Intégration des éoliennes pour la Production d Energie Electrique en Algérie - Site Tindouf-

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1 1 ème Séminaire International sur la Physique Energétique 1 th International Meeting on Energetical Physics Intégration des éoliennes pour la Production d Energie Electrique en Algérie - Site Tindouf- Tandjaoui M. Nasser, Haidas Mohamed, Benachaiba Chelleli Département des Sciences et Techniques - Université de BECHAR Résumé Les exigences de développement durable conduisent à un accroissement de la production d électricité d origine renouvelable. Le vent constitue actuellement la ressource la plus compétitive et l amélioration des aérogénérateurs conduit à de nombreuses recherches notamment dans le domaine du génie électrique. L exploitation des ressources renouvelables connaît un grand essor dans les pays industrialisés et même dans quelques pays sous-développés. Concernant l Algérie, un pays très vaste d un climat très diversifié, ayant deux grandes zones géographiques distinctes, le Nord méditerranéen et le Sud saharien, peut devenir un bon concurrent dans cette course de recours aux énergies renouvelables. Le but de ce travail est d étudier une centrale de production électrique autonome, dite centrale éolienne. Tout d abord, nous avons simulé la chaîne de conversion d une seule éolienne en adoptant le modèle continu équivalent des convertisseurs. Pour contrôler la tension du bus continu et les échanges de puissances active et réactive, nous avons implanté des correcteurs de type proportionnel intégral. Mots-clés énergie renouvlable; énergie du vent ; éolienne. I. INTRODUCTION La production d énergie électrique liée aux énergies renouvelables, essentiellement celle qui est produite par l énergie éolienne, joue le rôle de complément aux productions d énergies classiques. L exploitation des ressources renouvelables connaît un grand essor dans les pays industrialisés et même dans quelques pays sous-développés. Concernant l Algérie, un pays très vaste d un climat très diversifié, ayant deux grandes zones géographiques distinctes, le Nord méditerranéen et le Sud saharien, peut devenir un bon concurrent dans cette course de recours aux énergies renouvelables [6][4]. L estimation des ressources en énergie éolienne présente une difficulté majeure. Contrairement aux réserves en combustible fossile, la quantité d énergie disponible varie avec la saison et l heure du jour, qu elle est dépend du vent qui un élément dont l étude s avère très complexe, sa caractérisation est fonction de plusieurs paramètres tels que la mesure de la vitesse du vent et de sa direction, l effet de la rugosité du sol, l effet des obstacles, l effet de la stabilité de l atmosphère, etc. Il est clair que pour déterminer les potentialités éoliennes d un site, il faut passer par le traitement statistique des mesures de la vitesse du vent [6]. L énergie éolienne est d avantage influencée par la topographie que l énergie solaire. De plus, la quantité totale d énergie éolienne convertible sur le territoire d une nation, dépend de façon significative des caractéristiques, du rendement espéré, du dimensionnement et de la répartition horizontale des éoliennes [9]. Parallèlement à la production de l énergie éolienne sur le réseau, le marché des centrales éoliennes de petites et moyennes puissances, destinées à l alimentation des sites isolés, est très prometteur et en plein essor sur le marché de la production de l énergie électrique. Actuellement, la conversion électromagnétique dans les centrales éoliennes (figure 1) est principalement assurée par des génératrices synchrones ou asynchrones, couplées au rotor de la turbine par un multiplicateur mécanique de vitesse [4]. Figure 1. Chaîne de conversion éolienne Journal of Scientific Research N vol. 1 (21) 183

2 L objectif de ce travail, est l étude d une centrale éolienne de production électrique, puis nous avons simulé ce système sous le logiciel Matlab-Simulink et nous présentons les résultats obtenus pour différents cas (journée d hiver, d été ou quelconque durant l année) appliqués à la région de Tindouf (Latitude: 27.4 N, Longitude: 8.6 E, Altitude: 41m ), d une situation topographique désert (figure 2). II. ETAT DE L ART La production d électricité consomme actuellement environ le tiers de l énergie primaire mondiale (Figure 5) et la part des énergies renouvelables n est que de 2% environ. Il apparaît donc de façon flagrante que l électricité, bien qu énergie finale propre par excellence, contribue très largement à la dégradation de l environnement ainsi qu à l épuisement de ressources non renouvelables (combustibles fossiles et uranium). C est pourquoi, l une des mesures pour préparer un développement réellement durable consiste à accroître la part des ressources renouvelables pour la production d électricité [13]. Figure 2. Carte géographique de l Algérie (Situation géographique de la région étudiés) Les figures 3 et 4 représentent la distribution moyenne mensuelle de la vitesse du vent et la vitesse cubique moyenne respectivement sur le site de Tindouf à une hauteur de 1 m du sol. On remarque, sur ces figures, que la région de Tindouf est caractérisée par des variations du vent mensuelles énormes [5]. (a) Figure 5. Parts au niveau mondial, (a) : Répartition de la consommation primaire d énergie, (b) : Ressources primaires consommées pour la production d électricité Les ressources du vent sont immenses et tout particulièrement en mer (offshore). La valeur de l énergie annuellement récupérable dépend de nombreux paramètres, comme l acceptabilité des populations concernées (résidents, pêcheurs ), de la densité de machines implantées et de limites technico-économiques comme la distance des fermes offshore à la côte et la profondeur des fonds marins. On considère que l énergie éolienne annuellement récupérable au niveau mondial vaut environ 53 TWh soit environ 4 fois la consommation mondiale actuelle d électricité. L EWEA (European Wind Energy Association) estime que l énergie éolienne pourrait satisfaire 12% des 25 8 TWh électriques de 22 soit environ 31 TWh [13]. (b) Figure 3. Variation mensuelle de la vitesse moyenne du vent pour site Tindouf Figure 4. Variation mensuelle de la vitesse cubique moyenne du vent pour site de Tindouf Figure 6. Ressources mondiales annuelle d énergie éolienne (EWEA) Journal of Scientific Research N vol. 1 (21) 184

3 Après un siècle de recherches, d essais et de déconvenues, la génération éolienne a connu son premier marché avec le «wind rush» californien dans les années 198. Cette opération volontariste a permis au marché éolien de se créer et d amorcer une réelle compétitivité économique. La figure 7 montre la croissance mondiale jusqu en 22. L Amérique du Nord a été leader jusqu en 1994, puis l Europe est passée en tête. Figure 7. Croissance de la puissance éolienne installée dans le monde. Comme le montre la figure 8, parmi toutes les sources de production d électricité, celle d origine éolienne subit de très loin le plus fort taux de croissance depuis plus de 1 ans et cela devrait continuer pendant les 2 prochaines années. Ainsi l aérogénérateur devrait constituer la plus grande contribution à la réduction de l effet de serre durant les prochaines décennies. De 2 à 21, le taux de croissance mondial de la puissance éolienne installée a été de plus de 4%, il a sensiblement ralenti, en 21/22, à 25% [13]. actif). La nacelle est constituée d un système de transformation de l énergie éolienne en énergie électrique avec sa commande: Un rotor muni de pales fixes ou orientales au nombre de trois, tourne à la vitesse nominale (25 à 4 tr/min); Un multiplicateur pour l adaptation de la vitesse du rotor de l éolienne à la vitesse du générateur électrique; Un générateur électrique; Un dispositif de freinage sur l arbre; Un dispositif de freinage aérodynamique sur les pales fixes; Un système d orientation des pales pour la régulation de la puissance (réglage aérodynamique); Un mécanisme d orientation de la nacelle pour le calage par rapport au vent; Un anémomètre donnant la vitesse du vent pour la régulation; Une girouette donnant l orientation de la direction des vents pour le calage du vent La tour de l éolienne est de forme conique. Les câbles de transport de l énergie électrique, les éléments de contrôle et de commande, les appareillages de connexion au réseau de distribution basse tension, sont disposés à l intérieur de la tour [4]. L éolienne possède trois technologies les plus couramment installées : A. Eolienne à vitesse fixe Les premières éoliennes de grande puissance mises en œuvre reposent sur l utilisation d une machine asynchrone à cage directement couplée sur le réseau électrique (Figure 9). Cette machine est entraînée par un multiplicateur et sa vitesse est maintenue approximativement constante par un système mécanique d orientation des pales (pitch control). Figure 8. Taux de croissance des différentes sources d énergie électrique, moyenne entre 199 et 1998 (IEEE Power & Energy Mag. 23) III. DESCRIPTION ET TECHNOLOGIES D EOLIENNES Les éoliennes utilisent toujours une génératrice synchrone ou asynchrone à cage d écureuil comme générateur, où deux principaux procédés sont appliqués: - vitesse fixe, - vitesse variable. Une éolienne est constituée par une tour (élément porteur). A son sommet, se trouve fixée la nacelle (élément Figure 9. Eolienne à vitesse fixe Ce type d éolienne n offre donc quasiment pas de possibilité de réglage de la puissance générée, d autant plus que la connexion directe au réseau d une génératrice Journal of Scientific Research N vol. 1 (21) 185

4 asynchrone nécessite l ajout de bancs de condensateurs afin de limiter la puissance réactive appelée à ce réseau. B. Eolienne à vitesse variable basée sur une MADA Les éoliennes de forte puissance raccordées aux réseaux moyenne et haute tension basées sur une MADA (Machine Asynchrone à Double Alimentation) et fonctionnent de plus en plus fréquemment à vitesse variable. Afin de maximiser la puissance convertie, la vitesse de la turbine doit donc être adaptée par rapport à la vitesse du vent. IV. CONVERSION DE L ENERGIE EOLIENNE EN ENERGIE ELECTRIQUE La production d énergie électrique par éolienne utilisant les systèmes énergétiques à deux principaux paramètres peuvent être indiqués: vitesse fixe et vitesse variable. La production d électricité à partir d aérogénérateurs ou éolienne dans un site isolé, nécessite l utilisation de l ensemble machine électrique convertisseur statique. Nous savons que l éolienne procure son énergie du vent, par conséquent, il existe une relation entre la vitesse du vent et la vitesse de rotation, le couple et la puissance sur le rotor d une éolienne. Alors, la puissance éolienne est définie par la relation suivante [12,1,6,2,5]: P v ρ.s. V (1) Figure 1. Eolienne à vitesse variable basée sur une machine asynchrone à double alimentation. C. Eolienne à vitesse variable basée sur une machine synchrone Cette technologie d éoliennes qui est basées sur des machines synchrones à grand nombre de paire de pôles et couplées directement à la turbine, viennent pour éliminer les inconvénients présentées par les éoliennes basées sur une génératrice asynchrone à rotor bobiné comme le nécessiter d un système de bagues et de balais et un multiplicateur qui induisant des coûts significatifs de maintenance en particulier pour les projets offshore situés en milieu salin. L inconvénient de cette structure, représentée à la Figure 11, est qu elle nécessite pour sa connexion au réseau de convertisseurs de puissance dimensionnés pour la puissance nominale de la génératrice. Cet inconvénient est cependant un avantage du point de vue du contrôle de l éolienne. Où : est la masse volumique de l'air (kg/m 3 ), S : la surface balayée par la turbine (m 2 ), et V : la vitesse du vent. La puissance fournie par le rotor de l éolienne est donnée par la relation suivante: ρ.s.v P Cp. Cp : coefficient de puissance. Ce coefficient dépendant de la forme du rotor et de la vitesse du vent. Il correspondant au rendement aérodynamique de la turbine, à une évolution non linéaire en fonction du ratio de vitesse k, il est donné par le constructeur en fonction du type de capteur comme indiqué dans le tableau 1 [4]. R k ω V Où, R est le rayon de la turbine et la vitesse mécanique de la turbine. (2) (3) TABLE I. VALEURS DES COEFFICIENTS K ET CP POUR EOLIENNE k Cp Figure 11. Eolienne à vitesse variable basée sur une machine synchrone à grand nombre de paires de pôles. La caractéristique du coefficient de puissance varie avec l angle d orientation des pales (β) (Figure 12). La relation (1) montre qu une petite variation de la vitesse du vent induit une grande variation de la puissance générée [12]. Journal of Scientific Research N vol. 1 (21) 186

5 P (w)*e4 Iabc(pu) Vabc(pu) Figure 13. la vitesse mensuelle du vent Figure 12. Exemple d évolution approchée du coefficient de puissance en fonction du ratio de vitesse k pour différents angles d orientation des pales β. Nous définissons le couple développé sur le rotor de l éolienne de la manière suivante: 2 1 Avec : T P ω (4) -1-2 Figure 14. les tensions de la charge T Cp ρ.s.v.ω Cp R.ρ.S.V.k (5) 1.5 V. SIMULATION ET INTERPRETATIONS DES RESULTATS Dans ce cadre, en a utilisé le model d une centrale éolienne de production de l énergie électrique pour un site isolé à partie de SIMULINK/MATLAB. Le choix de cet exemple est convenable pour l application sur la région de TINDOUF, car cette région est possède d une centrale de production de l énergie électrique autonome de 3kv max, et de puissance 24Mw max. d après les résultats apportés par le service de la météorologie de cette région, la figure 13 illustrée la variation mensuelle du vent pendant une année. Après la simulation, en constate que la tension de la charge (figure 14) présente un creux de 15% de la tension nominale, qui revient de la fluctuation du vent dans l été, ainsi que la figure 15 montre une perturbation du courant à cause de la consommation important de l électricité dans cette période. Les figures 16 et 17, montrent la puissance active et réactive au niveau de la charge avec des variations dues à la connexion entre la nouvelle centrale de production d électricité éolienne et la centrale existant à Tindouf, c est l écoulement de l énergie entre les deux stations. En fin, la figure 18 présente la variation de la tension continue au niveau de bus continu d éolienne Figure 15. les courants de la charge -2 Figure 16. la puissance active de la charge Journal of Scientific Research N vol. 1 (21) 187

6 Vdc(V) Q (var)*e Figure 17. la puissance réactive de la charge 118 Figure 18. la tension de bus continue [5] R. Maouedj, S. Bousalem et B. Benyoucef, Optimisation d un système de pompage éolien Application aux sites sahariens, Revue des Energies Renouvelables Vol. 11 N 2 (28), pp [6] D. Rekioua, Z. Roumila et T. Rekioua, Etude d une centrale hybride photovoltaïque - éolien diesel, Revue des Energies Renouvelables Vol. 11 N 4 (décembre 28), pp [7] F. Belhamel, S. Moussa, K. Benfarhat et F. Kharchi, Analyse des Contraintes Mécaniques Agissant sur un Pylône Haubané d Aérogénérateur et Technologies Mises en OEuvre pour son Installation, Rev. Energ. Ren.: ICPWE (23), pp [8] S. Bousalem, R. Maouedj, L. Aici et B. Benyoucef, Etude des performances d'un systeme de pompage par aerogenerateur de petite puissance, 13èmes Journées Internationales de Thermique, Albi, France du 28 au 3 Août 27. [9] R. Maouedj, S. Bousalem et B. Benyoucef, Etude des performances d un système éolien. Application pour des sites algériens, 13èmes Journées Internationales de Thermique, Albi, France du 28 au 3 Août 27. [1] T. Rekioua, M.T. Irid et Z. Roumila, Dimensionnement d une centrale hybride photovoltaïque éolienne diesel, Revue des Energies Renouvelables CER 7 Oujda (27), pp [11] J. L. Menet, N. Bourabaa, Prévision des performances aérodynamiques d'un nouveau type d'éolienne à axe vertical : le rotor à contre voiles, 18ème Congrès Français de Mécanique, Grenoble, août 27. [12] B. Robyns, A. Davigny, C. Saudemont, A. Ansel, V. Courtecuisse, B. François, S. Plumel et J. Deuse, Impact de l éolien sur le réseau de transport et la qualité de l énergie, J3eA Vol. 5 Hors Série 1 (26). [13] B. Multon, G. Robin, O. Gergaud et H. Ben ahmed, Le Génie Electrique dans le vent : état de l art et recherches dans le domaine de la génération éolienne, JCGE'3, Saint-Nazaire, 5 et 6 juin 23. VI. CONCLUSION Dans cet article, on a représenté la distribution moyenne mensuelle de la vitesse du vent et la vitesse cubique moyenne respectivement sur le site de Tindouf à une hauteur de 1 m du sol, puis, en a projeté une lumière sur l état de l art de cette nouvelle génération de la production de l énergie électrique -centrale éolienne-, on peut conclure que Tindouf a un endroit le mieux approprié pour implanter un système éolien rentable et performant pour la production d électricité. VII. RECOMMANDATION D après plusieurs essais de simulation, en constate que le vent peut produire des perturbations électrique tel que les creux de tension, les fluctuations du courant, les harmoniques, alors, en signe comme future travail d implanté des systèmes de compensations bien déterminés (DVR, Filtre, ) pour but d avoir une bonne qualité de l énergie électrique. REFERENCES [1] T. Laverne, J. Hureau, P. Devinant, Etude des effets d'un fort niveau de turbulence sur l'aerodynamique des eoliennes a axe horizontal, XVème Congrès Français de Mécanique, Nancy, 3 7 Septembre 21. [2] L. Krichen, B. François et A. Ouali, Modélisation, commande et interaction de deux éoliennes à vitesse variable, Revue des Energies Renouvelables Vol. 1 N 2 (27), pp [3] F. Boukli Hacène, N. Kasbadji Merzouk et L. Loukarfi, Analyse statistique et élaboration d un atlas éolien de la vallée du Cheliff Revue des Energies Renouvelables Vol. 1 N 4 (27), pp [4] M. Belatel et H. Benalla, Etude par CAO d une machine synchrone à aimant permanent pour la production d énergie éolienne, Revue des Energies Renouvelables Vol. 11 N 2 (28), pp Journal of Scientific Research N vol. 1 (21) 188

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