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A nos jours, l’énergie électrique est un élément crucial pour tout développement socioéconomique. En effet, quel appareil domestique ou industriel n’utilise pas d’électricité, que ce soit pour faire de l’éclairage, du chauffage, des mouvements de translation ou de rotation, et bien d’autres choses encore ? C’est pour cela que la production de l’énergie électrique est importante et qu’il est intéressant de pouvoir trouver des solutions afin d’en produire toujours plus mais de manière plus propre et plus durable. Actuellement, il ya principalement deux façons possibles d’agir.
Généralité
Historique de l’énergie éolienne
Depuis l’Antiquité, des moulins à vent convertissent l’énergie éolienne en énergie mécanique (généralement utilisée pour moudre du grain, presser des produits oléifères, battre le fer, le cuivre, le feutre ou les fibres du papier… ou relever de l’eau). De nos jours, on trouve encore des éoliennes couplées à des pompes à eau, généralement utilisées pour assécher des zones humides ou au contraire irriguer des zones sèches ou abreuver du bétail. En 1888, Charles F. Brush construit une petite éolienne pour alimenter sa maison en électricité, avec un stockage par batterie d’accumulateurs. La première éolienne « industrielle » génératrice d’électricité est développée par le Danois Poul La Cour en 1890, pour fabriquer de l’hydrogène par électrolyse. Georges Darrieus Ingénieur français en aéronautique, fut l’inventeur de l’éolienne à axe vertical et a breveté la conception en 1927. La compagnie américaine FloWind fabriqua l’éolienne jusqu’à sa faillite en 1997. L’éolienne de Darrieus est caractérisée par ses pales de rotor en forme de C qui la font ressembler un peu à un fouet à œufs. Elle est normalement construite avec deux ou trois pales. Johannes Juul, ingénieur électricien et ancien élève de La Cour, fut le premier à mettre au point une éolienne moderne capable de produire du courant alternatif. En 1956-1957, il conçut et construisit la plus grande éolienne du monde, la « turbine de Gedser » de 200 kW qui fonctionna pendant onze ans et devint le modèle de référence pour le développement futur de tous les autres aérogénérateurs (éoliennes équipées d’un générateur électrique). Elle fut remise en marche trois ans durant à partir de 1977 à la demande de la NASA, dans le cadre de ses projets dans le domaine des grandes turbines électriques. Mais, l’énergie éolienne fut complètement négligée pendant l’ère industrielle, au profit quasi exclusif, si l’on excepte l’hydroélectricité, les énergies fossiles, etc. Mais, de nos jours, on le transforme en énergie électrique par l’emploi d’aérogénérateurs. Le nouvel intérêt porté à l’énergie éolienne résulte deux préoccupations : d’une part, la protection de l’environnement et l’économie des combustibles fossiles qui en résulte. D’autre part, l’évolution des technologies rend la conversion de cette énergie de plus en plus rentable et donc son utilisation devient économiquement compétitive par rapport aux sources traditionnelles de même puissance.
Développement de l’énergie éolienne
Depuis ces dernières années, la production d’électricité par l’énergie éolienne s’est considérablement développée dans le monde entier . Ceci est du principalement à deux raisons :
-Produire une énergie propre,
-Trouver une source d’énergie durable alternative aux combustibles fossiles.
La turbine éolienne est munie de pales fixes ou orientables et tourne à une vitesse nominale de 25 à 40 [tr/mn]. Plus le nombre de pales est grand, plus le couple au démarrage sera grand et plus la vitesse sera petite. Les turbines uni et bipales ont l’avantage de peser moins mais elles produisent plus de fluctuations mécaniques. Elles ont un rendement énergétique moindre, et sont plus bruyantes puisqu’elles tournent plus vite.
Elles provoquent une perturbation visuelle plus importante de l’avis des paysagistes. De plus, un nombre pair de pales doit être évité pour de raison de stabilité. En effet, lorsque la pâle supérieure atteint le point extrême, elle capte la puissance maximale du vent. A ce moment, la pale inférieure traverse la zone abritée du vent par la tour. Cette disposition tend à faire fléchir l’ensemble de la turbine vers l’arrière. Ceci explique pourquoi 80% des fabricants fabriquent des aérogénérateurs tripales. Lorsque des pales fixes sont utilisées, un dispositif de freinage aérodynamique est utilisé permettant de dégrader le rendement de la turbine audelà d’une certaine vitesse (décrochage aérodynamique ou stall control). Si non un mécanisme d’orientation des pâles permet la régulation de la puissance et un freinage (réglage aérodynamique). Un arbre dit « lent » relie le moyeu au multiplicateur et contient un système hydraulique permettant le freinage aérodynamique en cas de besoin.
Un multiplicateur adapte la vitesse de la turbine éolienne à celle du générateur électrique utilisé. Ce multiplicateur est muni d’un frein mécanique à disque actionné en cas d’urgence lorsque le frein aérodynamique tombe en panne ou en cas de maintenance de l’éolienne. Le système de refroidissement comprend généralement un ventilateur électrique utilisé pour refroidir la génératrice et un refroidisseur à l’huile pour le multiplicateur.
Il existe certaines éoliennes comportant un refroidissement à l’eau. La génératrice (ou alternateur) est généralement asynchrone, et sa puissance électrique est variable.
Principe de fonctionnement d’une éolienne
Les pales de la machine ont un mouvement de rotation autour du moyeu de l’éolienne et extraient l’énergie cinétique du vent incident. Les pales sont déterminées par des critères aérodynamiques et de profils utilisés sur structure, et ils sont assemblés entre le moyeu et le bout de la pale avec des angles de calage décroissant. Pour la plupart des éoliennes, l’énergie extraite du vent est par l’intermédiaire d’une boîte de vitesse tandis que la transmise à la génératrice vitesse de rotation de l’arbre est imposée par les caractéristiques du générateur et par le réseau distributeur d’électricité. Dans ce cas, la vitesse de rotation de la pale est constante. Toutefois, pour optimiser le rendement de l’éolienne à toutes les vitesses de vent, certaines éoliennes modernes fonctionnent à vitesse de rotation variable et le moyeu de l’éolienne est directement reliée à la génératrice. L’ensemble du système convertisseur d’énergie est finalement placé dans la nacelle, qui soutient aussi les dispositifs de freinage, de variation de l’angle de calage global de la pale, etc.
Type d’aérogénérateurs
En général, il existe deux grands types d’aérogénérateurs :
a. Aérogénérateur à axe vertical :
Pour ce type d’aérogénérateur, les organes de commande et le générateur se reposent sur le sol ; donc il ne nécessite pas la construction d’un tour et elle fonctionne quelle que soit la direction du vent. Mais le fait que la génération électrique se trouve au niveau du sol implique qu’elle se situe dans un endroit défavorable (gradient du vent, turbulence due aux accidents de terrain en amont de l’éolienne). Et avec une éolienne de grande puissance, il faut occuper une grande surface du sol. Trois variantes sont très utilisées pour ce type d’éoliennes :
Une variante au rotor de Savonius basée sur le principe de la ‘’trainée différentielle’’ utilisée dans les anémomètres : le vent exerce sur chacune des faces d’un corps creux des efforts d’intensité différente, alors il se produit un couple moteur entrainant la rotation de l’ensemble . Il y a aussi les éoliennes à variation cyclique d’incidence dont la structure la plus répandue est celle de Darrieus : les turbines Darrieus classiques ou à pales droites. Leur fonctionnement est basé sur le fait qu’un profil placé dans un écoulement d’air selon différents angles , est soumis à des forces de direction et d’intensité variables. Lacombinaison de ces forces génère un couple moteur. Le couple de démarrage de ce type d’éoliennes est proche de zéro, un système de lancement est donc nécessaire : très souvent une petite turbine Savonius est présente sur son axe pour amorcer le démarrage ou bien on utilise la génératrice électrique en mode moteur.
b. Aérogénérateur à axe horizontal :
Les éoliennes à axe horizontal sont des éoliennes dont la génération électrique se repose sur un tour de quelques mètres de hauteur. Elles sont conçues à partir du principe du moulin à vent mais en utilisant des éléments voisins des ailes d’avion. Elles présentent généralement un nombre de pales compris entre 1 et 3 ; et elles sont les plus utilisées actuellement. Deux structures peuvent être rencontrées :
➤ Les éoliennes ’’amont’’ : les pales sont en amont du tour exposé au vent. En effet, l’écoulement de l’air sur les pales est moins perturbé par la présence de la tour. Cependant la structure en amont exige des pales rigides pour éviter tout risque de collision avec la tour et l’éolienne doit être généralement orientée à l’aide d’un dispositif spécifique .
➤ Les éoliennes ’’aval’’ : cette fois les pales sont en aval de la tour. Elles permettent l’utilisation des pales plus flexibles et théoriquement auto-orientables ; mais l’effet de masque est considérable pour cette configuration .
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I – GENERALITE SUR LA PRODUCTION EOLIENNE
1-1-Généralité
1-1-1.Historique de l’énergie éolienne
1-1-2.Développement de l’énergie éolienne
1-1-3.Taille des aérogénérateurs
1-2-Conversion de l’énergie éolienne
1-2-1.Descriptif d’une éolienne
1-2-2.Principe de fonctionnement d’une éolienne
1-2-3.Type d’aérogénérateurs
1-2-4.Différents types d’éolienne
1-2-5.Théorie d’éolienne
1-2-6.Puissance fournie par une éolienne
1-2-7.Régulation de la puissance
1-2-8.Systèmes de régulation de la vitesse de rotation de l’éolienne
1-2-9.Implantation sur un site
CHAPITRE II – CONTEXTE D’UN PROJET DE CENTRALE EOLIENNE A L’UNA
2-1-Analyse technique
2-1-1.Caractéristiques du vent
2-1-2.Origine du vent
2-2-Données climatiques
2-2-1.Analyse de la distribution du vent à l’UNA
2-2-2.Variation pluriannuelle de la vitesse du vent
2-2-3.Évaluation du potentiel éolien
2-3-Structure de l’installation de l’UNA
2.3.1-Étude et Analyse de chaque bâtiment
CHAPITRE III – ÉVALUATION DU COUT D’INSTALLATION
3-1-Généralité
3-2-Coût de la machine et de ses accessoires (CPM)
3-3-Coût d’étude de faisabilité (CEF)
3-4-Coût d’installation (CI) ou Coût de construction (CC)
3-5-Coût d’investissement total (CIT)
3-6-Calcul des prix totaux de l’installation
3-7-Choix du lieu d’implantation
3-8-Aspects techniques et environnementaux des éoliennes
CHAPITRE IV – MODELISATION ET SIMULATION DU SYSTEME DE PRODUCTION
4.1Modèle du système de production éolien
4.1.1Modélisation de la turbine
4.1.2Modélisation de la machine asynchrone
4.2Simulation et analyse des systèmes de production
4.2.1Simulation du vent
4.2.2Simulation du système éolien
4.2.2.1Simulation de la turbine
4.2.2.2Simulation de la machine asynchrone
4.2.3Simulation de l’ensemble du système
4.2.3.1Schéma bloc du système
4.2.3.2Résultats de la simulation du système
4.2.3.3Interprétation des résultats
CHAPITRE V – IMPLICATION PEDAGOGIQUE
THEME 1 : MACHINE SYNCHRONE
I-Généralités
II-Constitution d’une machine synchrone
III-Symboles
IV-Principe de fonctionnement
V-Alimentation des enroulements d’excitation d’une M.S
VI- f.é.m. induite
VII-Modes de fonctionnement
THEME 2 : BILAN DES PUISSANCES
THEME 3 : EXERCICE
CONCLUSION GENERALE
