Estimation de potentiel éolien

Transcription

1 cours1 (suite) Estimation de potentiel éolien

2 Mesures de la vitesse et de la direction du vent Différents types d anémomètres-girouettes Anémomètre à coupelles Simple et robuste, il nécessite l adjonction d une girouette séparée. Mesure dans le plan cardinal. Anémomètre-girouette à hélice La mesure de vitesse peut être influencée en cas de changement rapide de direction. Mesure dans le plan cardinal. Anémomètre-girouette à mesure ultrasonique La mesure de vitesse est rapide (>20Hz) et adaptée aux vents perturbés. Mesure en 2 ou 3D selon la disposition des capteurs. Coût élevé en 3D (> 3000 ) Mesure perturbée par la pluie.

3 Mise en forme et analyse des résultats

4 Modélisation du gisement Fonction de Weibull : densité de probabilité de mesurer une Vitesse u f(u) = K/C (u/c) K-1 exp[(-u/c) K ] C : facteur d échelle (m/s), en général légèrement supérieur à Vmoy K : facteur de forme (entre 1 et 3)

5 Estimation de la production annuelle Courbe de puissance P(u) de l aérogénérateur choisi Distribution de Weibull f(u) du site mesuré

6 Correction entre mesures anémométriques et détermination de potentiel éolien Correction en fonction de la hauteur de mesure Correction en fonction de la rugosité du terrain Corrélation avec les bases de données météo environnantes Utilisation de logiciels de simulation numérique

7 Loi de puissance logarithmique V/V 0 = (H/H 0 ) α Classe 0 : α = 0,13 rugosité faible, terrain plat désertique, océan Classe 3 : α = 0,3 Rugosité importante, Milieu de forêt, Village

8 Accroissement de la vitesse au-dessus d une colline Source: Copin, P.A., Ayotte, K.A., Steggel, N., Wind Resource Assessment in Australia A Planners Guide (Evaluation de ressource éolienne en Australie Guide de planification), CSIRO Wind Energy Research Unit, 2003

9 Gisement éolien en Europe Mesures à 50 m d altitude

10 Energie cinétique du vent traversant une surface perpendiculaire àsa direction de=1/2(ρ S*V*dt)*V² ρ : masse volumique de l air S : surface balayée par le rotor V : vitesse du vent Donc P= de/dt = 1/2 ρ*s*v 3 Conservation du débit S1V1=S2V2=SV

11 Puissance récupérée par l éolienne Puissance récupérable par l éolienne = variation de l énergie cinétique du vent P = 1/ 2 ρ S V(V 12 -V 22 ) Avec V = (V 1 + V 2 )/2 Il convient de déterminer le maximum de P en fonction de l écart entre V 1 et V 2 (V 2 doit être non nulle pour qu il y ait écoulement).

12 Limite de Betz Le physicien Albert Betz a démontré qu on pouvait écrire : P = P vent * C p Avec C p coefficient de puissance de la forme C p = [(1+k)*(1-k²)] / 2 avec k = V 2 / V 1 Le maximum de la fonction C p est de 0,59. La performance d un aérogénérateur va donc être de s approcher de cette limite sur une plage optimale de vitesse de vent en optimisant le profil des pales, leur orientation et leur état de surface.

13 Technologies des grandes éoliennes

14 Evolution de la taille des éoliennes

15 Des technologies différentes Pales à pas fixe avec contrôle stall. Génératrice à vitesse de rotation élevée et multiplicateur mécanique entre hélice et génératrice. Pales à pas variable avec contrôle pitch. Génératrice à vitesse de rotation faible (multipôles) Prise directe entre hélice et génératrice.

16 Limitation de la puissance délivrée par la génératrice Contrôle par calage variable des pales Contrôle par décrochage aérodynamique

17 Eoliennes sur terre / en mer

18 Compétences et métiers de l éolien

19 Conception, fabrication mécanique et électrique Résistance des matériaux, calculs par éléments finis du mât, des pales, de la nacelle Génie des matériaux (pales en composites, mat en acier ) Eléments de guidages Instrumentation et automatismes Mesures Pilotage Communication Génie électrique Technologies des génératrices Couplage au réseau Distribution électrique Lien vers le showroom du constructeur Nordex

20 Mini éoliennes et éoliennes urbaines

21 Mini éolien Les miniéoliennes( qq 10kW) et microéoliennes(< 1kW) existent depuis plusieurs dizaines d années et servent à alimenter des particuliers, des exploitants agricoles Leurs productions sont souvent autonomes pour charger des batteries d accumulateurs, alimenter des pompes à eau Les rotors sont bipales, tripales voir multipales à axe horizontal. L orientation est faite par une queue girouette, Le freinage est électrique par la génératrice et/ou par décrochage aérodynamique, Elles ne résistent pas forcément à une tempête, Elles sont généralement montées sur des mâts haubanés pour minimiser les coûts d installation, En France l axe du générateur ne doit pas dépasser 12 m de haut par rapport au sol pour ne nécessiter qu une simple déclaration en mairie (attention aux périmètres protégés), Elles perdent en efficacité si la rugosité du terrain entraîne des perturbations provoquant accélération / décélération du rotor et changement rapide d orientation. De ce fait leur usage est souvent décevant près des habitations.

22 Eoliennes urbaines Le besoin de développement des énergies renouvelables participant aux politiques de développement durable des états de de plus en plus de citoyens poussent à rechercher également des solutions au plus près des utilisateurs et donc en zones urbaines. La problématique de l éolien est de disposer d un gisement satisfaisant. Une éolienne urbaine doit donc répondre à une cahier des charges exigeant: Être performante dans des écoulements perturbés Être acceptée du public par une faible nuisance sonore et une esthétique de mobilier urbain voir de sculpture cinétique!

23 Principe de fonctionnement des éoliennes àaxe vertical ou VAWT(Vertical Axis Wind Turbine) Rotor de Darrieus Rotor de Savonius

24 Différentes formes de pales hélicoïdale

25 Diversitédes formes d éoliennes urbaines à axe vertical

26 Performances de différents aérogénérateurs

27 bibliographie Les éoliennes (D. Le Gourièrès) Le grand livre de l éolien (P. Gipe) Techniques de l ingénieur (M. Rapin, T. Leconte) Source Eurobserver : Liens utiles :