UNIVERSITE MOULAY ISMAIL

ECOLE SUPERIEURE DE TECHNOLOGIE

ENERGIES RENOULEVABLES
&
EFFICACITE ENERGETIQUE

ANNEE UNIVERSITAIRE : 2023-2024

FORMATION INITIALE

Turbomachines et éoliennes

Compte rendu TP

Réaliser par :
 Fatah Yassine
 Es-sofi Meryam
 El Barnoussi Fatima Zahrae

1
Sommaire :

Manipulation 1 : L'étude de couplage de pompes centrifuges.............................................3

Introduction.............................................................................................................................4
Objectif de manipulation.........................................................................................................5
Essais sur la pompe..................................................................................................................6
MISE EN ROUTE INITIALE ET VERIFICATION.........................................................................6
PROCEDURE DE DEMARRAGE NORMALE.............................................................................6
PROCEDURE D’ARRET NORMALE..........................................................................................7
La partie théorique..................................................................................................................7
La Partie pratique....................................................................................................................9
CONCLUSION.........................................................................................................................16
Manipulation 2 : Turbine de Pelton.....................................................................................17
Introduction........................................................................................................................18
1. Objectifs de la manipulation...........................................................................................18
2. Relations utiles et démonstrations..................................................................................19
3. Graphe et résultats..........................................................................................................20
Conclusion..........................................................................................................................23
Manipulation 3 : Etude d’un générateur éolien avec tunnel de vent.................................24
Introduction........................................................................................................................25
Partie théorique.................................................................................................................26
Partie expérimentale..........................................................................................................28
Conclusion..........................................................................................................................41

2
Table des figures :
Figure 1 : le rendement en fonction de débit.....................................................................................................................................12
Figure 2 : la puissance en fonction de débit......................................................................................................................................12
Figure 3 : La charge totale en fonction de débit...................................................................................................................................1
Figure 4 : e rendement en fonction de débit........................................................................................................................................2
Figure 5 : puissance absorbée en fonction de débit............................................................................................................................3
Figure 6 : Charge totale en fonction de débit......................................................................................................................................3
Figure 7 : Le rendement en fonction de débit.....................................................................................................................................4
Figure 8 : puissance absorbée en fonction de débit............................................................................................................................5
Figure 9 : Charge totale en fonction de débit........................................................................................................................................5
Figure 10 : le 1 er essai et ses résultats..............................................................................................................................................11
Figure 11 : Le 2 -ème essai et les courbes caractéristique.................................................................................................................1
Figure 12 : Le troisième essai...............................................................................................................................................................2
Figure 13 : La variation de la puissance en fonction de la vitesse....................................................................................................3
Figure 14 : La variation du courant en fonction de la vitesse...........................................................................................................4
Figure 15 : La variation de la puissance en fonction de la vitesse....................................................................................................6
Figure 16 : La variation du courant en fonction de la vitesse..............................................................................................................7
Figure 17 : La puissance en fonction de la vitesse après l’ajustement des résultats...........................................................................8
Figure 18 : Le courant en fonction de la vitesse après l’ajustement.................................................................................................9
Figure 19 : Le rendement en fonction de la vitesse..........................................................................................................................10

Les tableaux :
Tableau 1 :Calcul des caractéristiques d’une seule pompe.............................................................................................................11
Tableau 2 : calcul des caractéristiques d’une pompe en parallèle...................................................................................................1
Tableau 3 : calcul des caractéristiques d’une pompe en série..........................................................................................................4
Tableau 4 : La vitesse de l’air dans 25 points.......................................................................................................................................7
Tableau 5 : Tableau de vitesse et le courant.......................................................................................................................................4
Tableau 6 : : les résultats avec fixe l’orientation à +20°....................................................................................................................5
Tableau 7 : es résultats avec fixe l’orientation à -20°.........................................................................................................................5
Tableau 8 : Les calcul après l’ajustement par le rapport de surface...................................................................................................7
Tableau 9 : Les résultats de la puissance et du rendement..................................................................................................................9

3
 Introduction :

Une turbomachine peut être définie comme un dispositif qui exploite un fluide pour effectuer une
transformation d'énergie. En général, elle se compose d'un ensemble mécanique dont la fonction est de
faciliter l'échange d'énergie entre un fluide en mouvement et un rotor animé d'un mouvement de rotation,
généralement uniforme autour de son axe. Si l'appareil extrait de l'énergie du fluide, on le désigne
généralement comme une turbine. Si, au contraire, le dispositif fournit de l'énergie au fluide, on le nomme un
compresseur, ventilateur, soufflante ou pompe, selon le fluide utilisé et l'amplitude du changement de
pression résultant.
Ce TP sur les turbomachines et les éoliennes se compose de trois manipulations distinctes :
Étude des pompes centrifuges : Cette partie de l'expérience a impliqué une étude approfondie du
fonctionnement des pompes centrifuges. Des mesures ont été réalisées sur la pompe centrifuge en variant la
vitesse de rotation (N) du moteur. Pour chaque mesure, des données telles que la pression en sortie de la
pompe, la pression en entrée de la pompe, la chute de pression (ΔP), et le couple fourni par le moteur à l'arbre
d'entraînement de la pompe ont été relevées. Les configurations de couplage série et de couplage parallèle ont
également été explorées.
Étude de la turbine de Pelton : Cette section s'est concentrée sur l'analyse du fonctionnement d'une turbine de
Pelton. Les paramètres étudiés incluaient la variation du débit d'eau à partir d'une vanne à pointeau et la
charge appliquée sur la turbine. L'objectif était de comprendre l'influence de chaque paramètre sur la
puissance générée par la turbine de Pelton.
Étude d'un générateur éolien avec tunnel de vent : L'expérience finale a porté sur l'étude du fonctionnement
d'un générateur éolien. Des mesures de vitesse du vent ont été effectuées pour déterminer la vitesse moyenne.
Cette manipulation a également impliqué la variation de l'orientation de l'éolienne pour évaluer l'impact de ce
paramètre sur la puissance générée et le courant produit par le générateur.

4
 Manipulation 1 : L'étude de couplage de pompes centrifuges

5
Introduction
L'étude de couplage de pompes centrifuges est un processus approfondi visant à évaluer la performance
d'un système de pompes interconnectées. Voici quelques aspects clés de cette étude :
Configuration en série ou en parallèle : Il s'agit de déterminer si les pompes doivent être installées en
série (augmentation de la pression totale) ou en parallèle (augmentation du débit). Cela dépend des besoins
spécifiques du système.
Coordination des débits et des pressions : Il est crucial d'ajuster les débits et les pressions de chaque
pompe pour assurer un fonctionnement harmonieux. Cela implique souvent l'utilisation de vannes de
régulation pour équilibrer les charges entre les pompes.
Compatibilité hydraulique : Les pompes doivent être compatibles sur le plan hydraulique pour éviter des
problèmes tels que la cavitation. Cela nécessite une analyse approfondie des courbes de performance des
pompes.
Synchronisation des pompes : Assurer une synchronisation précise des pompes est essentiel pour éviter
des problèmes tels que les surtensions ou les sous-tensions, ce qui peut entraîner une usure prématurée des
équipements.
Optimisation de l'efficacité énergétique : L'objectif est de maximiser l'efficacité énergétique du système.
Cela peut impliquer l'utilisation de variateurs de fréquence pour ajuster la vitesse des pompes en fonction
des besoins réels.

Analyse des points de fonctionnement : Examiner les points de fonctionnement des pompes dans
différentes conditions de charge pour garantir une performance optimale sur toute la plage d'opération.

Redondance et fiabilité : Évaluer la nécessité d'avoir des pompes de secours pour assurer la continuité du
service en cas de panne d'une pompe principale.

Maintenance préventive : Mettre en place des stratégies de maintenance préventive pour prolonger la
durée de vie des pompes et réduire les temps d'arrêt imprévus.

6
Objectif de manipulation

L'étude du couplage de pompes centrifuges peut viser à maximiser l'efficacité énergétique du système en
ajustant les paramètres de fonctionnement tel que la vitesse de rotation synchronisée des pompes. Elle peut
également impliquer une analyse approfondie des performances hydrauliques, en examinant la capacité des
pompes à maintenir un débit constant face à des variations de charges.

De plus, une approche détaillée pourrait explorer les interactions dynamiques entre les pompes, en tenant
compte des phénomènes tels que les résonances, les pulsations de pression et les effets de cavitation. Ces
analyses approfondies contribuent à une conception optimale du système de pompage, assurant une
efficacité opérationnelle maximale et une durée de vie prolongée des équipements.

7
Essais sur la pompe
MISE EN ROUTE INITIALE ET VERIFICATION
Avant la mise en marche de la pompe, il est essentiel de s'assurer qu'elle est correctement amorcée. Les
clapets anti-retour dans les conduites d'aspiration maintiennent l'eau en place pendant plusieurs jours.
Cependant, si l'appareil n'a pas été utilisé pendant plusieurs semaines, ou avant la première utilisation,
suivez cette procédure d'amorçage :

 Vérifions les connexions des tubes de prise de pression.

 Éteignons le sectionneur des panneaux de commande des moteurs de pompes.
 Ouvrons complètement les vannes d'entrée des pompes et déconnectons la conduite au-
dessus de la pompe.
 Utilisons un récipient approprié pour verser de l'eau dans le corps de la pompe.
 Remplissons la pompe avec de l'eau jusqu'à ce qu'elle déborde du trou.
 Remontons le tube en vous assurant que le joint torique est en place, nettoyons les
éventuelles éclaboussures d'eau.
 Réduisons la vitesse du moteur de la pompe à zéro.
 Rebranchons l'alimentation électrique, mettons le sectionneur en position Marche.
 Démarrons la pompe 1, augmentons progressivement la vitesse à 2500 Tr/min, observant
la chute de pression dans le tube Venturi.
 Démarrons la pompe 2 de la même manière.
 Surveillons le débit dans le réservoir jusqu'à ce qu'il soit stable, indiquant l'expulsion de
tout l'air.
 Vérifions l'absence de fuites dans la tuyauterie.
 Réduisons la vitesse du moteur à zéro et appuyez sur le bouton d'arrêt. L'appareil est
maintenant prêt à être utilisé.

PROCEDURE DE DEMARRAGE NORMALE

 Vérifions que le réservoir est rempli d'eau propre jusqu'au niveau indiqué.
 Assurons-nous que les pompes ont été récemment utilisées et sont pleines d'eau. Sinon, suivons
les étapes de la mise en route initiale et des vérifications.

8
  Tournons le sectionneur principal du variateur de chaque moteur de pompe en position "Marche".
 Démarrons le moteur (ou les moteurs).
 Utilisons la ligne de purge pour purger les manomètres.
 Ajustons la vitesse du moteur de la pompe à celle appropriée pour l'expérience.

PROCEDURE D’ARRET NORMALE

 Diminuons la vitesse en utilisant le bouton de commande du moteur jusqu'à atteindre zéro.
 Pressons le bouton d'arrêt du moteur.
 Plaçons le sectionneur principal de chaque variateur de pompes en position Arrêt.

La partie théorique
1. Débit

Pour calculer le débit en (m^3/s) à partir de la pression le long de venturi, on utilise la formule :

√2ΔP
𝑄 = Cd. A1
√ρ. 𝐴^2
−1
𝐴^2
𝐴1 : La surface de l’entée de tube en (𝑚2) =5.81× 10−4

𝐴2 : La surface à la sortie de tube en (𝑚2)=2.86× 10−4

Cd : le coefficient de débit (Cd=0.97)
2. Charge hydraulique
La charge hydraulique totale (H) est : ou la hauteur manométrique totale (H) correspond au
changement de pression à travers la pompe (la pression de sortie – la pression d’entrée).

H=Ps-Pe en (Pa)
3. Puissance hydraulique
La formule suivante s’applique pour la puissance hydraulique de la pompe :

W2= (Ps-Pe)×Q
Ps: la pression de sortie en Pa
Pe : La pression d’entrée en Pa

9
 4. Puissance absorbée
La formule suivante s’applique pour la puissance d’entrainement mécanique de la pompe
W =2𝜋𝑁 × 𝑇 où T : c’est le couple de l’arbre d’entrainement
1 60
5. Rendement d’une pompe
Le rendement total de la pompe est :

η=W2/W1

1
0
 La Partie pratique
1. TEST DE PERFERMONCE STANDARD – UNE SEULE POMPE
Tableau 1 :Calcul des caractéristiques d’une seule pompe

Pression entrée Pression Charge Vitesse Différence de

(aspiration) Sortie totale pompe1 pression Venturi
pompe 1 (refoulement) H(kpa) N DP (bar)
P2 (bar) P4 (bar) (tr/min)
-0.32 0.2 52 3000 0.14
-0.3 0.3 60 3000 0.11
-0.28 O.4 68 3000 0.11
-0.26 0.5 76 3000 0.09
-0.24 0.1 34 2500 0.09
-0.22 0.2 42 2500 0.08
-0.19 0.3 49 2500 0.05
-0.17 0.4 57 2500 0.04

Débit (m^ 3/s) Puissance totale Puissance Rendement(%)

×10^-3 absorbée W1 hydraulique
(watts) totale W2 (watts)

1.55 403 80.6 20

1.37 397 82.2 20.7
1.37 392 93.16 23.76
1.24 390 94.24 24.16
1.24 235 42.16 17.94
1.17 231 49.14 21.27
0.92 224 45.08 20.12
0.82 214 46.74 21.84

9
  Le rendement en fonction de débit

rendement
30,00

25,00

20,00

15,00
rendement
10,00

5,00

0,00
1,55 1,37 1,37 1,24 1,24 1,17 0,92 0,82

Figure 1 : le rendement en fonction de débit

On observe que le rendement augmente au fur et à mesure qu’il diminue le

débit

 Puissance absorbée en fonction de débit

P absorbée
450
400
350
300
250
200 P absorbée
150
100
50
0
1,55 1,37 1,37 1,24 1,24 1,17 0,92 0,82
Figure 2 : la puissance en fonction de débit

On remarque que la puissance absorbée décroit, lorsque le débit

Diminue

10
  Charge totale en fonction de débit

charge totale
80
70
60
50
40
charge totale
30
20
10
0
1,55 1,37 1,37 1,24 1,24 1,17 0,92 0,82

Figure 3 : La charge totale en fonction de débit

On remarque que la charge totale augmente, lorsque le débit

diminue

2. TEST DE PERFORMANCE STANDART – MONTAGE DES POMPES EN

PARALLELE
Tableau 2 : calcul des caractéristiques d’une pompe en parallèle

Pression entrée Pression Pression entrée Pression Charge totale

(aspiration) Moyenne (aspiration) Sortie H(kpa)
pompe 1 Entrée pompe 2 (refoulement)
P2 (bar) pompe P2 (bar) P4 (bar)
-0.18 -0.24 -0.3 0.48 72
-0.16 -0.22 -0.28 0.6 82
-0.14 -0.19 -0.25 0.7 89
-0.12 -0.79 -0.22 0.8 97

11
 V1 V2 DP(bar) Débit Puissance Puissance Rendement
(tr/min) (tr/min) (m^ 3/s) totale hydraulique (%)
×10^-3 absorbée totale W2 (watts)
W1
(watts)
3000 3000 0.42 2.68 666 192.96 28.97
3000 3000 0.35 2.45 636 200.9 31.58
3000 3000 0.31 2.30 630 204.7 32.49
3000 3000 0.26 2.11 596 204.67 34.34

 Le rendement en fonction de débit

rendement
35,00
34,00
33,00
32,00
31,00
30,00 rendement
29,00
28,00
27,00
26,00
2,68 2,45 2,30 2,11
Figure 4 : e rendement en fonction de débit

On observe que le rendement augmente au fur et à mesure qu’il diminue le

débit

12
  Puissance absorbée en fonction de débit

P absorbée
680

660

640

620
P absorbée
600

580

560
2,68 2,45 2,30 2,11
Figure 5 : puissance absorbée en fonction de débit

On observe que la puissance absorbée augmente au fur et à mesure

qu’il diminue le débit

 Charge totale en fonction de débit

charge totale
120

100

80

60
charge totale
40

20

0
2,68 2,45 2,30 2,11
Figure 6 : Charge totale en fonction de débit

On observe que la charge totale augmente au fur et à mesure qu’il diminue le

débit

3. TEST DE PERFORMANCE STANDART – MONTAGE DES POMPES EN SERIE

13
 Tableau 3 : calcul des caractéristiques d’une pompe en série

Pression entrée Pression Pression entrée Pression Charge totale

(aspiration) Moyenne (aspiration) Sortie H(kpa)
pompe 1 Entrée pompe pompe 2 (refoulement)
P2 (bar) P2 (bar) P4 (bar)
-0.32 - -0.15 0.3 47
-0.3 - 0 0.5 30
-0.28 - 0.1 0.7 38
-0.25 - 0.25 0.9 50

V1 V2 DP(bar) Débit Puissance Puissance Rendement

(tr/min) (tr/min) (m^ 3/s) totale hydraulique totale (%)
×10^-3 absorbée W2 (watts)
W1 (watts)
3000 3000 0.2 1.85 752 86.95 11.56
3000 3000 0.18 1.75 745 52.5 7.04
3000 3000 0.16 1.65 739 62.7 8.48
3000 3000 0.14 1.55 730 77.5 10.61

 Rendement en fonction de débit

rendement
14
12
10
8
6 rendement
4
2
0
1,85 1,75 1,65 1,55
Figure 7 : Le rendement en fonction de débit

On observe que le rendement augmente au fur et à mesure qu’il diminue le débit

 Puissance absorbée en fonction de débit

14
 P absorbée
755
750
745
740
735
P absorbée
730
725
720
715
1,85 1,75 1,65 1,55

Figure 8 : puissance absorbée en fonction de débit

On observe que la puissance absorbée diminue au fur et à mesure qu’il diminue

le débit

 Charge totale en fonction de débit

charge totale
60

50

40

30
charge totale
20

10

0
1,85 1,75 1,65 1,55

Figure 9 : Charge totale en fonction de débit

On observe que la charge totale augmente au fur et à mesure qu’il diminue le

débit

15
CONCLUSION
Le couplage de pompes centrifuges est une étude visant à comprendre et optimiser la
coordination de plusieurs pompes centrifuges dans un système. Cela implique généralement
l'analyse des caractéristiques de chaque pompe, la détermination des points de
fonctionnement optimaux et la mise en place d'un système de commande efficace. Des
facteurs tels que la pression, le débit et l'efficacité doivent être pris en compte pour
maximiser la performance du système.

16
 Manipulation 2 : Turbine de Pelton

17
Introduction :

Les turbines hydrauliques sont utilisées pour convertir l'énergie potentielle de l'eau en
énergie mécanique pendant son passage d'un réservoir supérieur à un réservoir inférieur.
Actuellement, il existe différentes catégories de turbines hydrauliques, regroupées en
turbines à action et turbines à réaction. Chacune de ces catégories présente une variété de
caractéristiques spécifiques. La turbine entraîne un générateur qui transforme cette énergie
mécanique en électricité, pouvant être utilisée localement ou vendue.

Les turbines à action, telles que la turbine Pelton, sont dénoyées, signifiant qu'elles ne sont
pas immergées dans l'eau. La production d'énergie dépend uniquement des conditions
d'écoulement avant la roue. La turbine Pelton, par exemple, est une turbine à impulsions qui
utilise des aubes elliptiques, appelées augets, fixées à la périphérie d'une roue en rotation.
Dans ce processus, une ou deux buses projettent un jet d'eau tangentiellement au cercle
primitif des aubes. Les aubes ont une section à double sortie, permettant au jet d'eau de se
diviser symétriquement des deux côtés de l'aube. Ce type de turbine est adapté aux débits
élevés et bas.

1.Objectifs de la manipulation :

Cette manipulation a comme objectif de déterminer :

Étude du rendement hydraulique : Mesurer et analyser le rendement hydraulique de la

turbine de Pelton dans différentes conditions de débit d'eau. Identifier les variations de
rendement en fonction du débit, même sans hauteur de chute significative.

Caractérisation de la vitesse de rotation : Analyser la relation entre le débit d'eau et la

vitesse de rotation de la turbine. Comprendre comment la turbine réagit à des variations de
débit sans considération de la production d'électricité.

Analyse des pertes mécaniques : Examiner les pertes mécaniques à l'intérieur de la turbine,
telles que les frottements, pour comprendre comment ces pertes influent sur les performances
générales.

Étude des forces hydrodynamiques : Analyser les forces exercées par l'eau sur les seaux de
la turbine en fonction du débit. Comprendre comment ces forces influent sur le mouvement de

18
rotation de la turbine.

19
Optimisation de la conception des seaux : Tester différentes conceptions de seaux de
turbine pour identifier les configurations qui maximisent l'efficacité dans des conditions
spécifiques de débit.

Étude de la stabilité mécanique : Analyser la stabilité mécanique de la turbine lors de

variations de débit. Identifier les seuils de fonctionnement stables et les éventuelles
instabilités.

Mesure des caractéristiques hydrauliques sans chute : Bien qu’on n’a pas de hauteur de
chute significative, mesurer des caractéristiques hydrauliques telles que la pression de l'eau à
l'entrée et à la sortie de la turbine peut fournir des informations utiles sur le comportement
hydraulique.

2. Relations utiles et démonstrations :

Puissance utile :

Pw=ω⋅T
ω=2π*N/60
d’où Pw=2π*N*T/60

Couple :

T=Rd*Fd
Force exercée par un jet :

𝒎̇ (𝒖 + 𝑲(𝒗 − 𝒖)𝒄𝒐𝒔𝜷
Couple exercé sur la roue
:
𝑭𝒘 = 𝒎̇ (𝒗 − 𝒖)(𝟏 − 𝒌𝒄𝒐𝒔𝜷)

La vitesse angulaire est :

𝒖
𝝀=
𝒗

L’équation deviens
𝑭𝒘 = 𝒎̇ 𝒗(𝟏 − 𝝀)(𝟏 − 𝒌𝒄𝒐𝒔𝜷)

Le couple sur la roue :

𝑻𝑾 = 𝒎̇ 𝑹𝒘𝒗(𝟏 − 𝝀)(𝟏 − 𝒌𝒄𝒐𝒔𝜷)

11
0
3. Graphe et résultats
1ere essaie :

Figure 10 : le 1 er essai et ses résultats

puissance en fonction de la charge

2500

2000

1500

1000

500

0
0 6,25 12,5 18,75 25

vitesse

vitesse en fonction de la charge

1400

1200

1000

800

600

400

200

0
0 6,25 12,5 18,75 25

vitesse

On constate que lorsque la charge est maximale la vitesse est minimale donc
on peut dire quesi la charge appliquée sur la turbine augmente sa vitesse de
rotation diminue

20
2eme essaie :

Figure 11 : Le 2 -ème essai et les courbes caractéristique

puissance en fonction de la charge

2500

2000

1500

1000

500

0
0 6,25 12,5 18,75 25

vitesse

vitesse
On constate que lorsque en fonction
la charge de la
est maximale charge la vitesse
(0.031N*m)
1400

1200

1000

800

600

400

200

0
0 6,25 12,5 18,75 25

vitesse

est minimale (753Tr/min) donc on peut dire que si la charge appliquée

sur la turbine augmente alors sa vitesse de rotation diminue.

21
3eme essaie :

Figure 12 : Le troisième essai

puissance en fonction de la charge

1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0 3,125 12,5 18,75 25

vitesse

vitesse en fonction de la charge

1400

1200

1000

800

600

400

200

0
0 3,125 12,5 18,75 25

vitesse

Dans cette courbe on constate qu’il y a une augmentation au niveau de la puissance

lorsque lacharge augmente jusqu’à une valeur de (18.75 N*M), mais lorsque la
charge continue à augmenter au-delà de cette valeur la puissance diminue.

22
Conclusion :

Dans cette étude, nous avons examiné le fonctionnement et les performances

d'une turbine Pelton en manipulant deux paramètres : la charge appliquée sur la
turbine et l'ouverture de la vanne à pointeau. Pour ce faire, nous avons ajusté la
position de la vanne à pointeau à différents pourcentages (100%, 50%, 25%). À
chaque position, nous avons relevé les valeurs de débit, de vitesse et de pression
lorsque la turbine n'était soumise à aucune charge. Ensuite, nous avons
progressivement augmenté la charge pour examiner l'influence de celle-ci sur la
vitesse de rotation de la turbine.

Nous avons observé que la position de la vanne à pointeau à 50% est la plus
performante, générant des puissances élevées. De plus, pour les trois essais,
nous avons noté que la puissance commence à diminuer après avoir atteint une
valeur critique de vitesse, dépendant du débit d'eau.

En conclusion, notre travail s'est révélé bénéfique des deux côtés, tant sur le plan
théorique qu'expérimental, nous offrant une vision approfondie de la recherche
expérimentale.

23
Manipulation 3 : Etude d’un générateur éolien avec tunnel de vent

24
Introduction :

Une éolienne est une machine conçue pour convertir l'énergie cinétique du vent, résultant du
mouvement des molécules d'air, en énergie mécanique utilisable. La quantité d'énergie
récupérée dépend de la vitesse du vent et de la surface exposée au vent. Cette énergie
mécanique est généralement transformée en électricité grâce à une éolienne.

L'énergie éolienne, produite par le vent, est une source d'énergie renouvelable et inépuisable.
Son origine est liée à l'énergie solaire, car les rayons solaires absorbés dans l'atmosphère
terrestre entraînent des variations de température et de pression, créant ainsi des mouvements
d'air, communément appelés vent. Ces mouvements d'air résultent de différences de chauffage
à la surface de la Terre, et le vent devient ainsi un phénomène aérodynamique.

L'énergie éolienne est une ressource durable, souvent exploitée par l'installation d'éoliennes
dans des zones où le vent est fréquent. Ces éoliennes captent l'énergie cinétique du vent, la
transformant en électricité qui peut être utilisée pour alimenter des foyers, des entreprises ou
être intégrée dans les réseaux électriques. Cette approche contribue à diversifier les sources
d'énergie et à réduire la dépendance aux combustibles fossiles, favorisant ainsi un avenir plus
durable et respectueux de l'environnement.

25
Le fonctionnement de l'énergie éolienne est assez simple : le vent fait tourner des pales
d'une éolienne, générant ainsi de l'énergie mécanique. Ces pales actionnent le générateur
situé dans la nacelle de l'éolienne, où le rotor tourne autour du stator. Pour augmenter la
vitesse de rotation du rotor, un multiplicateur est utilisé, relié à la génératrice par des arbres
primaires et secondaires. Le générateur transforme ensuite l'énergie mécanique du vent en
énergie électrique, qui est injectée dans le réseau électrique ou stockée dans des batteries.

L'électricité produite par l'alternateur subit une élévation de tension grâce à un

transformateur de puissance situé dans la nacelle ou à l'intérieur du mât. Cette élévation de
tension permet de transporter l'électricité produite par chaque éolienne d'une centrale
éolienne vers le point de raccordement au réseau électrique.

Les objectifs de l'étude incluent la détermination des performances de l'éolienne, l'analyse

de l'impact de la vitesse du vent sur son fonctionnement, ainsi que l'évaluation de l'influence
de l'orientation sur ses performances. Ces aspects permettent d'optimiser le rendement des
éoliennes et de mieux comprendre leur comportement dans des conditions variables,
contribuant ainsi à l'amélioration de l'efficacité des installations éoliennes.

Partie théorique :
Lorsque l'on examine les équations liées à une éolienne, on peut identifier plusieurs paramètres et
relations essentiels pour comprendre son fonctionnement.

Le débit d’air traité par le moteur électrique :

Après avoir activé l'interrupteur magnétothermique différentiel, ajustez le nombre de tours du moteur
en tournant le potentiomètre approprié. Mesurez ensuite la vitesse de l'air (V) à l'aide d'un anémomètre
portable. Pour calculer le débit d’air, On applique simplement la formule suivante :

V = A.v.3600 (m 3/h)
Ou A : la section de passage exprimée en m2
La section de passage est supposée plus étroite sans coefficient de correction. Une évaluation précise
du débit pourrait résulter de l'application de la méthode de mesure en réseau dans des sections

26
rectangulaires, selon la norme VDI 2080. La vitesse constante nécessite peu de points de mesure,
tandis qu'une variation importante nécessite plus de points. Un nombre suffisant est atteint lorsque
chaque mesure représente de manière fiable les zones avoisinantes, permettant ainsi une moyenne
pour une partie de la grille.

La valeur moyenne de la vitesse de l’air :

On évaluera la vitesse de l’aire dans 25 points et c’est Atot (la section nette résultant) et on calcul la
moyenne de la valeur trouvée

Tableau 4 : La vitesse de l’air dans 25 points

Point V(m/s) Point V(m/s) Point V(m/s) Point V(m/s) Point V(m/s)
1 10,97 6 9,78 11 11,84 16 10,58 21 11,39
2 10,55 7 8,23 12 9,54 17 9,36 22 10,83
3 10,66 8 8,62 13 6,6 18 8,44 23 9,79
4 10,07 9 9,42 14 8,42 19 8,11 24 10,85
5 11,41 10 10,44 15 9,54 20 10,51 25 10,52
Moyenne 9,8588

La section nette résultant qui se calcule par l’équation suivante :

Atot= Abrute –AFil (m2)

Atot=0.722*0.722-(28*0.003*0.722) =0.46m2

La puissance transférée à l’air par le ventilateur :

P= ρ Q (V/2 +ΔP/ ρ) en [W]

Avec : P : puissance transférée à l’air par le ventilateur en watt(w)

ρ :la masse volumique de l’air en (kg/m3)

ΔP : la hauteur d’élévation du ventilateur en Pascal (Pa)

Le rendement du ventilateur :

Le rendement du ventilateur se calcule en divisant la puissance transférée à l'air (P) par la

puissance électrique absorbée (Pe).
ηv=P/ 𝑃e

27
Avec Pe=1030 W

La puissance du vent frappant la génératrice éolienne peut être déterminée par la formule
suivante :

Pw=1/2. p.A. v3 (w)

La puissance produite par la génératrice éolienne :

La puissance produite par la génératrice éolienne est simplement le produit de la tension et

du courant générés.

P=V1.I1 en [W]

Le rendement effectif de la génératrice éolienne :

Le rendement effectif de la génératrice éolienne se calcule en divisant la puissance produite

par la génératrice par la puissance du vent, selon la formule :

η=P/ 𝑃W

La puissance pouvant sortir de la génératrice éolienne avec ses pales intactes :

Etant la vitesse du vent égale à la valeur du rendement de l’éolienne constante, la
puissance pouvant sortir de la génératrice éolienne avec ses pales intactes peut être
déterminée par la formule suivante :
P0= 𝜂 . ½ .p.A0.v3 (w)

28
Partie expérimentale :

Dans cette expérimentation, plusieurs mesures de la vitesse du vent ont été effectuées à
l'aide d'un anémomètre portable afin de déterminer la vitesse moyenne. Ensuite, divers
paramètres ont été calculés. Une variation de l'orientation de l'éolienne a été réalisée, avec
des angles de
+20 et -20 degrés, dans le but d'évaluer l'influence de ces changements sur les autres
paramètres générés par la génératrice

29
1-La vitesse totale et moyenne de l’air :

Pour obtenir une évaluation plus précise du débit, il est recommandé d'appliquer la
méthode de mesure en réseau (à grille) dans des sections rectangulaires. Conformément à
cette méthode, le champ de vitesse à l'intérieur de la section rectangulaire du canal est
subdivisé en aires égales. Le point de mesure est positionné au centre de chacune de ces
aires.

En d'autres termes, cette approche implique de diviser la section rectangulaire du canal en

zones égales, puis de placer des points de mesure au centre de chacune de ces zones. Cette
méthodologie vise à obtenir une représentation plus précise de la vitesse de l'air à l'intérieur

21
0
de la section, en prenant en compte les variations potentielles au sein de celle-ci. Cette
démarche contribue à améliorer la fiabilité des mesures et à obtenir des données plus
représentatives du débit d'air dans le canal.

On a obtenu le tableau suivant :

Point V(m/s) Point V(m/s) Point V(m/s) Point V(m/s) Point V(m/s)
1 10,97 6 9,78 11 11,84 16 10,58 21 11,39
2 10,55 7 8,23 12 9,54 17 9,36 22 10,83
3 10,66 8 8,62 13 6,6 18 8,44 23 9,79
4 10,07 9 9,42 14 8,42 19 8,11 24 10,85
5 11,41 10 10,44 15 9,54 20 10,51 25 10,52
Moyenne 9,8588

La vitesse moyenne de l’air V(m/s) :

Vm= 9,85 m/s

Le débit V m3/h :

Q = 5,10 m3/s
On ajuste la Valeur de débit d’air par l’ajustement de surface :

Atot= Abrute –AFil (m2)

Atot=0.722*0.722-(28*0.003*0.722) =0.46m2

Donc la valeur de débit et de :

Q = 9,85*0,458

Q = 4,51 m3/s

2-La hauteur d’élévation du ventilateur :

Suite à l'analyse de la courbe caractéristique hauteur d'élévation/débit, on obtient :

30
 HS=41 Pa

3- La puissance transférée a l’air par le ventilateur :

L’application directe de la formule :

P=1,225*4,51*(9,852/2+41/1,225)

P=452,92 W

4- Le rendement du ventilateur :
ηv=452,92/1030

ηv=43,9%

5- La surface balayée par la génératrice éolienne :

La surface est de : A= π*R2

A= π*(1,17-2*20*10-2)2/4

A=0,46 m2

6- La puissance du vent frappant la génératrice éolienne :

L’application directe de la formule :

Pw=0,5*1,225*0,46*9,853

Pw =269,26 W
7- La valeur maximale théorique de puissance pouvant sortir d’éolienne:

Pth max= 0,59*702,41

Pth max=158,86 W

8- La puissance produite par la génératrice éolienne :

P=V1*I1

P=12,3*2
P=24,6 W

9- Le rendement effectif de la génératrice éolienne :

η= 24,6/269,26

31
 η=9,13%
10- Le rendement total du banc :

η= 24,6/1030
η=2,38%

11- La puissance pouvant sortir de la génératrice éolienne avec ces palles intactes :
On peut avoir une surface de A0=1,075 m2

P0=0,5*0,0913*1,225*1,075*9,853

P0=57,45W

12- La courbe de points puissances produites/ vitesse de vent :

On fixe l’orientation de la génératrice on avoir le tableau suivant :

Charge Déviation
de la de
batterie l'éolienne
Essai V (m/s) V (V) I (A) P (W) (V) (°)

1 0 12 0 0

2 3,9 12 0 0

3 4,3 12 0,3 3,6

4 5,2 12,1 0,6 7,26

5 6,2 12,2 1,1 13,42

6 7,5 12,3 1,5 18,45 12 0

7 8,6 12,3 1,9 23,37

8 9,3 12,3 2 24,6

9 10,8 12,5 2,6 32,5

10 11 12,5 2,7 33,75

La courbe de puissance en fonction de vitesse avec une orientation de 0 0

est la suivante :

32
 P=F(V)
40
35 32,5 33,75
30
25 23,37 24,6

20 18,45
P (W)

15 13,42

10 7,26
3,6
5
0 0 0
0
0 2 4 6 8 10 12
V (M/S)

Figure 13 : La variation de la puissance en fonction de la vitesse.

Dans cette courbe, une observation importante est que la vitesse du vent augmente
initialement, mais la puissance reste stable jusqu'à ce qu'elle atteigne une valeur
supérieure à 3 m/s. À ce stade, on observe une augmentation significative de la
puissance.

Cette constatation suggère qu'il existe une relation non linéaire entre la vitesse du
vent et la puissance générée. Initialement, malgré l'augmentation de la vitesse du
vent, la puissance reste relativement constante, indiquant peut-être une plage de
fonctionnement stable de l'éolienne. Cependant, une fois que la vitesse du vent
atteint un seuil critique (3 m/s dans ce cas), la puissance générée augmente,
montrant une meilleure exploitation de l'énergie éolienne disponible.

Cette information peut être cruciale pour comprendre le comportement de

l'éolienne dans différentes conditions de vent et pour optimiser son rendement
énergétique.

13- La courbe de points courant produit/ vitesse de vent :

33
On utilise le tableau précédant pour avoir une courbe de courant en fonction de la vitesse du
vent , donc la courbe est la suivante :
Tableau 5 : Tableau de vitesse et le courant

V (m/s) 0 3,9 3,9 5,2 6,2 7,5 8,6 9,3 10,8 11

I (A) 0 0 0,3 0,6 1,1 1,5 1,9 2 2,6 2,7

I= F(V)
3

2,5 2 ,7
2, 6
2
2
1,9
1,5
1,5
1 1,1
I (A)

0,5 0,6
0,3
0 0 0
0 2 4 6 8 10 12
V (M/S)

Figure 14 : La variation du courant en fonction de la vitesse

Dans cette courbe, similaire à la précédente, la vitesse du vent augmente initialement sans
impact significatif sur le courant électrique, qui demeure stable jusqu'à atteindre une valeur
supérieure à 3 m/s. À ce seuil critique, une augmentation substantielle du courant électrique
est observée. Cette observation suggère une relation non linéaire entre la vitesse du vent et
la production de courant électrique. Bien que la vitesse initiale n'ait pas d'effet majeur sur le
courant électrique, une fois la vitesse dépassant 3 m/s, le courant électrique augmente
considérablement, indiquant une meilleure exploitation de l'énergie éolienne disponible.

14- Les courbes puissance en fonction de la vitesse avec changement au

niveau d’orientation :

L’orientation de la génératrice éolienne de +200

34
Tableau 6 : : les résultats avec fixe l’orientation à +20°

Charge Déviation
de la de
batterie l'éolienne
(V) (°)
Essai V (m/s) V (V) I (A) P (W)

1 0 12 0 0

2 3,7 12 0 0

3 4,3 12 0,3 3,6

4 5,2 12,1 0,6 7,26

5 6,2 12,2 1 12,2

6 7,5 12,3 1,5 18,45

12 20
7 8,5 12,3 1,9 23,37

8 9,3 12,3 2,1 25,83

9 10 12,4 2,4 29,76

10 11 12,5 2,7 33,75

L’orientation de la génératrice éolienne de -200 :

Tableau 7 : es résultats avec fixe l’orientation à -20°

Charge Déviation
de la de
batterie l'éolienne
(V) (°)
Essai V (m/s) V (V) I (A) P (W)

1 0 12 0 0

2 3 12 0 0

3 4,2 12,1 0,1 1,21 12 -20

4 5,5 12,1 0,5 6,05

5 6,3 12,1 0,7 8,47

35
 6 7,5 12,2 0,9 10,98

7 8,2 12,2 1,5 18,3

8 9,7 12,3 2,1 25,83

9 10,5 12,3 2,3 28,29

10 11,6 12,4 3,3 40,92

Donc on peut avoir une courbe représentative :

P=F(V)
45
40
35
30
25
P(W)

20
15
10
5
0
0 2 4 6 8 10 12 14
V(M/S)

P +20 (W) P -20 (W)

Figure 15 : La variation de la puissance en fonction de la vitesse

La courbe dépeint la variation de la puissance en fonction de la vitesse du vent. La puissance

demeure stable entre 0 et 3,7 pour les deux orientations, mais au-delà de cette valeur, elle
augmente. Initialement, la puissance pour l'orientation +20 est supérieure à celle de -20 à
des vitesses plus basses, mais à mesure que la vitesse augmente, la puissance pour
l'orientation - 20 devient finalement supérieure à celle de +20. Cette observation révèle une
dynamique complexe entre la vitesse du vent, l'orientation de l'éolienne, et la puissance
générée. La compréhension

fine de cette relation est cruciale pour optimiser les performances de l'éolienne dans
diverses conditions.

36
 I=F(V)
3,5
3
2,5
I (A)

2
1,5
1
0,5
0
0 2 4 6 8 10 12 14
V (M/S)

I +20(A) I -20(A)

Figure 16 : La variation du courant en fonction de la vitesse

La courbe illustre la fluctuation du courant en relation avec la vitesse du vent, suivant le

même principe que la courbe de puissance pour les deux orientations.

16- Comparaison de la performance de l’éolienne avec son rendement avec les

palles intactes:
Donc on calcule un rapport de surfaces pour refaire nos calculs

R=1,075/0,46

R=2,33

Tableau 8 : Les calcul après l’ajustement par le rapport de surface

Déviation
Charge de
de
la batterie
l'éolienne
(V)
(°)

Essai V (m/s) V (V) I (A) P (W) I' (A) P' (W)

1 0 12 0 0 0 0

2 3,9 12 0 0 0 0
12 0
3 4,3 12 0,3 3,6 0,69 8,38

4 5,2 12,1 0,6 7,26 1,39 16,1

37
 5 6,2 12,2 1,1 13,42 2,56 31,26

6 7,5 12,3 1,5 14,42 3,49 42,98

7 8,6 12,3 1,9 23,37 4,42 54,45

8 9,3 12,3 2 24,6 4,66 57,31

9 10,8 12,5 2,6 32,5 6,05 75,72

10 11 12,5 2,7 33,75 6,29 78,63

Donc faut avoir les deux courbes du courant et de la puissance après le corrigé des résultats

P=F(V)
90
80
70
60
50
P' (W)

40
30
20
10
0
0 2 4 6 8 10 12
V (M/S)

Figure 17 : La puissance en fonction de la vitesse après l’ajustement des résultats

Après avoir multiplié par le rapport des surfaces, une observation révèle que la puissance
ajustée, notée P', surpasse significativement la puissance initiale P. En fait, la puissance P' est
quasiment le double de la puissance P. Cette constatation indique une amélioration
substantielle de la performance énergétique résultant de l'ajustement par le rapport des
surfaces, soulignant ainsi l'impact significatif de cette modification sur la production de
puissance.

38
 I=F(V)
7 6,29
6,05
6
4,66
5 4,42
3,49
4
I' (A)

2,56
3

2 1,39
0,69
1 0 0
0
0 2 4 6 8 10 12
V (M/S)
Figure 18 : Le courant en fonction de la vitesse après l’ajustement

La remarque formulée est similaire à celle de la courbe précédente.

17- Comparaison de la courbe tracée avec la courbe indiquée par le fabricant :

On sait que 1m/s=2,23mph

Les deux courbes que soit de fabricant ou celle du réel ont la même allure

Jusqu’au la valeur de 29 mph qui est égale 12,92m/s on a une relation de proportionnalité
entre la vitesse et la puissance mais au-delà de cette valeur on traite une diminution
agressive de la puissance, c’est la valeur maximale qu’on peut avoir que se soit de la
puissance ou du rendement mais dans notre étude les calcules et les mesures aussi ne sont
pas dépasser cette valeur.

18- La courbe de pont rendement d’éolienne/ vitesse de vent :

Tableau 9 : Les résultats de la puissance et du rendement

Rendement
Essai V(m/s) P(m/s) Pw(m/s) (%)

1 0 0 0 0

2 3,9 3,9 16,78 0

39
 3 4,3 4,3 22,24 16

4 5,2 5,2 39,77 18,25

5 6,2 6,2 67,42 19,9

6 7,5 7,5 119,34 15,46

7 8,6 8,6 179,94 12,98

8 9,3 9,3 227,55 10,81

9 10,8 10,8 356,37 9,11

10 11 11 376,53 8,96

Donc on trace la courbe du rendement en fonction de la vitesse :

Le rendement en fonction de la
vitesse
25
19 ,9
18,25
20
16 15,46
RENDMENT (%)

12,98
15
10,81
9,81,196
10

5
0 0
0
0 2 4 6 8 10 12
V(M/S)

Figure 19 : Le rendement en fonction de la vitesse

Cette observation détaillée de la courbe met en lumière plusieurs aspects cruciaux.

Initialement, il est noté que le rendement reste relativement constant, stabilisant dans la
fourchette de 0 à 4%. Cependant, à mesure que la vitesse du vent augmente, on observe une
nette augmentation du rendement jusqu'à atteindre une valeur maximale à une vitesse
spécifique, notée ici comme V=6m/s. Au-delà de cette valeur de vitesse, une tendance inverse
se manifeste : malgré une augmentation continue de la vitesse du vent, le rendement
commence à décliner.

Cette observation suggère une plage de fonctionnement optimal de l'éolienne, définie par une
vitesse du vent spécifique. Au-delà de cette plage, il semble que des facteurs tels que la

40
résistance ou d'autres limitations entraînent une diminution de l'efficacité énergétique,
soulignant ainsi l'importance de comprendre et d'optimiser les conditions de fonctionnement
pour maximiser le rendement global de l'éolienne.

Conclusion :
Dans cette étude approfondie, nous avons scruté le fonctionnement et les performances d'un
générateur éolien, en mettant particulièrement l'accent sur la vitesse de l'air. Pour ce faire,
nous avons implémenté la méthode de mesure en grille dans des sections rectangulaires.

Cette méthode subdivise le champ de vitesse à l'intérieur de la section rectangulaire du canal

en aires égales, avec des points de mesure positionnés au centre de ces zones. À partir de ces
données, nous avons calculé la vitesse moyenne.

Par la suite, nous avons délibérément modifié l'orientation de l'éolienne dans des plages de (+20
-20), en prenant soin de recueillir les valeurs des paramètres étudiés pour chaque position.
Cette approche a été cruciale pour évaluer l'influence de l'orientation sur lesdits paramètres.

En conclusion, cette recherche s'est révélée extrêmement bénéfique des deux côtés, tant sur le
plan théorique qu'expérimental, offrant ainsi une perspective exhaustive sur la recherche
expérimentale.

41
 Conclusion :

Les turbomachines se plient incontestablement au principe de conservation de l'énergie, ce dernier étant

restreint à la mécanique pour celles qui transportent un fluide incompressible, et aux principes plus étendus
de la thermodynamique pour celles dont le fluide de travail est compressible.
Les deux principes fondamentaux de la thermodynamique qui gouvernent leur fonctionnement peuvent être
formulés de la manière suivante : l'énergie est conservée, mais elle subit une dégradation.
L'énergie reste toujours constante lorsqu'elle change de forme. Ainsi, les aubages d'un compresseur
acquièrent une certaine énergie mécanique de l'arbre d'entraînement et transmettent cette même quantité
d'énergie au fluide gazeux expulsé, sous diverses formes, principalement sous forme de pression.
Dans le dessein de restreindre les dimensions des machines, on induit une circulation rapide du fluide,
générant inévitablement des pertes sous diverses formes. Cette dégradation de l'énergie se traduit par une
pression à la sortie de la turbomachine de compression inférieure à celle escomptée selon un calcul idéal.
Ainsi, une compréhension approfondie des écoulements internes au sein des turbomachines à travers toute
leur plage de fonctionnement s'avère indispensable. Ce savoir approfondi permet de minimiser autant que
possible les pertes de toutes natures. En optimisant leur rendement, on réduit la consommation d'énergie
mécanique nécessaire à leur fonctionnement.

41