécialement commandée à cet effet sur le banc d’essai. Diverses structures de conversion statique d’énergie sont proposées : redresseur MLI, redresseur à diodes associé à un hacheur dévolteur ou à un hacheur asymétrique à deux bras ; leurs modèles et leurs commandes respectifs sont aussi développés.

Une autre problématique abordée en détail dans ce chapitre est l’association particulière de la génératrice synchrone à aimants directement avec un redresseur à diodes. A cause de l’impédance de la génératrice, cette association est fortement couplée et a une grande influence sur les propriétés de la chaîne de conversion. Des limitations en terme de puissance accessible apparaissent et l’effet prépondérant du phénomène d’empiètement est analysé et modélisé.

Chapitre III : étude dynamique orientée système

L’association des éléments décrits dans le chapitre précédent permet d’avoir une vision globale de la chaîne de conversion d’énergie.

La caractéristique de la voilure Savonius ici considérée est très fortement non linéaire avec une « forme de cloche » prononcée : elle nécessite impérativement d’adopter une stratégie de recherche du point maximal de puissance (Maximum Power Point Tracking – MPPT).

Les techniques développées, décrites dans cette section, peuvent admettre que la caractéristique de la voilure est inconnue : alors un dispositif MPPT basé sur la logique floue est une solution proposée. Dans le cas ou cette caractéristique est connue, les stratégies de recherche de puissance optimale sont multiples (pilotage direct en couple ou en vitesse et commande indirecte par la commande du courant de charge) et adaptées aux structures du convertisseur statique employé (redresseur MLI, pont de diodes, hacheur dévolteur à un cadran, hacheur dévolteur asymétrique à deux bras).

La thèse met en évidence les comportements des structures du système éolien étudiés, confrontés à divers gisements éoliens caractéristiques. Les résultats de calculs numériques et issus des mesures sur banc d’essai permettent une comparaison énergétique entre les différentes configurations matérielles, conjuguées avec les stratégies de commande MPPT développées.

Pour conclure, un bilan global du compromis coût / efficacité est enfin proposé.

L’intégralité de la thèse est à télécharger ici

Jérome Levet, René Massé