Production électrique éolienne domestique (petit éolien) D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Production électrique éolienne domestique - Objectifs : DÉCRIRE l’organisation d’une installation éolienne domestique de production électrique ÉVALUER, avant l’implantation d’une éolienne domestique, le potentiel énergétique d’un site et CALCULER la valeur de l’énergie électrique annuelle productible DIMENSIONNER les différents constituants d’une installation éolienne domestique (éolienne, régulateur / chargeur, batteries et onduleur) S’INFORMER des aspects administratifs et financiers pour concrétiser un projet domestique. D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

(site raccordé au réseau / site isolé) Production électrique éolienne domestique Structure des installations domestiques de production électrique éolienne (site raccordé au réseau / site isolé) D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Du grand au petit éolien… Production électrique éolienne domestique Du grand au petit éolien… La production électrique éolienne domestique se rapporte aux machines dont la génératrice présente une puissance inférieure ou égale à 36 kW. D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Exemples d’éoliennes pour installations domestiques : Production électrique éolienne domestique Exemples d’éoliennes pour installations domestiques : En contexte domestique, les éoliennes mettent principalement en œuvre des génératrices synchrones dont le rotor comporte des aimants permanents. D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Production électrique éolienne domestique Structure de base (injection d’une tension monophasée vers le réseau) : De type synchrone à aimants permanents, la génératrice de l’éolienne produit une tension alternative dont la fréquence varie avec la vitesse de rotation des pales. Cela impose un redresseur pour alimenter l’onduleur sous une tension continue. Enfin, l’onduleur convertit la tension continue en une tension alternative 230 V de fréquence 50 Hz compatible avec le réseau. D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Structure de base (injection d’une tension triphasée vers le réseau) : Production électrique éolienne domestique Structure de base (injection d’une tension triphasée vers le réseau) : Pour des puissances élevées, la tension injectée est de type triphasée et nécessite l’implantation d’un onduleur par phase. D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Raccordement au réseau (fonction des compteurs ) : Production électrique éolienne domestique Raccordement au réseau (fonction des compteurs ) : Comme pour la production électrique photovoltaïque raccordée au réseau, trois compteurs électroniques sont nécessaires entre l’installation domestique et le réseau public de distribution (EDF). D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Structure de base (production en site isolé) : Production électrique éolienne domestique Structure de base (production en site isolé) : Le caractère inconstant du vent nécessite de stocker dans des batteries l’énergie électrique produite par l’éolienne. D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Structure hybride pour site isolé (principe) : Production électrique éolienne domestique Structure hybride pour site isolé (principe) : L’optimisation de la production d’énergie électrique repose sur le caractère complémentaire des deux sources d’énergie utilisées : photovoltaïque et éolien. D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Production électrique éolienne domestique Structure hybride pour site isolé (exemple de schéma de raccordement) : D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Evaluation de la production électrique annuelle d’une éolienne Production électrique éolienne domestique Evaluation de la production électrique annuelle d’une éolienne D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Problème posé (étude de cas) : Production électrique éolienne domestique Problème posé (étude de cas) : Un particulier qui réside en Languedoc Roussillon souhaite implanter une éolienne PROVEN 2.5 (puissance nominale de 2,5 kW) à une hauteur de 12 m. Quelle sera la valeur de l’énergie électrique produite par l’éolienne durant une année sur le site retenu qui se caractérise par une densité non négligeable de haies ? D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Notion de gisement éolien : Production électrique éolienne domestique Notion de gisement éolien : A défaut de consulter une station météorologique locale, il est possible de se reporter à la carte ci-contre qui renseigne de la vitesse moyenne du vent en m/s à une hauteur de 50 m en fonction de la topographie du site. En région Languedoc Roussillon (zone 5), une topographie caractérisée par des prairies plates et quelques buissons amène à considérer une vitesse moyenne du vent supérieure à 8,5 m/s à une hauteur de 50 m. Que devient cette vitesse à une hauteur de 12 m ? D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Vitesse moyenne du vent à une hauteur de 12 m : Production électrique éolienne domestique Vitesse moyenne du vent à une hauteur de 12 m : Il suffit d’appliquer la formule suivante : V : vitesse moyenne du vent à la hauteur à laquelle sera implantée l’éolienne Vo : vitesse moyenne du vent connue à une hauteur donnée (8,5 m/s à 50 m) H : hauteur à laquelle sera implantée l’éolienne (12 m) Ho : hauteur pour laquelle la vitesse moyenne du vent est connue (50 m) α : coefficient de gradient vertical de la vitesse du vent D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Production électrique éolienne domestique Pour une topographie du site caractérisée par des haies, le coefficient de gradient vertical de la vitesse du vent est de 0,21 D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Vitesse moyenne du vent à une hauteur de 12 m : Production électrique éolienne domestique Vitesse moyenne du vent à une hauteur de 12 m : Implantée à une hauteur de12 m, l’éolienne PROVEN 2.5 sera exposée à un vent moyen de 6,29 m/s. D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Informations du constructeur PROVEN : Production électrique éolienne domestique Informations du constructeur PROVEN : A titre indicatif, le constructeur indique que la production électrique annuelle de son éolienne est de l’ordre de 2 500 à 5 000 kWh pour des vitesses moyennes du vent comprises entre 4,5 et 6,5 m/s. D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Informations du constructeur PROVEN : Production électrique éolienne domestique Informations du constructeur PROVEN : Comment calculer l’énergie électrique annuelle produite pour une vitesse moyenne du vent de 6,29 m/s ? D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Méthode de calcul de l’énergie électrique annuelle produite : Production électrique éolienne domestique Méthode de calcul de l’énergie électrique annuelle produite : Pour commencer, il faut tracer ce que l’on appelle la courbe de densité de probabilité d’occurrence d’une vitesse du vent ; courbe plus connue sous le nom de « courbe de distribution de Weibull ». Cette courbe se trace par application de la formule mathématique suivante : V : vitesse moyenne possible du vent comprise entre 0 m/s et 25 m/s A : coefficient constant appelé facteur d’échelle ; en première approximation, on peut apparenter ce coefficient à la vitesse moyenne du vent sur le site k : coefficient constant appelé facteur de forme exp : fonction mathématique exponentielle. D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Méthode de calcul de l’énergie électrique annuelle produite (suite) : Production électrique éolienne domestique Méthode de calcul de l’énergie électrique annuelle produite (suite) : De l’application de la formule précédente, il résulte la courbe suivante : (A = 8, k = 3) D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Méthode de calcul de l’énergie électrique annuelle produite (suite) : Production électrique éolienne domestique Méthode de calcul de l’énergie électrique annuelle produite (suite) : En affectant la valeur 2 au coefficient k, l’équation précédente devient : Sur un site pour lequel la vitesse moyenne du vent est de 6,29 m/s, la formule donne lieu à l’application numérique suivante : D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Méthode de calcul de l’énergie électrique annuelle produite (suite) : Production électrique éolienne domestique Méthode de calcul de l’énergie électrique annuelle produite (suite) : La courbe de distribution de Weilbull précédente donne alors lieu à une courbe désignée « courbe de distribution de Rayleigh » ; cette courbe s’apparente alors à la distribution réèlle des vitesses du vent sur le site : D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Méthode de calcul de l’énergie électrique annuelle produite (suite) : Production électrique éolienne domestique Méthode de calcul de l’énergie électrique annuelle produite (suite) : Il faut ensuite prendre en compte la puissance électrique instantanée produite par l’éolienne pour conjuguer cette puissance à la distribution précédente des vents (courbe de Rayleigh) afin d’aboutir au calcul de l’énergie annuelle W : 8760 : le nombre d’heures que comporte une année de 365 jours Limite haute : vitesse maximale de l’éolienne au-delà de laquelle la densité de probabilité est quasi nulle (15 m/s dans notre exemple) Limite basse : vitesse minimale à partir de laquelle l’éolienne commence à produire une puissance électrique non nulle (3 m/s pour l’éolienne PROVEN 2.5) Df(V)/dV : densité de probabilité d’occurrence d’une vitesse du vent P(V) : puissance électrique produite par l’éolienne en fonction de la vitesse du vent D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Méthode de calcul de l’énergie électrique annuelle produite (suite) : Production électrique éolienne domestique Méthode de calcul de l’énergie électrique annuelle produite (suite) : Par l’usage d’un tableur, la formule précédente est décomposée en plusieurs colonnes pour aboutir à la valeur de l’énergie annuelle : 5 272 569 Wh = 5 272 kWh D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Dimensionnement des matériels Production électrique éolienne domestique Dimensionnement des matériels - Étude de cas N° 1 : Centrale raccordée au réseau - Étude de cas N° 2 : Centrale pour site isolé D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Centrale de production électrique éolienne raccordée au réseau : Production électrique éolienne domestique Centrale de production électrique éolienne raccordée au réseau : 2870 A 15 m/s, l’éolienne PROVEN 2.5 produit une puissance de 2 870 W compatible avec la puissance recommandée sur la fiche de l’onduleur (2 970 W); il sera retenu le modèle Windy Boy 3 300. D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Pour l’année 2009, le kilowattheure éolien est seulement vendu 7,87 c€ Production électrique éolienne domestique Centrale de production électrique éolienne raccordée au réseau (suite) : Aides financières accordées : Crédit d’impôt fixé à 50 % du coût des matériels ; coût limité à 8 000 euros pour une personne seule et à 16 000 euros pour un couple (+ 400 euros par enfant ou personne à charge) T.V.A. de 5,5 % sur le coût de la prestation de l’installateur (matériels et installation). Tarif de vente du kilowattheure éolien (arrêté du 10/07/2006) : Pour l’année 2009, le kilowattheure éolien est seulement vendu 7,87 c€ D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Production électrique éolienne domestique Centrale de production électrique éolienne raccordée au réseau (suite) : Par comparaison à une installation de production électrique photovoltaïque de 3 kW amortie en moyenne après dix ans d’exploitation, une centrale de production électrique éolienne raccordée au réseau n’est pas rentable en raison du très faible prix de vente du kilowattheure éolien ! D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Centrale de production électrique éolienne pour site isolé : Production électrique éolienne domestique Centrale de production électrique éolienne pour site isolé : A déterminer : les références des matériels (onduleur et onduleur-chargeur) la capacité des batteries la puissance de l’éolienne (vitesse du vent : 6,3 m/s) D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Energie batteries : 5,255 kWh Production électrique éolienne domestique Centrale de production électrique éolienne pour site isolé : Energie globale : 4,992 kWh Détermination de la capacité des batteries : Informations complémentaires : Autonomie visée : 3 jours Taux de décharge des batteries : TD = 25 % Courant de charge des batteries : Capacité / 20 Durée de la charge des batteries (pour 25 % de la capacité ) : 5 heures Calcul de l’énergie électrique nécessaire sur 3 trois jours : Energie globale = énergie journalière x nombre de jours Energie globale = 1 664 x 3 = 4 992 Wh = 4,992 kWh Calcul de l’énergie des batteries : Energie batteries : 5,255 kWh D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Centrale de production électrique éolienne pour site isolé (suite) : Production électrique éolienne domestique Centrale de production électrique éolienne pour site isolé (suite) : Energie globale : 4,992 kWh Calcul de la capacité des batteries : Energie batteries : 5,255 kWh W : énergie à produire par les batteries en Wh U : tension aux bornes des batteries en V Q : capacité des batteries en Ah avec un taux de décharge de 100% Batteries : 12 éléments Enersol T 880 de 2 V / 876 Ah Le choix technologique retenu portera sur 12 éléments de 2 V Enersol T 880 dont la capacité nominale est de 876 Ah D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Centrale de production électrique éolienne pour site isolé (suite) : Production électrique éolienne domestique Centrale de production électrique éolienne pour site isolé (suite) : Energie globale : 4,992 kWh Choix de l’onduleur- chargeur : Energie batteries : 5,255 kWh Pour une puissance maximale de 2 206 W demandée par les récepteurs de l’installation, l’onduleur-chargeur Sunny Island 3324 (SMA) convient car sa puissance nominale est de 3 300 W (à 25 °C) et que l’on peut l’associer à des batteries de 24 V. Batteries : 12 éléments Enersol T 880 de 2 V / 876 Ah Onduleur-chargeur Sunny Island 3324 D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Puissance globale = 2 206 + 1 106 = 3 312 W Production électrique éolienne domestique Centrale de production électrique éolienne pour site isolé (suite) : Energie globale : 4,992 kWh Choix de l’onduleur : Energie batteries : 5,255 kWh Dans le cas le plus défavorable, l’onduleur doit fournir une puissance qui couvre : la puissance maximale demandée par les récepteurs : 2 206 W la puissance demandée par les batteries en charge : U x I = U x (Q/20) = 24 x 43,8 = 1 051 W ; puissance ramenée en sortie de l’onduleur équivalente à la puissance en entrée de l’onduleur-chargeur : P = Pbatteries / rendement chargeur = 2 102 / 0,95 P = 1 106 W Puissance globale = 2 206 + 1 106 = 3 312 W Batteries : 12 éléments Enersol T 880 de 2 V / 876 Ah Onduleur-chargeur Sunny Island 3324 D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Centrale de production électrique éolienne pour site isolé (suite) : Production électrique éolienne domestique Centrale de production électrique éolienne pour site isolé (suite) : Energie globale : 4,992 kWh Choix de l’onduleur : Energie batteries : 5,255 kWh Batteries : 12 éléments Enersol T 880 de 2 V / 876 Ah Pour une puissance demandée globale de 3 312 W, l’onduleur Windy Boy 3300 (SMA) peut fournir une puissance nominale de 3 300 W Onduleur-chargeur Sunny Island 3324 Onduleur Windy Boy 3300 D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Centrale de production électrique éolienne pour site isolé (suite) : Production électrique éolienne domestique Centrale de production électrique éolienne pour site isolé (suite) : Energie globale : 4,992 kWh Choix de l’éolienne : Sur une période de vingt-quatre heures, l’éolienne doit au plus fournir l’énergie demandée par les récepteurs et l’énergie de charge des batteries. La charge des batteries se caractérise par : le courant de charge : I = capacité globale / 20 = Q / 20 le temps de charge : t = (Q x TD) / I Energie batteries : 5,255 kWh Batteries : 12 éléments Enersol T 880 de 2 V / 876 Ah Onduleur-chargeur Sunny Island 3324 Onduleur Windy Boy 3300 W = ((24 x 43.8 x 5) + 1 664) / 0,95 = 7 284 Wh = 7,3 kWh Soit une énergie mensuelle de : 31 x 7,3 = 226 kWh pour un vent de 6,3 m/s D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Modèle d’éolienne retenu : WHISPER 500 Production électrique éolienne domestique Centrale de production électrique éolienne pour site isolé (suite) : Choix de l’éolienne : Energie mensuelle supérieure à 226 kWh Puissance nominale recommandée : 2 970 W (d’après le constructeur de l’onduleur Windy Boy 3300) Energie globale : 4,992 kWh Energie batteries : 5,255 kWh Batteries : 12 éléments Enersol T 880 de 2 V / 876 Ah Onduleur-chargeur Sunny Island 3324 Onduleur Windy Boy 3300 Eolienne WHISPER 500 Southwest Windpower Modèle d’éolienne retenu : WHISPER 500 D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Production électrique éolienne domestique D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Fin de la présentation Production électrique éolienne domestique D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Production électrique éolienne domestique Les illustrations de ce diaporama proviennent de documents techniques édités par les partenaires et les constructeurs suivants : Ademe, Auton’home Productions, Canwea, France Énergie Éolienne, Krug Sarl, Proven, SMA, Southwest Windpower, Syndicat des Énergies Renouvelables D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Ce diaporama s’appuie sur le chapitre 4 de l’ouvrage : Production électrique éolienne domestique Ce diaporama s’appuie sur le chapitre 4 de l’ouvrage : « Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables ». Elektor Publitronic - Collection Technique Pratique – 14 x 21 cm – 304 pages – 32,50 € Pour commander : www.elektor.fr/e-choppe Autres diaporamas relatifs au même ouvrage : Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Production électrique photovoltaïque pour site isolé Production électrique éolienne de grande puissance (grand éolien) Chauffe-eau solaire individuel Chauffage des locaux par géothermie et par aérothermie Chauffage des locaux par bois-énergie. Diaporamas téléchargeables en ligne sur www.elektor.fr/NRJ D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009