7nrj_eolienne

7/29/2019 7nrj_eolienne

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nergie olienne : pourquoia marche ?

Sandrine Aubrun-Sanches

Matre de confrences

Institut PRISME / PolytechOrleans

Institut PRISME / PolytechOrlans8, rue Lonard de Vinci45072 Orlans cedex

[email protected] : 02.38.49.43.94
mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]


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Les nergies renouvelables

Directives europennes de 2001 pour lapromotion des nergies renouvelables:

5,75% de biocarburants en 2010 Elctricit propre, de 14% en 1997 21%

en 2010 50%de la production de chaleur dorigine

renouvelable en 2015


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Les nergies renouvelables

Ncessit conomique et cologique


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Capacit installe dans le monde


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Lnergie olienne dans le monde


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En 2003, la Commission Europenneprvoit une capacit dnergie olienne

installe de:

79.8 GW in 2010

144.8 GW in 2020

213.5 GW in 2030. Estimation revue 9 fois la hausseentre 1996 et 2003

Lnergie olienne en Europe


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Lnergie olienne en Europe


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Lnergie olienne offshore en Europe


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Lnergie olienne en France

Mars 2009

Prvisions : 25000 MW en 2020


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Les challenges de lolien

Taille des oliennes Installations off-shore Ferme doliennes


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Les composants

pales

tour

moyeu

nacelle5) larbre lent6) Le multiplicateur7) Le frein8) larbre rapide9) Gnratrice

10) Systme de refroidissement11) Anmomtres et girouettes

Vitesse de rotation 10 50 tr/min

nergie cintique nergie mcanique nergie lectrique


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Les disciplines concernes

Estimation des ressources oliennes

Arodynamique

Structures et matriaux (arolasticit) Gnration dlectricit

Intgration au rseau lectrique

Impact environnemental Finances, conomie, rgulations, publicit


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Estimation des ressources oliennes Arodynamique





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Les vents globaux


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Les vents de surface

200 premiers mtres de latmosphre Dpendants de la rugosit du terrain et la

prsence dobstacles: vgtation relief Urbanisation

Vents locaux (brise de mer, vent demontagne)

Vents de surfaces vents globaux


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Potentiel olien

Estimer le potentiel olien dun site En prospection

En temps rel Codes de calcul mtorologique mso-

chelles

Code de calcul pour modliser la couchelimite atmosphrique


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La rose des vents


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Variations mtorologiques

Variations journalires (cycle diurne)

Variations saisonnires

Variations annuelles


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La couche limite atmosphrique

Increasing complexity of the wind flow

Boundary

layer

Mixed layer

Surface layer

Urban roughness

50m

100m

600 ... 1000 m

Geostrophic wind


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Les types de terrain

Terrain peu rugueux Terrain modrment rugueux

Terrain rugueux Terrain trs rugueux


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Les types de terrain

Cas extrmes


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La couche limite atmosphrique Modlisation des 100 200 mtres de la couche limite

atmosphrique (profil puissance)

Incluant la couche de surface (60 100 mtres) (profillogarithmique)

Rgi par la rugosit du sol

ref ref

u z z

U z

* 0

1 .lnu z zU z

z0, longueur de rugosit


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U/U 90m

z[m]

0 0.5 10

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

= 0.19

Exemple de profil

(modrment rugueux rugueux)


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U/U90m

z[m]

0 0.5 10

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

= 0.19

Exemple de profil

(modrment rugueux rugueux)


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La turbulence

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

4

4.5

5

5.5

6

6.5

srie temporelle de la vitesse mesure 30 m d'altitude

temps [heure]

vitesse[m/s]


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La turbulence

Intensit de turbulence [%]

altitude[m]

0 10 20 30 40 50 600

50

100

150

200

250

300

trs rugueux

rugueux

modrment rugueux

peu rugueux

Intensit de turbulence

100 [%]uumoy

IU


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Cas idal

Les terrains peu rugueux (mer, glace) sont

privilgis Profil de vitesse plat rendement optimal

Turbulence plus faible moins de fatigue

structurelle (moins de vibration)


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Estimation des ressources oliennes

Arodynamique





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Le fonctionnement

La puissance du vent

31.

2 V

3 21. . .

2

ventP V R


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Le fonctionnement

Extraction dnergie cintiquede lcoulement

distorsion des lignes de courant

Puissance extraite f(V1-V2)

(loi de Betz)

max16

0.5927

vent

P

P

2 2

2 1 2 1

1 1

2 2

V V V V


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La loi de Betz (1919)

P/Pvent


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Puissance extraite

Coefficient de puissance

= Puissance extraite/

Puissance du vent

CpPuissance extraite (W)

0

200

400

600

800

1000

0 10 20 30

Vitesse (m/s)

Puissance(W)

Coefficient de puissance

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0 10 20 30

Vitesse (m/s)

Cp

Exemple de lolienne Neg Micon NM52/900


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Arodynamique de pales

V


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Bernoulli: le long dune ligne de courant, si la vitesse augmente, la pression diminue

V


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Bernoulli: le long dune ligne de courant, si la vitesse augmente, la pression diminue

VForte dpression

Faible dpression

portance


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La portance

Cz dcrochage


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Arodynamique des palesen rotation

w

V

V

wRW


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V

wRWb

b

portance

trane


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V

wRWb

b

couple

portance

trane

= (R)en pied de pale, grand

En bout de pale, petit

Trane globale


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V

wRWb

= (R) en bout de pale, petit

en pied de pale, grand risque de dcrochage

pale vrille

Arodynamique des pales


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0

10

20

30

40

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

x/R

Incidence(

)

% Couple

Incidence

P

ourcentagedeco

uple(%)


Rpartitions de couple et dincidence le long de la pale

Obtenues avec le code de calcul EOLECalage : 8 ; Vitesse : 14 m.s-1

< 10 sur la partie de lapale qui fournit lessentiel

du couple


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Arodynamique des palesLa corde des pales nest pas constante


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Contrle de la puissance

Vitesse optimale de fonctionnement 15 m/s

Si V > 15 m/s, il faut perdre de lnergie

Contrle calage variable de pales= contrle actif (olienne pas variable)

Ingnierie complexe

Rgulation par dcrochage arodynamique= contrle passif (olienne pas fixe)

Si V augmente, augmente

dcrochage local

perte de portance


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Sillage dune olienne

Impact sur les oliennessitues en aval


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Interaction

D t t


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Dautres concepts:Eoliennes axe vertical

Rotor de Darrieus Rotor de Savonius


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Structures et matriaux (Arolasticit) Gnration dlectricit




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Gnralits Lolienne doit pouvoir supporter des

vents trs forts Nombre de pales restreint (3 pales)

Turbulence trs leve Fatigue des structures

tude oscillatoire des structures w

V

couple

couple

trane


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Rsistance des pales


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La tour

tubulaire dacier en treillis haubans


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Les pales et la nacelle

Les grandes oliennes Matriaux plastiques + fibre de verre

Les petites oliennesAluminium et acier


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Structures et matriaux (Arolasticit)

Gnration dlectricit Intgration au rseau lectrique



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La gnratrice

Transforme lnergie mcanique ennergie lectrique

Gnre un courant alternatif triphas de

680V Transform en 10 ou 30 kV

pour tre raccord au rseau

Signal lectrique en 50 Hz

(60 Hz aux U.S.A.)


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La gnratrice asynchrone

Rotor en cage dcureuil Barreaux daluminium relis par deux

cercles mtalliques

Matriau conducteur

Champ magntique tournant => courantinduit dans les barreaux de la cage

Vrotor= 1.01 Vchampmagntique


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La gnratrice asynchrone

Indpendant du nombre de ples

Doit tre reli au rseau lectrique pourgnrer le champ magntique tournant


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Gnration dlectricit




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Raccordement au rseau

Raccordement direct si le signal lectriquegnr est 50Hz (pas raliste)

Raccordement indirect

transformateurs

filtres


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nergie olienne=nergie fatale

Dixit RTE (Gestionnaire du Rseau de Transport dlectricit)


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Une olienne tourne 80 90% du tempsmais pas sa puissance nominale

Sa production est ramene au nombre

dheures si elle fonctionnait sonoptimum: Bon sites : 3000 h /an (1 an = 8760h)

En Beauce : 2500 2700 h/anAllemagne : 1800 h/an


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nergie complmentaireassocie dautres formes

de production Choix des sites Obligation dachat par EDF

de llectricit 0,082 du

kWh pendant 10 ans Puissance installe 12 MW(jusquen 2007)

Prix du kWh entre 0,05 et0,07(0,027 pour le nuclaire,0,035 pour le gaz)

Diffrence rpercute sur lafacture des particuliers(0,60 / an / foyer)


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Gnration dlectricit




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Impact sur le milieu biologique

Eoliennes et oiseaux Oiseaux migrateurs Oiseaux locaux (suivant les tudes: 0,1 4 oiseaux

tus / olienne / an)

Chauve-souris Eoliennes et vgtation

Emprise au sol faible Terrassement Rseau routier Zones dassemblage

Clauses de dmantlement


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Impact sur les humains

Attention chute dobjets. Distance minimale : 6 fois la hauteur totale

Nuisance sonore 1 olienne : 45dB 100m 30 oliennes : 45dB 500 m

Insertion paysagre

de Cest affreux cest superbe!! Lombre des oliennes Les travaux Syndrome Not in my back yard


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Estimation des ressources oliennes Arodynamique Structures et matriaux (Arolasticit) Gnration dlectricit Intgration au rseau lectrique Impact environnemental Finances, conomie, rgulations,

publicit


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Retombes locales

Exemple : communaut de communes deJanville 27 oliennes, soit 60MW installs 4000/olienne/an pour le propritaire terrien

(location) 4000/olienne/an pour la Rgion Centre (taxe

professionnelle) 10000/olienne/an pour le dpartement Eure et Loir

(taxe professionnelle) 10000/olienne/an pour la communaut de

communes (taxe professionnelle)


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Cots dun projet oliencot moyen du kW install : 1,7 k

Dure de vie : 15-20 ans (plus long en mer)


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Les composants

COMPOSANTS % (en valeur)Pales 14 %

Moyeu 3 %

Multiplicateur 14 %

Gnratrice 8 %Roulements 4 %

Groupe hydraulique 8 %

Electricit 9 %

Nacelle et capot 8 %

Assemblage 3 %

Divers 5 %

Mt 24 %

Total : 100.0%


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Les constructeurs

Nordex (Allemagne) Vestas (Danemark) Dewind (Allemagne) Enercon (Allemagne) Ecotcnica (Espagne) Gamesa Eolica (Espagne)

Enron Wind (USA) Vergnet (Orlans, France) petit olien

Liste non exhaustive


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Bibliographie

Sites internet www.ademe.fr(ADEME) www.windpower.org (association danoise) www.meteo.fr(Meteofrance) www.ewea.org (European Wind Energy Association) www.eole.org www.suivi-eolien.com

Livres Wind Energy Handbook (Wiley & Sons)

Guide de lnergie olienne (Coll. Etudes et filires) Confrences

European Wind Energy Conference, 22-24 nov. 2004, Londres.
http://www.ademe.fr/http://www.windpower.org/http://www.meteo.fr/http://www.ewea.org/http://www.eole.org/http://www.suivi-eolien.com/http://www.suivi-eolien.com/http://www.suivi-eolien.com/http://www.suivi-eolien.com/http://www.eole.org/http://www.ewea.org/http://www.meteo.fr/http://www.windpower.org/http://www.ademe.fr/


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Installations offshore

Solution miracle Vent constant et peu turbulent Grande tendue : ferme doliennes

Pas de population Peu visible du continent

Difficults technologiques

Raccordement au rseau continental Fondations des oliennes Salinit et corrosion construction

Installations offshore


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Installations offshoreexemple au Pays-Bas

Dici 2020 25 fermes

50 200 km2 6 GW install

Perturbation delcoulement

Corten et al. (EWEC 2004)


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Les forces de Coriolis

Observateur terrestreObservateur extra-terrestre


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Les forces de Coriolis

Observateur terrestreObservateur extra-terrestre

2cF mV w



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Incidence des pales

go : Incidence gomtriqueb : Calage des pales

Contrls par

loprateur

Obtenue laide dun code de calcul

de type ligne portanteinduit : Incidence induite

V

rAgo

.tan

induitgo b

rW



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Ecoulement attach

Ecoulement radial

Ecoulement dcoll

Dcrochage 3D

y q pen rotation

La corde des pales nest pas constante


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Arodynamique des palesAile de faible allongement

Dpression relative extrados

Surpression relative intrados

- - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + +

coulement extradosdivergent

coulement intradosconvergent

Perte de portance


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Tourbillon marginal

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