Résumé
Les demandes croissantes en énergie propre ouvrent un nouveau champ de
recherche dans le domaine des éoliennes. Nous nous intéressons ici à des
éoliennes de grande envergure dont les générateurs atteignent les 2 à 5 MW de
puissance. Pour atteindre de telles puissances, les installations deviennent de
plus en plus grandes : le diamètre des pales augmente ainsi que la hauteur des
tour. A partir d'une certaine hauteur, les tours en acier deviennent onéreuses et
rencontrent des problèmes de résistance de matériau, c'est pourquoi nous nous
intéressons au dimensionnement de ces tours en béton. Nous réalisons ici le
dimensionnement d'une de ces tours en béton précontraint.
Resumen
Cada año, los registros de consumo de energía crecen y las compañías de
electricidad deben satisfacer esas demandas. Los combustibles fósiles son
recursos no renovables. La energía eólica es una muy buena alternativa a los
combustibles fósiles. La industria de grandes turbinas eólicas (TE) es la más
dinámica entre las industrias productoras de grandes equipos para la generación
eléctrica y entre las industrias emergentes sólo es superada por la telefonía
móvil.
Las TE están siempre expuestas a las condiciones propias de un ambiente
altamente inestacionario. Las cargas aerodinámicas actuantes sobre las palas y
la torre de una TE son consecuentemente de naturaleza inestacionaria y
exhiben una distribución espacio-temporal muy compleja.
Uno de los criterios que gobierna el diseño de grandes TE es la estabilidad de la
torre. La torre debe tener un buen diseño estructural y un correcto sistema de
anclaje a tierra, de lo contrario puede derribarse.
En este trabajo se estudia la factibilidad del uso de torres de hormigón, como
alternativa al acero, para ser utilizadas en TE de gran potencia (más de 1.5
MW). En nuestro medio, el hormigón es más económico que el acero y resuelve
algunos problemas relacionados con el transporte/montaje de la torre.
PFE – Document de synthèse
Les demandes croissantes en électricité obligent les fournisseurs à produire
toujours plus. Les énergies fossiles étant présente en quantité limitée, on se
tourne vers des solutions renouvelables, comme l'énergie éolienne. La capacité
des générateurs éoliens augmente elle aussi et nécessite des installations de
plus grande envergure et des tours toujours plus haute. Les éoliennes
classiques à axe vertical et 3 pales étaient traditionnellement réalisées en acier
mais certains problèmes surviennent à partir d'une certaine hauteur. C'est
pourquoi nous étudions la possibilité de construire ces tours en béton.
Le travail a d'abord consisté en une recherche bibliographique afin d'établir une
stratégie pour dimensionner ce type de structure. L'analyse du problème nous a
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menés à établir le schéma d'étude suivant :
Illustration : Stratégie de dimensionnement de l'éolienne
Nous dimensionnons dans un premier temps la géométrie de la tour de façon à
éviter le phénomène de résonnance.
Le sol et la structure interagissent. Pour prendre cette interaction en compte,
nous devons d'abord dimensionner les fondations. Nous dimensionnons
grossièrement des semelles en béton armé en fonction des charges transmises
par la structure de manière à pouvoir calculer les coefficients d'interaction entre
sol et structure.
Les charges sont calculées pour une tour de 90m. Les charges de vent sur la
tour sont soit directes soit indirectes. Les charges directes sont calculées à l'aide
de la norme utilisée en Argentine CIRSOC 102 - Acción del viento sobre las
Construcciones . Ce calcul de charge rend l'étude dépendant de la localisation
géographique. Les charges indirectes sont dues à l'action du vent sur le
générateur posé au sommet de la tour. Ces données ont été préalablement
calculées par une autre équipe de travail.
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Les charges de vent apportent une action dynamique; il faut dimensionner la
fréquence propre de la tour de manière à ce qu'elle ne corresponde pas avec la
fréquence d'excitation. Nous calculons d'abord la fréquence d'excitation puis
nous adaptons la géométrie de la tour afin d'éviter le phénomène de résonance.
La fréquence d'excitation provient de la rotation des pales (dont la fréquence
correpondante est notée 3P) et de la rotation du rotor (1P). La fréquence propre
de la tour est calculée grâce à une modélisation en éléments finis réalisée à
l'aide du logiciel SAP2000. Le logiciel permet de calculer les fréquences de la
tour suivant les 10 premiers modes de vibration.
A
l'
Fréquence d'excitation et fréquence propre
Illustration
:
aide d'une méthode itérative, nous dimensionnons la géométrie optimale de la
tour pour que le phénomène de résonance soit le moins contraignant possible.
On observe sur le schéma ci-contre que nous avons vérifié les 2 premiers
modes de vibration (les fréquences des modes suivants ne posent plus de
problèmes). Par ailleurs, pour une vitesse de rotation proche de 7 RPM, la
fréquence d'excitation correspond avec la fréquence propre de la tour. Ce
problème est résolu par le système de contrôle de l'éolienne qui passe
rapidement dans cette zone de vitesse de rotation. Cette technique est connue
et actuellement utilisée pour des éoliennes en fonction.
Une fois la géométrie de la tour déterminée, nous pouvons dimensionner le
matériau. Nous dimensionnons la précontrainte à l'aide de la norme ACI 318. Le
modèle informatique permet de calculer les informations nécessaires à la
vérification du matériau en temps réel, on peut donc optimiser le nombre de
tendons utilisés et dimensionner le précontrainte de manière à ce que la traction
soit nulle dans le béton sous les charges de service.
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Nous vérifions ensuite la compression dans le béton et la tracion dans les
tendons.
La tour est soumise à une excitation cyclique à cause de la rotation du rotor et
des pales.
Sur une
période d'utilisation de 20 ans, la tour aura subit environ 5.29 x 108 cycles de
fatigue. Ce nombre de cycle est très élevé pour une construction de Génie Civil.
En comparaison, pour des structures de type pont, bâtiments ou structures
offshore, on ne considère un nombre de cycle que de 10 millions. Il faut donc
vérifier que cette petite variation cyclique ne constitue pas un danger pour les
utilisateurs et n'affecte pas l'intégrité structurelle de la tour.
Pour vérifier la fatigue, on utilisera le Model Code 1990 sur lequel se base
l'Eurocode 2 pour du béton précontraint.
La méthode de vérification de la fatigue se base sur les courbes SN pour l'acier
précontraint et le béton.
Enfin, nous calculons le déplacement au sommet de la tour. Pour la tour de 90
m, nous obtenons un déplacement maximum de 50cm.
D'un point de vue économique, nous n'avons pas pu établir de généralité quant à
l'avantage du béton sur l'acier. Cependant, on sait qu'à partir d'une certaine
hauteur, la quantité d'acier utilisée pour la tour augmente largement et devient
onéreuse. De plus, le béton est un matériau moins cher en Argentine.
L'étude de plusieurs exemples nous a néanmoins permis de penser que le prix
des tours en acier devenait important pour des éoliennes de grande hauteur,
c'est le cas pour l'éolienne Growian construite en Allemagne dont la construction
a couté plus de 15 millions d'euros.
L'étude nous a permis d'établir la faisabilité de telles tours pour des éoliennes de
grande envergure. Ce résultat doit être relativisé car l'étude connait ses limites.
On pourrait, entre autre,
• développer plus en avant le calcul des fondations;
• prendre en compte l'influence de la température sur la tour;
• prendre en cours le facteur sismique.
Il reste aussi à développer l'aspect économique de l'étude qui permettrait de
savoir si de tels projets sont viables ou non. Ce type de recherche est encore
nouveau et même si l'on voit apparaître quelques exemples de tours en béton de
grande hauteur, il reste une marge de recherche encore importante.
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