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Analyse énergétique des centrales électriques Filière Ingénieur Génie Electriqu

Analyse énergétique des centrales électriques Filière Ingénieur Génie Electrique et Maintenance Industrielle Année universitaire 2020/2021 Centrales éoliennes QU’EST-CE QUE L’ÉOLIEN ? L’énergie cinétique du vent peut être exploitée pour produire une force mécanique (moulins à grains, éolienne de pompage) ou produire de l’électricité (l’éolienne est alors aussi appelée aéro-générateur). Cette dernière application est en plein développement en Europe et dans le monde. Centrales éoliennes QU’EST-CE QUE L’ÉOLIEN ? Différentes échelles d’application La puissance d’une éolienne varie de quelques dizaines de watts à plus de 2 MW. L’éolienne standard comporte de nombreux composants nécessaires à l’exploitation du vent, à sa transformation et à l’automatisation de l’installation. Centrales éoliennes QU’EST-CE QUE L’ÉOLIEN ? Différentes échelles d’application Un aérogénérateur peut être utilisé pour : répondre à une demande d’électricité sur un site non raccordé au réseau de distribution d’électricité; fournir de l’électricité destinée majoritairement à être autoconsommée sur un site raccordé; produire et vendre de l’électricité en intégralité sur le réseau. Centrales éoliennes QU’EST-CE QUE L’ÉOLIEN ? Différentes échelles d’application Les modalités d’exploitation de l’énergie éolienne sur un site donné s’étudient en plusieurs étapes. Il faut en effet pour cela : connaître le potentiel éolien du site; identifier les données administratives, techniques et environnementales liées à la construction; dimensionner l’installation en fonction des besoins énergétiques du site, du réseau électrique et des objectifs économiques recherchés. Centrales éoliennes QU’EST-CE QUE L’ÉOLIEN ? Différentes échelles d’application L’application majeure de l’éolien consiste en un groupement de plusieurs éoliennes de fortes puissances, constituant ainsi, une “ferme éolienne” produisant de l’électricité sur le réseau telle une centrale hydroélectrique. Centrales éoliennes QU’EST-CE QUE L’ÉOLIEN ? Différentes échelles d’application L’engouement pour cette filière découle des multiples orientations internationales. Le protocole de Kyoto, conforté à Johannesburg en août 2002, engage les Etats à réduire leurs émissions de gaz à effet de serre et une directive européenne fixe à plus de 20 % la part d'électricité issue des énergies renouvelables au Maroc d’ici 2020, contre 15 % actuellement. Centrales éoliennes QU’EST-CE QUE L’ÉOLIEN ? Différentes échelles d’application Le Maroc, quant à lui, s'est fixé un objectif de 20% en 2020. Centrales éoliennes ENERGIE DU VENT L’énergie du vent ou énergie éolienne traversant une surface A perpendiculaire à la direction du vent est l’énergie d’une masse d’air en mouvement, appelée énergie cinétique. Centrales éoliennes ENERGIE DU VENT A un instant donné, la puissance d’un vent de vitesse U est proportionnelle au cube de la vitesse du vent ainsi qu’à la surface traversée A. P ~ A.U3 Donc, quand la vitesse du vent double, la puissance est multipliée par 8. Centrales éoliennes PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT Une éolienne est constituée d’une partie tournante, le rotor, qui transforme l’énergie cinétique en énergie mécanique en utilisant des profils aérodynamiques. Le flux d’air crée autour du profil une poussée qui entraîne le rotor et une traînée qui constitue une force parasite. Centrales éoliennes PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT La puissance mécanique est ensuite transformée soit en puissance hydraulique avec une pompe, soit en puissance électrique avec une génératrice. Centrales éoliennes PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT En général, les éoliennes sont équipées de dispositifs annexes permettant de réguler la vitesse de rotation (pour éviter l’emballement pendant les périodes de grand vent). Elles disposent aussi d’un dispositif d’orientation qui place en permanence le rotor face au vent, le dispositif le plus simple étant le gouvernail. Centrales éoliennes PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT Une éolienne comprend de nombreux composants : le rotor, avec des pales montées sur un moyeu ; la transmission mécanique, qui transforme le mouvement de rotation du rotor en un mouvement utilisable par la charge ; une génératrice électrique, qui transforme l'énergie mécanique en énergie électrique ; une nacelle, qui supporte le rotor, la transmission et la génératrice ; un système d'orientation, qui oriente la nacelle face au vent ; un mât, qui supporte la nacelle ; un système électrique, qui gère la connexion au réseau et le fonctionnement de l'éolienne Centrales éoliennes PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT Centrales éoliennes PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT 1 : Rotor 2 : Pales 3 : Multiplicateur 4 : Génératrice 5 : Mécanisme 6 : Système hydraulique 7 : Frein Centrales éoliennes PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT Toutes les éoliennes commerciales utilisent aujourd’hui ce principe de fonctionnement : elles sont appelées éoliennes à axe horizontal car l’axe de rotation du rotor est horizontal, parallèle à la direction du vent. Plus le diamètre du rotor sera grand, plus la puissance récupérable sera importante dans un vent donné. La gamme des éoliennes disponible est très large, de 50 watt (diamètre de 90 cm) à 2500 kW et plus (+ de 80 m de diamètre). Centrales éoliennes PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT Centrales éoliennes COURBE DE PUISSANCE Ces puissances sont données pour un vent déterminé, appelé vent nominal, vent pour lequel l’éolienne fournit sa puissance nominale. Au-delà de cette vitesse de vent, la puissance est maintenue constante grâce au dispositif de régulation. Cependant, pour des vitesses de vent trop importantes (tempête), l’éolienne est arrêtée. Une fois arrêtée, l’éolienne peut résister à des vents beaucoup plus importants, jusqu’à 250 km/h ou plus suivant la conception de l’éolienne. Centrales éoliennes COURBE DE PUISSANCE Par ailleurs, un vent trop faible ne réussit pas à entraîner le rotor qui ne démarre que pour un vent minimal, appelé vitesse de démarrage (3 ou 4 m/s). Une éolienne est caractérisée par sa courbe de puissance qui donne la variation de puissance disponible en fonction de la vitesse du vent. Centrales éoliennes COURBE DE PUISSANCE Centrales éoliennes VARIATION AVEC LA HAUTEUR La vitesse du vent varie avec la hauteur : plus l’on monte, plus le vent est élevé et ceci d’autant plus que le vent est perturbé en surface. Le vent est en effet ralenti par le frottement sur le sol et ce frottement est plus important en milieu urbain qu’en milieu rural ouvert par exemple. Centrales éoliennes OBSTACLE Quand le vent rencontre un obstacle isolé, il est fortement perturbé sur une distance d’environ 20 fois la hauteur de l’obstacle: dans le sillage de l’obstacle, le vent est plus irrégulier et turbulent et donc de moins bonne qualité. Centrales éoliennes OBSTACLE Ce phénomène arrive aussi quand on place plusieurs éoliennes sur un même site : les éoliennes se gênent les unes les autres si elles ne sont pas suffisamment écartées entre elles (en général, une distance de 6 fois leur diamètre est à respecter entre plusieurs éoliennes). Centrales éoliennes QUEL USAGE? L’énergie produite par une éolienne peut être utilisée de différentes manières : Pour fournir de l’énergie sur un site particulier qu’il s’agisse d’un site raccordé ou non au réseau électrique ; Pour fournir de l’énergie sur le réseau électrique. Dans le premier cas, ce qui va déterminer la taille de l’éolienne seront les besoins à fournir sur le site. Dans le second cas, toute l’énergie produite est vendue au réseau électrique : il s’agit d’un producteur autonome. Centrales éoliennes QUEL USAGE? Ensuite deux solutions sont envisageables : 1.L'électricité produite sera stockée dans des batteries (en courant continu) puis utilisée directement avec des appareils électriques spéciaux fonctionnant en courant continu ou bien transformée, via un onduleur (transformateur continu / alternatif), en courant alternatif 220 V identique à celui délivré par le réseau. Centrales éoliennes QUEL USAGE? Ensuite deux solutions sont envisageables : 2.L’électricité produite est directement injecté dans le réseau électrique après transformation dans le convertisseur en courant alternatif. Les parcs éoliens d’une puissance supérieure ou égale à 10 MW se raccordent au réseau haute tension, 63 000 Volts. Les parcs éoliens d’une puissance inférieure à 10 MW se raccordent au réseau moyenne tension, 20 000 Volts. Centrales éoliennes QUEL USAGE? Les parcs d’aérogénérateurs (ou fermes éoliennes) ont pour but de fournir de l'électricité à l’échelle d’une région ou d’un pays; Une éolienne capte l'énergie cinétique du vent et la convertit en un couple qui fait tourner les pales du rotor. Trois facteurs déterminent le rapport entre l'énergie du vent et l'énergie mécanique récupérée par le rotor : la densité de l'air, la surface balayée par le rotor et la vitesse du vent. Centrales éoliennes PUISSANCE RECUPEREE PAR UNE EOLIENNE Principe de base: Le vent est un phénomène physique naturel qui consiste en un déplacement des molécules d’air. Or, chaque corps en déplacement a emmagasiné de l’énergie cinétique. Le principe de l’hélice d’une éolienne est justement de capter cette énergie contenue par le vent. Centrales éoliennes PUISSANCE RECUPEREE PAR UNE EOLIENNE L’énergie du vent Le vent muni d’énergie cinétique peut la transmettre à tout objet avec lequel il entre en contact. A titre d’exemple on prend les tempêtes qui déracinent les arbres, ou tout simplement des morceaux de papier volant au vent, ces phénomènes ne sont pas innés, c’est le vent qui transmet son énergie au corps en contact. Centrales éoliennes PUISSANCE RECUPEREE PAR UNE EOLIENNE L’énergie du vent Un corps faisant obstruction au vent capte donc son énergie cinétique mais aussi il est à l’origine d’une dépression occasionnée par sa masse, ce qui entraîne une perturbation. Centrales éoliennes PUISSANCE RECUPEREE PAR UNE EOLIENNE L’énergie du vent Ce qui nous intéressera, c’est la surpression devant uploads/Ingenierie_Lourd/ analyse-energetique-des-centrales-electriques-filiere-ingenieur-genie-electrique-et-maintenance-industrielle 1 .pdf