N dordre : 2213

Anne 2005

THSEPrsente Pour obtenir le titre de

DOCTEUR DE LINSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSESpcialit : Gnie Electrique

Par

Adam MIRECKI

Etude comparative de chanes de conversion dnergie ddies une olienne de petite puissanceSoutenue le 5 avril 2005 devant le jury compos de :

MM.

B. D. B. L. F. X. O.

MULTON MATT ROBYNS MARROYO RICHARDEAU ROBOAM COURNIL

Prsident Rapporteur Rapporteur Examinateur Examinateur Examinateur Invit

Thse prpare au Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle de lENSEEIHT Unit Mixte de Recherche CNRS N 5828

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RsumLtude prsente un comparatif des architectures et des stratgies de gestion dnergie ddies un systme olien bas sur les voilures de type Savonius (VAWT). Un dispositif MPPT doit tre introduit en vue dobtenir un rendement nergtique maximal. Un pilotage direct en couple ou en vitesse ou indirect par le contrle du courant du ct du bus continu est possible. En supposant la caractristique de voilure inconnue, une recherche par logique floue est envisage. Afin de minimiser les cots de la chane de conversion statique des structures simples (redresseur diodes, hacheur dvolteur) sont tudies et compares avec un montage reposant sur le redresseur MLI. Un banc dessais ddi a t labor en parallle des modlisations/simulations systme. Les comparaisons nergtiques des vitesses de vent variables ont alors permis dvaluer les diffrentes structures et stratgies de pilotage.

Mots cls :Eolien MPPT Modlisation Gestion dnergie Architecture

AbstractThis study presents a comparison of architectures and strategies of energy management dedicated to VAWT turbines such as Savonius. A Maximum Power Point Tracking must be implemented in order to optimize the energetic behavior. A torque or a speed control, or an indirect control of the DC bus current is possible. In the fact that the wind turbine characteristic is unknown, an operational research based on fuzzy logic is proposed. Aiming to minimize the cost of the static conversion structure, simple structures (diode bridge inverter, associated with DC-DC chopper) are analyzed and compared with a system based on a PWM Voltage Source Inverter. A test bench has been realized in the meantime as a system simulation. Comparisons of the provided energy are made for different wind speeds allowing to evaluate the performance of each structure and of the control strategies.

Keywords:Wind turbine MPPT Model Energy management Architectures

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Avant-Propos

Les travaux prsents dans ce mmoire ont t effectus au Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle (L.E.E.I), Unit Mixte de Recherche n 5828 de Ecole Nationale Suprieure dElectrotechnique, dInformatique, dHydraulique et des Tlcommunications (ENSEEIHT) de lInstitut National Polytechnique de Toulouse (INPT) et du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS). Je tiens, tout dabord remercier M. Yvon CHERON, Directeur de Recherche au CNRS et directeur du LEEI, de mavoir accueilli dans son laboratoire, M. Xavier ROBOAM, Charg de Recherche au CNRS et responsable du groupe Systme du L.E.E.I. davoir accept la direction scientifique de ces travaux de recherche. Je lui exprime toute ma gratitude pour son exprience, son art de la multi - comptence, son soutien inconditionnel et ses qualits humaines, M. Frdric RICHARDEAU, Charg de Recherche au CNRS pour avoir accepter la lourde tche de codiriger ma thse, de mavoir guid dans les mandres de llectronique de puissance et pour ses ides ingnieuses. Je remercie tous les membres du jury pour lintrt quils ont port mes travaux : M. Bernard MULTON, Professeur des Universits, directeur du dpartement de Mcatronique lENS Cachan Antenne de Bretagne, pour mavoir fait lhonneur de prsider le jury de thse, M. Benot ROBYNS, Professeur lEcole des Hautes Etudes d'Ingnieur Lille, responsable de l'quipe Rseaux Electriques et Systmes Electro-nergtiques au Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique de Puissance de Lille, pour avoir accepter dtre le rapporteur de ce mmoire et pour sa participation au jury, M. Daniel MATT, Matre de Confrences, Habilit Diriger des Recherches au Laboratoire dElectrotechnique de Montpellier lUniversit Montpellier II, pour la participation au jury en tant que rapporteur, M. Luis MARROYO, Professeur lUniversit Publique de Navarre (UPNA) - Espagne, pour sa participation au jury, sa gentillesse et sa bonne humeur, M. Olivier COURNIL, de EDF R&D, Dpartement Technologie et Economie des Systmes Electriques, Groupe Systmes dAlimentations Electriques Innovants, pour sa participation mon jury de thse et pour le regard industriel quil a port sur ce travail. Merci M. G. Harran Matre de Confrence lInstitut de Mcanique des Fluides Toulouse pour la collaboration dans le cadre des expriences la soufflerie S1. Merci Franck Moradei et Philippe Fernandez de leur aide prcieux. Je remercie lensemble de lquipe scientifique de LEEI pour la passion, dynamisme et enthousiasme dans le travail de recherche ainsi que pour les bons moments passs ensemble au cafteria.

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Je tiens exprimer ma reconnaissance tout le personnel du LEEI et en particulier : Mesdames C. BODDEN, J. PIONNIE, V. SCHWARTZ, F. MEBREK, Ch. CHARRON, Messieurs J.B. DALZOVO, J. M. BLAQUIERE, D. GINIBRIERE, O. DURRIEU pour leurs comptences, leur disponibilit et leur gentillesse. Mes remerciements vont aussi lensemble de mes camarades et plus particulirement : Jrmi Regnier, Afef Ben Abdelghani, Silverio Avarez, Houssem Demni, Grace Gandanegara, Lauric Garbuio, Paul-Etienne Vidal, Wojciech Szlabowicz, Jean-Philippe Salanne, Anne-Marie Lienhardt, Olivier Langlois, ainsi qu : Dominique Alejo, Sid-Ali Randi, Staszek Abramik, Julien van der Merwe, Przemek Perlinski, Sylvain Boux de Casson, Wioslo, Strusiu, Maciek Freza et Eric Bru. Merci mes professeurs et mes collgues de lEcole Polytechnique de Gdansk qui mont accompagns dans mon parcours. Tout particulirement M. Piotr Chrzan et M. Mieczyslaw Ronkowski. Merci toutes les personnes que je nai pas cites et qui ont de prs ou de loin particip la ralisation de ce travail. Merci pour leur sympathie et simplement pour le plaisir que jai eu les ctoyer quotidiennement. Je voudrais remercier tout particulirement mes parents ainsi que tous les membres de ma famille de leur soutien et leurs encouragements tout au long de mon cursus. Merci mon pouse Marta de mavoir accompagn et de mavoir support dans ce travail.

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A mes enfants Kaya et Daniel ...

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Sommaire

SommaireIntroduction gnrale............................................................................................................... 1 1 Etat de lart et situation de lolien dans le contexte des nergies renouvelables ....... 7 1.1 Gnration dnergie renouvelable .......................................................................... 10 1.1.1 Gnration de la chaleur....................................................................................... 12 1.1.1.1 Thermo solaire.............................................................................................. 12 1.1.1.2 Gothermie ................................................................................................... 12 1.1.1.3 Biomasse ...................................................................................................... 13 1.1.2 Gnration dlectricit ........................................................................................ 13 1.1.2.1 Photovoltaque.............................................................................................. 13 1.1.2.2 Hydraulique.................................................................................................. 14 1.1.2.3 Energie de la mer.......................................................................................... 15 1.1.2.4 Production olienne...................................................................................... 15 1.2 Etat de lart, principes et lments constitutifs de lolien ...................................... 16 1.2.1 Historique de lolien ........................................................................................... 16 1.2.2 Notions thoriques sur lolien ............................................................................ 16 1.2.2.1 Loi de Betz notions thoriques.................................................................. 16 1.2.2.2 Distributions de Weibull .............................................................................. 17 1.2.3 Diffrentes types darognrateurs caractristiques Cp ................................... 19 1.2.3.1 Axe horizontal (HAWT) .............................................................................. 19 1.2.3.2 Axe vertical (VAWT)................................................................................... 21 1.2.4 Vitesse variable et lolien ................................................................................... 23 1.2.5 Machines lectriques et systmes de conversion dnergie olienne................... 24 1.2.5.1 Asynchrones cage (MAS).......................................................................... 24 1.2.5.2 Machines asynchrones double alimentation (MADA) .............................. 25 1.2.5.3 Gnratrices synchrones............................................................................... 26 1.2.6 Modes de couplage au rseau et rseaux autonomes ........................................... 28 1.2.7 Le petit olien : caractristiques, secteurs dapplication et exemples de ralisation ......................................................................................................................... 29 1.2.8 Etudes en cours lINPT sur le petit olien ................................................... 32 1.2.8.1 Etudes des effets de concentration du vent .................................................. 33 1.2.8.2 Optimisation de la forme de voilure dune Savonius ................................... 34 1.3 2 Conclusion................................................................................................................ 35

Modlisation et caractrisation du systme .................................................................. 37 2.1 Moyens dtude mis en uvre ................................................................................. 39 2.1.1 Approche simulation ............................................................................................ 40 2.1.2 Approche exprimentale - Banc de test................................................................ 40 2.1.3 Modlisation de la vitesse du vent ....................................................................... 43 2.1.4 Modlisation de la voilure.................................................................................... 43 2.1.4.1 Mise en vidence du besoin de la partie ngative de la courbe Cp .............. 46 2.1.4.2 Simulation informatique de la voilure.......................................................... 47 2.1.4.3 Ralisation dun simulateur analogique de la turbine olienne.................... 48

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Sommaire 2.2 Machine synchrone aimants permanents............................................................... 49 2.2.1 Caractrisation de la machine WR-02.................................................................. 49 2.2.2 Modle de la machine sous Psim ......................................................................... 50 2.3 Pont de diodes .......................................................................................................... 51 2.3.1 Modle analytique ................................................................................................ 51 2.3.1.1 Rappels sur le pont de diodes. Cas d'une charge et d'une source idalises. 52 2.3.1.2 Imperfections de la source. Prise en compte de lempitement. .................. 53 2.3.2 Empitements effet ngatif des inductances machine dclassement de la gnratrice ........................................................................................................................ 58 2.3.3 Facteur de puissance dclassement du pont de diodes ...................................... 61 2.3.4 Filtrage du courant redress rle positif des inductances machine ................... 63 2.3.5 Extension des rsultats pour des systmes de plus grande puissance .................. 64 2.3.6 Modle de simulation Psim .................................................................................. 66 2.3.7 Influence de limpdance de la gnratrice sur les limitations du fonctionnement puissance optimale dans un circuit non command ...................................................... 67 2.3.7.1 Tension bus continu variable........................................................................ 68 2.3.7.2 Tension bus continu constante ..................................................................... 76 2.4 Convertisseurs DC/DC pour ladaptation dimpdance........................................... 80 2.4.1 Commande du hacheur dvolteur......................................................................... 80 2.4.2 Hacheur en pont commande diffrentielle ........................................................ 85 2.4.3 Redresseur triphas contrle vectoriel par MLI ................................................ 89 2.5 2.6 2.7 3 Batterie ..................................................................................................................... 96 Approche de Modlisation par Bond Graph sur loutil 20sim ................................. 97 Conclusions du chapitre 2 ........................................................................................ 97

Architectures et mthodes de recherche du point maximum de puissance ............. 101 3.1 Architectures de puissance et gestion dnergie .................................................... 103 3.2 Maximisation de puissance sans connaissance de la courbe caractristique de la voilure ................................................................................................................................ 106 3.2.1 MPPT par la logique floue ................................................................................. 106 3.2.2 Simulations de lalgorithme MPPT logique floue........................................... 112 3.2.3 Essais exprimentaux sur le banc de test ........................................................... 118 3.2.4 Mise en vidence des problmes de tracking ..................................................... 122 3.3 MPPT avec la connaissance de la courbe caractristique de la voilure ................. 122 3.3.1 Commande en vitesse......................................................................................... 123 3.3.2 Commande en couple ......................................................................................... 127 3.3.3 Commande indirecte par le pilotage du courant de charge ................................ 131 3.3.3.1 MPPT cot DC ........................................................................................... 131 3.3.3.2 Hacheur dvolteur simple........................................................................... 133 3.3.3.3 Hacheur en pont commande diffrentielle .............................................. 139 3.4 Compatibilit des structures vis--vis de la tension batterie, limites de fonctionnement................................................................................................................... 144 3.4.1 Tension du bus continu pour la structure redresseur MLI ................................. 144 3.4.2 Tension batterie pour les structures pont de diodes......................................... 145 3.4.3 Fonctionnement fort vent ................................................................................ 147

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Sommaire 3.4.4 Influence de limpdance de la gnratrice sur la limitation de la rgulation puissance optimale pour la structure comprenant le hacheur dvolteur......................... 150 3.5 Comparaison de lefficacit nergtique dans le temps ......................................... 151 3.5.1 Efficacit nergtique en fonctionnement dynamique : cycle test ..................... 151 3.5.2 Efficacit nergtique en quasi statique : statistique de Weibull ....................... 152 3.5.3 Conclusion Bilan conomique global ............................................................. 155 Conclusions gnrales et perspectives ................................................................................ 159 Rfrences ............................................................................................................................. 165 Glossaire................................................................................................................................ 171 Annexes ................................................................................................................................. 177 Annexe I : Annexe II : Annexe III : Annexe IV : Annexe V : Annexe VI : Annexe VII : Annexe VIII : Fabricants doliennes de petite puissance Banc dessais description dtaille Etudes lIMFT Pont de diodes charg par une source de tension Chanes de conversion pour olienne de faible puissance raccorde sur batterie. Dimensionnement et cot comparatif Pertes dans un bras de convertisseur command Modlisation Bond Graph Principaux paramtres des lments considrs du systme

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Sommaire

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Introduction gnrale

INTRODUCTION GENERALE

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Introduction gnrale

Introduction gnrale

La consommation dnergie, dans le courant du sicle dernier, a considrablement augment cause de lindustrialisation massive. Les prvisions des besoins en nergie pour les annes venir ne font que confirmer, voire amplifier, cette tendance, notamment compte tenu de lvolution dmographique et du dveloppement de certaines zones gographiques, en Asie en particulier. Dune part, les gisements des ressources nergtiques traditionnelles, dorigines principalement fossiles, ne peuvent tre exploites que pour quelques dcennies, ce qui laisse prsager dune situation de pnurie nergtique au niveau mondial de faon imminente. Dautre part, les dchets des centrales nuclaires posent dautres problmes en terme de pollution des dchets radioactifs, du dmantlement prochain des vieilles centrales et du risque industriel. Pour subvenir aux besoins en nergie de la socit actuelle, il est ncessaire de trouver des solutions adaptes et de les diversifier. Actuellement, il y a principalement deux faons possibles dagir. La premire est de diminuer la consommation des rcepteurs dnergie et augmenter la productivit des centrales nergtiques en amliorant respectivement leur efficacit. Une deuxime mthode consiste trouver et dvelopper de nouvelles sources dnergie. Des recherches sont en cours dans le domaine de la fusion des noyaux atomiques qui, ventuellement, pourraient tre une solution nergtique du futur, mais lavenir de cette filire et encore moins son avnement ne sont assurs. Dans limmdiat, nous disposons de ressources en nergie renouvelable inpuisables, que nous sommes en mesure dexploiter de plus en plus facilement et proprement. Nanmoins, longtemps ngliges, les techniques dextraction de la puissance de ces ressources demandent des recherches & dveloppements plus approfondis visant fiabiliser, baisser les cots (de fabrication, dusage et de recyclage) et daugmenter lefficacit nergtique. Dans ce contexte gnral, notre tude sintresse la filire olienne qui semble une des plus prometteuse avec un taux de croissance europen et mondial trs lev, mme si la France reste la trane dans ce secteur par rapport ses voisins Allemands et Espagnols. Si la filire du grand olien (fermes de forte puissance, sites offshore,) est en pleine expansion, lide de dcentraliser lnergie en produisant de petites quantits de faon localise (proche du besoin) est de plus en plus prsente. Parmi les applications potentielles de ce quon lhabitude de qualifier de petit olien (gamme jusqu 100kW), on peut citer le domaine de llectrification rurale pour une consommation locale dlectricit ou pour sa transformation vers dautres vecteurs nergtiques : pompage, traitement de leau, lectrolyse de leau et stockage dhydrogne plus long terme,... Au del de ces rseaux isols (ilots), on parle aussi aujourdhui dintgration des nergies renouvelables en site urbain. En effet, suite notamment aux incidents rcemment intervenus sur les rseaux nationaux et transnationaux, et dans le contexte dlicat de la drglementation du secteur de lnergie, lide dun habitat partiellement, voire totalement autonome en nergie ( btiment zro nergie ) fait son chemin. Or, pour ce qui concerne lolien, les gisements proximit des habitations sont nettement moins rguliers et a priori moins performants que les sites dgags et ncessitent imprativement une gestion optimise (systmes frquence variable,) tout en restant peu coteuse.

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Introduction gnrale Cest dans ce contexte du petit olien que se situe notre tude dont le but est de recenser les solutions actuelles et den imaginer dautres dans loptique doptimiser le compromis cot / performance au niveau systme, cest dire en jouant sur larchitecture (choix de convertisseur, minimisation du cot de mesure,), le dimensionnement et la gestion de lnergie (maximisation de puissance). Un tat de lart des nergies renouvelables est prsent dans le premier chapitre de ce document. Quelques chiffres montrent limportance et lvolution dans le temps de la production renouvelable mondiale. Dans ce cadre, la technologie olienne est alors aborde et dveloppe. Les mthodes de description du gisement olien sont donnes, ce qui est un des facteurs du choix de la configuration de la chane olienne. Quelques exemples, habituellement utiliss lchelle industrielle, darchitectures de chanes de conversion dnergie sont donns en association avec diffrents types de gnratrices. Dans les limites de nos travaux, nous nous sommes intresss des systmes oliens de petite puissance ddis un site perturb comme dans le milieu urbain. Les turbines axe vertical, qui semblent tre adaptes ces conditions de fonctionnement fortement turbulentes, ont t considres. Larodynamique et linsertion de telles voilures en site urbain ont t et sont tudis par lInstitut de Mcanique des Fluides de Toulouse. Ces travaux, auxquels nous avons collabor sont succinctement dcrits en fin de premier chapitre. Le second chapitre est ddi ltude des lments de la chane olienne. Elle est constitue de la voilure, dune gnratrice synchrone aimants grand nombre de ples, dune chane de conversion dnergie et de la charge de type batterie. Les travaux sont mens paralllement sur le plan thorique, par simulation et sur un banc dessai ddi et en partie dvelopp par nos soins au LEEI. Les modles permettant un comportement dynamique de la voilure sont dvelopps. Un gnrateur de vitesse command en fonction de la vitesse du vent fait office de simulateur numrique ou physique (banc dessai) de voilure olienne . Une machine synchrone autopilote est spcialement commande cet effet sur le banc dessai. Diverses structures de conversion statique dnergie sont proposes : redresseur MLI, redresseur diodes associ un hacheur dvolteur ou un hacheur asymtrique deux bras; leurs modles et leurs commandes respectifs sont aussi dvelopps. Une autre problmatique aborde en dtail dans ce chapitre est lassociation particulire de la gnratrice synchrone aimants directement avec un redresseur diodes. A cause de limpdance de la gnratrice, cette association est fortement couple et a une grande influence sur les proprits de la chane de conversion. Des limitations en terme de puissance accessible apparaissent et leffet prpondrant du phnomne dempitement est analys et modlis. Le troisime chapitre est consacr une tude dynamique oriente systme. Lassociation des lments dcrits dans le chapitre prcdent permet davoir une vision globale de la chane de conversion dnergie. La caractristique de la voilure Savonius ici considre est trs fortement non linaire avec une forme de cloche prononce : elle ncessite imprativement dadopter une stratgie de recherche du point maximal de puissance (Maximum Power Point Tracking). Les techniques dveloppes, dcrites dans cette section peuvent admettre que la caractristique de la voilure est inconnue : alors un dispositif MPPT bas sur la logique floue est une solution propose. Dans le cas ou cette caractristique est connue, les stratgies de recherche de puissance optimale sont multiples (pilotage direct en couple ou en vitesse et commande indirecte par la commande du courant de charge) et adaptes aux structures du convertisseur statique employ (redresseur MLI, pont de diodes,

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Introduction gnrale hacheur dvolteur un cadran, hacheur dvolteur asymtrique deux bras). On met ici en vidence les comportements des structures du systme olien tudis confronts divers gisements oliens caractristiques. Les rsultats de calculs numriques et issus des mesures sur banc dessai permettent une comparaison nergtique entre les diffrentes configurations matrielles conjugues avec les stratgies de commande MPPT dveloppes. Un bilan global du compromis cot / efficacit est enfin propos pour conclure.

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Introduction gnrale

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Etat de lart et situation de lolien dans le contexte des nergies renouvelables

CHAPITRE 1 Etat de lart et situation de lolien dans le contexte des nergies renouvelables

1.1 Gnration dnergie renouvelable .......................................................................... 10 1.1.1 Gnration de la chaleur....................................................................................... 12 1.1.2 Gnration dlectricit ........................................................................................ 13 1.2 Etat de lart, principes et lments constitutifs de lolien ...................................... 16 1.2.1 Historique de lolien ........................................................................................... 16 1.2.2 Notions thoriques sur lolien ............................................................................ 16 1.2.3 Diffrentes types darognrateurs caractristiques Cp ................................... 19 1.2.4 Vitesse variable et lolien ................................................................................... 23 1.2.5 Machines lectriques et systmes de conversion dnergie olienne................... 24 1.2.6 Modes de couplage au rseau et rseaux autonomes ........................................... 28 1.2.7 Le petit olien : caractristiques, secteurs dapplication et exemples de ralisation ......................................................................................................................... 29 1.2.8 Etudes en cours lINPT sur le petit olien ................................................... 32 1.3 Conclusion................................................................................................................ 35

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Etat de lart et situation de lolien dans le contexte des nergies renouvelables

1 Etat de lart et situation de lolien dans le contexte des nergies renouvelablesDans le cadre du dveloppement durable, face au double enjeu plantaire pos par lpuisement prochain des ressources nergtiques fossiles et les problmes poss vis a vis du respect de lenvironnement, de fortes incitations poussent au dveloppement des nergies renouvelables. En effet, la consommation mondiale dnergie ne cesse de crotre (Figure 1-1 donnes 2000 selon [1] et [2]) posant des questions cruciales sur leffet de serre et lamenuisement des ressources nergtiques.Mtoe18000 16000 14000 12000

12.5% dont nergies renouvelables13.3% 13.8%

12.9%

10000 8000 6000 4000 2000 0 1971 1980

13.5% 14% 13.3%

1990

2000

2010

2020

2030

Figure 1-1 Consommation dnergie primaire dans le monde et prvisions Aujourdhui plus de 85% de lnergie produite est obtenue partir des matires fossiles comme le ptrole, le charbon, le gaz naturel ou de lnergie nuclaire. La Figure 1-2 montre la rpartition en termes dnergie primaire dans le monde pour toutes les ressources actuelles. Les formes de production dnergie non renouvelables engendrent une forte pollution environnementale par rejet des gaz effet de serre [3], [4] qui provoque un changement climatique irrversible ou dans le cas du nuclaire une pollution par radiations de longue dure qui pose le problme, aujourdhui non rsolu, du stockage des dchets radioactifs [5].Energies Rnouvelables, 14%

Ptrole, 34%

Charbon 24%

Nuclaire, 7% Gaz Naturel, 21%

Figure 1-2 Rpartition des sources primaires dnergie dans le monde Lautre argument qui milite lavantage des sources renouvelables est li la prennit des ressources en nergies. Dans le courant de 21me sicle, le paysage nergtique va radicalement changer car plusieurs ressources fossiles risquent de disparatre [6]. De

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Etat de lart et situation de lolien dans le contexte des nergies renouvelables nouvelles ressources associes des technologies performantes et fiables sont indispensables pour tenter de maintenir le niveau de la production nergtique mondiale. Il existe plusieurs ressources en nergies renouvelables : l'nergie hydraulique, l'nergie olienne, l'nergie solaire thermique et photovoltaque, lnergie produite par les vagues et la houle ainsi que les courants marins, la gothermie et la biomasse. Ces ressources en nergie sont pratiquement inpuisables et propres. Dans le contexte conomique actuel o lon ne chiffre quune partie des cots en occultant certains cots collatraux (dmantlement de centrales, pollution,) les installations nergie renouvelable peuvent encore aujourdhui avoir un cot important (exemple des panneaux solaires photovoltaques) et sont donc plutt rserves des pays dvelopps o elles peuvent dans dautres cas tre assez peu onreuses (exemple de la combustion de la biomasse) et peuvent tre utilises dans les pays en voie de dveloppement.

1.1 Gnration dnergie renouvelableUne des proprits qui limite lutilisation de lnergie renouvelable est li au fait que la matire premire (source de lnergie) nest pas transportable dans la majorit des cas contrairement aux sources traditionnelles comme le ptrole ou luranium qui est extrait des gisements respectifs et achemin sans gros problmes vers les distributeurs ou les usines qui peuvent tre loignes de milliers de kilomtres. Par contre, le lieu de lextraction de lnergie renouvelable est dterminant pour le lieu de transformation. Seule la biomasse semble avoir les proprits les moins restrictives. Par exemple un site olien doit tre prcisment dtermin en choisissant les lieux gographiques les plus rgulirement vents, les panneaux solaires doivent videmment tre placs dans les zones bien ensoleills, les proprits de la houle ne sont pas favorables partout sur les mers [7], [8]. Dans les zones o le rseau existe, il est donc pratique et dans la majorit des cas ncessaire de transformer lnergie renouvelable sous la forme lectrique qui est transportable via les lignes lectriques. La production nergtique est alors centralise et mise en rseau entre plusieurs sites de production et de consommation. Cependant, le caractre capricieux des sources renouvelables pose le problme de la disponibilit nergtique et du stockage de masse, actuellement principalement assur par lhydraulique. Parmi les nergies renouvelables, trois grandes familles mergent : lnergie dorigine mcanique (la houle, olien), nergie lectrique (panneaux photovoltaques) ou lnergie sous forme de la chaleur (gothermie, solaire thermique,) en sachant qu la racine de toutes ces nergies est lnergie en provenance du Soleil transforme ensuite par lenvironnement terrestre. Etant donn que lnergie mcanique est trs difficilement transportable, elle nest utilisable directement que ponctuellement (pompage direct de leau, moulins,). Cette nergie est donc majoritairement transforme en nergie lectrique. A lexception de la biomasse et de lhydraulique, lautre inconvnient majeur des nergies renouvelables vient de la non rgularit des ressources. A loppos, les fluctuations de demande en puissance selon les priodes annuelles ou journalires ne sont pas forcment en phase avec les ressources. Par exemple, en hiver il y a un besoin nergtique plus important pour le chauffage et lclairage mais les journes densoleillement sont plus courtes. La solution retenir est certainement la diversification voire le couplage entre plusieurs sources, par exemple du solaire avec lnergie olienne. Le stockage de lnergie lectrique grande chelle nest pas pour le moment envisageable mme si lhydrogne synthtis par lectrolyse de leau semble tre un dbouch privilgi des nergies renouvelables. Ainsi, la pile combustible fonctionnant lhydrogne dorigine renouvelable constituerait une filire entirement propre et disponible. De plus, stocker lhydrogne en mme temps quon produit de llectricit dans une ferme olienne ou une

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Etat de lart et situation de lolien dans le contexte des nergies renouvelables centrale solaire permettra dabsorber les surplus de ces nergies capricieuses et damliorer considrablement le lissage de la production dlectricit, aspect critique des nergies renouvelables pour les gestionnaires de rseau. A loppos, un couplage des nergies renouvelables (solaire, olien) avec la pile combustible rsout en trs grande partie le problme de la disponibilit de lnergie Des travaux au stade R&D sont par exemple en cours sur le stockage dhydrogne dorigine olienne en Espagne (Rgion de Navarre) o la socit EHN, premier promoteur mondial en olien, sest associe la socit canadienne Stuart Energy Systems [9] spcialise dans les technologies de lhydrogne (lectrolyseurs,).

Figure 1-3 Module de gnration de lhydrogne par llectrolyse de leau Cependant, cette filire hydrogne, quoique trs prometteuse, souffre encore aujourdhui de sa rentabilit. La problmatique du stockage sapplique diffremment dans les sites isols et de petites puissances o il est parfaitement envisageable, voire impratif dassocier un lment de stockage de type accumulateur lectrochimique ou volant dinertie. Toutes les ressources renouvelables sont en forte croissance (cf. Figure 1-1). La Figure 1-4 donne la vue sur la rpartition de la production dlectricit entre les diffrentes sources renouvelables ainsi que leurs prvisions pour les annes venir.

Ratio de production d' nergie lectrique renouvelable

Biomasse

Eolien

Gothermique

Solaire / autre

Figure 1-4 Production mondiale de lectricit base sur les nergies renouvelables [10] p.129

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Etat de lart et situation de lolien dans le contexte des nergies renouvelables

1.1.1 Gnration de la chaleurUne grande partie de lnergie consomme par lhumanit est sous la forme de chaleur (chauffage, procds industriels). Cette nergie est majoritairement obtenue par la transformation de llectricit en provenance du nuclaire, gaz ou du ptrole. Il existe des moyens de remplacer ces sources conventionnelles par des sources renouvelables. Une description et quelques commentaires sont proposs ci-dessous.

1.1.1.1

Thermo solaire

Une des faons de profiter directement de lnergie des photons mis par le soleil est le chauffage direct des capteurs thermiques. Ils se comportent comme une serre o les rayons du soleil cdent leur nergie des absorbeurs qui leur tour rchauffent le fluide circulant dans linstallation de chauffage. La temprature du fluide peut atteindre jusqu 60 80C. Ce systme est totalement cologique, trs peu cher et la dure de vie des capteurs est leve. Une autre proprit qui rend ce type des capteurs universels est que lensoleillement ne doit pas forcment tre direct ce qui signifie que, mme dans les zones couverts de nuages (peu denses videmment) le fonctionnement reste correct. Le grand inconvnient est limpossibilit de transporter lnergie ainsi capte grande distance. Cette source est donc utilisation locale (principalement chauffage individuel, piscines). En 2003 environ 14000 m2 de capteurs de ce type ont t en utilisation en Union Europenne avec une croissance annuelle de 22% [11]. Une autre application de la technique thermo solaire est la production deau douce par distillation qui est trs intressante du point de vue des pays en voie de dveloppement. La technologie thermo solaire plus volue utilisant des concentrateurs optiques (jeu de miroirs) permet dobtenir les tempratures trs leves du fluide chauff. Une turbine permet alors de transformer cette nergie en lectricit lchelle industrielle. Cette technologie est nanmoins trs peu utilise et demande un ensoleillement direct et permanent [12].

1.1.1.2

Gothermie

Le principe consiste extraire lnergie contenue dans le sol. Partout, la temprature crot depuis la surface vers le centre de la Terre. Selon les rgions gographiques, l'augmentation de la temprature avec la profondeur est plus ou moins forte, et varie de 3 C par 100 m en moyenne jusqu' 15 C ou mme 30 C. Cette chaleur est produite pour l'essentiel par la radioactivit naturelle des roches constitutives de la crote terrestre. Elle provient galement, pour une faible part, des changes thermiques avec les zones internes de la Terre dont les tempratures s'tagent de 1 000 C 4 300 C. Cependant, l'extraction de cette chaleur n'est possible que lorsque les formations gologiques constituant le sous-sol sont poreuses ou permables et contiennent des aquifres [13]. Quatre types de gothermie existent selon la temprature de gisement : la haute (>180C), moyenne (>100C), basse (>30C) et trs basse nergie. Les deux premiers types favorisent la production de lnergie lectrique. La gothermie basse nergie permet de couvrir une large gamme d'usages : chauffage urbain, chauffage de serres, utilisation de chaleur dans les processus industriels... La gothermie trs basse nergie ncessite lutilisation des pompes chaleur et donc une installation particulire [14]. Par rapport d'autres nergies renouvelables, la gothermie prsente l'avantage de ne pas dpendre des conditions atmosphriques. C'est donc une nergie fiable et disponible dans le temps. Cependant, il ne s'agit pas d'une nergie entirement inpuisable dans le sens o un puits verra un jour son rservoir calorifique diminuer. Si les installations gothermiques sont

12

Etat de lart et situation de lolien dans le contexte des nergies renouvelables technologiquement au point et que l'nergie qu'elles prlvent est gratuite, leur cot demeure, dans certains cas, trs lev. En 1995 la puissance installe dans le monde tait de lordre de 7000 MW (il sagit de production de llectricit donc de la gothermie grande et moyenne nergie). En 2004 ce chiffre est pass prs de 8500 MW. En Europe, les installations utilisant les pompes chaleur permettent dextraire thoriquement environ 1000MW de puissance sous forme de la chaleur. Ce chiffre augmente chaque anne denviron 50MW installs [15].

1.1.1.3

Biomasse

La biomasse dsigne toute la matire vivante d'origine vgtale ou animale de la surface terrestre. Gnralement, les drivs ou dchets sont galement classs dans la biomasse. Diffrents types sont considrer : le bois nergie, les biocarburants, le biogaz. Le bois nergie est une ressource trs abondante. Cest la ressource la plus utilise au monde. En Europe, cest 51% de la part de lnergie renouvelable qui appartient ce mode de production dnergie [16]. Elle se concentre sur lutilisation destine au chauffage. On peut utiliser toutes les ressources du bois : les chutes ou dchets de production des industries de transformation du bois (bois d'lagage, le bois forestier provenant de l'entretien des espaces boiss ou le bois de rebut provenant d'emballages, de palettes etc.). Lutilisation va de petites chaufferies individuelles jusqu la production de la chaleur industrielle de plus de 15 MW. Le dveloppement des biocarburants est souvent corrl aux cycles de variation des prix du baril de ptrole. Aujourdhui thanol (betterave, bl) et biodiesel (colza, tournesol) offrent des avantages environnementaux apprciables dans le contexte de la lutte contre leffet de serre. LUnion europenne projette datteindre une production de 17 millions de tonnes de biocarburant par an en 2010 par rapport au million produit actuellement. La principale motivation qui pousse la production du biogaz est environnementale. La production de lnergie, peut tre vue seulement comme une mthode dlimination des gaz polluants, mais elle reprsente une ressource renouvelable trs importante. Quelle que soit lorigine, le biogaz non valoris contribue, du fait de ses fortes teneurs en mthane, leffet de serre, mais cest le bilan global du cycle qui doit tre considr. Il peut tre utilis comme source brute ou aprs le processus dpuration inject dans les rseaux de distribution. Longtemps le biogaz ne servait qu la production de la chaleur. De nos jours la filire carburant ainsi que la gnration de llectricit est en pleine expansion. En 1993, 6 millions de m3 ont t utiliss dans le monde. 80% provenait des dcharges d'ordure mnagres [17]. Lutilisation du biogaz nest pas encore son maximum : une croissance de cette technologie est donc prvoir.

1.1.2 Gnration dlectricitUne autre famille dnergies renouvelables est celle o lnergie produite est directement sous la forme lectrique. A laide des panneaux solaires ou de gnratrices hydrauliques et oliennes, la puissance lectrique peut tre rcupre et immdiatement utilise par un rcepteur ou bien transporte vers les rseaux de distribution. Nous donnons ici une description sommaire de chaque ressource nergtique et la faon de produire lnergie lectrique.

1.1.2.1

Photovoltaque

Lnergie photovoltaque est obtenue directement partir du rayonnement du soleil. Les panneaux photovoltaques composs des cellules photovoltaques base de silicium ont la capacit de transformer les photons en lectrons. Lnergie sous forme de courant continu est 13

Etat de lart et situation de lolien dans le contexte des nergies renouvelables ainsi directement utilisable. Les panneaux solaires actuels sont relativement onreux la fabrication malgr la matire premire peu coteuse et abondante (silice) car une nergie significative est ncessaire la production des cellules. Cependant, de nets progrs ont t faits ce sujet et on considre aujourdhui quil suffit de 3 5 ans pour quun panneau produise lnergie que sa construction a ncessite. Un autre inconvnient est celui de la pollution la production qui est due la technologie utilise. Des progrs technologiques sont en cours pour rendre lnergie photovoltaque plus comptitive. En raison des caractristiques lectriques fortement non linaires des cellules et de leurs associations, le rendement des systmes photovoltaques peut tre augment par les solutions utilisant les techniques de recherche du point de puissance maximale (techniques dites MPPT). Cette dernire caractristique est assez commune avec la production dnergie olienne. Les panneaux solaires sont trs pratiques dutilisation. Lintgration dans le btiment est facile et devient mme esthtique. Pour les sites isols et disperss qui demandent peu dnergie, cest une solution idale (tlcommunication, balises maritimes, etc..). La technique photovoltaque malgr sa complexit est aussi en trs forte croissance. En 2001, en Europe on comptait environ 250 MW installs et en 2003 ce chiffre est mont jusquau 560 MW de puissance installe. La Figure 1-5 montre lvolution mondiale de cette ressource qui est en trs nette progression depuis le dbut du sicle (la production est quivalente la puissance installe).

Figure 1-5 Evolution de la production mondiale de cellules photovoltaques en MW [18]

1.1.2.2

Hydraulique

Leau, comme lair est en perptuelle circulation. Sa masse importante est un excellent vecteur dnergie. Les barrages sur les rivires ont une capacit importante pour les pays riches en cours deau qui bnficient ainsi dune source dnergie propre et stockable . Cette source reprsentait en 1998 environ 20% de la production mondiale de lnergie lectrique [19].Certains pays (dont la France) sont dj saturs en sites hydrolectriques exploitables et ne peuvent pratiquement plus progresser dans ce domaine. Les sites de petite puissance (infrieures 10kW) sont des solutions trs prises dans les applications aux petits rseaux isols. Une forte stabilit de la source ainsi que les dimensions rduites de ces sites de production sont un grand avantage. En Europe, en 1999, on comptait environ 10000 MW de puissance hydraulique installe. A lhorizon 2100, cette puissance devrait passer plus de 13000 MW.

14

Etat de lart et situation de lolien dans le contexte des nergies renouvelables

1.1.2.3

Energie de la mer

Lnergie des vagues est encore une fois une forme particulire de lnergie solaire. Le soleil chauffe ingalement les diffrentes couches atmosphriques ce qui entrane des vents euxmmes responsables par frottement des mouvements qui animent la surface de la mer (courants, houle, vagues). Les vagues cres par le vent la surface des mers et des ocans transportent de lnergie. Lorsquelles arrivent sur un obstacle elles cdent une partie de cette nergie qui peut tre transforme en courant lectrique [20], [21]. Il existe trois grandes familles de systmes : rampe de dferlement ou overtropping (Maurice, Mar, Tapchan en Norvge, Wave Dragon en Danemark [22], FWPV), colonne deau oscillante ou OWC (Kvaerner en Norvge, Pico en Aores en Portugal, Islay en Ecosse, Limpet, Osprey) et puis les flotteurs articuls (Cockerel raft, Pelamis en Ecosse [23]) ou les flotteurs sur ancrage (Salter duck, AWS en Portugal [24]). Des projets de recherche sont aussi en cours. Un des exemples trs innovateur est le projet de Systme Electrique Autonome pour la Rcupration de lEnergie des Vagues (SEAREV) [25], [26] Une autre faon de la rcuprer de lnergie de la mer est la production grce la mare qui est due laction de la lune sur les eaux. Les barrages ou des hydroliennes installes dans les endroits fortement touchs par ce phnomne peuvent tre une source de lnergie substantielle comme cest le cas de lusine de la Rance ou bien celle de Annapolis au Canada. Lnergie en provenance du mouvement des eaux de la mer est une nergie trs difficilement rcuprable bien quelle reprsente un potentiel immense. Les investissements sont trs lourds dans un environnement hostile et imprvisible. Cette nergie est exploiter dans lavenir et ne reprsente quune toute petite quantit de lnergie produite ce jour par rapport aux autres ressources exploites.

1.1.2.4

Production olienne

La ressource olienne provient du dplacement des masses dair qui est d indirectement lensoleillement de la Terre. Par le rchauffement de certaines zones de la plante et le refroidissement dautres une diffrence de pression est cre et les masses dair sont en perptuel dplacement. Aprs avoir pendant longtemps oubli cette nergie pourtant exploite depuis lantiquit, elle connat depuis environ 30 ans un essor sans prcdent notamment d aux premiers chocs ptroliers. Dans lchelle mondiale, lnergie olienne depuis une dizaine dannes maintient une croissance de 30% par an. En Europe, principalement sous limpulsion Allemande, Scandinave et Espagnole, on comptait en 2000 environ 15000 MW de puissance installe. Ce chiffre a presque doubl en 2003, soit environ 27000 MW pour 40000MW de puissance olienne installe dans le monde. En prvision, pour lanne 2010, on peut esprer une puissance olienne installe en Europe de lordre 70000 MW [27].

15

Etat de lart et situation de lolien dans le contexte des nergies renouvelables

Figure 1-6 Puissance olienne cumule dans le monde en MW [28]

1.2 Etat de lart, principes et lments constitutifs de lolien 1.2.1 Historique de lolienParmi toutes les nergies renouvelables, part lnergie du bois, cest lnergie du vent qui a t exploite en premier par lhomme. Depuis lantiquit, elle fut utilise pour la propulsion des navires et ensuite les moulins bl et les constructions permettant le pompage deau. Les premires utilisations connues de l'nergie olienne remontent 2 000 ans avant J.-C environ. Hammourabi, fondateur de la puissance de Babylone, avait conu tout un projet d'irrigation de la Msopotamie utilisant la puissance du vent. La premire description crite de lutilisation des moulins vent en Inde date denviron 400 ans avant J.-C. En Europe, les premiers moulins vent ont fait leur apparition au dbut du Moyen Age. Utiliss tout d'abord pour moudre le grain, d'o leur nom de " moulins ", ils furent aussi utiliss aux Pays-Bas pour asscher des lacs ou des terrains inonds. Ds le XIV sicle, les moulins vent sont visibles partout en Europe et deviennent la principale source dnergie. Seulement en Hollande et Danemark, vers le milieu du XIXme sicle, le nombre des moulins est estim respectivement plus de 30000 et dans toute lEurope 200000. A larrive de la machine vapeur, les moulins vent commencent leur disparition progressive. Larrive de llectricit donne lide Poul La Cour en 1891 dassocier une turbine olienne une gnratrice. Ainsi, lnergie en provenance du vent a pt tre redcouverte et de nouveau utilise (dans les annes 40 au Danemark 1300 oliennes). Au dbut du sicle dernier, les arognrateurs ont fait une apparition massive (6 millions de pices fabriques) aux Etats-Unis o ils taient le seul moyen dobtenir de lnergie lectrique dans les campagnes isoles. Dans les annes 60, fonctionnait dans le monde environ 1 million darognrateurs. La crise ptrolire de 1973 a relanc de nouveau la recherche et les ralisations oliennes dans le monde.

1.2.2 Notions thoriques sur lolien 1.2.2.1 Loi de Betz notions thoriques

La turbine olienne est un dispositif qui transforme lnergie cintique du vent en nergie mcanique. A partir de lnergie cintique des particules de la masse dair en mouvement

16

Etat de lart et situation de lolien dans le contexte des nergies renouvelables passant par la section de la surface active S de la voilure, la puissance de la masse dair qui traverse la surface quivalente la surface active S de lolienne est donne par :

Pv

1 2

S Vv3

( 1-1 )

Selon la loi de Betz, cette puissance ne pourra jamais tre extraite dans sa totalit (cf. [29]).La puissance maximale pouvant tre recueillie par une olienne est gale la limite de Betz :

Pmax

16 Pv 27

0,59 Pv

( 1-2)

Sous cette forme, la formule de Betz montre que lnergie maximale susceptible dtre recueillie par un arognrateur ne peut dpasser en aucun cas 59% de lnergie cintique de la masse dair qui le traverse par seconde. De cette faon le coefficient de puissance maximal thorique est dfini :C opt p Pmax Pv 2 Pmax S Vv3 0,59

( 1-3)

En ralit, jusqu prsent, seulement 60 70% de cette puissance maximale thorique peut tre exploite par les engins les plus perfectionns. Ce rendement, appel coefficient de puissance Cp de lolienne, est propre chaque voilure. Ce coefficient lie la puissance olienne la vitesse du vent :Cp 2 Peol S Vv3 ( 1-4 )

Pour dcrire la vitesse de fonctionnement dune olienne une grandeur spcifique est utilis : la vitesse rduite , qui est un rapport de la vitesse linaire en bout de pales de la turbine et de la vitesse de vent :R Vv ( 1-5 )

1.2.2.2

Distributions de Weibull

Le choix gographique dun site olien est primordial dans un projet de production dnergie. Les caractristiques du vent vont dterminer la quantit de lnergie qui pourra tre effectivement extraite du gisement olien. Pour connatre les proprits dun site, des mesures de la vitesse du vent ainsi que de sa direction, sur une grande priode du temps, sont ncessaires (un dix ans). En effectuant la caractrisation dun site olien, il est impratif de connatre la hauteur sur laquelle les mesures sont prises et ensuite adapter les rsultats la hauteur de mat de lolienne. En effet, la vitesse du vent augmente selon la hauteur. Lexpression ( 1-6) donne la mthode de ce calcul et le Tableau 1-1 les valeurs de rugosit en fonction du caractre des obstacles dans lenvironnement proche. On prcise que h est la hauteur du mat et hmes la hauteur des appareils de mesure.

17

Etat de lart et situation de lolien dans le contexte des nergies renouvelables Ln h Ln h mesNature du sol Surface dun plan deau Terrain vague avec surface lisse (piste de dcollage, gazon entretenu,) Zone agricole sans barrire ni haie, parseme dhabitations parses sur un relief de collines douces. Zone agricole avec quelques maisons et hautes haies (dune hauteur de huit mtres maximum) espaces denviron 1250 m. Zone agricole avec quelques maisons et hautes haies (dune hauteur de huit mtres maximum) espaces denviron 500 m. Zone agricole avec de nombreux btiments, ou des haies de 8 mtres espaces de 250 m. Villages, petites villes, zones agricoles avec de nombreuses haies, forts et terrains trs accidents. Grandes villes avec btiments hauts Trs grandes villes avec de grands immeubles et gratte-ciel. Paramtre de rugosit 0,0002 0,0024 0,03 0,055 0,1 0,2 0,4 0,8 1,6

Vv h

Vv h mes

( 1-6)

Tableau 1-1 : Paramtre de rugosit en fonction de lenvironnement Chaque site olien est caractris par une direction de la vitesse de vent dominante. Cependant, elle est variable comme la valeur de la vitesse du vent. Pour dcrire ces proprits spatiotemporelles le diagramme appel rose des vents peut tre labor. Il se prsente comme un diagramme polaire, lequel rpertorie lnergie du vent disponible dans chaque direction en pourcent (parfois cest la vitesse) et le temps de loccurrence de chaque direction du vent en pourcent. Lexemple est donn par la Figure 1-7.

Figure 1-7 Exemple de la rose des vents La rose du vent permet davoir une premire vue sur la capacit nergtique du site olien mais elle est destine plutt laide au choix de lemplacement spatial de la turbine et principalement pour viter les obstacles qui peuvent gner le flux dair. Des informations supplmentaires peuvent tre insrs dans ce graphique comme la turbulence ou la rugosit du terrain. La caractristique la plus importante est la distribution statistique de Weibull (Figure 1-8). Elle sest rvle la plus adquate pour lemploi dans lolien. Elle modlise avec succs la probabilit de loccurrence des vitesses de vent du gisement olien.

18

Etat de lart et situation de lolien dans le contexte des nergies renouvelables

Figure 1-8 Exemple de la distribution de Weibull [29] Cette figure est obtenue grce lexpression ( 1-7 ) qui prsente la fonction de distribution statistique de Weibull. Les paramtres k et c sont respectivement facteur de forme (sans dimension) et le facteur dchelle en m/s. Habituellement, le facteur de forme qui caractrise la symtrie de la distribution est dans lolien gal k=2. Le facteur dchelle est trs proche de la vitesse moyenne de la vitesse du vent Vv.

P Vv

k c

Vv c

k 1

e

Vv c

k

( 1-7 )

1.2.3 Diffrentes types darognrateurs caractristiques CpLes solutions techniques permettant de recueillir lnergie du vent sont trs varies. Deux familles de voilures existent : les arognrateurs axe vertical (VAWT) et axe horizontal (HAWT). Le graphique de la Figure 1-9 donne une vue sur les coefficients de puissance Cp habituels en fonction de la vitesse rduite pour diffrents types doliennes :

Tripale

Bipale

Figure 1-9 Courbes caractristiques des arognrateurs

1.2.3.1

Axe horizontal (HAWT)

Les voilures axe horizontal sont de loin les plus utilises actuellement. Les diffrentes constructions des arognrateurs utilisent les voilures deux, trois pales (les plus courantes) et les multipales. La caractristique de puissance Cp( ) dpend principalement du nombre de19

Etat de lart et situation de lolien dans le contexte des nergies renouvelables pales comme le montre la Figure 1-9 et des proprits arodynamiques de la voilure (coefficient de pousse CF, coefficient de couple CM) [30]. La voilure peut tre place avant la nacelle (upwind) et alors un systme mcanique dorientation de la surface active de lolienne face au vent est ncessaire. Une autre solution qui permet dallger la construction par la suppression de toute mcanique dorientation est lemplacement de la turbine derrire la nacelle (downwind). Dans ce cas la turbine se place automatiquement face au vent. Les oliennes de ce type sont assez rares car des vibrations importantes sont noter qui sont dues au passage des pales derrire le mat. La Figure 1-10 montre les deux procds.Vv Vv

Figure 1-10 Type de montage de la voilure a) upwind b) downwind La Figure 1-11 donne la courbe de puissance dune olienne en fonction de la vitesse du vent. Aprs une partie (A) o aucune puissance nest dlivre pour des vitesses du vent infrieures la vitesse du dmarrage Vvmin une section de fonctionnement normal existe. Si on extrait alors la puissance maximale de la turbine (MPPT) celle ci volue alors selon le cube de la vitesse du vent (B). Quand la puissance nominale Pn est atteinte, elle doit tre limite (C). Au del dune certaine limite de vitesse du vent la turbine doit tre arrte.Peol W A B C

Pn

0 0 Vvmin Vv m / s

Figure 1-11 Courbe de la puissance olienne en fonction de la vitesse du vent Il existe quatre voies principales pour limiter la puissance olienne dans le cas de fortes valeurs du vent. La premire est une technique active assez coteuse et complexe appele systme pas variable pitch : elle est donc plutt utilis sur les systmes vitesse variable de moyenne fortes puissances (quelques centaines de kW). Elle consiste rgler mcaniquement la position angulaire des pales sur leur axe ce qui permet de dcaler dynamiquement la courbe du coefficient de puissance de la voilure. La seconde technique est passive stall . Elle consiste concevoir la forme des pales pour obtenir un dcrochage dynamique du flux dair des pales fort rgime de vent. Il existe aussi des combinaisons des deux technologies prcdemment cites. La troisime faon de limiter la puissance est la

20

Etat de lart et situation de lolien dans le contexte des nergies renouvelables dviation de laxe du rotor dans le plan vertical (un basculement de la nacelle) ou une dviation dans le plan horizontal (rotation autour de laxe du mat). Ainsi, la turbine nest plus face au vent et la surface active de lolienne diminue.

Vv

Vv

Vv

Vv var

Figure 1-12 Limitation de puissance olienne a) pitch, b) dviation verticale de laxe de rotation, c) rotation horizontale de laxe de rotation, d) vitesse de rotation continment variable La dernire famille qui permet la rgulation de la puissance olienne consiste faire varier la vitesse de rotation par une action lectrique (cf. paragraphe 1.2.4). Par le biais de la gnratrice accouple une chane de conversion statique pilote pour grer le transfert dnergie, la vitesse de rotation peut tre pilote selon le point de fonctionnement souhait. Le plus souvent, dans les turbines classiques axe horizontal, le dispositif de rglage frquence variable est associ un rglage mcanique (pitch ou stall).

1.2.3.2

Axe vertical (VAWT)

Une autre famille doliennes est base sur les voilures laxe vertical. Ce type doliennes est trs peu rpandue et assez mal connue. Cependant, comme cela est explicit aux paragraphes suivants (cf. paragraphe 1.2.7 et 1.2.8), elles peuvent avoir un intrt dans certains secteurs dapplication. Il existe principalement trois technologies VAWT (Vertical Axis Wind turbine) : les turbines Darrieus classique ou pales droites (H-type) et la turbine de type Savonius, comme montr la Figure 1-13. Toutes ces voilures sont deux ou plusieurs pales.

Figure 1-13 Exemples des constructions VAWT a) Darrieus, b) Darrieus de type H, c) Savonius

21

Etat de lart et situation de lolien dans le contexte des nergies renouvelables Le rotor de Darrieus fonctionne grce la portance et se base sur le principe de la variation cyclique d'incidence. Un profil plac dans un coulement d'air selon diffrents angles, est soumis des forces d'intensits et de directions variables. La rsultante de ces forces gnre alors un couple moteur entranant la rotation du dispositif. Le couple de dmarrage de ce type doliennes est proche de zro, ce qui implique quune petite turbine Savonius est trs souvent prsente sur son axe pour rendre possible le dmarrage.

Figure 1-14 Principe de fonctionnement dun rotor Darrieus [31] Ces solutions ont, jusqu maintenant, connu assez peu de succs en raison de certains incidents mcaniques survenus en particulier au pied du mt. Cependant, elle prsentent des caractristiques intressantes (bonne valeur de Cp et indpendance de la direction du vent) et les progrs technologiques actuels pourraient laisser entrevoir un prochain regain dintrt. Les deux problmes majeurs de la Darrieus en forme de batteur dufs rsident dans la fragilit de sa structure et par le fait que son mt soit hauban. Certains projets ont vu le jour pour corriger ces imperfections en particulier avec les rotors en forme de H. Toshiba commercialise une machine de ce type (Wind Flower de 400W) [32], la Hochschule Bremerhaven (Allemagne) a dj conu un engin oprationnel et efficace depuis 1991. Le rotor de Savonius (Figure 1-15) est bas sur le principe de la trane diffrentielle. Les efforts exercs par le vent sur chacune des faces d'un corps creux sont d'intensits diffrentes. Il en rsulte un couple entranant la rotation de l'ensemble comme sur la Figure 1-16 cidessous.

Figure 1-15 Turbine Savonius simple

22

Etat de lart et situation de lolien dans le contexte des nergies renouvelables

Figure 1-16 Principe de fonctionnement dun rotor Savonius Dans cette tude nous allons nous intresser la voilure de type Savonius (cf. Figure 1-15). Cette voilure axe vertical se prsente sous la forme d'un cylindre de faible diamtre. Elle est de ce fait compltement insensible la direction du vent dans un plan horizontal. La valeur de la vitesse rduite peu leve (environ 8 fois moins que pour les tripales classiques) (cf. Figure 1-9) offre des caractristiques intressantes du point de vue de lacoustique et de la scurit, cet aspect tant fortement lie la vitesse linaire en bout de pales. Toutefois, ces proprits impliquent l'usage d'une gnratrice grand nombre de ples et trs souvent des machines sur mesure. Le dmarrage faible vitesse de vent est galement un point fort. Ainsi, malgr une certaine faiblesse du coefficient de puissance (Cp 0.15 0.2), les avantages prcdents auxquels sajoute une certaine esthtique en font une solution bien adapte aux sites urbains. Ce point est repris au paragraphe 1.2.7. Le couple dune turbine Savonius simple telle que celle de la Figure 1-15 prsente un harmonique deux du couple et de la vitesse de rotation. Mais des constructions spciales, comme le vrillage de la voilure, permettent de la minimiser (cf. Figure 1-13 c)). Dun point de vue mcanique, cet inconvnient peut poser des problmes de vibration et donc de rsistance des matriaux. Les dimensions gomtriques dune telle voilure sont cependant limites. En effet, vu les efforts mcaniques devant tre supports par le mat, les oliennes de type Savonius ne peuvent pas tre de taille trop imposantes. Cest pour cette raison quelles sont utilises dans lolien de petite puissance (cf paragraphe 1.2.7). Un autre aspect trs intressant de ces voilures est quelles ont une forme assez esthtique, et peuvent tre bien intgres dans lenvironnement urbain (cf paragraphe 1.2.8)

1.2.4 Vitesse variable et lolienNous avons vu quil est indispensable de rguler la puissance olienne et que les courbes caractristiques des voilures oliennes ne sont pas linaires (Figure 1-9), surtout dans le cas des voilures de type Savonius dont la forme de cloche est trs pointue . En ce qui concerne la puissance olienne (cf section (B) de la Figure 1-11), elle rsulte de la vitesse de rotation de larbre mcanique de lolienne et de la vitesse du vent (donc de la vitesse rduite) et de la caractristique Cp( ). Elle peut tre optimise dans le but de maximiser lnergie capte par lolienne. La Figure 1-17 donne limage de la famille des courbes de la puissance olienne en fonction de la vitesse de rotation pour diffrentes vitesses du vent (pour une turbine Savonius) ainsi que la courbe optimale qui relie leurs sommets selon une fonction cubique de

23

Etat de lart et situation de lolien dans le contexte des nergies renouvelables la vitesse de rotation. En suivant cette courbe continuellement, la puissance olienne recueillie sera toujours maximale. De nombreuses tudes ont montr lintrt de la vitesse variable en olien sur le plan nergtique, y compris dans le petit olien (cf [33]) o le surcot entran par la vitesse variable (du fait de llectronique de puissance et de rglage supplmentaire) est compens par le surplus de production. Mais cest aussi et surtout sur le plan de la dure de vie des systmes que se situe lavantage de la vitesse variable. En effet, les chanes vitesse variable sont moins raides que les chanes vitesse fixe ou presque fixe rigidement couples au rseau : cette liaison rigide se solde par de fortes oscillations de puissance engendres par les turbulences. Ces variations sont la longue nuisibles pour les lments mcaniques : la vitesse variable permet de mieux lisser la production travers lnorme moment dinertie que constitue la voilure. Plusieurs techniques sont dveloppes dans nos travaux et sont dcrites dans le chapitre 3.P [W] Pmax=f(opt)

Vv5 Vv4 Vv3 Vv2 Vv1 [rad/s]

Figure 1-17 Puissance olienne en fonction de la vitesse de rotation pour diffrentes vitesses du vent

1.2.5 Machines lectriques et systmes de conversion dnergie olienneIl existe sur le march plusieurs types de machines lectriques qui peuvent jouer le rle de gnratrice dans un systme arognrateur qui demande des caractristiques trs spcifiques [34]. Le cahier des charges pour une gnratrice olienne varie selon le type et les dimensions gomtriques de la voilure. Certaines machines typiquement utilises dans les constructions oliennes sont succinctement dcrites dans ce paragraphe en tenant compte de leurs spcificits

1.2.5.1

Asynchrones cage (MAS)

Les machines lectriques asynchrones sont les plus simples fabriquer et les moins coteuses. Elles ont lavantage dtre standardises, fabriques en grande quantit et dans une trs grande chelle des puissances. Elles sont aussi les moins exigeantes en terme dentretien et prsentent un taux de dfaillance trs peu lev. Dans les arognrateurs de dimensions consquentes (grande puissance et rayon de pales important), la vitesse de rotation est peu leve. Or, il nest pas envisageable de concevoir une gnratrice asynchrone lente avec un rendement correct. Il est donc ncessaire dinsrer entre la turbine et la machine asynchrone un multiplicateur mcanique de vitesse. Le changement de la configuration de bobinage du stator (nombres de ples) et donc lutilisation des machines de type Dahlander est une solution parfois utilise (Figure 1-18), mais l encore le rendement est loin dtre optimal sur

24

Etat de lart et situation de lolien dans le contexte des nergies renouvelables toute la plage de vent. Une autre possibilit consiste utiliser un variateur de frquence, mais cette solution est globalement coteuse (variation de frquence et multiplicateur de vitesse) et donc trs rarement exploite (Figure 1-20). La majorit des applications en olien (environ 85%) sont donc vitesse de rotation constante et connexion directe sur le rseau lectrique comme le montre la Figure 1-18. Ces machines peuvent tre facilement utilisables dans le petit olien car la vitesse de rotation des pales est importante et lentranement direct possible. Mais, au del dune efficacit nergtique moindre par rapport aux systmes frquence variable, la rigidit de ces chanes dont on a dj dit quelle occasionne des variations brusques de puissance, ainsi que les problmes de dcrochage du rseau en cas de chute de vent sont leurs principaux inconvnients.

MAS

Figure 1-18 Systme olien bas sur la machine asynchrone cage (vitesse de rotation fixe)

MAS

Figure 1-19 Systme olien base sur la machine asynchrone de type Dahlander deux vitesses de rotation

MAS

Figure 1-20 Systme olien bas sur la machine asynchrone cage frquence variable

1.2.5.2

Machines asynchrones double alimentation (MADA)

Avec les gnratrices synchrones, cest actuellement lune des deux solutions concurrentes en olien vitesse variable. Le stator de la gnratrice est directement coupl au rseau (cf. Figure 1-21 et Figure 1-22) le plus souvent par un transformateur. A la place du rotor cage dcureuil, ces machines asynchrones ont un rotor bobin dont le rglage lectronique assure la variation du glissement. La chane rotor permet ainsi lensemble de fonctionner vitesse variable sur une plage de vitesse qui dpend du type et du dimensionnement de la chane rotor. 25

Etat de lart et situation de lolien dans le contexte des nergies renouvelables Ces machines sont un peu plus complexes que des machines asynchrones cage avec lesquelles elles ont en commun de ncessiter un multiplicateur de vitesse. Leur robustesse est lgrement diminue par la prsence de systme bagues et balais, mais le bnfice du fonctionnement vitesse variable est un avantage suffisant pour que de trs nombreux fabricants (Vestas, Gamesa,) utilisent ce type de machines. Les vitesses de rotation nominales de ces machines sont dhabitude un peu moins leves par rapport aux machines cage dcureuil alors le rapport de multiplicateur de vitesses peut tre moins important. La Figure 1-21 montre la technologie (Optislip de Vestas) qui permet une variation limite de la vitesse environ 10% autour de la vitesse de synchronisme par le changement de la rsistance rotor. Outre la plage de variation de vitesse limite, linconvnient de cette solution est la dissipation de la puissance rotor dans les lments rsistifs.

MADA

Figure 1-21 Systme olien bas sur la machine asynchrone rotor bobin variation de la vitesse de rotation par rglage de la rsistance du rotor Une autre solution trs intressante et permettant dobtenir une variation de la vitesse de rotation denviron 30% autour de la vitesse de synchronisme consiste coupler le rotor de la gnratrice double alimentation au rotor travers deux onduleurs MLI triphass, lun en mode redresseur, lautre en onduleur rseau (cf Figure 1-22 En gnral, le dimensionnement de la chane rotor se limite 25% de la puissance nominale du stator de la machine lectrique., ce qui suffit assurer une variation sur 30% de la plage de vitesse. Cest l son principal avantage tandis que son inconvnient majeur est li aux interactions avec le rseau, en particulier les surintensits engendres par des creux de tension du rseau.

MADA

Figure 1-22 Systme olien bas sur la machine asynchrone double alimentation rgulation de la vitesse de rotation par chane rotor alimentation

1.2.5.3

Gnratrices synchrones

Les machines asynchrones prsentent le dfaut dimposer la prsence dun multiplicateur de vitesse. Elles sont en effet bien adaptes des vitesses de rotation relativement importantes et un couple insuffisant pour un couplage mcanique direct sur les voilures oliennes. Par contre, les machines synchrones sont connues pour offrir des couples trs importants dimensions gomtriques convenables. Elles peuvent donc tre utilises en entranement 26

Etat de lart et situation de lolien dans le contexte des nergies renouvelables direct sur les turbines oliennes. Les systmes de ce type possdent aussi leurs dfauts. Les machines synchrones rotor bobin demandent un entretien rgulier de systme des bagues et balais. Le circuit dexcitation de linducteur demande la prsence du rseau et une fourniture de la puissance ractive. Les sites isols ne sont adapts ces gnratrices quen prsence dune batterie de condensateurs ou dune source de tension indpendante. Par contre, la possibilit de rglage de linducteur de ces machines offre un moyen supplmentaire dajustement du point de fonctionnement nergtique. Le couplage direct sur le rseau est proscrit car tant beaucoup trop rigide. Une lectronique de puissance simpose pour toutes les applications utilisant ce type de machine qui sont donc vitesse variable. Mais, contrairement aux gnratrices MADA (Machines Asynchrones Double Alimentation) la chane de conversion place sur le stator doit tre dimensionne pour la totalit de la puissance du systme de production. Le dveloppement des matriaux magntiques a permis la construction de machines synchrones aimants permanents des cots qui deviennent comptitifs. Les machines de ce type sont grand nombre de ples et permettent de dvelopper des couples mcaniques considrables. Il existe plusieurs concepts de machines synchrones aimants permanents ddies aux applications oliennes, des machines de construction standard (aimantation radiale) aux gnratrices discodes (champs axial), ou encore rotor extrieur. Le couplage de ces machines avec llectronique de puissance devient de plus en plus viable conomiquement, ce qui en fait un concurrent srieux des gnratrices asynchrones double alimentation. Les systmes de ce type ont un taux de dfaillance jug faible grce la suppression de certaines sources de dfauts : suppression du multiplicateur de vitesse et du systme de bagues et balais pour les gnratrices aimants (Figure 1-23). Les frais dentretien sont alors minimiss ce qui est trs intressant dans les applications oliennes, en particulier dans les sites difficilement accessibles (offshore par exemple). La prsence obligatoire de llectronique de puissance permet enfin une rgulation simple de la vitesse de rotation et donc une optimisation nergtique efficace.

PMSM

Figure 1-23 Systme olien bas sur la machine synchrone aimants permanents Une autre solution (Figure 1-24) est le redressement diodes plac directement derrire la gnratrice. Loptimisation de la gestion nergtique nest alors possible que si lexcitation est rglable. Une version drive de cette structure sera tudie plus amplement dans la suite de ce document.

SM

Figure 1-24 Systme base sur la machine synchrone et redresseur diodes

27

Etat de lart et situation de lolien dans le contexte des nergies renouvelables Les systmes de trs petite puissance peuvent tre simplifis radicalement. En choisissant judicieusement les paramtres (paramtres machine et tension continue) du systme reprsent sur la Figure 1-25 (cf. chapitre 2), un systme vitesse non constante , cot minimum et nergtiquement assez performant peut tre obtenu [54].

PMSM

Figure 1-25 Systme olien cot minimum

1.2.6 Modes de couplage au rseau et rseaux autonomesOn peut distinguer deux familles de systmes de gnration dnergie Dune part il y a les sites isols o lnergie est produite et consomme sur place ou proximit du gnrateur Un rseau local ( faible ), faible puissance de court circuit, doit tre cr et stabilis. Dautre part les systmes sont (en majorit) connects au rseau national. Dans le premier cas, il peut y avoir une seule source dnergie ou le couplage de plusieurs sources de mme type ou bien de types diffrents. Le problme dinterconnexion se pose alors. Il existe plusieurs configurations selon les proprits des sources nergtiques et les besoins de distribution. La Figure 1-26 donne un exemple de solutions couplant une olienne un panneau photovoltaque. Le nud lectrique permet de connecter et de distribuer lnergie entre les diffrents composants du systme.

Stockage de l' nergie Pr lvements nergtiques optimiss ( MPPT ) Convertisseurs statiques adapts aux entres et la sortie Ch arg e PV " Noeud electrique"

Ch arg e

Figure 1-26 Exemple dune configuration ddie un site isol : couplage olien photovoltaque La reprsentation de la turbine olienne (ou du gnrateur photovoltaque) sur ce schma peut signifier plusieurs lments. Des solutions spcifiques peuvent alors tre ncessaires selon la configuration (proprits des sources, des convertisseurs statiques, longueurs des lignes, du profil de la ressource, etc.). Le choix rsulte du bilan dune optimisation nergtique et dune projection des cots engendrs. La Figure 1-27 donne lexemple de quelques structures utilises actuellement en olien de grande puissance raccord au rseau [35], [36]. Ces structures peuvent tre bien adaptes 28

Etat de lart et situation de lolien dans le contexte des nergies renouvelables des systmes de puissance modre et certaines de ces figures peuvent regrouper non seulement les turbines oliennes mais plusieurs types de sources. Les configurations de la Figure 1-27 sont toutes ddies des turbines vitesse variable.

DC

DC

DC1

DC 2

DC

Figure 1-27 Structures de couplage des sources oliennes La connexion des sources renouvelables aux rseaux lectriques forts (rseaux nationaux et trans-nationaux) demande de respecter certaines normes qui ne sont pas forcement spcifiques au domaine olien. Les normes existantes sappliquent des gnrateurs ou des convertisseurs statiques dans le cadre des normalisations franaises et europennes (machines lectriques, onduleurs, pollution lectrique, scurit,) (cf. [37], [38], [39], [40], [41], [42]).Majoritairement, les installations sont en dessous de la puissance de 10MW. Alors elles sont soumises la rglementation pour le raccordement des systmes de micro gnration. Plusieurs groupes du travail au sein de la CEI travaillent sur la question de la normalisation des systmes utilisant les nergies renouvelables. Une norme ISO 27.180 porte sur lnergie olienne. Aux Etats Unis la srie des normes IEEE 1547 encadre tous les aspects lis linterconnexion entre les sources et le rseau.

1.2.7 Le petit olien : caractristiques, secteurs dapplication et exemples de ralisationLe petit olien couvre la gamme des puissances de 20W 100kW rparties en trois catgories : micro-oliennes de 20W 500W, mini-oliennes de 500W 1kW et petites oliennes de 1 100kW. Au del les projets sapparentent au grand olien. Aujourdhui plus de 50 constructeurs proposent plus de 100 modles diffrents (cf. annexe 1). Ce secteur correspond un march de niche au tissu industriel fragile. Alors que la production occidentale sest porte 60 000 units sur les 20 dernires annes, la Chine a dans le mme temps produit et install plus de 160 000 units de micro-oliennes de 100 500W, principalement dans les zones rurales de la Mongolie Intrieure. La catgorie du petit olien de 1 100kW doit principalement son dveloppement au march des rgimes insulaires gnralement dans des applications hybrides olien/diesel. Le micro-olien est largement prsent dans deux marchs de masse, dune part celui de la marine de plaisance en occident et dautre part le march chinois de llectrification rurale. Lintgration de lolien au bti, comme nous le montrons au paragraphe suivant peut aussi avoir un certain intrt malgr des obstacles non ngligeables surmonter (forte instationnarit du gisement due la rugosit des sites, contraintes denvironnement et de scurit, Lemploi du petit olien pour llectrification rurale dcentralise [43], [44] est peu rpandu et a trs souvent t un chec en raison de labsence dorganisation humaine en charge de la maintenance et de lexploitation des systmes. Seule la Chine, qui a mis en place une filire locale de fabrication suite un transfert technologique de machines adaptes aux besoins et aux gisements, a

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Etat de lart et situation de lolien dans le contexte des nergies renouvelables rencontr un vif succs dans lemploi de lolien pour llectrification rurale et ceci depuis bientt plus de 20 ans. Une comparaison technico-conomique entre une machine occidentale et une machine chinoise nous claire sur les avantages de cette dernire : Rgularit de la production conduisant une rduction de la taille des batteries associes. Production annuelle plus importante. Cot global actualis sur 15 ans pour lolienne chinoise variant de 0.34 0.63/kWh en fonction de la qualit du gisement contre une variation de 0.86 1.51 /kWh pour la machine occidentale. Le tableau de lannexe 1 prsente un ensemble de ralisations appartenant au domaine du petit olien dans une gamme de puissance de 50W 20kW. Les gnratrices sont quasi exclusivement aimants permanents. La plupart sont synchrones triphases mais quelques unes dentre elles sont encore courant continu. En comparaison des chiffres habituels dans le grand olien , la gamme de vitesse de rotation est ici plutt leve (jusqu 2000 T/min), ce qui est un avantage pour le dimensionnement de la gnratrice qui redevient classique , mais un inconvnient certain au plan acoustique. Comme on la vu au paragraphe 1.2.2, ceci est du au fait que, pour un profil de pale donn, la gamme de vitesse augmente quand le rayon des pales diminue, ce qui explique que les pales des trs grosses turbines tournent quelques tours par minute. On peut cependant noter que certaines de ces gnratrices tournent plus lentement (jusqu 175 T/min pour la plus grosse turbine de 20kW). Comme illustr au paragraphe 1.2.3, une solution pour diminuer la vitesse de rotation et limiter le bruit consiste choisir des oliennes axe vertical, de type Savonius par exemple puisque ces turbines tournent en moyenne 6 8 fois moins vite quune tripale classique, ceci pour un rayon identique. La socit scandinave WindSide a ainsi cr une gamme de turbines principalement prvues pour fonctionner en conditions climatiques extrmes (sites polaires,), mais son esthtique lui a aussi valu dtre installe dans la ville de Yurigaoka, Japon (cf. Figure 1-28). Cette production correspond nanmoins un march de niche . Elle ptie en particulier de son cot relativement prohibitif (production de quasi prototypes) et de sa masse importante

Figure 1-28 Exemple doliennes Savonius axe vertical a) Windside en site polaire [45] b) Windside WS-4 (hauteur 4m, diam 1m, 240W) Yurigaoka, Japon c) Eolienne Savonius en soufflerie S1 de lIMFT Il existe galement des oliennes carnes telles que celles proposes par la socit CITA qui permettent, par effet de concentration, une augmentation du coefficient de puissance. Cette ide de concentration du vent est reprise dans le dernier paragraphe

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Etat de lart et situation de lolien dans le contexte des nergies renouvelables

Figure 1-29 Eolienne carne CITA 12kW exprimente Chicago Malgr les problmes mcaniques poss par le pass, les voilures Darrieus semblent promises un avenir prometteur car nettement plus performantes que les Savonius. Il existe quelques ralisations, mais beaucoup sont en cours de dveloppement telle que celle prsente ici par la socit Ecofys pour une installation en toiture. Pour ce type dapplication, des voilures axe horizontal ont aussi t proposes.

Figure 1-30 Eolienne Neoga dEcofys, en cours de dveloppement La question de lesthtique est sans doute essentielle pour obtenir ladhsion des riverains, en particulier en site urbain. Ainsi, Josef Moser est un artiste et inventeur allemand qui sest pench sur les problmes esthtiques des oliennes. Bien que ses oeuvres aient t exposes lexposition universelle de Hanovre, aucune tude ou exprimentation srieuse na t conduite pour linstant sur ce type de machine.

Figure 1-31 Exemple de cration esthtique de Joseph Moser 31

Etat de lart et situation de lolien dans le contexte des nergies renouvelables

1.2.8 Etudes en cours lINPT sur le petit olien Le groupe EMT2 de lIMFT (Institut de Mcanique des Fluides de Toulouse) et lquipe Systme du LEEI, deux laboratoires de lINPT/ENSEEIHT, se sont associs depuis 2000 avec le soutien de lAdeme et dEDF R&D pour optimiser les systmes oliens de puissance rduite. Lobjectif est de proposer et d'tudier des procds innovants pour une utilisation optimale du gisement olien, notamment en zone habite, par une implantation proximit ou intgre au btiment. Dans ce domaine, l'essentiel reste faire. A notre connaissance, seules deux tudes sur le petit olien en site urbain, sont en cours ce jour. Il s'agit dune part du projet WEB (Wind Energy for the Built environment) dans le cadre du programme europen JOULE III. Dautre part, luniversit TU Delft (Pays Bas), bien connue dans le domaine du "grand olien", sest intresse rcemment l'intgration en site urbain [46]. La thse de doctorat prsente dans ce mmoire concerne les aspects lectrotechniques dtaills dans les deux chapitres suivants. En mcanique des fluides, les principales questions scientifiques tudies jusqu maintenant dans ce contexte sont les suivantes : Le btiment peut aussi tre utilis son avantage pour concentrer l'nergie cintique sur la voilure. Quelles sont les configurations les plus favorables et pour quel gain nergtique ? La prsence de btiments gnre des instationnarits de l'coulement qui peuvent fortement pnaliser la production. Quelle voilure pour produire le maximum d'nergie ? A partir des outils disponibles, une optimisation globale multiphysique est elle opportune et susceptible damliorer la fiabilit et la performance systme ? Les outils dinvestigation principalement utiliss ici sont de 2 types : Outil de simulation lment finis Star CD Les quations du mouvement sont rsolues l'aide du code StarCD. Des simulations bidimensionnelles instationnaires ont t ralises. Elles sont illustres ci-dessous par une reprsentation du champ de vitesse et de pression, dans une position dune turbine Savonius au cours du cycle de rotation.

Figure 1-32 Calcul 2D d'une olienne Savonius avec le logiciel StarCD. Champ dynamique et efforts de pression sur la voilure Un couplage champ circuit entre les logiciels StarCD (champ 2D-3D) et Amesim (circuit 1D) a t ralis dans le cadre du programme Metisse dans lequel lIMFT et le LEEI sont associs. Le couple produit par la voilure, simule par calcul des champs, est fourni au logiciel Amesim qui simule la chane lectrotechnique (gnratrice, conversion dnergie,)

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Etat de lart et situation de lolien dans le contexte des nergies renouvelables et transmet en retour la vitesse de rotation de la turbine [47]. Ce procd de couplage nous permet denvisager daller vers une optimisation globale multiphysique du systme olien. Exprimentation en soufflerie couple au banc dessai du LEEI Cest en particulier ce niveau que sest situ la collaboration entre ces deux quipes puisque le banc dessai que nous avons ralis au LEEI et que nous dtaillons au chapitre suivant, a t directement exploit dans la soufflerie de lIMFT afin de caractriser la voilure Savonius, de tester certains algorithmes de gestion dnergie que nous proposons ci aprs ainsi que certaines stratgies de concentration du flux dair.

Gnrateur couple Gnrateur dede couple (simulateur d olienne) (simulateur d olienne)

Alternateur Alternateur sy nchrone sy nchrone dolienne dolienne

Conversion d nergie

Conversion d nergie

Figure 1-33 Eolienne Savonius dans la soufflerie S1 IMFT (Janvier 2003). Banc de test dvelopp par LEEI pour la conversion et le traitement de lnergie olienne.

1.2.8.1

Etudes des effets de concentration du vent

Les chercheurs de lIMFT se sont principalement consacrs ltude des effets amliorant le rendement arodynamique dune Savonius. La Savonius a en effet t favorise en raison de sa bonne adaptabilit au milieu urbain. Cette olienne peut en effet occuper toute la surface disponible (souvent limite) pour linstallation alors quune olienne axe horizontal nen exploite quune partie. Lide de base est ici dexploiter les effets de concentration dont le plus connu et le plus naturel est leffet venturi . Entre deux btiments ou dans un col troit, le vent sacclre et lnergie rcuprable par lolienne sen trouve augmente. Exploiter cet effet peut tre intressant condition que les parois du tunnel ne soit pas trop rugueuses (ceci impliquant alors un coulement turbulent indsirable). Ce phnomne est directement exploitable en milieu urbain, les btiments pouvant tre utiliss comme tunnels .

Figure 1-34 Illustration de leffet venturi

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Etat de lart et situation de lolien dans le contexte des nergies renouvelables Diffrentes configurations permettant de concentrer lnergie du vent ont t compares et sont rcapitules dans le tableau ci-dessous.Avec paroi Lolienne est fixe une certaine distance de la paroi, sur un ct du btiment. On aboutit une amlioration du rendement allant jusqu 300%, pour des angles dincidence situs entre 30 et 150. Avec deux dflecteurs Deux dflecteurs dirigent le flux sur la pale motrice. On aboutit des amliorations de 50 100%. Avec diffuseur Le diffuseur augmente le rendement de lolienne en tant lorigine dune dpression qui fait converger les lignes de champ dans la voilure de lolienne. Un phnomne de blocage est nanmoins possible mais na pas t particulirement constat lors des tudes. On aboutit des amliorations de 50 100%.

Tableau 1-2 Configurations des concentrateurs Bien que ces effets naient t tudis que pour une Savonius, des observations sur une Darrieus en H sont en cours. Ces configurations ont t tudies dans lenvironnement dun btiment, en liaison avec un cabinet darchitecte participant un projet HQE (Haute Qualit Environnementale). En voici quelques exemplesEoliennes disposes sur le toit On peut imaginer des oliennes classiques, axe horizontal ou vertical, dans la limite des autorisations rglementaires.

Effet convergent/diffuseur au centre dun btiment Le btiment lui-mme est en deux parties et joue le rle dun concentrateur/diffuseur.

Effet Venturi au centre dun btiment Le btiment est ici utilis pour crer un effet Venturi acclr