Evaluation de potentiel énergétique éolien dans la région sud-est du Sahara algérienne

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1 REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L'ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE KASDI MERBAH OUARGLA Faculté des Hydrocarbure et des énergies renouvelables et de Science de la Terre et de l'univers Département des énergies renouvelables Mémoire de MASTER ACADEMIQUE Domaine : sciences et techniques Filière : Génie Mécanique Spécialité : Energies Renouvelables Présenté par : BENALI OUSSAMA Thème Evaluation de potentiel énergétique éolien dans la région sud-est du Sahara algérienne Soutenu publiquement le : 08 / 06 / 2015 Devant le jury composé de : Nom et Prénom Qualité Etablissement Maammeur Hocine Président UKM Ouargla Charouf Omar Encadreur UKM Ouargla Doak Mouhamed Examinateur UKM Ouargla Année Universitaire : 2014/2015

2 Remerciements Je remercie Allah, le tout puissant, le miséricordieux, de m avoir appris ce que j ignorais, de m avoir donné la santé et tout ce dont j avais besoin pour réaliser le travail imposé et rédiger ce mémoire. Je tiens, tout particulièrement, à exprimer ma profonde gratitude à mon encadreur Charouf Omar enseignant à l Université d Ouargla, pour ces conseils précieux ainsi que pour la confiance et l aide et qui m ont marqué par leurs grandes valeurs scientifiques et humaines. Qu il ma accordé pour mener ce travail à terme. ainsi que les membres du jury qui m ont fait l honneur d examiner ce travail, à savoir monsieur Maammeur.H et monsieur Doak.M Mes remerciements vont aussi à l ensemble de mes professeurs tout le long de ces années d études. Je voudrais aussi remercier tous les membres de ma famille, ma mère et mon père mes frères et mes chères sœurs.mes chers amis et mes collègues.

3 Nomenclatures : Nomenclatures P la puissance moyenne (w) ρ désigne la masse volumique en (kg/m 3 ) S la surface balayée par les pale de l éolienne (en m 2 ) V la vitesse moyenne de vent ( m/s) V D La vitesse du vent correspondant au démarrage de la turbine. (m/s) V n La vitesse du vent pour laquelle la puissance extraite correspond à la puissance nominale de la génératrice. (m/s) V M vitesse du vent au-delà de laquelle il convient de déconnecter l éolienne pour des raisons de tenue mécanique en bout de pales (m/s) C p Facteur de puissance P moy la puissance annuelle d une éolienne (W) P max la puissance maximale récupérable par l éolienne (W) la variation d énergie cinétique de l air (KWh) F la force de l air sur l éolienne (N) Υ La vitesse en aval de l éolienne (m/s) M la masse d air qui traverse l éolienne (kg) f(v) la distribution en fréquences des vitesses mesurées. S V la densité de puissance de l énergie éolienne. (w/m 2 ) V vitesse au travers de la surface balayée (m/s) K C P(V) T Γ facteur de forme sans dimension (k > 0) qui caractérise la forme de la distribution de fréquence. facteur d échelle Distribution de probabilité de Weibull des vitesses moyennes du vent (m/s) la densité de puissance de l énergie éolienne (w/m 2 ) La fonction de probabilité de Weibull le temps la fréquence des vents calmes enregistrée Gamma l écart type Méthode de la densité de puissance (Energy pattern factor method) (s) R N Le coefficient de détermination la racine carrée de l erreur quadratique moyenne est le nombre total d intervalles est la fréquence de valeur observée est la fréquence de valeur obtenue par la distribution de Weibull la valeur moyenne de

4 la vitesse du vent mesurée à 10 m d altitude facteur rugosité du surface la moyenne géométrique de la hauteur l'énergie éolienne disponible calculée à l'aide de la limite de Betz Nomenclatures (m/s) (m) (m) (KWh)

5 Liste des figures Liste des figures : Figure 1.1 Figure 1.2 Figure 1.3 Figure 1.4 Figure 1.5 Figure 1.6 Figure 1.7 Figure 1.8 Figure 1.9 Figure 1.10 Figure 1.11 Figure 2.1 Figure 3.1 Figure 3.2 Figure 3.3 figure 3.4 figure 3.5 figure 3.6 Figure 3.7 Figure 3.8 Conversion de l'énergie cinétique du vent girouette manche à air Anémomètre Schéma d'un aérogénérateur Courbe de la puissance éolienne en fonction de la vitesse du vent. éolienne à axe verticale.. éolienne a axe horizontale théorie de Betz : schéma de principe Représentation schématique des systèmes éoliens mécanique et électrique pour le pompage de l eau. Atlas de la vitesse moyenne du vent de l Algérie estimée à 10 m du sol. La distribution de Weibull. variation de la vitesse moyenne du vent mensuelle à Ouargla à 10 m d altitude. variation de la vitesse moyenne du vent mensuelle à Illizi à 10 m d altitude.. variation de la vitesse moyenne du vent mensuelle à Tamanrasset à 10 m d altitude. variation de densité de puissance mensuelle à ouargla. variation de densité de puissance mensuelle à Illizi. variation de densité de puissance mensuelle à Tamanrasset. performance de Fuhrländer FL 30 sur le site d Illizi. performance d Aventa AV-7 sur le site d Illizi.

6 Liste des tableaux Liste des tableaux Tableau 1.1 classification du vent d'après l'échelle de Beaufort[7]. Tableau 1.2 Classification des éoliennes. Tableau 2.1 Les coordonnées géographiques des sites concernés. Tableau 2.2 la distribution des fréquences des vitesses moyennes journalières mesurées entermes de pourcentage pendant 10 ans. Tableau 2.3 la rugosité des différents surfaces. Tableau 3.1 Estimation du facteur de forme et d échelle mensuels pour les trois méthodes utilisées à Ouargla à 10 m d altitude. Tableau 3.2 Estimation du facteur de forme et d échelle saisonnier à Ouargla à 10 m d altitude. Tableau 3.3 Estimation du facteur de forme et d échelle mensuelle pour les trois méthodes utilisées à Illizi à 10 m d altitude. Tableau 3.4 Estimation du facteur de forme et d échelle saisonnière pour les trois méthodes utilisées à Illizi à 10 m d altitude. Tableau 3.5 Estimation du facteur de forme et d échelle mensuelle pour les trois méthodes utilisées à Tamanrasset à 10 m d altitude. Tableau 3.6 Estimation du facteur de forme et d échelle saisonnière à Tamanrasset à 10 m d altitude. Tableau 3.7 Densité de puissance mensuelle (W/m2) et l énergie délivrée (kwh/m 2 ) estimée pour les trois sites de la région sud-est retenus à 10 m d altitude. Tableau 3.8 Densité de puissance saisonnière (W/m2) estimée pour les trois sites de la région sud-est à 10 m d altitude. Tableau 3.9 Densité de puissance et d énergie annuelle (W/m2) estimée pour les trois sites de la région sud-est à 10 m et 50 m d altitude. Tableau 3.10 les caractéristiques de Fuhrländer FL 30. Tableau 3.11 les caractéristiques d Aventa AV-7. Tableau 3.12 les caractéristiques et performance de Fuhrländer FL 30 à 50 m. Tableau 3.13 les caractéristiques et performance d Aventa AV-7 au site d Illizi à50 m.

7 Sommaire Sommaire Remerciements Nomenclatures Liste de figures Liste des tableaux Sommaire Introduction générale 1 Chapitre 1 : Généralité sur l énergie éolienne 1.1 Introduction Définition de l'énergie éolienne Formation de vent La direction du vent Forces agissant sur le vent Force gravitationnelle Force de pression Force de Coriolis Forces de frottement Caractérisation de la vitesse du vent Classification du vent Instruments pour mesurer le vent La girouette La manche à air (manche à vent) L anémomètre L aérogénérateur Principe de fonctionnement de l aérogénérateur classification des éoliennes Zones de fonctionnement de l éolienne Les déférentes types de l éolienne éolienne à axe verticale Les éoliennes à axe horizontal 12

8 Sommaire Facteur de puissance C p Formule de Betz Théorie de Betz Eolienne de pompage Éoliennes de pompage mécaniques Éoliennes de pompage électriques Atlas eolien en algerie 16 Chapitre 2 : Méthodologie d évaluation d un potentiel énergétique éolien 2.1 Introduction : Données du vent Modélisation mathématique de la distribution des fréquences du vent Distribution de Weibull Distribution hybride de Weibull Distribution de Rayleigh Détermination des paramètres de Weibull Méthode de variabilité du vent (empirical method) Méthode de l écart-type (moment method) Méthode de la densité de puissance (Energy pattern factor method) Extrapolation de la vitesse du vent et des paramètres de Weibull Evaluation de la densité de puissance moyenne éolienne Estimation de l'énergie éolienne 25 Chapitre 3 : Présentations et discussions des résultats 3.1 Introduction Estimation des paramètres de weibull Résultats d Ouargla Résultats d Illizi Résultats de Tamanrasset Evaluation de la densité de puissance des trois sites la densité de puissance et d énergie mensuelle La densité de puissance Saisonnière la densité de puissance Annuelle : 35

9 Sommaire 3.4 Dimensionnement de l aérogénérateur pour le site d Illizi La première proposition Fuhrländer FL La deuxième proposition Aventa AV-7 38 Conclusion générale 40 Liste des Références Résumé

10 Introduction générale Introduction général L énergie c est un élément primordial dans la vie humaine et l un des moteurs du développement des sociétés. Depuis des milliers d années l homme utilise l énergie pour satisfaire ses besoins vitaux. Le charbon et le pétrole sont parmi les sources d énergie les plus connus et les plus utilisées dans le monde. Depuis le premier choc pétrolier de 1973, et face à une demande croissante d énergie et à l épuisement à plus ou moins long terme des énergies fossiles et aussi l augmentation de la pollution de l environnement, les pays du monde s orientent progressivement vers les énergies nouvelles et renouvelables. D'une façon générale, les énergies renouvelables sont des modes de production d'énergie utilisant des forces ou des ressources dont les stocks sont illimités. Les Cinq sources fondamentales des énergies renouvelables, Fournies par le soleil, le vent, la chaleur de la terre, les chutes d eau, les marées ou encore la croissance des végétaux, les énergies renouvelables n engendrent pas ou peu de déchets ou d émissions polluantes. Elles participent à la lutte contre l effet de serre et les rejets de CO2 dans l atmosphère, facilitent la gestion raisonnée des ressources locales et génèrent des emplois. Le solaire (solaire photovoltaïque, solaire thermique), l éolien, l hydroélectricité, la biomasse, la géothermie sont des énergies des flux inépuisables par rapport aux «énergies traditionnelles» tirées des gisements de combustibles fossiles en voie de raréfaction : pétrole, charbon, lignite, gaz naturel. La principale source, qui fera l'objet de notre étude est l énergie éolienne issue du vent qui transforme l énergie cinétique du vent en énergie mécanique puis électrique. Depuis des milliers d années, l'énergie éolienne a été utilisée pour fournir un travail mécanique. L'exemple le plus connu est le moulin à vent, le pompage d eau et le forgeage des métaux dans l industrie et la propulsion des navires. La première éolienne «industrielle» génératrice d'électricité est développée par le danois Poul La Cour en 1890, pour fabriquer de l'hydrogène par électrolyse. Dans les années suivantes, il crée l'éolienne Lykkegard, dont il aura vendu 72 exemplaires en 1908[1]. A l époque, en raison de la nature instable du vent, l éolien ne peut être considéré que comme une source d énergie de complément et non remplaçant des solutions classiques. Actuellement, plusieurs pays sont déjà résolument tournés vers l'énergie éolienne.l Allemagne est aujourd hui le premier producteur mondial avec une production de 14.6 GW en 2003, l'espagne est au deuxième rang avec 6.4 GW, les USA au troisième rang avec 6.3 GW et le Danemark au quatrième rang avec 3.1 GW. La France est au dixième rang européen avec GW. L Union Européenne avec 4,15 GW [2]. Au niveau de notre pays, l Algérie Occupe une superficie de km 2. Cela donne à l Algérie l'avantage de posséder les diverses sources d'énergie renouvelables comme l énergie solaire et l énergie éolienne, cette dernière ; elle a commencé à voir la lumière, et l état algérien a lancé un programme ambitieux, où l'achèvement de plusieurs projets liés à 1

11 Introduction générale l'énergie éolienne,par exemple à la wilaya d Adrar ; On a crée une grande station d'une ferme éolienne après avoir étudié le site d Adrar. Et puisque l énergie éolienne est considérée comme une source d'énergie écologique et Produit une quantité considérable d'électricité, Nous voulons explorer d'autres sites qui ont un potentiel important de l énergie éolienne en Algérie pour créer et installer d autres stations. Par conséquent, nous voulons examiner notre région sud-est de l'algérie, En particulier, nous examinerons les trois wilayas de cette région qui sont : Ouargla Illizi Tamanrasset. L'étude du potentiel éolien dans un endroit est une phase cruciale avant la phase de de dimensionnement et d installation d'une ferme éolienne, il faut d'abord une étude des caractéristiques des sites basée sur l'historique des vents du site pendant au moins une décennie. De plus, pour avoir une idée des variations durant l'année, une étude de la répartition du vent est réalisée sur place pendant cette période [3]. Dans notre étude, nous allons recueillir des données météorologiques pendant 10 ans ( ) et en connaissance de la nature géographique de la région, on propose d estimer la puissance produite par l aérogénérateur et aussi le dimensionnement d une ferme éolienne. Les données des vents fournies par les services météorologiques sont généralement mesurées à la hauteur standard de 10 m du sol. Notre mémoire sera présenté en trois chapitres : Le premier chapitre est consacré à des rappels sur les systèmes éoliens à travers les concepts physiques régissant leur fonctionnement. Ces rappels sont suivis par une définition de l énergie éolienne de manière générale, puis la formation des vents et leurs différents types, le principe de fonctionnement de l éolien et les différentes technologies qui sont utilisées pour capter l'énergie du vent (capteur à axe vertical ou à axe horizontal), ainsi que l atlas éolien d Algérie.le deuxième chapitre sera consacré à la présentation des différents méthodes de calcul de la puissance éoliennes dans les sites choisis. Le troisième chapitre sera consacré à la présentation et la discussion des résultats. 2

12 Chapitre 1 Généralités sur l énergie éolienne Chapitre 1 Généralités sur l énergie éolienne

13 Chapitre 1 Généralités sur l énergie éolienne 1.1 Introduction Dans ce chapitre, on présente une définition de l énergie éolienne de manière générale, la formation des vent et leurs différents types, le principe de fonctionnement de l aérogénérateur, ainsi que les différents aérogénérateurs utilisés dans les systèmes éoliens. Un aperçu est donné sur les instruments de mesure de la vitesse du vent, et l atlas éolien de l Algérie. 1.2 Définition de l'énergie éolienne On appelle énergie éolienne, la conversion de la force des vents en énergie mécanique, énergie électrique ou énergie cinétique. (Figure1.1) [4]. Figure 1.1 : Conversion de l'énergie cinétique du vent 1.3 Formation du vent Dans un sens macro-météorologiques, les vents sont les mouvements des masses d'air dans l atmosphère génère sous l'effet des différences de température. Le gradient de température est dû au chauffage solaire inégal. En fait, la région équatoriale est plus irradiée que ceux polaires. Par conséquent, l'air de la région équatoriale est le plus chaud et plus léger atteint les couches externes de l'atmosphère et se déplace vers les pôles, en étant remplacé au niveau des couches inférieures par un écoulement de retour d'air plus froid provient des régions polaires [5]. La couche inférieure de l'atmosphère est connu comme couche de surface et se prolonge à une hauteur de 100 m. Dans cette couche, les vents sont retardés par les forces de frottement et obstacles modifiant n est pas seulement leur vitesse mais aussi leur direction. Telle est l'origine des écoulements turbulents, qui provoquent des variations de l1a vitesse du vent sur une large gamme d'amplitudes et de fréquences. En outre, la présence des mers et 3

14 Chapitre 1 Généralités sur l énergie éolienne grande lacs provoque la circulation des masses d'air de nature similaire à des vents géostrophiques. Tous ces mouvements de l'air appelé vents locales [5] La direction du vent La direction du vent est celle de sa provenance. On dit un vent du nord, quand le vent provient du nord et se dirige vers le sud [6] Forces agissant sur le vent Pour un observateur à l arrêt par rapport au sol, il existe quatre forces majeures qui agissent sur une partie élémentaire d air : Force gravitationnelle Conséquence de l attraction mutuelle des corps, cette force intervient à cause de la grande masse de la terre. Elle est dirigée vers le centre de la terre [7] Force de pression Dirigées des hautes pressions vers les basses pressions, ces forces sont deus au gradient de pression résultant de l'échauffement inégal de l'air suivant les latitudes, la nature des sols et la répartition des océans et des continents. Les forces de pressions sont à l'origine du déplacement des masses d'air [7] Force de Coriolis Cette force est le résultat de la rotation de la terre autour de son axe et est perpendiculaire à la vitesse du vent Forces de frottement Ces forces traduisent la friction turbulente de l'air avec le sol. Elles interviennent dans la couche limite atmosphérique. La force gravitationnelle et la force du gradient de pression sont les deux forces qui peuvent initier un mouvement de l air. Leurs actions se font ressentir près du sol dans une zone appelée couche limite atmosphérique [7] Caractérisation de la vitesse du vent La puissance énergétique éolienne moyenne disponible, associée à une circulation d une 4

15 Chapitre 1 Généralités sur l énergie éolienne masse d air à une vitesse V et agissant sur une surface A, de la roue d'une éolienne s'écrit, [7]: (1.1) - P : la puissance moyenne (w) - ρ: désigne la masse volumique en (kg/m 3 ), paramètre variant avec la latitude et la température.( d environ 1.25 kg/m3). - S : la surface balayée par les pale de l éolienne ( en m 2 ). - V : la vitesse moyenne de vent ( m/s) Classification du vent En fonction de sa vitesse et de ses effets, on classe le vent d'après l'échelle de Beaufort, créé en 1805 par l'amiral du même nom. Dégrée Vitesse (m/s) Effet au sol Effet sur l eau hauteur des vagues (m) 0. Calme <1 Pas de vent, la fumée monte verticalement Comme un miroir 0 1.Très légère brise De 0,6 à 1,7 La fumée fléchit Calme plat 0-0,2 2. Brise légère De 1,8 à 3,3 Les feuilles bougent Vaguelettes 0,2-0,6 3. Petite brise De 3,4 à 5,2 Les feuilles s'agitent Petites vagues courtes 0, Jolie brise De 5,3 à 7,4 Les petites branches bougent Vagues avec crête Bonne brise De 7,5 à 9,8 Les grosses branches bougent Vagues moyennes, moutons, embruns éclaboussures Vent frais De 9,9 à 12,4 Les grosses branches s'agit et on le sent dans les maisons Grosses vagues avec écume 3-4 5

16 Chapitre 1 Généralités sur l énergie éolienne 7. Vent fort ou grand frais De 12,5 à 15,2 Il agite les branches et gène la marche Très grosses vagues avec écume 4-5,5 8. Bourrasque ou coup de vent De 15,3 à 18,2 Il casse les branches et agite de gros arbres Vagues hautes, embruns et visibilité réduite 5, Forte bourrasque ou fort coup de vent De 18,3 à 21,5 Il arrache les tuiles des toits Lames avec écume épaisse, visibilité Tempête De 21,6 à 25,1 Il arrache et abat les arbres Grosses lames, mer blanchâtre, visibilité très réduite 9,11,5 Très grosses lames, la 11. Violente tempête De 25,2 à 29 Il provoque des dégâts énormes mer est couverte d'écume, visibilité 11,5-14 proche du zéro Mer totalement 12. Ouragan Plus de 29 Destruction générale de tout ce qu'il rencontre blanche, visibilité nulle, lames exceptionnellement Plus de 14 hautes Tableau 1.1: classification du vent d'après l'échelle de Beaufort [8] Instruments pour mesurer le vent : La girouette : La girouette est un instrument qui nous indique l origine du vent. C est un pointeur (une flèche, un coq etc.) qui est monté sur un axe rotatif. Le pointeur peut tourner librement autour de son axe et s aligne donc parallèlement au vent. C est la partie la plus mince du pointeur (la pointe de la flèche, le bec du coq etc.) qui nous indique la provenance du vent. Il peut y avoir 6

17 Chapitre 1 Généralités sur l énergie éolienne une croix immobile indiquant les points cardinaux fixée sous le pointeur d une girouette traditionnelle. Figure 1.2 : girouette Puisque l usage des girouettes s est répandu en Europe durant le moyen-âge et qu il en existait même 4000 ans auparavant, on ne peut pas dire qui en est l inventeur précisément. Unités de mesure : Les points cardinaux ou les degrés d orientation par rapport au nord géographique La manche à air (manche à vent) La manche à air est un instrument qui nous indique l origine du vent et nous donne aussi une approximation de la vitesse du vent. C est un tube de toile souple fermé à l une des extrémités que l on appelle manchon et fixé à un mât. Le vent s engouffre par l ouverture et soulève le manchon. Il y a toujours au moins trois bandes rouges et deux bandes blanches qui s alternent. Ces bandes nous permettent une approximation de la vitesse du vent. Chaque bande correspond à une vitesse de 5 nœuds (environ 9 km/h). Alors quand il y a cinq bandes du tube de toile complètement à l horizontal on peut dire qu il y a un vent d au moins 25 nœuds (environ 45 km/h). Le tube de toile peut aussi pivoter sur son axe alors il nous permet de connaître la direction du vent. Le manchon pointe vers où le vent se dirige [9]. 7

18 Chapitre 1 Généralités sur l énergie éolienne Figure 1.3 : manche à air L anémomètre L anémomètre est un instrument qui nous indique la vitesse du vent. L anémomètre est composé de coupelles en forme de demi-sphères vides orientées dans le même sens qui tournent librement autour d un axe. Dans les anémomètres modernes, un système électronique permet alors de calculer le nombre de tours effectués par les coupelles dans un certain temps. La vitesse du vent apparaît alors sur un petit écran. On peut très bien connaître la vitesse du vent seulement de façon mécanique aussi. L anémomètre a été inventé par l architecte italien Leon Battista Alberti en Unités de mesure : En kilomètres par heure (km/h) ou en mètres par seconde (m/s) Figure 1.4 : Anémomètre 8

19 Chapitre 1 Généralités sur l énergie éolienne 1.4 L aérogénérateur Principe de fonctionnement de l aérogénérateur : Un aérogénérateur permet de transformer l'énergie cinétique du vent en énergie électrique. Pour convertir l énergie cinétique en énergie électrique le générateur va utiliser le phénomène d induction. En effet ce dernier est composé de deux parties, une partie mobile le rotor et une partie fixe, le stator, permettant de créer un champ magnétique et de générer un courant électrique. L éolienne est également équipée d une girouette permettant l orientation des pales en fonction de la direction du vent. Elle doit être également fixée solidement au sol[1]. Figure 1.5 : Schéma d'un aérogénérateur 9

20 Chapitre 1 Généralités sur l énergie éolienne Classifications des éoliennes selon la puissance classification des éoliennes Diamètre (m) Puissance (w) petite éolienne entre 0,5 m et 20 m Inferieur à 100 Kw moyenne éolienne 20m et 50m 100 Kw a 1 Mw grande éolienne 50 m à 100 m plus de 1 Mw Tableau 1.2 : Classification des éoliennes [1] Zones de fonctionnement de l éolienne Compte tenu des informations précédentes, la courbe de puissance convertie d une turbine, généralement fournie par les constructeurs, qui permet de définir quatre zones de fonctionnement pour l'éolienne suivant la vitesse du vent [4] : Figure 1.6 : Courbe de la puissance éolienne en fonction de la vitesse du vent. V D : La vitesse du vent correspondant au démarrage de la turbine. Suivant les constructeurs, V D varie entre 2.5m/s et 4m/s pour les éoliennes de forte puissance. V n : La vitesse du vent pour laquelle la puissance extraite correspond à la puissance nominale de la génératrice. Suivant les constructeurs. V M : vitesse du vent au-delà de laquelle il convient de déconnecter l éolienne pour des raisons de tenue mécanique en bout de pales. Pour la grande majorité des éoliennes, V M vaut 25m/s[3]. Zone I : V < V D : La vitesse du vent est trop faible. La turbine peut tourner mais l énergie à capter est trop faible. Zone II : V D < V < V n : Le maximum de puissance est capté dans cette zone pour chaque 10

21 Chapitre 1 Généralités sur l énergie éolienne vitesse de vent. Différentes méthodes existent pour optimiser l énergie extraite. Cette zone correspond au fonctionnement à charge partielle. Zone III : V n < V < V M : La puissance disponible devient trop importante. La puissance extraite est donc limitée, tout en restant le plus proche possible de la puissance nominale de la turbine (P n ). Cette zone correspond au fonctionnement à pleine charge [4] Les déférents types de l éolienne Les éoliennes se divisent en deux grandes familles : celles à axe vertical et celles à axe horizontal: éolienne à axe verticale éolienne a un axe de rotation verticale par rapport au sol. Ils ont été les premières structures développées pour produire de l électricité. De nombreuses variantes technologies ont été testées dont seulement deux structures sont parvenues au stade de l industrialisation, le rotor de Savonius et le rotor de Darrieux [4]. Figure 1.7 : éolienne à axe verticale.. Les avantages d'une machine à axe vertical sont les suivantes : - Elle vous permet de placer la génératrice, le multiplicateur, etc. à terre, et vous n'avez pas besoin de munir la machine d'une tour. 11

22 Chapitre 1 Généralités sur l énergie éolienne - Un mécanisme d'orientation n'est pas nécessaire pour orienter le rotor dans la direction du vent. Les inconvénients principaux sont les suivants : - L'efficacité globale des éoliennes à axe vertical n'est pas impressionnante. - L'éolienne ne démarre pas automatiquement. Cependant, ceci ne constitue qu'un inconvénient mineur dans le cas d'une éolienne raccordée au réseau, étant donné qu'il est alors possible d'utiliser la génératrice comme un moteur absorbant du courant du réseau pour démarrer l'éolienne) Les éoliennes à axe horizontal Le principe de l'éolienne à axe horizontal ou «éolienne à hélices» est simple et rappelle celui du moulin à vent. Les pales sont fixées au sommet d'un pylône et sont orientées face ou dos au vent, ce qui permet des rendements élevés. Il existe un grand nombre de modèles à axe horizontal qui sont les éoliennes adaptées à l'implantation sur terrain. Le nombre de pales utilisé pour la production d'électricité varie classiquement entre 1 et 3. Elles sont en effet à proscrire pour une pose sur bâtiment. Figure 1.8 : éolienne a axe horizontale Avantages : grand choix des modèles, technologie éprouvée, prix. 12

23 Chapitre 1 Généralités sur l énergie éolienne Inconvénients : installation uniquement sur un terrain, bruit, mauvais rendement dans les vents turbulents Facteur de puissance C p Le facteur de capacité est le rapport entre la production annuelle et la production maximale possible techniquement d une éolienne. Il est à noter que les éoliennes ne sont pas principalement conçues pour un facteur de capacité optimale, mais pour générer autant d'électricité que possible à une certaine vitesse de vent. Facteurs de capacité de 30-40% sont considérés comme très élevés pour les régions côtières. C p = (100. P moy )/P max (1.2) Formule de Betz L'énergie récupérable est inférieure à l'énergie cinétique de l'air situé en amont de l'éolienne, puisque l'air doit conserver une énergie cinétique résiduelle pour qu'il subsiste un écoulement. Albert Betz a démontré que la puissance maximale récupérable est égale aux 16/27 de la puissance incidente. La puissance maximale théorique d'une éolienne est ainsi fixée à : soit : (1.3) Formule dans laquelle : P = puissance exprimé en watts (W) ; S = surface balayée par les pales exprimée en mètres carrés (m 2 ) ; V = vitesse du vent en mètres par seconde (m/s) Cette puissance maximale est ensuite affectée du coefficient de performance propre au type et au modèle d'éolienne et au site d'installation. Ce coefficient est en général compris entre 0,20 et 0, Théorie de Betz La théorie globale du moteur éolien à axe horizontal a été établie par «Albert Betz». A. Betz suppose que le moteur éolien est placé dans un air animé à l infini en amont d une vitesse V et à l infini en aval d une vitesse ʋ. La production d énergie ne pouvant se faire que 13

24 Chapitre 1 Généralités sur l énergie éolienne par la conversion de l énergie cinétique, la vitesse υ est nécessairement inférieure à V. Il en résulte que la veine de fluides traverse le générateur éolien en s élargissant [4]. Figure 1.9 : théorie de Betz : schéma de principe [4] Soit donc V la vitesse de l air en amont, υ celle en aval et V celle au travers de S, la section balayée par les pales de l éolienne et m la masse d air qui traverse l éolienne, la variation d énergie cinétique de l air E, est : La puissance de l éolienne P est alors : (1.4) (1.5) Avec : - ρ : la densité de l air. - S : la surface balayée par les pales de la turbine. Par ailleurs, la force de l air F sur l éolienne est : (1.6) D où : 14 (1.7)

25 Chapitre 1 Généralités sur l énergie éolienne En identifiant les équations I.5 et I.7, il vient : (1.8) Et donc : (1.9) La puissance de l éolienne sera alors maximale quand sa dérivée dp / dυ sera nulle, soit pour υ=v/3. La puissance est alors maximale et vaut [4] : (1.3) Eolienne de pompage : Éoliennes de pompage mécaniques L éolienne de pompage mécanique traditionnelle utilise un système bielle manivelle monté sur l arbre du rotor. Elle possède normalement plusieurs pales montées sur un rotor qui tourne relativement lentement [7]. Le système bielle manivelle transforme le mouvement rotatif de la bielle en un mouvement rectiligne alternatif qui commande la pompe à piston installée dans un puits ou un étang, à la base de l éolienne. Le mouvement alternatif du piston de la pompe assure le pompage de l eau. Les éoliennes de pompage mécaniques ont leurs avantages et leurs inconvénients. Elles sont généralement fiables, d un entretien facile et d un coût abordable. La contrainte principale réside dans le fait qu elles doivent être installées directement au-dessus du puits ou de l étang, ceci même si l eau doit être utilisée à une certaine distance de ce puits Éoliennes de pompage électriques Contrairement au système mécanique, le système éolien électrique n'est pas obligé de se trouver près de la source d approvisionnement en eau[7]. Le système éolien électrique commande une pompe électrique, (après conversion de l énergie mécanique en énergie électrique) qui aspire l eau de la source (un puits ou un étang) et la refoule à l endroit de son utilisation (un abreuvoir à bétail, un étang ou un 15

26 Chapitre 1 Généralités sur l énergie éolienne système d irrigation). La quantité d énergie consommée par la pompe électrique peut être adaptée à la puissance de sortie de l éolienne, de manière à ce que l énergie éolienne soit utilisée efficacement. Les éoliennes de pompage électriques ne comprennent pas de batteries. L eau est stockée dans un réservoir qui sert de réserve d énergie. En figure 1.10 est donné le schéma des systèmes de pompage mécanique et électrique pour le pompage de l eau. Figure 1.10 : Représentation schématique des systèmes éoliens mécanique et électrique pour le pompage de l eau. 1.5 Atlas éolien en Algérie La carte des vents de l Algérie, estimée à 10 m du sol est présentée en Figure 1.11 Les vitesses moyennes annuelles obtenues varient de 2 à 6.5 m/s. On remarque qu à l exception de la région côtière (moins Béjaia et Oran), du Tassili et de Beni Abbés, la vitesse de vent moyenne est supérieure à 3 m/s. 16

27 Chapitre 1 Généralités sur l énergie éolienne En fait, la région centrale de l'algérie est caractérisée par des vitesses de vent variant de 3 à 4 m/s, et augmente au fur et a mesure que l'on descend vers le sud-ouest. Le maximum est obtenu pour la région d'adrar avec une valeur moyenne de 6.5 m/s. Cependant, nous pouvons observer l'existence de plusieurs microclimats où la vitesse excède les 5 m/s comme dans les régions de Tiaret, Tindouf et Oran.[7]. Figure 1.11: Atlas de la vitesse moyenne du vent de l Algérie estimée à 10 m du sol. 17

28 Chapitre 2 Méthodologie d évaluation d un potentiel énergétique éolien Chapitre 2 Méthodologie d évaluation d un potentiel énergétique éolien

29 Chapitre 2 Méthodologie d'évaluation du potentiel énergétique éolien 2.1 Introduction : Ce travail de recherche consiste à l étude d une phase au préalable, permettant d apporter une aide efficace, à tous ceux qui ont à prendre des décisions concernant la planification et la réalisation de projets à Energie éolienne et d installer une ferme éolienne pour la production de l électricité dans la région sud-est[10]. Dans cette perspective, nous allons étudier le potentiel énergétique éolien au niveau de ce site après l accumulation des données climatique (la vitesse moyenne de vent) dans les 3 site de la région sud-est (Ouargla- Illizi-Tamanrasset) qui sont mesurés pour 10 mètre d altitude au-dessus de la surface de la terre par le stations météorologiques pendant 10 ans, nous allons commencer par la détermination les paramètres de forme et d échelle liés au vent, tel que des modélisation mathématiques de la distribution des fréquences du vent, puis le traitement données réelles relatives au vent collectées pendant 10 ans, puis on détermine la méthode la plus précise pour calculer les deux paramètres, On estime la densité de puissance pour trois sites, ainsi que la densité de puissance pour deux hauteurs du mât de l éolienne. 2.2 DONNEES DE VENT Les données de cette étude viennent du service météorologique dans les trois sites [ : Ouargla Illizi - Tamanrasset. Les mesures de la vitesse du vent sont faites à 10 m de hauteur chaque jours pendant 10 ans. Les coordonnées géographiques des sites sont données au Tableau 2.1. Site Longitude Latitude Altitude (m) Ouargla 5.4ᵒ 31.93ᵒ 141 Illizi 8.41ᵒ Tamanrasset 22.8ᵒ 26.5ᵒ ᵒ 1364 Tableau 2.1 : Les coordonnées géographiques des sites concernés. L'utilisation efficace de l'énergie éolienne consiste à avoir connaissance détaillée des caractéristiques du vent sur notre site. La distribution de la vitesse du vent est importante pour la conception et la création d une ferme éolienne,. Le tableau 2.2 décrit la fréquence en pourcentage par jour mesurée à 10 m de hauteur, au cours de la période de ( ) pour les stations d Ouargla Illizi- Tamanrasset. 18

30 Chapitre 2 Méthodologie d'évaluation du potentiel énergétique éolien Ces résultats au dessous sont obtenus par l application de l algorithme suivant dans le logiciel Matlab : v1=[m1(:,1),..m1(:,10);m2(:,1); m2(:,10);.;m12(:,10)]; a1=find(v1<3) P1=size(a1)/size(v1) a2=find(3 <v1 <4) P2=size(a2)/size(v1) a3=find(4< v1 <5) P3=size(a3)/size(v1) a4=find(5<v1<6) P4=size(a4)/size(v1) a5=find(6<v1<7) P5=size(a5)/size(v1) a6=find(7<v1<8) P6=size(a6)/size(v1) a7=find(8<v1<9) P7=size(a7)/size(v1) a8=find(9<v1<13) P8=size(a8)/size(v1) a9=find(v1<16) P9=size(a9)/size(v1) Intervalle de vitesse v (m/s) Fréquences des vitesses du vent à Ouargla (%) Fréquences des vitesses du vent à tamanrasset (%) Fréquences des vitesses du vent à Illizi(%) V< < V < < V < < V < < V < < V < < V < < V< V < Tableau 2.2 : la distribution des fréquences des vitesses moyennes journalières mesurées en termes de pourcentage pendant 10 ans. 19

31 Chapitre 2 Méthodologie d'évaluation du potentiel énergétique éolien On constate que la fréquence la plus grande pour Ouargla est 37%, Illizi 23% et Tamanrasset 34 % pour une vitesse inférieure à 3 m/s pendant 10 ans, la vitesse entre 6 m/s et 7m/s a une valeur de 11% parmi les vitesse au site d Illizi. On a des vitesses 72% inferieurs à 5 m/s à Ouargla et 63 % à Illizi et 80% à Tamanrasset, et on a des vitesses 23% entre 6 et 8m/s à Ouargla et 35 % à Illizi et 17% à Tamanrasset. 2.3 MODELISATION MATHEMATIQUE DE LA DISTRIBUTION DES FREQUENCES DU VENT Afin d évaluer le potentiel de l énergie éolienne d un site, il est important d exprimer la distribution de la fréquence de la vitesse du vent. Les études de modélisation de la distribution des vitesses du vent ont été orientées vers des modèles associant puissance et exponentielle. Les modèles usuels étant : - La distribution de Weibull. - La distribution hybride de Weibull. - La distribution de Rayleigh Distribution de Weibull La distribution de Weibull (nommé d'après le physicien suédois W. Weibull, qui l a appliqué pour étudier la résistance des matériaux à la tension en1930) a été utilisée pour représenter les distributions de vitesse du vent pour l'application dans les études de vent de charges pendant un certain temps et il peut donner un bon ajustement aux données expérimentales [11]. La distribution de Weibull a été utilisée pour l étude statistique des données mesurées au sol. La densité de probabilité et la fréquence cumulée de cette distribution [3] est donnée par: (2.1) - f(v) : la distribution en fréquences des vitesses mesurées. - k : facteur de forme sans dimension (k > 0) qui caractérise la forme de la distribution de fréquence. - c : facteur d échelle (m/s) et c > 0. La figure 2.1 présente le graphe de la distribution de Weibull et la densité de puissance [5]. 20

32 Chapitre 2 Méthodologie d'évaluation du potentiel énergétique éolien Figure 2.1 : (a) courbe de la distribution de Weibull, (b) courbe de la densité de puissance. (a) : Distribution de probabilité de Weibull des vitesses moyennes du vent, et (b) : la densité de puissance en fonction de la vitesse moyenne du vent. La fonction de répartition est donnée par [12] : (2.2) La fonction de probabilité de Weibull révèle que les grandes vitesses moyennes de vent se produisent rarement alors que des vents modérés sont plus fréquentes. Dans le cas particulier de la figure1. (a), le plus probable de la vitesse moyenne du vent est d'environ 5,5 m / s, alors que la vitesse moyenne du vent est de 7 m / s. Ainsi, la distribution de Weibull peut faciliter beaucoup des calculs rendus nécessaires par l analyse des données du vent Distribution hybride de Weibull La distribution hybride de Weibull, est utilisée lorsque la fréquence des vents calmes enregistrée, sur un site donné, est supérieure ou égale à 15%. En effet, cette proportion ne 21

33 Chapitre 2 Méthodologie d'évaluation du potentiel énergétique éolien peut pas être négligée et doit être prise en compte lors de la caractérisation d un site du point de vue éolien [3]. Cette distribution s écrit : pour V > 0 (2.3) pour V = 0 (2.3.1) Distribution de Rayleigh La distribution de Rayleigh est un cas particulier de la distribution de Weibull pour le cas où le facteur de forme k est égal à 2. Sa densité de probabilité est donnée par : (2.4) Dans ce travail on va évaluer le potentiel énergétique éolien par la distribution de weibull qui est le plus utilisée dans ce domaine. Alors il faut déterminer leurs paramètres. 2.4 Détermination des paramètres de Weibull Les caractéristiques du vent vont déterminer la quantité de l énergie qui pourra être effectivement extraite du gisement éolien. Pour connaître les propriétés d un site, des mesures de la vitesse du vent ainsi que de sa direction, sur une grande période du temps, sont nécessaires (un à dix ans). Cependant, les études antérieures dans le domaine de l éolien ont montré que la caractéristique la plus importante est la distribution statistique de Weibull. Elle s est révélé la plus adéquate pour l emploi dans l éolienne. Habituellement, le facteur de forme caractérise la symétrie de la distribution. Pour la détermination les deux paramètres de Weibull K et c des sites de la région sudest, on a utilisé trois méthodes : Méthode de variabilité du vent (empirical method) Cette approche empirique, consiste à estimer k, à partir de la variabilité du vent et de la vitesse moyenne du vent. pour une faible variabilité de vent (v<3) (2.5) pour une moyenne variabilité de vent (3<v<4) (2.6) pour une grande variabilité de vent (4<v) (2.7) Le calcul de c est fait à partir de la formule suivante: 22

34 Chapitre 2 Méthodologie d'évaluation du potentiel énergétique éolien (2.8) Où Γ est la fonction gamma définie par (2.9) La fonction Gamma satisfait aux relations suivantes :,,. La fonction Gamma est une généralisation directe de la notion de factorielle pour des nombres réels non entiers. le calcul de ( Γ ) est fait par le programme de MATLAB, tel que on intègre le paramètre de forme K, et ensuite MATLAB donne la valeur de ( Γ ) Méthode de l écart-type (moment method) Si la vitesse moyenne et l écart-type sont disponibles, l estimation des paramètres se fait en utilisant les deux formules suivantes [12]: (2.10) (2.8) Sachant que est la déviation standard de la vitesse moyenne du vent. Le calcule de cette méthode se fait au Matlab par l expression suivant : rho= 1.2 ET=std(V) k=(et/vm)^(-1.086) c=vm/gamma(1+(1/k)) p=(1/2)*rho*(c)^3*gamma(1+(3/k)) Méthode de la densité de puissance (Energy pattern factor method) La vitesse moyenne cubique [12] est (2.11) La vitesse cubique moyenne est On définit le facteur de modèle d énergie (2.12) (2.13) (2.14) (2.8) 23

35 Chapitre 2 Méthodologie d'évaluation du potentiel énergétique éolien Dans le but de tester les différentes méthodes, on va calculer les paramètres d analyse statistique suivants : - Le coefficient de détermination R [12]: (2.15) - et la racine carrée de l erreur quadratique moyenne (2.16) Où N est le nombre total d intervalles, est la fréquence de valeur observée, est la fréquence de valeur obtenue par la distribution de Weibull et la valeur moyenne de. Un modèle est dit idéal, s il est caractérisé par une valeur nulle pour RMSE et 1 pour le paramètre. 2.5 Extrapolation de la vitesse du vent et des paramètres de Weibull En général, les mesures de la vitesse du vent sont faites à 10 m d altitude au-dessus de la surface de la terre. Il est toutefois nécessaire d estimer la vitesse du vent à différentes altitudes. La vitesse du vent augmente avec l altitude. L extrapolation de la vitesse du vent pour différentes altitudes est obtenue par la relation suivante [12]: (2.17) (2.18) - Avec, la vitesse du vent mesurée à 10 m d altitude, la vitesse qui doit être calculée à l altitude. - est l exposant de loi de puissance qui est en fonction de la rugosité de surface. - la moyenne géométrique de la hauteur ( * ) 0.5 et r 0 la rugosité du sol[12]. Tableau de rugosité des déférentes surfaces [5]: Type de la surface Sable 0.10 herbe fauchée 0.13 l'herbe haute 0.19 Banlieue 0.32 Tableau 2.3 : la rugosité des différents surfaces. Α 24

36 Chapitre 2 Méthodologie d'évaluation du potentiel énergétique éolien 2.6 Evaluation de la densité de puissance moyenne éolienne La densité de puissance de l énergie éolienne est la caractéristique la plus importante A du vent. Elle représente la quantité d énergie produite par le vent. Supposons que soit une section transversale à travers laquelle le vent s écoule perpendiculairement [12]. La puissance du vent est donnée par la relation suivante : (2.19) Avec ρ la masse volumique de l air qui dépend de la pression (altitude), de la température et de l humidité. Elle est supposée être constante puisque sa variation n affecte pas le calcul de ressource du vent d une manière significative. Dans cette étude, on utilise la masse volumique de l air moyenne pour chaque site selon son altitude. La densité de distribution de l énergie éolienne donne la répartition de l énergie éolienne à différentes vitesses du vent. Elle est obtenue en multipliant la densité de puissance du vent par la probabilité de chaque vitesse du vent comme suit: [W/m 3 s] (2.20) En intégrant l équation (2.20) pour une période d étude, on peut utilisé les deux paramètres c et k pour estimé mensuellement ou annuellement la densité de puissance du vent par unité de surface par cette expression : (2.21) En outre, l extrapolation de la puissance moyenne pour une hauteur inferieur de 100 m, la densité de puissance du vent au-dessus du niveau du sol est donnée par (2.22). 2.7 Estimation de l'énergie éolienne A partir des mesures du vent, il est possible de calculer l'énergie éolienne disponible en un lieu donné. Dans la pratique, l'énergie éolienne annuelle, exprimée en kwh/m 2, est calculée à l'aide de la limite de Betz qui s'écrit (2.23) où f : est la fréquence correspondant à la vitesse V; du vent, centre de la classe i. Ce calcul peut se faire à l'aide de la distribution de Weibull, on obtient l'expression qui suit : (2.24) 25

37 Chapitre 3 Présentation et discussion des résultats Chapitre 3 Présentation et discussion des résultats

38 vitesse du vent (m/s) Chapitre 3 Présentations et discussions les résultats 3.1 Introduction : Dans ce présent chapitre, les calculs de la densité de puissance moyenne et la densité d énergie moyenne pour les trois sites de la région sud-est sont estimés par la distribution et les paramètres de Wiebull qui sont calculés par trois méthodes différentes : la méthode de l écart type, variabilité de vitesse et méthode de densité de puissance. Les résultats des valeurs annuelles, mensuelles et saisonnières des trois sites seront présentés et commentés. Par la suite, on suggérera pour le dimensionnement le type de l éolienne le plus convenable pour le site le plus favorable basée sur les résultats. 3.2 Estimation des paramètres de weibull Résultats d Ouargla : Les vitesses du vent mensuelles moyennes à 10 m d altitude au site d Ouargla ont été représentées par la figure 3.1 : temps (mois) Figure 3.1 : variation de la vitesse moyenne du vent mensuelle à Ouargla à 10 m d altitude. La vitesse du vent a une valeur maximale de 4,87 m/s en Mai, alors que la vitesse du vent minimale de 2,61 m/s est enregistrée en Décembre 26

39 Chapitre 3 Présentations et discussions les résultats Le tableau 3.1 suivant présente les paramètres de Weibull mensuels calculés à base des trois méthodes : Mois Vitesse Méthode de Méthode de l écart Méthode de densité moyen du variabilité du vent type de puissance vent (m/s) K C (m/s) K C (m/s) K C (m/s) Janvier 2,95 1,8034 3,3176 1,4529 3,2544 1,4615 3,257 Février 3,6546 1,797 4,1092 1,9835 4,1231 1,9853 4,1232 Mars 4,1781 1,9214 4,7101 1,9417 4,7114 1,9274 4,7105 Avril 4,5294 2,0006 5,111 2,3706 5,1106 2,3586 5,111 Mai 4,8714 2,0747 5,4996 2,5181 5,4894 2,5124 5,4897 Juin 4,7501 2,0487 5,3619 2,4832 5,3545 2,4368 5,3568 Juillet 3,7999 1,8324 4,2765 2,4644 4,2842 2,4766 4,2837 Aout 4,0475 1,8911 4,5606 1,9674 3,3276 2,7103 4,5508 Septembre 4,1193 1,9078 4,6428 2,5024 4,6426 2,4924 4,6431 Octobre 3,3729 1,7264 3,7841 2,0917 3,8081 2,1158 3,8084 Novembre 2,6188 1,6992 2,935 1,4853 2,8974 1,4842 2,8971 Décembre 2,6159 1,6982 2,9316 1,448 2,8844 1,4701 2,8903 Tableau 3.1: Estimation du facteur de forme et d échelle mensuels pour les trois méthodes utilisées à Ouargla à 10 m d altitude. Le Tableau 3.1 représente les paramètres de forme et d échelle pour le site d Ouargla, tels qu estimés en utilisant la méthode de variabilité, la méthode d écart-type et la méthode de densité de puissance. Le paramètre de forme K estimé par la méthode de l écart-type et la méthode de densité de puissance sont très proches. Alors que le calcule de paramètre d échelle C est presque Identiques dans une large mesure pour les trois méthodes. Le paramètre d échelle C varie entre 2,88 m/s (en décembre) et 5,5 m/s (en Mai), ce qui montre que Mai est le mois le plus venté. Donc, le paramètre d échelle varie dans une grande gamme dépendant Principalement des valeurs mesurées de vitesse mensuelle moyenne du vent. Cela confirme que l'atmosphère n est pas stable tout au long de l'année sur Ouargla région. Alors, il a un impact négatif sur la production de l'énergie éolienne à Ouargla et sur le fonctionnement des turbines tout au long de l'année. 27

40 vitesse moyen du vent (m/s) Chapitre 3 Présentations et discussions les résultats Le tableau 3.2 suivant présente les paramètres de Weibull saisonniers calculés à base de la méthode l écart type : Saison Vitesse moyen du vent K C (m/s) (m/s) Hiver 3,0541 1,5732 3,4009 Printemps 4,5263 2,2428 5,1104 Eté 4,1932 2,4808 4,7268 Automne 3,3704 1,8997 3,7982 Tableau 3.2 : Estimation du facteur de forme et d échelle saisonnier à Ouargla à 10 m d altitude. On constate que les deux paramètres de Weibull K et C sont élevés pendant les deux saisons de l été et le printemps avec des vitesses 4,2 m/s et 4,5 m/s successivement, par contre les deux autres saisons ont des vitesses moins de 3,5 m/s, Alors ils ont des paramètres de forme et d échelle moins que l Eté et printemps. Alors, on peut dire que l Eté et le printemps plus venteux Résultats d Illizi : temps(mois) Figure 3.2 : variation de la vitesse moyenne du vent mensuelle à Illizi à 10 m d altitude.. Pour Illizi, Les vitesses du vent mensuelles moyennes à 10 m d altitude ont été représentées à la figure 3.2. La vitesse du vent a une valeur maximale de 5,11 m/s en Mai, alors que la vitesse du vent minimale de 3,4 m/s est enregistrée en Décembre. 28

41 Chapitre 3 Présentations et discussions les résultats Le tableau 3.3 suivant présente les paramètres de Weibull mensuels calculés à base des trois méthodes : Mois Vitesse Méthode de Méthode de l écart Méthode de densité moyen du variabilité du vent type de puissance vent (m/s) K C (m/s) K C (m/s) K C (m/s) Janvier 3,7815 1,8279 4,2553 2,0247 4, ,267 Février 4,2536 1,9387 4,7963 2,232 4,8026 2,1328 4,8029 Mars 4,7033 2,0386 5,3087 2,3476 5,3076 2,2356 5,3103 Avril 4,5554 2,0063 5,1405 2,5684 5,1305 2,4827 5,135 Mai 5,111 2,1251 5,771 3,1395 5,7117 2,9359 5,7289 Juin 5,0103 2,1041 5,657 3,6919 5,5525 3,2889 5,5864 Juillet 4,9168 2,0844 5,5511 4,4088 5,3943 3,602 5,4563 Aout 4,7647 2,0518 5,3785 4,6 5,2145 3,6582 5,283 Septembre 4,3276 1,9555 4,8808 3,3702 4,8193 3,1141 4,838 Octobre 4,1215 1,9083 4,6453 2,7795 4,6298 2,7199 4,6335 Novembre 3,6961 1,8279 4,1592 2,3015 4,1721 2,2959 4,1722 Décembre 3,3884 1,7303 3,8019 1,9133 3,8193 1,9534 3,8214 Tableau 3.3 : Estimation du facteur de forme et d échelle mensuelle pour les trois méthodes utilisées à Illizi à 10 m d altitude. Le Tableau 3.3 représente les paramètres de forme et d échelle pour site d Illizi, tels qu estimés en utilisant la méthode de variabilité, la méthode d écart-type, la méthode la méthode de densité de puissance. Le paramètre de forme K estimé par la méthode de l écart-type et la méthode de densité de puissance sont très proches. Alors que le calcule de paramètre d échelle C est presque Identiques dans une large mesure pour les trois méthodes. On peut observer que le paramètre de forme varie entre 1,9 (mois décembre) et 4,6 (mois d Aout) pour les méthodes de l écart type et densité de puissance. Et pour la méthode de variabilité du vent, le K entre 1,7 (en décembre) et 2,1 (en Mai). Le paramètre d échelle C varie entre 3,8 m/s (en décembre) et 5,7 m/s (en Mai), ce qui montre que Mai est le mois le plus venté. Donc, le paramètre d échelle et paramètre de forme varient dans une grande gamme. Et on sait que les deux paramètres dépendent de la vitesse moyenne du vent.cela signifie que la vitesse du vent est irrégulier, il a un impact négatif sur la production de l'énergie éolienne à Illizi et sur le fonctionnement des turbines pour la production de l énergie tout au long de l'année. 29

42 vitesse moyenne du vent (m/s) Chapitre 3 Présentations et discussions les résultats Le tableau 3.4 suivant présente les paramètres de Weibull mensuels calculés à base de la méthode de l écart type : Saison Vitesse moyen du vent K C (m/s) (m/s) Hiver 3,793 2,0209 4,2807 Printemps 4,7924 2,6349 5,3934 Eté 4,896 4,1607 5,3895 Automne 4,0492 2,7337 4,5514 Tableau 3.4 : Estimation du facteur de forme et d échelle saisonnière pour les trois méthodes utilisées à Illizi à 10 m d altitude. En général, les valeurs de paramètre d'échelle sont faibles pendant l'hiver, et élevé tout au long des saisons d'été et printemps. Et dans une moindre mesure l Automne. Donc les trois dernières saisons sont ventées plus que l hiver Résultats de Tamanrasset Les vitesses du vent mensuelles moyennes à 10 m d altitude au site de Tamanrasset ont été représentées par la figure 3.3 : 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, temps (mois) Figure 3.3 : variation de la vitesse moyenne du vent mensuelle à Tamanrasset à 10 m d altitude. A Tamanrasset, Les vitesses du vent mensuelles moyennes à 10 m d altitude ont été représentées à la figure 3.3. La vitesse du vent a une valeur maximale de 4,25 m/s en juillet, alors que la vitesse du vent minimale de 2,9 m/s est enregistrée en Décembre et Septembre. 30

43 Chapitre 3 Présentations et discussions les résultats Le tableau 3.5 suivant présente les paramètres de Weibull mensuels calculés à base des trois méthodes : Mois Vitesse Méthode de Méthode de l écart Méthode de densité moyen du variabilité du vent type de puissance vent (m/s) K C (m/s) K C (m/s) K C (m/s) Janvier 3,3547 1,7217 3,7629 1,9251 3,782 1,8053 3,7728 Février 3,6596 1,7982 4,115 2,7124 4,1146 2,6041 4,12 Mars 3,9971 1,8793 4,5029 2,8433 4,4862 2,7139 4,494 Avril 4,1938 1,925 4,728 3,6027 4,6539 3,1982 4,6825 Mai 3,9971 1,8793 4,5029 2,8433 4,4862 2,7139 4,494 Juin 4,1837 1,9227 4,7165 3,3038 4,6638 3,0517 4,6815 Juillet 4,2597 1,9401 4,8033 2,9516 4,7735 2,8291 4,7818 Aout 4,0398 1,8893 4,5517 3,299 4,5037 3,0409 4,5212 Septembre 2,9098 1,7911 3,2712 2,2654 3,285 2,2239 3,2854 Octobre 3,5554 1,7724 3,9949 2,619 4,002 2,55 4,0051 Novembre 3,0363 1,7217 3,4058 2,6425 3,4167 2,5517 3,4203 Décembre 2,9098 1,7911 3,2712 2,2654 3,285 2,2239 3,2854 Tableau 3.5 : Estimation du facteur de forme et d échelle mensuelle pour les trois méthodes utilisées à Tamanrasset à 10 m d altitude. Le paramètre de forme K estimé par la méthode de l écart-type et la méthode de densité de puissance sont très proches. On remarque que le paramètre de forme K varie entre 1,8 (en janvier) et 3,6 (en Avril) pour les méthodes de l écart type et densité de puissance. Et pour la méthode de variabilité du vent, le K entre 1,7 (en janvier et novembre) et 1,9 (en juillet). Alors que le paramètre d échelle C, Il est clair d'après les résultats présenté dans le tableau 3.5, tout les méthodes sont Identiques dans une large mesure. il varie entre 3,27 m/s (en décembre et septembre) et 4,8 m/s (en juillet), ce qui montre que Juillet est le mois le plus venté. Donc, les paramètres d échelle varient dans une petite gamme, dépend Principalement sur les Valeurs mesurées de vitesse mensuelle moyenne du vent. Cela confirme que l'atmosphère est stable de tout au long de l'année sur Tamanrasset région. Alors, il a un impact négatif sur la production de l'énergie éolienne à Ouargla et sur le fonctionnement les turbines tout au long de l'année. 31

44 Chapitre 3 Présentations et discussions les résultats Le tableau 3.6 suivant présente les paramètres de Weibull mensuels calculés à base de la méthode de l écart type : Saison Vitesse moyen du vent K C (m/s) (m/s) Hiver 3,2963 2,1929 3,722 Printemps 4,0613 3,049 4,5447 Eté 4,1608 3,1609 4,6483 Automne 3,1686 2,4464 3,573 Tableau 3.6 : Estimation du facteur de forme et d échelle saisonnière à Tamanrasset à 10 m d altitude. On peut constater que les valeurs de paramètre d'échelle sont faibles pendant l'hiver et l Automne que durant les deux autres saisons, ils sont élevés tout au long des saisons d'été et de printemps. D après les résultats analysés dans les trois sites de la région sud-est, on peut déduire : - Le site d Illizi a des plus grandes valeurs de vitesse moyenne du vent mensuelle et saisonnière par rapport les deux sites, et Ouargla en deuxième et puis Tamanrasset. - Les valeurs des paramètres de forme et d échelle sont proportionnelles à la vitesse moyenne du vent. - Les saisons de Printemps et l Eté sont les plus ventées à Illizi et Ouargla, tandis que les saisons de l Eté et l Automne sont les plus ventés à Tamanrasset. 32

45 Chapitre 3 Présentations et discussions les résultats 3.3 Evaluation de la densité de puissance des trois sites: Pour une estimation approximative de la densité de puissance et la densité de l énergie, nous proposons de prendre la moyenne résultante des trois méthodes afin d éviter un surdimensionnement ou un sous-dimensionnement des aérogénérateurs à installer dans cette région la densité de puissance et d énergie mensuelle: Le tableau 3.7 suivant présente les moyennes des densités des puissances et des énergies mensuelles calculées à base des trois méthodes : Mois Ouargla Illizi Tamanrasset Densité de Puissance (w/m 2 ) Densité d Energie délivrée Densité Puissance (w/m 2 ) de Densité d Energie délivrée Densité Puissance (w/m 2 ) de Densité d Energie délivrée (kwh/m 2 ) (kwh/m 2 ) (kwh/m 2 ) Janvier , , ,808 Février , , ,031 Mars , , ,3038 Avril , , ,168 Mai , , ,3038 Juin , , ,7327 Juillet , , ,668 Aout , , ,6715 Septembre , , ,817 Octobre , , ,1775 Novembre , , ,4766 Décembre , , ,122 Tableau 3.7 : Densité de puissance mensuelle (W/m2) et l énergie délivrée (kwh/m 2 ) estimée pour les trois sites de la région sud-est retenus à 10 m d altitude. D après le Tableau 3.7, la valeur maximale de la densité de puissance moyenne mensuelle éolienne à Ouargla est 115,2 W/m 2 enregistrée en Mai pour une vitesse moyenne mensuelle maximale de 4,87 m/s (Tableau 3.1). Et pour le site d Illizi, la densité de puissance moyenne mensuelle atteint sa valeur maximale de W/m 2 enregistrée en Mai pour une vitesse mensuelle maximale de 5,11 m/s (Tableau 3.3). A Tamanrasset la densité de puissance est estimée à W/m 2 enregistrée en Juillet pour une vitesse maximale est 4,3 m/s (Tableau 3.5). La valeur minimale de la densité de puissance moyenne mensuelle d énergie éolienne à Ouargla est W/m 2 enregistrée en Décembre pour une vitesse moyenne mensuelle minimale de 2,61 m/s (Tableau 3.1). Pour le site d Illizi, la densité de puissance moyenne mensuelle minimale est estimée à W/m 2 enregistrée en Décembre pour une vitesse mensuelle minimale de 3,38 m/s (Tableau 3.3), et à Tamanrasset la densité de puissance 33

46 Chapitre 3 Présentations et discussions les résultats minimale est estimée à W/m 2 enregistrée en Décembre pour une vitesse minimale de 2,9 m/s(tableau 3.5). Les figures suivantes présentes les histogrammes des densités de puissance moyenne mensuelle pour les trois sites : temps(mois) figure 3.4 : variation de densité de puissance mensuelle à ouargla. figure 3.5 : variation de densité de puissance mensuelle à Illizi. figure 3.6: variation de densité de puissance mensuelle à Tamanrasset. 34