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Energie Eolienne Théorie, conception et application Cours présenté par Monsieur

Energie Eolienne Théorie, conception et application Cours présenté par Monsieur : KAABECHE Abdelhamid Centre de Développement des Energies Renouvelables Division Energie Eolienne Chapitre 1 Énergie éolienne moderne et ses origines 1. Énergie éolienne moderne et ses origines 1.1. Historique de l’énergie éolienne 1.1.a. Développement mondial L’énergie éolienne est l’une des plus anciennes énergies utilisées par l’homme. Des vestiges de dispositifs fonctionnant avec le vent remontent à 900-500 AJC, trouvés à la frontière perso- afghane (Mons, 2005 ; T widel & Weir, 2006). Ces dispositifs étaient utilisés pour pomper l’eau, mais on n’a trouvé, à ce jour, aucune trace de méthodologies utilisées pour l’extraction et le transport de l’eau. Figure 1. Early Persian windmill (Gipe, 1995) 1.1. Historique de l’énergie éolienne En Europe, les moulins à vent ont fait leur apparition au 13ème siècle. En plus de la fonction du meulage, l’énergie éolienne était aussi utilisée pour le pompage de l’eau, surtout aux Pays-Bas (Kaldellis & Zafirakis, 2011). Machine à axe horizontal Rotor de 4 pales Mécanisme d’orientation au vent 1.1. Historique de l’énergie éolienne Après plusieurs perfectionnements aux États-Unis, au 19ème siècle (1850), on pouvait compter environ 6 millions de petites stations de pompage de l’eau, fonctionnant à l’énergie éolienne (Mons, 2005). Éolienne type rose des vents américaine Machine à axe horizontal Rotor multipale 1.1. Historique de l’énergie éolienne Éolienne de Charles.F . Brush (États-Unis, 1888) Machine à axe horizontal Rotor de 144 pales 17 m de diamètre 12 kW (dynamo)  Mécanisme automatique d’effacement au vent (Système de régulation et de protection) Première transformation en puissance électrique Éclairage d’une résidence 1.1. Historique de l’énergie éolienne Éolienne de Poul La Cour (Danemark, 1897) Moulins à axe horizontal Puissance électrique Production d’hydrogène 1.1. Historique de l’énergie éolienne Éolienne de Gedser (Danemark, 1956) Machine à axe horizontal Rotor tri-pales face au vent Contrôle par décrochage aérodynamique (pas fixe) Frein aérodynamique en bout de pale  Transformation en puissance électrique Génératrice asynchrone ⇒Concept danois classique 1.1. Historique de l’énergie éolienne Développement californien (États-Unis, 1980-85) Mise en place d’un programme de crédit d’impôts sur les investissements éoliens 1 000 éoliennes de type danois classique (≈ 50kW) 50% d’origine danoise 1.1. Historique de l’énergie éolienne 1970 : Début du programme de recherche Éoliennes à axe vertical Essaies en soufflerie (NRC, Ottawa) 4.25 m de diamètre 500 W 1.1. Historique de l’énergie éolienne 1977: Première machine pour réseau principal, installée aux Îles de la Madeleine (DAF Indal Ltd.) prototype 224 kW 1977 : Première éolienne à axe vertical commerciale (DAF Indal Ltd.) 50 kW 1.1. Historique de l’énergie éolienne 1988: Plus grosse éolienne à axe vertical Installée à Cap-Chat Hauteur : 96 m Diamètre : 64 m Corde : 2.4 m 4 MW 1.1.b. Évolution des coûts 1.1.c. Applications typiques Le champ d’application des Systèmes à Energie Eolienne (SEE) est très large et par conséquent, il est difficile de classer ces systèmes. On peut néanmoins essayer de réaliser un classement par gamme de puissance. Les seuils de puissance donnés ne sont que des ordres de grandeurs. Applications isolées: 1 – 100 kW Habitat isolé Conservateurs de vaccins Navigation de plaisance T élécommunication Production d’électricité Réseaux autonomes: 100 kW – 5 MW (communautés isolées) Réduction de la consommation de carburant et coûts Réduction des émissions polluantes  Grand réseau (5 MW et +) o Application la plus répandue o Croissance rapide Les grands SEE en site isolé peuvent être classifiés en fonction du degré de pénétration de l’énergie renouvelable. Les expressions qui permettent de calculer l’indice de pénétration sont: Iinst est la pénétration instantané. Elle représente la proportion de la puissance produite par les sources d’énergies renouvelables en instantané. Prw représente la puissance renouvelable et Pch la puissance électrique de la charge (la charge principale s’il ya plusieurs types de charges). IMoy est la pénétration moyenne (mesurée pendent des jours, des mois où même des années). Wrw représente l’énergie renouvelable et Wch représente l’énergie consommée par la charge principale. Une classification des grands systèmes éolien/diesel sur trois niveaux a été proposée par Baring-Gould et al. (thèse Vechiu) 1.2. Pertinence de l’énergie éolienne Avantages Augmente l’autonomie p/r charbon/pétrole Pas d’émission de CO2 (GES) Créateur d’emplois Coût du kWh éolien compétitif p/r aux moyens de production conventionnels Désavantages Bruit Perturbation visuelle Production fluctuante Capacité de prévision Réseau flexible 1.3. ELIENNES MODERNES Arbre rapide avec son frein mécanique Nacelle Pale Arbre lent Génératrice Moyeu Unité de refroidissement Multipli cateur Tour 1.3.a. Composantes principales 1.3.b. Technologies en présence Vitesse constante / calage variable Concept danois original Bonus (Siemens), NEG Micon (Vestas) Glissement variable / calage variable Vestas Vitesse variable / calage variable GE Wind, Vestas, Enercon Entraînement direct / calage variable Enercon Entraînement direct /vitesse variable  Jeumont N.B - Calage variable (variation de l'angle de calage des pales sur le moyeu pour profiter au maximum du vent instantané et limiter la puissance pour des vitesses de vent supérieures à la vitesse nominale). C’est un système de régulation aérodynamique à pas variable, aussi appelé pitch control - Vitesse constante (La vitesse de la génératrice n’est pas adaptée à la vitesse du vent donc on ne peut pas toujours extraire la puissance maximale du vent. 1.3.c. Courbe de puissance La courbe de puissance d’une éolienne est la fonction qui donne la puissance de sortie d’une éolienne en fonction de la vitesse du vent (voir figure suivante). Ces courbes sont fournies par le fabriquant qui les garantit à des marges d’incertitudes près. Elles sont élaborées à partir de mesures réalisées sur un site en fixant un anémomètre sur un mat situé à proximité de l’éolienne. Le problème est qu’il y a toujours des fluctuations de la vitesse du vent qui rendent impossible la mesure précise du flux d’air passant à travers le rotor de l’éolienne. La courbe de puissance n’est donc qu’une approximation et en pratique, il faut prévoir un risque d’erreur de ± 10 %. Les constructeurs garantissent en général leur courbe de puissance à 90 % de la valeur indiquée. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 100 200 300 400 500 600 700 Vit esse du vent (m /s) Puissance (W) Aérogénérat eur AIR 403 (400 W) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Aérogénérat eur FORTIS Mont ana (5 k W) Vit esse du vent (m /s) Puissance (W) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Aérogénérat eur VERGNET GEV 7/10 (10 k W) Vit esse du vent (m /s) Puissance (W) Les caractéristiques essentielles de la plupart des éoliennes sont : Une vitesse de démarrage vd en dessous de laquelle aucune puissance n’est générée ; Une vitesse de plein régime vn pour laquelle la puissance nominale est atteinte ; Une vitesse d’arrêt va au-delà de laquelle l’éolienne est arrêtée (pour éviter de l’endommager). Les puissances d’éoliennes sont données pour un vent déterminé, appelé vent nominal, vent pour lequel l’éolienne fournie sa puissance nominale. Au-delà de cette vitesse du vent, la puissance est maintenue constante grâce au dispositif de régulation. Vitesse du vent (m/s) P u i s s a n c e d i s p o n i b l e ( W ) (c) Puissance nominale Vd Vn Va 1.3.d. Principaux constructeurs Situation mondiale En 2012, les parts de marché mondiales des principaux fabricants d'éoliennes selon les données de BTM Consult étaient les suivantes: GE Wind (États-Unis) avec 15,5% ; Vestas (Danemark) avec 14,0% ; Siemens (Allemagne) avec 9,5% ; Enercon (Allemagne) avec 8,2% ; Suzlon (Inde) avec 7,4% ; Gamesa (Espagne) avec 6,1% ; Goldwind (Chine) avec 6,0% ; United Power (Chine) avec 4,7% ; Sinovel (Chine) avec 3,2% ; Mingyang (Chine) avec 2,7% ; L'ÉOLIEN Capacité d’énergie éolienne mondiale (2004–2014) est de 370 Gigawatts Parts de marché des 10 premiers fabricants d’éoliennes (2014) 27 Cinq fabricants suivants Goldwind (Chine) 9,0% GE Wind (USA) 8,7% Autres 31,7% Enercon (Allemagne) 7,3% Siemens (Allemagn e) 9,5% Vestas (Danemark ) 11,6% Suzlon Group (Inde) 5,5% United Power (Chine) 4,8% Gamesa (Espagne) 4,5% Mingyang (Chine) 3,9% Envision (Chine) 3,7% D’après les ventes totales d’une capacité ~53,5 GW L'éolien a généré plus de 20% de l’électricit é produite dans plusieurs pays tels que le : Danemark , le Nicaragua , le Portugal et l’Espagne. 1.3.e. Principaux producteurs Situation mondiale Évolution de la puissance installée dans le monde  L'énergie éolienne L'énergie éolienne est une source d'énergie qui dépend du vent. Le soleil chauffe inégalement la T erre, ce qui crée des zones de températures et de pression atmosphérique différentes tout autour du globe. De ces différences de pression naissent des mouvements d'air, appelés vent. Cette énergie permet de produire de l'électricité dans des éoliennes, appelées aussi aérogénérateurs. la première ferme éolienne ,en Algérie, à Adrar (Kabertène). Chapitre 2 Évaluation du gisement éolien  L ’origine du vent Le vent est un déplacement d’air horizontal dû à des différences de pression entre les points de la surface de la terre. uploads/Histoire/ energie-eolienne.pdf