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Ce cours est réalisé dans le cadre du Projet de coopération scientifique inte

Ce cours est réalisé dans le cadre du Projet de coopération scientifique interuniversitaire (PCSI) financé par L'Agence Universitaire de la Francophonie (AUF). Le contenu du cours est un extrait des mémoires, rapports, articles réalisés au sein du laboratoire GREAH (Groupe de Recherche en Electrotechnique et Automatique du Havre) de l’université du Havre (France) dans le cadre des travaux du professeur Cristian NICHITA et du docteur Mirela DRUGA. Le cours comporte deux parties : Partie A - Chaîne de conversion électromécanique des éoliennes de petite puissance - Fonctionnement d’un système éolien de petite puissance Partie B - Energie solaire photovoltaïque - Principe de la conversion de l’énergie photovoltaïque - Simulation de la chaine de conversion Le cours s’adresse aux étudiants en Licence et en Master. Son contenu est destiné à des fins académiques : cours, travaux dirigés, travaux pratiques. L’utilisation à des fins industrielles ainsi que la duplication, traductions à titre onéreux doivent être signalés à l’auteur. L’auteur remercie par avance à tous ceux qui par leurs remarques constructives apporteront des améliorations à ce cours. Le Havre, décembre 2012 Dr. Cristian NICHITA Professeur des universités UFR des Sciences et Techniques Laboratoire GREAH Université du Havre 25 rue Philippe Lebon, BP 1123 76 063 Le Havre CEDEX FRANCE E-mail : nichita@univ-lehavre.fr PARTIE A Chaîne de conversion électromécanique des éoliennes de petite puissance Fonctionnement d’un système éolien de petite puissance 1 Chapitre I Chaîne de conversion électromécanique des éoliennes de petite puissance 2 Chapitre I Chaîne de conversion électromécanique des éoliennes de petite puissance INTRODUCTION .................................................................................................................. 3 I.1 CONTEXTE ENERGETIQUE ......................................................................................... 4 I.1.1 Energie disponible sous différentes formes ............................................................... 4 I.1.2 Bilan énergétique mondial, quelques chiffres ............................................................ 5 I.1.3 Energie et environnement .......................................................................................... 6 I.1.4 Energies renouvelables .............................................................................................. 8 I.1.4.1 Energie hydraulique ............................................................................................ 9 I.1.4.2 Energie solaire .................................................................................................... 9 I.2 ENERGIE EOLIENNE, éoliennes de faible puissance .................................................. 10 I.2.1 Historique et développement ................................................................................... 10 I.2.2 Le marché de l’éolien ............................................................................................... 12 I.2.2.1 Installations éoliennes en Europe...................................................................... 13 I.2.2.2 Le petit éolien dans les Etats-Unis d’Amérique .............................................. 14 I.2.2.3 Progression de la Chine dans l’industrie éolienne ........................................... 15 I.2.3 Classement des turbines éoliennes ........................................................................... 16 I.2.3.1 Classement suivant la direction du vent ............................................................ 17 I.2.3.2 Classement suivant l’axe de la turbine .............................................................. 18 I.2.4 Critères de choix des éoliennes ................................................................................ 22 I.2.4.1 Considérations sur la taille et sur la puissance des turbines éoliennes ......... 22 I.2.4.2 Considérations sur la structure d’un système éolien ..................................... 23 I.2.5 Champs d’application des petites éoliennes ............................................................ 24 I.3 GENERATRICE ELECTRIQUE pour aérogénérateurs et son électronique ................. 26 I.3.1 Aérogénérateurs asynchrones .................................................................................. 26 I.3.1.1 Génératrice asynchrone à cage d’écureuil ........................................................ 27 I.3.1.2 Génératrice asynchrone à rotor bobiné ............................................................. 27 I.3.2. Aérogénérateurs synchrones ................................................................................... 28 I.3.2.1 Génératrice synchrone à rotor bobiné ............................................................... 30 I.3.2.2 Génératrice synchrone à aimants permanents (GSAP) ..................................... 30 I.3.3 Chaînes de conversion d'énergie éolienne avec GSAP ............................................ 35 Références bibliographiques ................................................................................................ 41 3 INTRODUCTION Les énergies renouvelables, issues du soleil, du vent ou de la mer, ont longtemps été présentées comme la solution ultime aux problèmes énergétiques que connaît notre civilisation, offrant l’avantage d’être illimitées et non polluantes, mais pas toujours disponibles à un prix "bon marché". Le facteur clé déclencheur de l'intérêt initial porté aux énergies renouvelables, a été l'impulsion des crises pétrolières des années 1970 et les craintes d'épuisement des ressources énergétiques et d'insécurité politique. En conséquence, ce nouveau domaine d'intérêt, le "renouvelable", a connu un bond significatif, traduit par un développement accru des activités liées aux domaines des énergies renouvelables. Pourtant, pendant les années 1980 et 1990, quand les craintes des crises liées à l’énergie se sont évanouies, tandis que les prix des carburants fossiles ont chuté à leur niveau le plus bas, les technologies des énergies renouvelables sont restées toujours coûteuses, en dépit des progrès déjà réalisés. Combien faut-il d’installations éoliennes pour subvenir aux besoins énergétiques de la planète? Il s'agit d'une question d'importance cruciale. Les détracteurs de l'énergie éolienne, et des énergies renouvelables en général, affirment souvent que les énergies renouvelables modernes ne contribueront jamais plus de quelques pourcents à la demande mondiale en énergie, et donc, ne seront pas digne d'être étudiées sérieusement. Ce scepticisme est-il justifié? Dans ce chapitre, quelques éléments de réponse sont apportés. Ainsi, un bilan des ressources énergétiques exploitables est présenté. La technologie éolienne actuelle est décrite sous la forme d’une classification couramment employée, en mettant l’accent sur les éoliennes de faible puissance, destinées aux particuliers ou à des sites isolés. Différents types d’aérogénérateurs sont exposés, avec différentes stratégies d’implémentation, comprenant des dispositifs d’électronique de puissance et des systèmes de stockage, qui simplifient et facilitent la conversion électromécanique de l’énergie éolienne en énergie électrique pour des systèmes éoliens de faible puissance. 4 Radiateur Thermocouple ELECTRO- MAGNETISME MOUVEMENT CHALEUR RAYONNEMENT Moteur électrique Générateur électrique Frein Moteur thermique Lampe Pile solaire Capteur solaire Flamme I.1 CONTEXTE ENERGETIQUE Dans la nature, il existe quatre formes d’énergie libre, à savoir : l’énergie rayonnante (ou solaire, lumière), l’énergie thermique (ou chaleur), l’énergie mécanique (ou cinétique) et l’énergie électrique. A partir de ces formes d’énergie, il en découle douze possibilités de conversion de l’énergie. La Figure I-1 présente les dix transformations les plus courantes entre ces différentes formes d'énergie, réalisables avec un procédé industriel. La conversion de l’énergie rayonnante en énergie mécanique n’a pas encore d’application directe, bien que le phénomène physique est visé dans des systèmes en développement, comme le moteur à pression de radiation ou la voile solaire (Naudet & Reuss, 2008 ; Wiesenfeld, 2005). Figure I-1 : Les principales transformations des formes d’énergie libre d’après (Naudet & Reuss, 2008). I.1.1 Energie disponible sous différentes formes Toutes les formes d’énergie issues de sources disponibles dans la nature s’appellent énergies primaires ; ces formes d’énergie peuvent être exploitées directement, sans transformation, ou bien, subir toute une série de transformations. Le Tableau I-1 présente les principales sources d’énergie primaire, qui peuvent être classées en deux catégories: énergies épuisables et énergies renouvelables. 5 Tableau I-1 : Principales sources d’énergie d’après (Naudet & Reuss, 2008). Comme sources d’énergie épuisable, on peut citer les combustibles, qui peuvent prendre les formes suivantes: − une forme solide, tels que le charbon, le lignite et la tourbe ; − une forme visqueuse, tel que le pétrole ; − une forme gazeuse, tel que le gaz naturel. Les énergies renouvelables se trouvent dans la nature sous différentes formes, à savoir : l'énergie hydraulique, l'énergie solaire thermique ou photovoltaïque, l'énergie éolienne, la biomasse, la géothermique, ou encore, les énergies marines (Naudet & Reuss, 2008 ; Wiesenfeld, 2005). I.1.2 Bilan énergétique mondial, quelques chiffres En 2008, l’Agence Internationale de l’Energie a estimé la production énergétique mondiale à 12 267 Mtoe. Cette production est absorbée par les secteurs industriels et domestiques, tels que : le transport, la production de l’énergie électrique ou l’usage domestique (IEA, 2010). La Figure I-2.A présente la répartition de la production mondiale de l’énergie. Dans cette figure, on remarque que les sources d’énergie fossile représentent encore 87.1% de la production totale d’énergie électrique. En dépit de l’impact écologique du charbon sur l’environnement dans la production de l’électricité, le charbon représente 41% des ressources exploitées. Ainsi, des 20 181 TWh produites dans le monde en 2008, 8 263 TWh sont issues du charbon. La Chine et les Etats- Unis d’Amérique comptabilisent à eux deux quelques 4 866 TWh issus du charbon, soit près Energies épuisables Energies renouvelables Produits carbonés − tourbe − lignite − houille − anthracite − pétrole − gaz naturel Fission − uranium Hydraulique Solaire Eolien Géothermie Biomasse − bois − cultures Energie des mers (hydrolien) 6 (B) (A) de 58% (IEA, 2010). Cette utilisation frénétique du charbon peut s’expliquer par l’abondance de cette ressource dans certaines zones géographiques du monde et le faible coût d’exploitation. Figure I-2 : Production de l’énergie électrique : A- production énergétique mondiale. B- production de l’électricité dans le monde, d’après (IEA, 2010). En deuxième position vient le gaz naturel (21.3%), moins polluant que le charbon. Les Etats-Unis d’Amérique ont produit environ 911 TWh d’un total de production mondiale estimée à 4 301 TWh (IEA, 2010). En troisième position, le nucléaire, ce mode de production est réservé en général aux pays les plus industrialisés, à cause de la complexité du processus de production et des coûts des investissements nécessaires. La France est le pays qui se base le plus dans le monde sur le nucléaire, dans la production de l’énergie électrique à l’usage domestique (77.1%) (IEA, 2010). A titre de comparaison, le deuxième pays est l’Ukraine avec 46.7%. Le pétrole est peu utilisé dans la production de l’énergie électrique. Par contre, il est la ressource principale utilisée dans le transport, où il représente environ 95% de l’énergie absorbée par ce secteur. Enfin, seulement 19% environ de la production électrique mondiale provient des énergies renouvelables, dont 15.9% proviennent de l’hydroélectricité. Pour la production de l’électricité à l’usage domestique la Norvège occupe la première place, sa production est basée essentiellement sur l’énergie hydraulique, au niveau de 98.5% (IEA, 2010). I.1.3 Energie uploads/Litterature/ cours-auf-eolien-photovoltaique.pdf