energie éolienne energie éolienne
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Energie éolienne
UNIVERSITE HASSAN II - MOHAMMEDIAFACULTE DES SCIENCES BEN M'SIK
Energie éolienne
1N.Belouaggadia
PLAN
• Historique
P t ti l d é li• Potentiel des éoliennes
• Modélisation d’un écoulement autour d’une é li S iéolienne Savonius
• Intégration d’une éolienne Savonius dans le bâ ibâtiment
Rapides historiquesRapides historiques
Le moulin à vent est l'ancêtre del'éolienne. Il est apparu au Moyen-Age en Europe.
La Révolution Industrielle offre unnouveau départ aux moulins parl'apparition de nouveaux matériauxl apparition de nouveaux matériaux.En effet, l'utilisation de métal permetde modifier les formes des tours etaugmente considérablement leaugmente considérablement lerendement des machines que l'onnomme désormais « éoliennes ».
3N.Belouaggadia
Eoliennes modernes
Le profil des pales est étudié et lesingénieurs s'inspirent des profils desailes d'avion
Photographie d'une ferme éolienne
ailes d'avion.
Ferme éolienne offshore de Middelgrunden (Danemark)
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Qu’est-ce que les centrales éoliennes fournissent?
• Électricité pour
éoliennes fournissent?– Les réseaux centraux
– Les réseaux isolésParc éolien de San Gorgino, Palm Springs, Californie, États-Unis
– Les systèmes hors réseau
– Le pompage de l’eau…mais aussi…
– Renfort pour les réseaux fragilesfragiles
– Diminution de l’exposition aux variations du prix de l’é il’énergie
– Réduction des pertes de transmission et detransmission et de distribution Photo : Warren Gretz/ NREL Pix
Utilisation de l’énergie éolienneéolienne
• Hors réseau• Hors réseau
– Petites éoliennes (50 W à 10 kW)
– Chargement de batteries
Hors réseau, éolienne de 10 kW, Mexique
– Chargement de batteries
– Pompage de l’eau
• Réseau isolé• Réseau isolé
– Éoliennes de 10 à 200 kW
– Les systèmes hybrides éolien-diesel– Les systèmes hybrides éolien-diesel réduisent les coûts de production dans les régions éloignées
T d é é i él é b– Taux de pénétration élevé ou bas
• Réseau central
É li d 200 kW à 2 MW– Éoliennes de 200 kW à 2 MW
– Parcs éoliens de plusieurs machines Photo : Charles Newcomber/ NREL Pix
Étapes d’un projet de centrale éolienne
É• Évaluation du potentiel éolien
É l ti• Évaluation environnementale
A b ti• Approbation réglementaire
• ConceptionPhoto : GPCo Inc.
Installation d’un mât météorologique de 40 m, Québec, Canada
• Conception
• Construction– Chemin d’accès
– Ligne électrique
– Postes de raccordement Photo : Warren Gretz/NREL Pix
Poste de raccordement, Californie, États-Unis
Description d’une éolienneesc pt o d u e éo e e
• ComposantsSchéma d’une éolienne à axe horizontal
• Composants– Rotor– Multiplicateur (boîte de
vitesses)– Tour
Fondation– Fondation– Système de
dcommande– Générateur
Les palesp
Les pales ou capteur d'énergie sont réalisées dans un mélange de fibres de verre etLes pales ou capteur d énergie sont réalisées dans un mélange de fibres de verre et de matériaux composites. Elles ont pour rôle de capter l'énergie du vent et de la transférer ensuite au rotor. Leur profil est le fruit d'études aérodynamiques complexes dont dépend le rendement de la turbinecomplexes dont dépend le rendement de la turbine
La largeur des pales intervient dans le couple de démarrage qui sera d'autant meilleur que la
Le profil est fonction du couple désiré en f ti t
g q qpale sera plus large
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fonctionnement
RotorLe rotor est une des parties les plus visibleLe rotor est une des parties les plus visibless du système éolien. Il du système éolien. Il est formé de plusieurs pales qui ont une forme particulière. est formé de plusieurs pales qui ont une forme particulière. Lorsque le vent fait tourner les pales, cellesLorsque le vent fait tourner les pales, celles--ci font tourner le rotor ci font tourner le rotor qui faitqui fait, à son tour, , à son tour, tourner le mécanisme d’entraînement et le tourner le mécanisme d’entraînement et le é é té é tgénérateur. générateur.
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PaleMultiplicateur Pale
RotorGénératriceGénératrice F i
Multiplicateur
GénératriceGénératrice Frein
N llN ll
mât
NacelleNacelle
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Eolienne à axe horizontal
Les éoliennes à axe horizontal sont basées sur le principe des moulins à vent. Elles sont constituées d' une à trois pales profilées aérodynamiquement. Le plus souvent le rotor de ces éoliennes est tripale, car trois pales constituent un bon compromis entre le coefficient de puissance, le coût et la vitesse de rotation du
t é li i i l' t théti t bi lcapteur éolien ainsi que l'aspect esthétique par rapport aux bipales.Les éoliennes à axe horizontal sont les plus employées car leur rendement
aérodynamique est supérieur à celui des éoliennes à axe vertical, elles sont moins exposées aux contraintes mécaniques et ont un coût moins importantexposées aux contraintes mécaniques et ont un coût moins important.
Photographie d'une éolienne à axe horizontal et d'un moulin à vent
12N.Belouaggadia
Il existe deux catégories d'éolienne à axe horizontal:
• Amont : le vent souffle sur le • Aval : le vent souffle sur l'arrière devant des pales en direction de la nacelle. Les pales sont rigides,
des pales en partant de la nacelle. Le rotor est flexible, auto-orientable.
13et le rotor est orienté selonla direction du vent par un dispositif.
Orientation de l'axe E li à ti lEolienne à axe vertical
• Le rotor de Savonius dont le fonctionnement est basé sur le principe de la traînée différentielle. Les efforts exercés par le vent sur chacune des faces d'un corps creux sont d'intensités différentes Il en résulte un couple entraînant lacorps creux sont d intensités différentes. Il en résulte un couple entraînant la rotation de l'ensemble.
14N.Belouaggadia
Schéma du rotor de Savonius
• Le rotor de Darrieus est basé sur le principe de la variation cyclique d'incidence. Un profil placé dans un écoulement d'air selon différents angles, est soumis à des forces d'intensités et de directions variables. La résultante de ces forces génère alors un couple moteur entraînant la rotation du dispositif.
Ph t hi d' é li d D i S hé d t d D i15
N.Belouaggadia
Photographie d'une éolienne de Darrieus Schéma du rotor de Darrieus
C’estC’est lala surfacesurface balayéebalayée paspas lesles héliceshélices quiqui comptecompte.. AinsiAinsiyy pp qq ppdeuxdeux grandesgrandes palespales ferontferont touttout àà faitfait aussiaussi bienbien queque troistrois palespales.. IlIlfautfaut touttout d’abordd’abord leverlever bienbien hauthaut l’éoliennel’éolienne pourpour qu’ellequ’elle puissepuisseprofiterprofiter auau maximummaximum desdes ventsvents.. CeciCeci nécessitenécessite uneune tourtour toujourstoujoursélevéeélevée parpar rapportrapport àà lala tailletaille dede l’éoliennel’éolienne..
LeLe systèmesystème àà palespales tournantestournantes converticonvertitt l’énergiel’énergiecinétiquecinétique dudu ventvent (( sasa vitessevitesse)) enen énergieénergie mécaniquemécanique disponibledisponiblesursur unun axeaxe LaLa rotationrotation dede cetcet axeaxe animeanime uneune génératricegénératrice quiquisursur unun axeaxe.. LaLa rotationrotation dede cetcet axeaxe animeanime uneune génératricegénératrice quiquiproduitproduit dede l’électricitél’électricité àà sonson tourtour..
LL i ii i dd l’é lil’é li éé dd èè ((LeLe principeprincipe dede l’éoliennel’éolienne sese résumerésume doncdonc enen unun systèmesystème ((unun rotorrotor--génératricegénératrice)) qui,qui, àà partirpartir d’uned’une énergieénergie extrêmementextrêmementvariablevariable (( lele vent)vent) devradevra produireproduire uneune énergieénergie électriqueélectriquevariablevariable (( lele vent),vent), devradevra produireproduire uneune énergieénergie électriqueélectriqueprésentantprésentant desdes caractérisquescaractérisques constantesconstantes..
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Production d’énergie mécanique
Principe.
Aujourd’hui la production d’énergie mécanique par le vent est essentiellement destinée au pompage de l’eau.
L’éolienne (ou roue éolienne) multipale est généralement associée à une pompe à piston placée dans le puit ou le forage, et entraînée par un train de tige mû par un système bielle manivelle solidaire de laun train de tige mû par un système bielle-manivelle solidaire de la roue éolienne.
Application
Pompage à des profondeurs supérieures à 100 m
17N.Belouaggadia
Les variations de vitesse de vent avec l’altitude
Elle dépend essentiellement de la nature du terrain au dessus duquel se propagent les masses d’air. Ces variations peuvent être représentées par une loi simple de la forme : α
⎞⎛ hV Où V1 et V2 représentent les vitesses
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
2
1
2
1
hh
VV Où V1 et V2 représentent les vitesses
du vent horizontales aux hauteurs respectives h1 et h2
coefficient caractéristique du lieu entre 0 1 et 0 4α coefficient caractéristique du lieu entre 0,1 et 0,4α
18N.Belouaggadia
Graphe de variation de vitesse de vent avec l’altitude
Exemple : aéromoteur bipale de 20 m de diamètre sur un pylône support de 30 m.
Lorsque les pales sont verticales, les rapports entre les vitesses de vent réel auxLorsque les pales sont verticales, les rapports entre les vitesses de vent réel aux extrémités des pales sont les suivantes : pour deux valeurs extrêmes de α
19N.Belouaggadia
On trouvera ci-dessous les valeurs prises par pour les différents types de terrain partagés en 4 familles
α
αNature du terrain Exposant
1. Plat : glace, neige 0,08 à 0,12
2. Peu accidenté (culture, pâturage)
0,13 à 0,16( , p g )3. Accidenté : zones peu habitées
0,20 à 0,23peu habitées4. Très accidenté : Villes
0,25 à 0,4
20N.Belouaggadia
Villes
Potentiel éolienote t e éo e
• Des moyennes élevées de vitesses du vent sont essentielles• Des moyennes élevées de vitesses du vent sont essentielles– Une moyenne annuelle minimum de 4 m/s est nécessaire
– Les gens ont tendance à surestimer les vitesses du vent
– La vitesse du vent a tendance à augmenter avec l’altitude
• Exemples de bons potentielsRégions côtières– Régions côtières
– Crêtes de longues pentes
– Cols
T i dé t– Terrains découverts
– Vallées où le vent s’engouffre
• Typiquement plus venteux…yp q p– En hiver qu’en été
– Le jour que la nuit
Limite de Betz
Le coefficient de puissance a été introduit par la théorie de Betz. La limite de Betz indique que, pour les meilleures machines : bipale ou tripale, à axe horizontal, on ne récupère au maximum que 59% de l'énergie due au vent, ce qui signifie que Cp max (théorique) est environ égal à 0,59. Pour une éolienne de puissance réelle, il est de l'ordre de 0,3 à 0,4 au maximum.
La théorie de Betz modélise le passage de l'air avant et après les pales de l'éolienne par un tube de courant avec :
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est la vitesse du vent avant les pales de l'éolienne 1V
V : est la vitesse du vent au niveau des pales de l'éolienne, elle est de l'ordre de quelques m/s (ex : 10 m/s)
est la vitesse du vent après prélèvement de l'énergie par les pales de l'éolienne
2V
Où , ces vitesses sont parallèles à l'axe du rotor. 21 VVV >>
- d'une part, la puissance récupérable sur l'éolienne est due à la i ti d'é i i éti d t
Retrouvons le Cp max en faisant une étude des puissances
( )21
22recup VV.S.V.
21P −ρ=
variation d'énergie cinétique du vent :
23N.Belouaggadia
d'autre part, l'effort qui s'exerce sur l'éolienne crée une puissance : effortP
le théorème de la quantité de mouvement donne : ( )21 VVV.S.F −ρ=
Alors : ( )212
21effort VVSVV)VV.(V.S.V.FP −ρ=−ρ==
correspond à la puissance absorbée par le rotor, soit la puissance mécanique fournie à l'aéromoteur.
effortP
24N.Belouaggadia
Coefficient de puissance Cp
Connaissance de l'aéromoteur
L'énergie du vent est l'énergie cinétique de l'air récupérable qui traverse une certaine surface S, la puissance associée est donc :
Coefficient de puissance Cp
3vent V.S..
21P ρ=
Cependant, cette énergie ne peut pas être entièrement récupérée, car il faut évacuer l'air qui a travaillé dans les pales du rotor. On introduit alors le coefficient de puissance Cp dans le calcul de la puissance P :
2
p p p
3pturbine V.S..C.
21P ρ=2
V: la vitesse du vent en m/s
masse volumique de l'air, 3m/kg 25,1=ρ
S : la surface d'air en m² balayée par les pales
25N.Belouaggadia
q ,dans les conditions normales de T°et de P au niveau de la mer
Couple produit par l'éolienneΓ
ρ==Γ
3p V.S..C.
21
P
On définit aussi le coefficient de couple comme :
ΩΩ
= pCCCOn définit aussi le coefficient de couple comme :
Rapport de vitesse λλ
=ΓCΓC
On définit le rapport d'avance, dit aussi paramètre de rapidité ou vitesse spécifique, ou encore rapport de vitesse en bout de pale (tip-speed ratio) comme étant le rapport de la vitesse d'extrémité des pales sur la vitesse du vent :
λétant le rapport de la vitesse d extrémité des pales sur la vitesse du vent :
VRΩ
=λR : rayon de la pale en m
: vitesse de la pale en tr/min V it d t /Ω
26N.Belouaggadia
V V : vitesse du vent en m/s
Ecoulement autour d’une éolienne Savonius
D = 0,6 m ,e = 0,1 m H = 0,65 m
27N.Belouaggadia
Modèle numérique de l’éolienne Savonius
• Paramètre de simulation
L’éolienne Savonius a été modélisée en deux dimensions, stationnaire (pas à pas), pour simplifier le problème et minimiser le temps de simulation
Les équations de Navier Stokes sont résolues par une méthode auxLes équations de Navier Stokes sont résolues par une méthode aux volume finis
Maillageg
30
31
32
33
34
35
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sur l écoulement et le rendement de l’éolienne en
fonction de sa distance au mur t d l di ti d t "et de la direction du vent "
• utilisation de l'effet de concentration del'énergie cinétique ;l énergie cinétique ;
• possibilité d'exploiter le phénomène deco che limite dû à la présence d m rcouche limite dû à la présence du mur ;
• simplicité de mise en ouvre pour lesexpériences comparativement à l'étude avecun coin.
• 47
Simulation d ’une éolienne seuleRendement en fonction de la
vitesse réduite en bout de pale
*
Interaction avec une paroi planep p
Bilan et Perspectivesp
•Malgré un gisement urbain peu favorable, une g g p ,architecture de bâtiment adaptée peut accroître sensiblement le potentiel d’une éolienne à axe vertical.
•Les perspectives scientifiques pour l’optimisation du SYSTEME EOLIEN concernent :SYSTEME EOLIEN concernent :
- l’interaction VOILURE-BÂTIMENT- la forme de la voilure (Savonius, Darrieus, Hélices)( , , )- le comportement dans un vent variable pour le contrôle en temps réel de la charge électrique
C l Aé El t iCouplage Aéro-Electrique* Essais Système en soufflerie* Co-simulation champ-circuit Co-simulation champ-circuit
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