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Free Energy Engines Engineering
T.I.P.E
Sciences-Industrielles
Une énergie en plein essor:
L’énergie éolienne
Sujet: énergie éolienne, fonctionnement, contraintes et
perspectives sur l’avenir.
CUENOT Boris
GRAFF Christophe
PTSI A
1997-1998
WindTechnology
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Sommaire
I Présentation et caractéristiques principales des différents
0 Historique et Introduction
types de capteurs éoliens
I .1 Capteurs à axe horizontal
I .2 Capteurs à axe vertical
II Comment tirer profit de l’énergie éolienne
II .1 Choix du site
II .2 Caractéristiques physiques des éoliennes
II .3 Caractéristiques technologiques des éoliennes
III Applications
III .1 Production d’électricité
III .2 Pompage de l’eau
IV Conclusion et avenir de l’énergie éolienne
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0 L’énergie éolienne
On estime que chaque année, le vent distribue entre 2.5 et 5.1015 kWh;
une énergie très importante mais difficilement récupérable. C’est ce potentiel
énorme que représente l’énergie éolienne qui a poussé les hommes à
trouver un moyen toujours plus perfectionné pour sa transformation en
énergie mécanique ou électrique.
Ainsi, dès le Vè siècle avant notre ère, on voyait déjà des éoliennes à axe
vertical également appelées panémones dans les îles grecques. Le premier
moulin à vent a été fabriqué en Perse en 134 avant J.-C. et fonctionnait
grâce à un mur protégeant les pales du vent au cours de leur retour. Puis on
a beaucoup utilisé l’énergie éolienne pour le pompage et l’irrigation des
cultures. L’éolienne a poursuivi sa lente évolution au cours des siècles, et les
éoliennes à axe horizontal n’ont fait leur apparition qu’au XIIIè siècle. Là, les
constructeurs et les utilisateurs se préoccupent plus des effets
aérodynamiques liés à la forme des pales et à leur nombre pour ne citer que
ces deux facteurs. Les premiers aérogénérateurs ont vu le jour en 1850,
mais l’idée de l’aérogénérateur date de 1802 où Lord Kelvin, un physicien
anglais, associa une génératrice d’électricité à un moteur éolien. Cette
nouvelle application de l’énergie éolienne a connu un certain succès et l’on
comptait en 1920 jusqu’à 300 constructeurs d’aérogénérateurs.
Parallèlement, les recherches dans le domaine de l’aérodynamique faites par
l’aéronautique ont permis une évolution des moteurs éoliens.
Cependant, dans les années ‘‘60’’, le faible coût des autres sources
d’énergie (notamment le pétrole) a dissuadé l’expansion de l’exploitation de
l’énergie éolienne. En effet, pour que cette source d’énergie écologique
parce que non-polluante, attractive car autonome puisse être
commercialisée, il est nécessaire qu’elle soit rentable par rapport aux autres
sources d’énergie, et la mise en place d’un réseau électrique national très
important en France est un des facteurs pouvant expliquer le faible nombre
d’éoliennes implantées.
Ainsi, dans quels cas est-il préférable d’opter pour l’énergie éolienne?
Principalement lorsqu’on se situe dans une région éloignée, à l’écart du
réseau électrique national, ou bien encore lorsque l’on n’a besoin que d’une
relativement faible quantité d’énergie et d’une puissance fournie non
régulière pour alimenter une pompe à eau par exemple?(Le problème de la
non-régularité de la puissance fournie par l’aérogénérateur peut être remédié
par la présence d’une batterie de stockage et/ou d’une source d’énergie
secondaire qui se met en marche lorsque la batterie est vide).
Tout ceci était encore vrai au début des années ‘‘80’’ mais les progrès
technologiques ont fait que depuis le début des années ‘‘90’’, les
perspectives d’exploitation de l’énergie éolienne sont complètement
différentes. En effet, même si le coût actuel de l’électricité éolienne dépasse
encore d’au moins 20% celui de l’énergie conventionnelle, en comptant avec
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une érosion continuelle du prix des machines (moins 20% dans les trois
dernières années), de celui de l’installation, de la puissance et de l’efficacité
sans cesse croissante des machines éolienne, on peut envisager un coût du
kilowattheure compétitif dans peu de temps (Cf. doc. 1). Pour donner une
idée des énormes progrès réalisés, pour des vents moyens de 23 km/h, le
prix du kWh a chuté de 50 à 29 centimes au Danemark depuis 1990 et la
puissance moyenne des machines est passée de 30 kW en 1983 à 600 kW
en 1997. Tous ces bouleversements techniques font que ce secteur est
actuellement en pleine expansion et que s’ouvre à lui une multitude de
marchés mondiaux (Cf. doc. 2). En effet, en cinq ans, le marché annuel
mondial a plus que quadruplé pour atteindre 1566 mégawatts en 1997
(l’Europe représente 84% du marché), et BTM Consult, société d’études
spécialiste du secteur, table sur une croissance de la demande mondiale de
18% par an jusqu’en 2002.
Doc. 1 Doc. 2
Ainsi, l’énergie éolienne est vouée à un bel avenir puisque certains
spécialistes du secteur estiment que techniquement, le réseau électrique
national peut s’équiper jusqu’à 20% en énergie éolienne.
Cependant, toutes les éoliennes ne ressemblent pas à celles de plusieurs
centaines de kilowatts qui servent à produire de l’énergie électrique. Il existe
une multitude d’éoliennes dont beaucoup ont été mises de côté du fait
qu’elles ne satisfaisaient pas aux besoins demandés, et leur usage est aussi
varié que leur forme.
Nous allons donc voir quels sont les différents types d’éoliennes, quel est
leur fonctionnement, comment tirer profit de l’énergie éolienne et quelles
peuvent être les différentes applications de cette énergie tout en gardant en
tête le facteur économique du système.
*Limite de Betz: énergie maximum récupérable sur un rotor. Le rendement
maximum calculé à partir de la limite de Betz est d’environ 59%.
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Présentation et caractéristiques des
I
différents types de capteurs éoliens
dynamiques parmi les plus courants.
Tout d’abord, il faut noter qu’il existe un grand nombre de dispositifs
permettant de capter l’énergie éolienne pour la transformer en énergie
mécanique de rotation, seulement il est important de se poser certaines
questions essentielles telles que: quelle sera sa taille, son coût, la puissance
qu’il pourra fournir, sa résistance à l’usure? Autant de questions qui font
qu’un grand nombre de capteurs éoliens ont été mis de côté et que seul un
petit nombre d’entre eux ont été largement exploités.
Une classification méthodique, universellement adoptée fait apparaître les
groupes, les noms et les formes de ces capteurs.
On distingue trois principaux paramètres de fonctionnement pour
caractériser un capteur éolien et notamment son efficacité.
Le premier paramètre de fonctionnement est relatif à la vitesse périphérique
(ou vitesse en bout de pale) U=w R (avec w
la vitesse de rotation de la
machine éolienne et R le rayon d’extrémité de la pale); ce paramètre de
rapidité ou vitesse spécifique noté l est le rapport de la vitesse U à la
vitesse V du vent:
= U/ V = R/ V
Les machines peuvent être classée en fonction de ce paramètre: si l est
inférieur à 3, l’éolienne est dite lente; au-delà, l’éolienne est dite rapide. A
titre d’exemple, des éoliennes bipales peuvent avoir un paramètre l égal à
20. Cependant, une grande vitesse de rotation peut entraîner des nuisances
telles que le bruit.
Le second paramètre qui caractérise le capteur éolien est le coefficient de
puissance noté Cp. Il est défini par le rapport de la puissance Pm recueillie
sur l’arbre moteur du capteur à la puissance cinétique qui passerait dans le
disque du rotor en son absence:
Cp = Pm / 0,5 S V 3
(La valeur maximale du Cp définie par Betz, est égale à 0.592.)
Le troisième paramètre important est le coefficient du couple: c’est le rapport
du couple moteur Cm qui s’exerce sur l’arbre de sortie du capteur éolien
Cm = Pm / au couple aérodynamique Ca .
Cc = Cm / Ca = Cp /
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