Soutenance mémoire
Généralités sur les hydroliennes
Energies marines renouvelables
Les océans et les mers recouvrent plus de 71% de la surface de la planète [8]. Elles représentent une source d’énergie marine renouvelable très prometteuse et forte de plusieurs avantages tels que la prévisibilité des courants marins ou encore la disponibilité à tout instant de l’année. Cependant, il existe plusieurs types d’énergies marines, bien distinctes. Leurs ressources varient d’une énergie à l’autre.
Eoliennes offshores
En mer, le vent est plus fort, plus constant et surtout plus prévisible que sur terre. Les éoliennes offshores sont des éoliennes posées au large de la mer et qui exploitent donc les vents. Ces derniers vont tourner les pales du rotor de l’éolienne pour produire de l’électricité en transformant l’énergie cinétique des vents en énergie électrique grâce au générateur. Les éoliennes offshores présentent l’avantage d’être loin des zones habitables et donc de ne pas gêner les activités humaines. Une donnée qui permet d’augmenter la surface du parc éolien. En pratique, les éoliennes offshores peuvent produire jusqu’à 5 MW de puissance électrique là où les éoliennes sur terre ne dépassent pas 3MW, même dans les zones les plus ventilées.
Biomasse marine
La biomasse marine est une autre forme d’énergie marine. Sa source d’énergie principale est les algues et les phytoplanctons. L’exploitation de ces ressources nécessite une fermentation, gazéification ou encore une combustion. De nos jours, peu d’études se sont penchées sur cette forme d’énergie qui paraît être très prometteuse.
Energie des houles
L’énergie des houles exploite la force des vagues pour produire de l’électricité. En fait, pour capter l’énergie des vagues, le prototype utilisé renferme à son intérieur un mécanisme sous forme d’une roue pendulaire qui se balance au rythme des vagues et capte ainsi leur énergie à l’aide d’un alternateur qui produit de l’électricité.
Energie osmotique
L’énergie osmotique exploite le phénomène d’osmose entre l’eau douce et l’eau salée. En effet, dans cette technologie, il existe une membrane semi-perméable double face, qui possède la particularité de laisser passer l’eau, mais pas les sels minéraux selon le phénomène de l’osmose. Grâce à ce mouvement d’eau, une turbine produit de l’électricité.
Energie thermique des mers
L’énergie thermique des mers repose sur la différence de température entre les eaux très profondes et les eaux de surface. Une différence de température présente tous les jours de l’année et qui permet de produire de l’électricité. Pour que cette énergie soit produite, il faut une différence de 20°?. Toutefois, une telle différence n’est rencontrée que quasiment dans les zones intertropicales. En effet, dans ces zones, l’eau fait 4°? en profondeur de près de 1000? et près de 25°? en surface. Pour exploiter cette énergie, on fait circuler de l’ammoniac liquide dans un circuit. Au contact de la chaleur de la surface, l’ammoniac se transforme en gaz. Et au moment où il se détente, il entraine une turbine qui, relié à un alternateur, produit de l’électricité. Le gaz est ensuite canalisé vers une zone qui est refroidit par l’eau de profondeur. Au contact de la fraicheur, l’ammoniac se condense et redevient liquide. Et le cycle se reproduit.
Energie marémotrice
Comme son nom l’indique, l’énergie marémotrice est tributaire des marées. La turbine utilise la force des marées qui montent et descendent entre d’un côté la mer et de l’autre l’estuaire pour produire de l’électricité. Le principe d’une centrale marémotrice est assez proche de l’hydroélectricité. Un barrage qui coupe l’estuaire où est installée la centrale laisse l’eau s’engouffrer dans le bassin de l’estuaire quand la marée monte. Puis elle la retient. Et à marée basse, elle exploite l’écoulement de l’eau pour produire de l’électricité.
Energie cinétique des courants marins : les hydroliennes
L’énergie cinétique des courants marins exploite la vitesse des courants marins ou fluviaux contrairement à l’hydroélectricité qui exploite l’énergie potentielle de l’eau avec la hauteur de la chute pour produire de l’énergie. L’exploitation de cette énergie implique donc l’implantation d’une hydrolienne qui est la technologie qui capte l’énergie cinétique des courants et la transforme en énergie mécanique, qui à son tour sera transformée en courant électrique. Bien que nouvelle, cette technologie est une perspective aux problèmes énergétiques qui touchent la planète du fait de ces nombreux avantages notamment écologiques. Il s’agit de la forme d’énergie marine étudiée dans le cadre de ce mémoire.
Constitution et fonctionnement d’une hydrolienne
Constitution d’une hydrolienne
En principe, l’hydrolienne est composée de plusieurs éléments dont les principaux sont :
● La turbine : Elle est l’élément central de la machine. Elle est constituée du rotor et du stator.
● Le rotor : C’est la partie centrale de la turbine. Le rotor tourne à l’intérieur du stator qui lui est fixe. C’est là qu’on attache les pales qui reçoivent l’énergie cinétique transportée par les courants marins pour produire l’énergie mécanique. Ces pales sont montées sur un arbre à l’aide d’un système d’orientation.
● Le stator : Il s’agit de l’autre partie de la turbine, représentée sous forme d’une bobine. Elle est fixe de telle manière que le rotor tourne à son intérieur.
● Le générateur : Le rôle du générateur est de transformer l’énergie mécanique produite en énergie électrique.
● Un multiplicateur de vitesse : Il permet d’augmenter la vitesse lente de la turbine.
● Le convertisseur : Il convertit le courant produit par le générateur en courant alternatif ou continu selon les besoins.
● Le stabilisateur : C’est le principe pour lequel les pales sont bien fixées et tournent normalement face au courant marin.
● Le mat (ou le support) : C’est la partie basse de l’hydrolienne, relié à une ancre. Le mat est fixé sur le sol océanique de telle sorte qu’il retient parfaitement le reste de l’hydrolienne. Toutefois, d’autres technologies permettent de se passer du mat.
Carénage
Les carénages sont des dispositifs qui concentrent au maximum le débit qui passe dans le rotor afin d’augmenter le rendement propre de la machine. Dans un système de carénage, les frontières de l’écoulement restent définies et l’élargissement des lignes de courants est limité par la géométrie du carénage [10]. L’énergie est donc extraite grâce à une chute de la pression qui dépend de la géométrie du carénage et du débit du fluide qui traverse le rotor. Des telles conditions permettent d’avoir des débits élevés et donc des vitesses élevées du fluide, et par conséquent une puissance élevée, ce qui réduit l’influence de la limite de Betz sur la turbine.
Ainsi, la puissance de l’hydrolienne carénée dépend aussi de la différence de pression entre l’entrée et la sortie du carénage et du débit volumique. La technologie de carénage la plus utilisée chez les hydroliennes est le carénage à effet venturi. Il est traduit par le théorème de Bernoulli : si le débit du fluide est constant et que le diamètre diminue alors la vitesse augmente nécessairement. Afin de répondre à la loi de conservation de l’énergie, l’augmentation de l’énergie cinétique est compensée par la diminution de la dépression.
Principe de fonctionnement de l’hydrolienne
L’eau de mer traverse les pales (orientées face courant marin pour bien tourner) du rotor à l’intérieur de la tribune. Ces pales vont donc tourner avec le même principe que les éoliennes c’est-à-dire une surpression qui les pousse et une dépression qui les aspire. Le déplacement de l’eau de mer est un courant marin qui provoque le mouvement de l’eau et donc celui du corps. On parle ainsi de l’énergie cinétique du courant marin. L’hydrolienne transforme donc l’énergie cinétique du courant marin en énergie mécanique. L’énergie mécanique est à son tour transformée en énergie électrique par le générateur. Notons que les pales de l’hydrolienne peuvent tourner dans les deux sens suivant le courant marin. Pour produire de l’électricité, l’aimant contenu dans le rotor tourne à l’intérieur d’une bobine de cuivre qui constitue le stator. La variation du champ magnétique provoque donc à l’aide de la génératrice, un mouvement d’électrons et la circulation des électrons constitue ainsi l’électricité.
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Table des matières
Introduction
Chapitre I : Etat de l’art des hydroliennes
I.1 Généralités sur les hydroliennes
I.1.1 Energies marines renouvelables
I.1.1.1 Eoliennes offshores
I.1.1.2 Biomasse marine
I.1.1.3 Energie des houles
I.1.1.4 Energie osmotique
I.1.1.5 Energie thermique des mers
I.1.1.6 Energie marémotrice
I.1.1.7 Energie cinétique des courants marins : les hydroliennes
I.1.2 Constitution et fonctionnement d’une hydrolienne
I.1.2.1 Constitution d’une hydrolienne
I.1.2.2 Carénage
I.1.2.3 Principe de fonctionnement de l’hydrolienne
I.1.3 Historique des hydroliennes
I.1.4 Comparaison sur les hydroliennes
I.1.4.1 Types d’hydroliennes
I.1.4.2 Comparaison entre Eolienne et Hydrolienne
I.2 Généralités sur les courants marins
I.2.1 Origine des courants marins et marées
I.2.2 Formation des courants marins et marées
I.2.2.1 Formation des courants marins
I.2.2.2 Formation des marées
I.2.3 Mesures des courants marins
I.2.4 Potentiel de l’hydrolienne
I.2.4.1 Potentiel de la ressource
I.2.4.2 Choix du site d’installation d’hydrolienne
I.2.5 Etudes des marées à Madagascar
Conclusion
Chapitre II: Modélisation et simulation d’hydrolienne
II.1 Modélisation mathématiques des composants
II.1.1 Modèle des caractéristiques physiques de l’hydrolienne
II.1.1.1 Champ de vitesse
II.1.1.2 Nombres de Reynolds et de Froude
II.1.1.3 Coefficient des marées
II.1.1.4 Vitesse des marées
II.1.2 Modèle de la turbine
II.1.2.1 Puissance théorique : limite de Betz
II.1.2.2 Coefficient de puissance hydrodynamique
II.I.3 Modèle du multiplicateur
II.1.4 Equation dynamique de l’arbre
II.1.5 Modèle du générateur
II.1.5.1 Référentiel de Park
II.1.5.2 Expression de chaque grandeur
II.2 Simulation de l’hydrolienne
II.2.1 Simulation de la turbine
II.2.2 Simulation du générateur
II.2.3 Commande du système
II.2.3.1 La commande Pitch-Angle
Conclusion
Chapitre III : Détermination des paramètres influents dE L’HYDROLiENNE
III.1 Analyse de sensibilité
III.1.1 Généralités sur l’analyse de sensibilité
III.1.2 Méthodes d’analyse de sensibilité
III.1.2.1 Analyse de sensibilité locale
III.1.2.2 Analyse de sensibilité globale
III.1.2.3 Méthode de Sobol
III.1.2.4 Méthode FAST
III.1.3 Choix de la méthode
III.2 Analyse de sensibilité de l’hydrolienne
III.2.1 Mise en équation et paramétrage de chaque modèle
III.2.1.1 Modèle de la turbine
III.2.1.2 Modèle du générateur synchrone à aimants permanents
III.2.2 Facteurs influents de l’hydrolienne
III.2.2.1 Influence sur la turbine
III.2.2.2 influence sur le générateur
Conclusion
Conclusion Generale
