Présentation générale, fonctionnement et applications L’énergie éolienne Présentation générale, fonctionnement et applications Marine PONTHIEU marine.ponthieu@free.fr

Plan du cours : Introduction, contexte et historique Typologie des éoliennes Eléments de base en aérodynamique des éoliennes Composants d’une éolienne Applications et développement de l’éolien Marine Ponthieu

I - Introduction Historique Les moulins à vent depuis l’Antiquité : Energie cinétique (vent) -> énergie méca Moulin à grains utilisé il y a plus de 3000 ans en Asie Sont arrivé en Europe en région méditerranéenne il y a environ 1000 ans. Fonctionnaient avec des voiles. Marine Ponthieu

I - Introduction Puis les machines se sont développées : moins de pales, voiles remplacées par des structures en bois, orientation manuelle par rapport au vent. Au XIXe siècle, développement des pompes à eau multi-pales. Construction et maintenance beaucoup plus simple Marine Ponthieu

I - Introduction En 1888 : Charles F. Brush construit la 1ère éolienne avec stockage par batterie alimentant sa maison. En 1904 : 1ère éolienne industrielle par le Danois Poul La Cour, pour fabriquer de l’H2 par électrolyse. A partir de 1955 : plusieurs éoliennes expérimentées en France, de 800 kW à 1000 kW. Marine Ponthieu

I - Introduction 70’ : premier choc pétrolier déclenche le véritable développement des éoliennes, principalement au Danemark. Premiers modèles d'éoliennes modernes. Le profil des pales s'inspire des profils des ailes d'avion. Evolution de la taille et de la puissance des éoliennes depuis 1984 Marine Ponthieu

Puissance éolienne installée cumulée de 1996 à 2007 I - Introduction Etat des lieux dans le monde Développé dans plus de 70 pays Puissance éolienne installée cumulée de 1996 à 2007 Marine Ponthieu

Répartition de la puissance éolienne installée dans le Monde fin 2006 I - Introduction Fin 2006,13 pays dans le monde ont plus de 1000 MW installés Répartition de la puissance éolienne installée dans le Monde fin 2006 Marine Ponthieu

I - Introduction Situation en Europe (MW) Situation en Europe Croissance de + de 23% en Europe de 2005 à 2006 Allemagne + Espagne : 50% du marché européen 3,3% de la consommation d’électricité fournis par l’éolien 8 pays européens disposent de plus de 1000 MW éoliens Marine Ponthieu

I - Introduction Le potentiel éolien Marine Ponthieu

II – Typologie des éoliennes Les capteurs à axe horizontal Les plus répandus car rendement supérieur et coût moindre. Comportent en général 2 ou 3 pales. 3 pales = bon compromis puissance, vitesse de rotation, limite les vibrations, le bruit et la fatigue du rotor. 2 types : Hélice sous le vent Hélice au vent (Nécessite un gouvernail) Marine Ponthieu

II – Typologie des éoliennes Les capteurs à axe vertical - Le rotor de Savonius : 2 demi-cylindres décalés. Marine Ponthieu

II – Typologie des éoliennes - Le rotor de Darrieus (1920 – 1935) Fortes contraintes mécaniques, rendement faible. Nécessitent souvent d’être haubanés Marine Ponthieu

III – Eléments de base en aérodynamique Vent = 2% de l’irradiation solaire sur Terre convertie en énergie cinétique. Dépend des gradients de pression et de la géographie. Différents paramètres caractérisant les capteurs éoliens : Vitesse en bout de pale : U = ωR Où ω vitesse de rotation de la machine (rad/s) R rayon de la pale (m) Vitesse spécifique ou paramètre de rapidité : Si λ < 3, l’éolienne est dite lente Si λ > 3, l’éolienne est rapide Marine Ponthieu

III – Eléments de base en aérodynamique Coefficient de puissance : Où Pm puissance recueillie par le capteur P0 = puissance récupérable dans le vent S surface balayée par les pales (m2) Ρ masse volumique de l’air = 1,25 kg/m3 V vitesse instantanée du vent (m/s) Cp caractérise le niveau de rendement d’une turbine éolienne Limite de Betz (1919) : Cp(max) = 16/27 = 0,5926  Seule une certaine quantité d’énergie peut être extraite du vent Marine Ponthieu

III – Eléments de base en aérodynamique Puissance maximale récupérable par une turbine : Soit : Rmq : Pm augmente avec V3, d’où l’importance du choix du site ! Puissance récupérée en fonction du diamètre de l'éolienne Marine Ponthieu

III – Eléments de base en aérodynamique Vent et rendement 4m/s < V < 25 m/s Puissance nominale constructeur atteinte pour 15 m/s, au-delà le système de régulation est déclenché. Puissance fournie par une éolienne en fonction de l'intensité du vent Marine Ponthieu

III – Eléments de base en aérodynamique Distribution statistique de vent La loi de Weibull Décrit les variations du vent sur un site donné Le vent souffle à moins de 6,6 m/s la moitié du temps, et à plus pendant l’autre. Médiane de la distribution Marine Ponthieu

IV – Composants d’une éolienne Marine Ponthieu

IV – Composants d’une éolienne Le mât : Permet de placer le rotor à une hauteur suffisante pour l’exposition au vent souhaitée. Abrite une partie des composants électriques Peut être en acier ou en béton Le coût augmente avec la hauteur : en général, h légèrement supérieur au rayon des pales. Marine Ponthieu

IV – Composants d’une éolienne Le rotor : Composé de plusieurs pales et du nez de l’éolienne. Relié à la nacelle par le moyeu. Les pales = élément très important Durée de vie et rendement de la machine en dépendent. Moyeu lors de son assemblage avec l’arbre Marine Ponthieu

IV – Composants d’une éolienne Longueur de pale : en fonction de la puissance désirée. Fixe également la fréquence de rotation maximale, prend en compte le travail en fatigue et les risques de vibrations. Pour λ < 3, diamètre < 8m Pour λ > 3, le diamètre peut être supérieur à 30 m. Largeur : Pale large  meilleur couple de démarrage Pale fine  vitesse de rotation plus élevée  Compromis entre les 2. Marine Ponthieu

IV – Composants d’une éolienne Les matériaux : Doivent être légers, résistants à la fatigue mécanique, à l’érosion et à la corrosion, et d’usinage simple. Divers matériaux utilisés Bois : sensible à l’érosion et déformable. Petites pales Lamellé-collé : empilement de lamelles de bois. Pales < 5 m de longueur Alliages d’aluminium. Pales < 20 m Matériaux composites : adaptable à toutes les formes et permet la recherche des caractéristiques mécaniques souhaitées. Marine Ponthieu

IV – Composants d’une éolienne Le profil des pales : Choisi en fonction du couple désiré. Pour les machines à grande puissance (>100 kW), elles sont vrillées et prennent la forme d’un hélice. Les différents profils ont en général été étudiés pour l’aviation. Le nombre de pales : Marche lente : 20 à 40 ailettes. Couple de démarrage proportionnel au nombre de pales et au diamètre. Rendement faible Marche rapide : 2 ou 3 pales 3 pales : moins de risque de vibration, bruit et fatigue plus faibles 2 pales : plus économique et plus simple. Marine Ponthieu

IV – Composants d’une éolienne La nacelle : Marine Ponthieu

V – Application et développement Choix des sites d’implantation Vents Nécessite au moins 1 année de relevés météorologiques complets  on en déduit l’énergie totale par m2 grâce à des anémomètres. Vents réguliers sans variations brutales (pas comme le mistral) Idéal : vents réguliers de 6 à 10 m/s (type alizés) Rose des vents sur la Corse Marine Ponthieu

V – Application et développement Reliefs Relief local : à prendre en compte dans l’interprétation des relevés pris à 10 m du sol. Profils de vitesses moyennes sur trois types de terrain pour un vent de 100 milles à l'heure. Marine Ponthieu

V – Application et développement Turbulences engendrées par un pic Turbulences engendrées par une falaise Marine Ponthieu

V – Application et développement Exemple d’implantation dans une parcelle agricole Distance mini entre éolienne et routes, chemins ou parcelles voisines : 40 m. Entre l’éolienne et la route la plus proche : Plate-forme non clôturée de 20m x 50m en cailloux sur 30 à 50 cm d’épaisseur. Distance entre 2 éoliennes: Côte à côte : 300 m L’une derrière l’autre : 500 m Marine Ponthieu

V – Application et développement Les étapes d’un projet Marine Ponthieu

VI – Le débat En grande partie recyclable (acier) Entièrement démontable Facilement remplaçable Ne laisse aucun produit contaminant autour d’elle et pas d’émission de GES Surfaces disponibles pour l’agriculture car n’occupent que 2% du sol Marine Ponthieu

VI – Le débat Energie intermittente et stockage difficile : nécessite de compenser avec des centrales électriques secondaires (démarrage rapide). Subjectivité esthétique + craintes immobilières. Bruit dont la perception peu varier. Obstacle à la migration des oiseaux. Marine Ponthieu

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