UNIVERSITE HASSAN II - MOHAMMEDIA FACULTE DES SCIENCES BEN M'SIK. Energie éolienne. N.Belouaggadia

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1 UNIVERSITE HASSAN II - MOHAMMEDIA FACULTE DES SCIENCES BEN M'SIK Energie éolienne 1 N.Belouaggadia

2 PLAN Historique Potentiel ti des éoliennes Modélisation d un écoulement autour d une éolienne Savonius Intégration d une éolienne Savonius dans le bâtiment

3 Rapides historiques Le moulin à vent est l'ancêtre de l'éolienne. Il est apparu au Moyen- Age en Europe. La Révolution Industrielle offre un nouveau départ aux moulins par l'apparition de nouveaux matériaux. En effet, l'utilisation de métal permet de modifier les formes des tours et augmente considérablement le rendement des machines que l'on nomme désormais «éoliennes». 3 N.Belouaggadia

4 Eoliennes modernes Photographie d'une ferme éolienne Le profil des pales est étudié et les ingénieurs s'inspirent des profils des ailes d'avion. Ferme éolienne offshore de Middelgrunden (Danemark) 4

5 Qu est-ce que les centrales éoliennes fournissent? Électricité pour Les réseaux centraux Les réseaux isolés Les systèmes hors réseau Le pompage de l eau mais aussi Renfort pour les réseaux fragiles Diminution de l exposition aux variations du prix de l énergie Réduction des pertes de transmission et de distribution Parc éolien de San Gorgino, Palm Springs, Californie, États-Unis Photo : Warren Gretz/ NREL Pix

6 Utilisation de l énergie éolienne Hors réseau Petites éoliennes (50 W à 10 kw) Chargement de batteries Pompage de l eau Réseau isolé Éoliennes de 10 à 200 kw Les systèmes hybrides éolien-diesel réduisent les coûts de production dans les régions éloignées Taux de pénétration é élevé é ou bas Réseau central Éoliennes de 200 kw à 2 MW Hors réseau, éolienne de 10 kw, Mexique Parcs éoliens de plusieurs machines Photo : Charles Newcomber/ NREL Pix

7 Étapes d un projet de centrale éolienne Évaluation du potentiel éolien Évaluation environnementale Approbation réglementaire Conception Construction Chemin d accès Ligne électrique Postes de raccordement Installation d un mât météorologique de 40 m, Québec, Canada Photo : GPCo Inc. Poste de raccordement, Californie, États-Unis Photo : Warren Gretz/NREL Pix

8 Description pto du d une eéolienne e Composants Rotor Multiplicateur (boîte de vitesses) Tour Fondation Système de commande Générateur Schéma d une éolienne à axe horizontal

9 Les pales Les 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 turbine La largeur des pales intervient dans le couple de démarrage qui sera d'autant meilleur que la pale sera plus large Le profil est fonction du couple désiré en fonctionnement t 9

10 Rotor Le rotor est une des parties les plus visibles du système éolien. Il est formé de plusieurs pales qui ont une forme particulière. Lorsque le vent fait tourner les pales, celles-ci ci font tourner le rotor qui fait, à son tour, tourner le mécanisme d entraînement et le générateur. é 10

11 Multiplicateur Pale Génératrice Frein Rotor Nacelle mât 11

12 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 capteur éolien ainsi i 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 important. Photographie d'une éolienne à axe horizontal et d'un moulin à vent 12 N.Belouaggadia

13 Il existe deux catégories d'éolienne à axe horizontal: Aval : le vent souffle sur l'arrière des pales en partant de la nacelle. Le rotor est flexible, autoorientable. Amont : le vent souffle sur le devant des pales en direction de la nacelle. Les pales sont rigides, et le rotor est orienté selon la direction du vent par un dispositif. 13

14 Orientation de l'axe Eolienne 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 la rotation de l'ensemble. 14 N.Belouaggadia

15 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. Photographie hi d'une éolienne de Darrieus Shé Schéma du rotor de Darrieus 15 N.Belouaggadia

16 C est la surface balayée pas les hélices qui compte. Ainsi deux grandes pales feront tout àfait aussi bien que trois pales. Il faut tout d abord lever bien haut l éolienne pour qu elle puisse profiter au maximum des vents. Ceci nécessite une tour toujours élevée par rapport à la taille de l éolienne. Le système à pales tournantes convertit l énergie cinétique du vent (sa vitesse) en énergie mécanique disponible sur un axe. La rotation de cet axe anime une génératrice qui produit de l électricité àson tour. Le principe i de l éolienne li se résume donc en un système ( un rotor-génératrice) qui, à partir d une énergie extrêmement variable ( le vent), devra produire une énergie électrique présentant des caractérisques constantes. 16

17 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 la roue éolienne. Application Pompage à des profondeurs supérieures à 100 m 17 N.Belouaggadia

18 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 Où V 1 et V 2 représentent les vitesses V V 1 2 h = h 1 2 du vent horizontales aux hauteurs respectives h 1 et h 2 α coefficient caractéristique du lieu entre 0,1 et 0,4 Graphe de variation de vitesse de vent avec l altitude 18 N.Belouaggadia

19 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 aux α extrémités des pales sont les suivantes : pour deux valeurs extrêmes de 19 N.Belouaggadia

20 On trouvera ci-dessous les valeurs prises par α pour les différents types de terrain partagés en 4 familles Nature du terrain Exposant α 1. Plat : glace, neige 0,08 à 0,12 2. Peu accidenté (culture, pâturage) 3. Accidenté : zones peu habitées 4. Très accidenté : Villes 0,13 à 0,16 0,20 à 0,23 0,25 à 0,4 20 N.Belouaggadia

21 Potentiel t e éolien 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 potentiels Régions côtières Crêtes de longues pentes Cols Terrains découverts Vallées où le vent s engouffre Typiquement plus venteux En hiver qu en été Le jour que la nuit

22 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 C pmax (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 : 22 N.Belouaggadia

23 V 1 est la vitesse du vent avant les pales de l'éolienne 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) V 2 est la vitesse du vent après prélèvement de l'énergie par les pales de l'éolienne Où V > V > 1 V 2, ces vitesses sont parallèles à l'axe du rotor. Retrouvons le Cp max en faisant une étude des puissances - d'une part, la puissance récupérable sur l'éolienne est due à la variation d'énergie cinétique du vent : P recup = 1 ρ.v.s. 2 ( ) 2 2 V V N.Belouaggadia

24 d'autre part, l'effort qui s'exerce sur l'éolienne crée une puissance P effort : le théorème de la quantité de mouvement donne : F = ρ ( ) 2 Alors : P = F.V = ρ.s.v.(v V )V = ρsv ( V V ) effort S.V V 1 V 2 2 P effort correspond à la puissance absorbée par le rotor, soit la puissance mécanique fournie à l'aéromoteur. 24 N.Belouaggadia

25 Connaissance de l'aéromoteur Coefficient de puissance Cp L'énergie du vent est l'énergie cinétique de l'air récupérable qui traverse une certaine surface S, la puissance associée est donc : P vent = 1. ρ.s. V 2 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 : P turbine 1 =.C 2 V: la vitesse du vent en m/s p 3. ρ.s. V S : la surface d'air en m² balayée par les pales 3 ρ = 1,25 kg / m 3 masse volumique de l'air, dans les conditions normales de T et de P au niveau de la mer 25 N.Belouaggadia

26 Γ Couple produit par l'éolienne Γ = P Ω = 1 2.C p. ρ.s. V On définit aussi le coefficient de couple comme : Rapport de vitesse λ λ Ω 3 C Γ C Γ C = p 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 : λ = R : rayon de la pale en m Ω : vitesse de la pale en tr/min V V : vitesse du vent en m/s RΩ V λ 26 N.Belouaggadia

27 Ecoulement autour d une éolienne Savonius D = 0,6 m e = 0,1 m H = 0,65 m 27 N.Belouaggadia

28 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 aux Les équations de Navier Stokes sont résolues par une méthode aux volume finis

29 Maillage

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47 sur l écoulement et le rendement de l éolienne en fonction de sa distance au mur et tde la direction du vent t" utilisation de l'effet de concentration de l'énergie cinétique ; possibilité d'exploiter le phénomène de coucheche limite dû à la présence du mur ; simplicité de mise en ouvre pour les expériences comparativement à l'étude avec un coin. 47

48 Simulation d une éolienne seule Rendement en fonction de la vitesse réduite en bout de pale *

49 Interaction avec une paroi plane

50 Bilan et Perspectives Malgré un gisement urbain peu favorable, une 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 : - 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 Couplage Aéro-Electrique * Essais Système en soufflerie * Co-simulation champ-circuit

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