Généralités sur l’énergie éolienne

Généralités sur l’énergie éolienne

Description du parc éolien

Le parc éolien est composé de deux rangées de turbines. La première ligne est composée de quatre turbines prototype orienté à 95 º par rapport au nord et avec un espacement de 411 m. La deuxième ligne se compose de cinq turbines de types Nordex N80 destinées à la recherche orientée vers 95 º par rapport au nord et avec un espacement de 305 m (3.8 le diamètre de l’éolienne). La direction principale du vent est sud-ouest. Le terrain d’essai et ses environs sont caractérisés par un terrain plat (figure 9), constitué de zones essentiellement agricoles, avec des fermes isolées et des rangées d’arbres. Le lac IJsselmeer est situé à une distance de 1-2 km à l’est du parc. Le petit village de Kreileroord est situé au nord du parc éolien. Les rangées de turbines prototype et les turbines de recherche sont séparées d’une de distance de 1600m. Le tracé du parc éolien est indiqué sur la figure (3.2).

 Les tours météorologiques

Les tours météorologiques dans le site de Wieringermeer sont des tours en treillis avec une hauteur de 100 m ou 108 m. Les sections triangulaires dont la longueur des côtés de 1,6 m sont égales à tous les niveaux. Des bras pour soutenir les instruments de mesure sont installés à différents niveaux. Une bôme est pointée vers le nord: 0°, une seconde à l’est-sudest: 120 ° et une troisième à l’ouest-sud-ouest: 240 °. Les bômes sont de 6,5 m de long ainsi, l’influence du mât sur la vitesse du vent et des mesures de la direction du vent est inférieure à 1%. Les mesures météorologiques à proximité des turbines de recherche sont à 80 m (hauteur du moyeu), à 52m et 108m de hauteur. Les anémomètres soniques sont placés à trois hauteurs sur le mât et ils sont situés au Nord des bras afin de mesurer les conditions du sillage des turbines.

Description des données du parc éolien

Les données sont recueillies sur le site de recherche de deux façons ; la première est celle que le réseau ECN mesure avec des unités locales d’acquisition de données (systèmes de DANTE) et la deuxième est avec le système SCADA du centre Nordex. Les mesures du réseau ECN de mesure comprendront les mesures de l’instrumentation dans les tours météorologiques et les mesures rapides de données SCADA ainsi que les mesures de la charge mécanique. Le système SCADA Nordex recueille toutes les données SCADA des cinq éoliennes toutes les dix minutes et stocke ces valeurs dans un ordinateur central. Ces mesures sont transférées à ECN sur une base quotidienne. Les données météorologiques consistent en des mesures de vitesse du vent, direction du vent, pression atmosphérique, température, précipitations et stabilité atmosphérique. Pour chaque campagne, les données sont stockées dans des fichiers binaires sur un ordinateur hôte à proximité de l’expérience. L’ordinateur hôte est connecté au même réseau que celui auquel sont reliés les systèmes de DANTE.
Conformité des mesures
La plupart des mesures sont effectuées conformément aux normes IEC et ses recommandations techniques. Les données mesurées sont toujours stockées dans la structure de base de données WDMS (Système de gestion des données de vent) et peuvent être livrés périodiquement dans n’importe quel format numérique demandé par le client. Les rapports périodiques sont fournis pour permettre un accès facile aux données et démontrer la validité des mesures.

Description de l’éolienne Nordex N80

Les cinq turbines à l’essai sont des Nordex N80 d’une puissance nominale de 2500 kW. Les éoliennes sont à vitesse et pas variables. Le diamètre du rotor et la hauteur du moyeu sont de 80 m. Le rotor est composé de trois pales en fibre de verre renforcé de polyester. Les vitesses de rotation varient entre 10.8 et 18.9 rpm. La vitesse de rotation est ajustée pour que l’éolienne opère à un Cp maximale sur une grande plage de vitesse possible. Les éoliennes N80 fonctionnent lorsque la vitesse du vent à la hauteur du moyeu est comprise entre 4 m/s et 25 m/s et elles atteignent la puissance nominale à 14 m/s. Les pales sont équipées d’un système de protection contre la foudre, y compris un récepteur pour dévier la foudre sur le moyeu du rotor. Le générateur est une machine asynchrone à double alimentation. Le générateur est maintenu dans sa gamme de température optimale par un circuit de refroidissement à l’eau glycolée.

 Principes de fonctionnement

La société Nordex AG est l’un des chefs de file mondiaux de la fabrication de gros aérogénérateurs. Ses produits sont destinés à 60 % à l’exportation. Nordex est un fournisseur dynamique sur les marchés mondiaux de l’énergie éolienne. Les éoliennes Nordex N80 possèdent un système de variation de l’angle de calage des pales (figure 3.5). Celui-ci permet au rotor de faire varier son efficacité aérodynamique. De cette façon, la courbe de puissance (figure 3.6) aura une allure se rapprochant de celle d’une éolienne à vitesse variable. Cependant, il est difficile d’obtenir un plateau à fort vent, étant donné qu’un certain laps de temps s’écoule avant que l’angle de calage des pales soit ajusté automatiquement.

 Performance de la Nordex N80

La courbe de puissance et les vitesses de rotation associées à chaque vitesse de vent sont illustrées sur les figures 3.6 et 3.7 respectivement. La plage d’opération de l’éolienne est entre 4 et 25 m/s. Sa puissance nominale de 2500 kW est atteinte à partir de 15.96 m/s. la vitesse de rotation varie entre 7.2 et 12.6 m/s et demeure constante en dehors de cette plage soit 10.8 rpm pour les vitesses inférieures ou égales à 7.2 m/s et 18.9 rpm pour les vitesses supérieures ou égales à 12.6 m/s. La figure 3.8 illustre la courbe du coefficient de puissance obtenue à partir de la fiche technique de la Nordex N80. Sur cette figure, le Cp maximal de 0.452 est atteint pour les vitesses de vents non perturbées entre 8 et 9,5 m/s

Table des matières

CHAPITRE 1 INTRODUCTION
1.1 Généralités sur l’énergie éolienne
1.1.1 Différents types d’éoliennes
1.1.2 Les composantes d’une éolienne à axe horizontal
1.1.3 Principe de fonctionnement
1.2 Objectif de l’étude
1.3 Structure du mémoire
CHAPITRE 2 REVUE DE LITTÉRATURE
2.1 La Commission Électrotechnique Internationale
2.2 La norme IEC 61400-12-1
2.3 Le projet de norme IEC 61400-12-2
2.4 Performance des éoliennes
2.4.1 Courbe de puissance
2.4.2 L’utilisation de l’anémométrie à la nacelle pour la vérification de la performance
2..4.2.1 Principe de la méthode
2.4.2.2 L’emplacement recommandé de l’anémomètre
2.4.3 Le Concept du disque actuateur
2.4.3.1 Coefficient de puissance
2.4.3.2 Le coefficient de poussée
2.4.3.3 La limite de Betz
2.4.3.4 Correction de Glauert
CHAPITRE 3 DESCRIPTION DU PROJET
3.1 Localisation du projet
3.2 Description du parc éolien
3.2.1 Les tours météorologiques
3.2.2 Description des données du parc éolien
3.3 Description de l’éolienne Nordex N80
3.3.1 Propriétés de fonctionnement
3.3.2 Performance de la Nordex N80
CHAPITRE 4 MODÈLE MATHÉMATIQUE
4.1 Équations fondamentales
4.1.1 Équations du mouvement
4.1.2 Équation de Navier-Stokes moyennées
4.1.3 Modèle de turbulence
4.1.3.1 L’approche de Boussinesq
4.1.3.2 Modèle de k –
4.1.3.3 Modèle proposé par Chen and Kim
4.1.4 Modèle axisymétrique
4.2 Modélisation de l’éolienne
4.2.1 Modélisation de la nacelle
4.2.2 Modélisation du rotor
4.2.3 La théorie de l’élément de pale
4.3 Modifications aérodynamiques
4.3.1 Perte au bout de pales
4.3.2 Coefficient de traînée de la partie cylindrique
CHAPITRE 5 MÉTHODE NUMÉRIQUE
5.1Description générale de la méthode
5.2 Choix du maillage et domaine de calcul
5.3 Modélisation du rotor
5.4 Conditions aux limites
CHAPITRE 6 RÉSULTATS ET DISCUSSIONS
6.1 Éolienne isolée
6.1.1 Corrélation UnacUinf expérimentale
6.1.2 Influence du maillage
6.1.3 Configuration ouverte et fermée
6.1.4 Configuration avec radiateur
6.1.4.1 Ajustement de la valeur de K avec le modèle k standard
6.1.4.2 Ajustement de la valeur de K avec le modèle proposé
6.2 Nacelle opérant dans le sillage
6.2.1 Corrélation Unac Uinf expérimentale
6.2.2 Comparaison des résultats de simulation du modèle k- standard avec ceux du modèle proposé pour K=25
6.2.2.2 Influence de la distance entre les éoliennes
6.2.2.3 Influence de l’emplacement de l’anémomètre
6.2.2.4 L’anémométrie à la nacelle
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I RÉSULTATS DES SIMULATIONS AVEC LE MODÈLE k- STANDARD POUR K=25
ANNEXE II FICHE TECHNIQUE DE LQ N80 (2.5MW)
ANNEXE III DESSIN TECHNIQUE DE LA N80 (2.5MW)
ANNEXE IV DISPOSITION DES ANÉMOMÈTRES SUR LA NACELLE DE LA NORDEX N80 (2.5MW)
BIBLIOGRAPHIE

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