Generalites et notions sur l’hydrolienne et le site d’implantation

GENERALITES SUR L’HYDROLIENNE

Hydrolienne

Présentation
L’hydrolienne est une machine ou un groupe hydro-électrique constitué, d’une part, d’une turbine hydraulique ou « hélice » ; et d’autre part, de générateur électrique et d’équipement de transmission et de régulation destiné à fonctionner dans l’eau.

Classification des hydroliennes
Une étude préalable est nécessaire avant la mise en place d’une hydrolienne afin d’obtenir un rendement d’énergie maximum. En effet, la prise en compte des paramètres, la vitesse des courants, les forces agissant sur l’hélice, la profondeur de l’eau où l’hydrolienne sera implantée doivent être déterminées. Ensuite, la connaissance des différents types de population végétale et le régime des vagues liées aux conditions météorologiques permettent aussi de mener à bien l’implantation. Tous ces paramètres conduisent au choix des structures porteuses et type de turbine tels que l’hydrolienne à axe horizontale, l’hydrolienne à axe verticale et l’hydroplane.

Exigences pour une implantation de l’ hydrolienne

L ’hydrolienne représente un obstacle aux pêcheurs. Ils ont, effectivement, peur que leurs filets passent au-dessus de ces installations en acier ou on matériaux composite en mouvement. En réalité, seule les gros chalutiers n’ont pas l’autorisation de s’approcher de ces sites d’hydroliennes. Mais les petits bateaux de pêche sont autorisés à accéder à ces zones.

Spécifications d’une hydrolienne
L’hydrolienne est une machine qui réponde à plusieurs critères. D’abord, elle doit se maintenir en place et résister aux forces hydrodynamiques du courant. Les structures métalliques et le système d’ancrage doivent résister à la corrosion. En effet, contrairement à l’affirmation que l’acier est facilement attaqué par l’eau salée, la corrosion ne constitue pas un problème majeur lorsqu’une structure en acier est immergée dans la mer, car les produits sont recouverts d’une couche de peinture d’une classe de protection très élevée. « Les fondations des plates-formes de l’industrie pétrolière ont normalement une durée de vie d’environ 50 ans.» [1] Ensuite, l’hydrolienne a pour rôle de turbiner au mieux le flux d’eau du flot et du jusant pour produire de l’énergie électrique. Le principe de fonctionnement est de transformer l’énergie mécanique en énergie électrique pour fournir de l’électricité à moindre coût. Enfin, elle devrait gêner au minimum la navigation et le milieu vivant dans l’eau.

Critères d’implantation
Il faut en premier lieu déterminer les besoins spécifiques correspondants à chaque type d’hydrolienne ensuite choisir le bon lieu assurant la fixation la plus stable et enfin mettre en évidence les contraintes environnementales.

Le grand défi lancé pour ces types d’énergie est la réduction de coût de réalisation à savoir le coût de fabrication du système tout entier jusqu’à la mise en place définitive et opérationnelle de l’hydrolienne. Mais, jusqu’ici la réalisation de ce type d’installation est coûteuse. Cependant, les recherches sur l’amélioration de  l’hydrolienne ne cessent de se développer. Actuellement, il existe, par exemple, des machines exploitables à faible profondeur même de quelques mètres. (Voir sur www.smart-hydro.de) Par ailleurs, en ce qui concerne les matériaux constituant le système d’ancrage, il a été prouvé que l’acier est meilleur que le béton. Deux compagnies d’électricité et trois bureaux d’ingénieurs danois ont réalisé ensemble une étude pionnière en 1996-1997 sur la conception et les coûts des fondations installés en mer. « L’étude a conclu que, dans le cas de fondations destinées à un parc, l’acier est beaucoup plus compétitif que le béton ».

Maintenance
La maintenance se présente sous différents types. Premièrement, il est obligatoire de changer les composants de l’hydrolienne lorsque des pièces sont hors d’état de fonctionner. Deuxièmement, à part les réparations, la maintenance consiste aussi à faire un suivi et contrôle du système tout entier. Par ailleurs, durant l’opération de suivi et de réparation, il est préférable d’utiliser des lubrifiants dont la viscosité est élevée, des para-huiles de haute étanchéité, des coussinets et des hélices suffisamment résistant pour minimiser la fréquence de maintenance.

CARACTERISTIQUES DE L’HYDROLIENNE SMART-HYDRO ET DONNEES DU SITE D’IMPLANTATION 

L’objectif, ici, est de présenter l’hydrolienne de SMART-HYDRO, ses spécifications techniques ainsi que les conditions d’exploitation ; tout ceci suivi d’illustrations sur les avantages et les inconvénients. Enfin, nous proposerons une solution pour résoudre la réversibilité de l’hydrolienne.

Présentation de l’hydrolienne SMART-HYDRO

Le but de ce mémoire est d’électrifier une zone enclavée. Le problème consiste à améliorer le système d’exploitation d’une hydrolienne existante sans modifier son principe de fonctionnement.

Spécifications techniques et système de gestion électrique
L’hydrolienne fournit par Smart-hydro produit une puissance allant jusqu’à 5kW. Elle extrait l’énergie cinétique de l’eau et la transforme en énergie électrique. La plage de vitesse d’écoulement de l’eau est comprise entre 1 à 3.5m/s. De plus, une autre particularité que cette hydrolienne possède est qu’elle arrive à accélérer l’eau à travers le rotor ou l’hélice. Cette accélération induite est ensuite achevée à la sortie de l’hydrolienne grâce à sa forme, fait exprès dans le but de diminuer la pression à la sortie de la turbine. Le rotor, à son tour, est connecté directement avec l’arbre de transmission du générateur, protégé par une cage de protection. A la sortie du générateur, des câbles sousmarins relient le système de gestion électrique du système auxiliaire et de la batterie d’accumulation. De même, l’hydrolienne, elle même, possède des prises à sa sortie, spécialement conçues pour connecter une autre hydrolienne au cas où on souhaite augmenter la puissance.

Le système de gestion électrique, appelé aussi Electrical Management System (EMS) transforme le courant, la tension et la fréquence variables. L’EMS a pour tâche :
• Maximiser l’efficacité du système par une méthode de balancement de l’énergie pendant la variation de consommation des utilisateurs : ce système est composé en générale des appareils auxiliaires et une batterie.
• Transformer et filtrer le courant et la tension de sortie : il est à noter que la forme des signaux à la sortie de l’EMS est alternative et monophasée avec une fréquence stable de 50 à 60Hz.
• Le système est capable de développer une puissance de l’ordre de 5kW.
• L’EMS relie et assure le transport de l’énergie entre la turbine et l’auxiliaire de charge, de même, de la batterie de stockage et du réseau de dispersion de charge : des systèmes modulaires extensibles supplémentaires intégrant avec la turbine sont disponibles pour modifier la puissance développée selon la valeur voulue ; de 10, 15, 20kW, …

D’autres particularités, les valeurs de la tension disponible à la sortie de l’EMS sont de l’ordre de 230-240V/110-127V/96VDC et sont stables. De plus, les banques de charge sont intégrées, les systèmes de protection électrique sont séparés et enfin le système de gestion est doté d’un système de communication intégré à un moniteur historique qui permet de connaitre l’état de la batterie.

Conditions d’exploitation
L’hydrolienne ne peut fournir sa puissance maximale que si les conditions de l’eau sont respectées (caractéristiques prescrites par les constructeurs). La puissance et la performance à la sortie de la turbine dépendent de la vélocité de l’écoulement. La forme de l’hydrolienne est conçue à s’adapter aux différents comportements de l’eau. La turbine à été également dessinée avec soin pour minimiser l’impact environnemental surtout la vie aquatique.

Table des matières

INTRODUCTION
PARTIE I : GENERALITES ET NOTIONS SUR L’HYDROLIENNE ET LE SITE D’IMPLANTATION
CHAPITRE 1 : GENERALITE SUR L’HYDROLIENNE
1) Hydrolienne
1.1)Présentation
1.2)Classification des hydroliennes
2) Exigences pour une implantation de l’hydrolienne
2.1) Spécifications d’une hydrolienne
2.2) Critères d’implantation
2.3) Maintenance
CHAPITRE 2 : CARACTERISTIQUES DE L’HYDROLIENNE SMART-HYDRO ET DONNES DU SITE D’IMPLANTATION
1) Présentation de l’hydrolienne de SMART-HYDRO
1.1) Spécifications techniques et système de gestion électrique
1.2) Conditions d’exploitation
2) Particularités de l’hydrolienne
2.1) Avantage de l’hydrolienne smart-hydro
2.2) Inconvénients de l’hydrolienne smart-hydro
2.3) Solutions proposées pour minimiser les inconvénients de l’hydrolienne
3) Caractéristique du lieu d’implantation
3.1) Climatologie
3.2) Interprétation graphique des données climatiques
3.3) Calcul des marées
3.4) Application numérique
PARTIE II : PROPOSITION DE SOLUTIONS ET DIMENSIONNEMENT
CHAPITRE 1 : SOLUTIONS POUR LA REVERSIBILITE
1) Conceptions pour la réversibilité
1.1)Différentes sorte d’ancrage
1.2)Différents modèles de structures porteuses
1.3)Types de mécanisme
1.4)Système de commande de la réversibilité
2) Système retenu
2.1) Critère de choix
2.2) Chaine cinématique du modèle retenu
CHAPITRE 2 : DETERMINATIONS DES CHARGES ET DIMENSIONNEMENT
1) Dimensionnement de l’ancrage
1.1)Calcul du poids
1.2)Dimension de l’ancrage
2) Dimensionnement des structures porteuses
2.1) Les efforts et contraintes dans chaque barre
2.2) Réactions aux appuis
2.3) Dimensionnement des liaisons démontable
2.4) Norme et règlementation des soudures
3) Dimensionnement du pivot et de ses éléments de liaison
3.1) Elément de liaison entre l’hydrolienne et l’arbre de transmission
3.2) Arbre de transmission
3.3) Choix des roulements pivot du suivant les charges appliquées
3.4) Elément de transmission
CHAPITRE 3 : SYSTEME DE COMMANDE
1) Principe de fonctionnement
1.1)Commande manuelle
1.2)Commande automatique
2) Simulation des commandes
2.1) Présentation du logiciel
2.2) Résultats après la simulation
3) Calcul de la motorisation
3.1) Couple du moteur et courant nominal
3.2) Dimensionnement des câbles électriques et des protections
CHAPITRE 4 : DESSINS DE DEFINITION ET GAMME D’USINAGE
1) Dessins de définition et tableau de fabrication de l’ensemble
1.1)Ancrage de stabilisation
1.2)Eléments constituants de la structure porteuse
1.3)Griffe de liaison
1.4) Arbre téléscopique
1.5) Arbre de pivot
1.6) Entretoise
1.7) Raccord supérieur
1.8) Raccord inférieur
1.9) Poulies d’entrainement
2) Présentation du modèle réduit
2.1) Modèle de structure
2.2) Modèle de commande
PARTIE III: ANALYSE ECONOMIQUE ET IMPACT ENVIRONNEMENTAL
CHAPITRE 1 : ANALYSE ECONOMIQUE
1) Evaluation du coût du projet
1.1)Modèle sans pivot
1.2)Modèle avec pivot
2) Etude de rentabilité
2.1) Introduction
2.2) Détermination de la VAN
2.3) Taux d’interne de rentabilité TIR
2.4) Délai de récupération du capital investi (DRCI)
CHAPITRE 2 : IMPACT ENVIRONNEMENTAL
1) Contexte général
1.1)Environnement du site d’implantation
2) Impact environnementaux
2.1) Impacts positifs
2.2) Impacts négatifs
3) Mesure d’atténuation pour les impacts négatifs
CONCLUSION

Lire le rapport complet