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Université de M’sila

Département de Génie électrique

1ere Master commande

électrique

L’éolienne 

Les étudiants: Enseignant :

BAHACHE HiChAm MME.BELOUNISE

OUAKAF Ahmed

DIF Mohamed Oussama marwan

2011/2012

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Sommaire

I. Introduction Générale ..................................................................................................................... 2

II. ESTIMATION DES RESSOURCES EOLIENNES EN ALGERIE : .............................................................. 3

III. Définition de l’énergie éolienne : ................................................................................................ 4

IV. Définition d’une éolienne : .......................................................................................................... 4

V. Principe et constitution d’une éolienne : ........................................................................................ 4

 A.  Principe : ...................................................................................................................................... 4

B.  Constitution d’une éolienne :....................................................................................................... 6

VI. Généralités sur les différents types d’éoliennes ......................................................................... 7

 A.  Les éoliennes à axe vertical : ....................................................................................................... 7

1. Rotor Savonius : ....................................................................................................................... 8

2. Rotor Darrieus : ....................................................................................................................... 8

3.   Avantage des turbines à axe vertical ....................................................................................... 8

4.  Inconvénient des turbines à axe vertical ................................................................................. 8

B.  Les éoliennes à axe horizontal ..................................................................................................... 9

1. Les éoliennes lentes ................................................................................................................ 9

2. Les éoliennes rapides .............................................................................................................. 9

VII. Avantages et désavantages de l’énergie éolienne .................................................................... 10

A. Les avantages : .......................................................................................................................... 10

B.  Les inconvénients :..................................................................................................................... 10

VIII. Applications éolienne et systèmes ............................................................................................ 11

 A.  Sur la terre ferme (on shore) : ................................................................................................... 11

B.  Pleine mer (offshore) : ............................................................................................................... 12

C.  Villes : ........................................................................................................................................ 13

D.  Pour les zones isolées et exposées aux cyclones : ...................................................................... 13

IX. Conclusion Générale.................................................................................................................. 14

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I.  Introduction Générale

Dans le courant de ces dernières années, la consommation de l’énergie a considérablementaugmenté. Les prévisions confirment cette tendance notamment compte tenu du

développement industriel et de l’évolution démographique. Les ressources traditionnelles d’origines principalement fossiles, sont d’une part épuisables etne peuvent être exploitées que pour quelques décennies, d’autre part elles produisent desdéchets toxiques et radioactifs qui détruisent la nature, et mettent en danger la vie humaine.

Pour limiter l’utilisation de telles sources d’énergie, et subvenir aux besoins en énergie de lasociété actuelle, il est nécessaire de trouver d’autres solutions plus adaptées. Il y a deux façonsd’agir, la première consiste à diminuer la consommation des récepteurs d’énergie, ce qui est

difficile, voire impossible à cause de l’industrialisation massive. La deuxième méthodeconsiste à trouver et développer d’autres formes d’énergies dites renouvelables etinépuisables. Parmi celles-ci, on trouve l’énergie éolienne qui semble l'une des plusprometteuses avec un taux de croissance mondial très important.

Les éoliennes permettent de transformer l’énergie d’une ressource infiniment renouvelable, levent, en énergie électrique. Le concept parait très simple. Une hélice tourne lorsque le ventsouffle dessus. Derrière cette étonnante simplicité, nous allons, dans ce chapitre, découvrir etanalyser l’ensemble des technologies intervenant dans le fonctionnement d’une éolienne. Des

aspects électriques, aux paramètres aérodynamiques, nous verrons qu’une éolienne fait appel

à un vaste champ de connaissances technologiques et scientifiques.

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II.  ESTIMATION DES RESSOURCES EOLIENNES EN ALGERIE :

L’estimation des ressources éoliennes d’un pays en constitue une importante étape, une étudepréliminaire de l'évolution saisonnière et annuelle de la vitesse moyenne du vent, a permis defaire une première identification des régions ventées de l’Algérie.Cette représentation de la vitesse sous forme de carte a deux objectifs :

le premier est d'identifier les vastes régions avec de bonnes promesses d'exploitation del'énergie éolienne.Le second est de mettre en évidence la variation relative des ressources à travers l'Algérie.La carte représentée dans la figure suivante, montre que le Sud est caractérisé par des vitessesplus élevées que le Nord, plus particulièrement le Sud-Ouest avec des vitesses supérieures à 4m/s et qui dépassent la valeur de 6 m/s dans la région d'Adrar. Concernant le Nord, onremarque globalement que la vitesse moyenne est peu élevée. On note cependant, l'existencede microclimats sur les sites côtiers de Oran, Béjaia et Annaba, sur les hauts plateaux deTiaret et El Kheiter ainsi que dans la région délimitée par Béjaia au Nord et Biskra au sud.Toutefois, la vitesse du vent subit des variations en fonction des saisons qu'on ne doit pas

négliger, en particulier, lorsqu'il s'agit d'installer des systèmes de conversion de l'énergieéolienne.

Figure 1: Carte annuelle de la vitesse moyenne du vent à 10m du sol (m/s).

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III.  Définition de l’énergie éolienne :

L'énergie éolienne est une énergie "renouvelable" non dégradée, géographiquement diffuse, etsurtout en corrélation saisonnière (l’énergie électrique est largement plus demandée en hiveret c’est souvent à cette période que la moyenne des vitesses des vents est la plus élevée). De

plus, c'est une énergie qui ne produit aucun rejet atmosphérique ni déchet radioactif. Elle esttoutefois aléatoire dans le temps et son captage reste assez complexe, nécessitant des mâts etdes pales de grandes dimensions dans des zones géographiquement dégagées pour éviter lesphénomènes de turbulences.

IV.  Définition d’une éolienne :

Un aérogénérateur, plus couramment appelé éolienne, est un dispositif qui transforme une partie de l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique disponible sur un arbre de transmission puis en énergie électrique par l’intermédiaire d’une génératrice.

Figure 2:Chaine conversion de l'énergie cinétique du vent en énergie électrique.

V.  Principe et constitution d’une éolienne :

 A.  Principe :

Les éoliennes permettent de convertir l’énergie du vent en énergie électrique, cette conversionse fait en deux étapes :

  Au niveau de la turbine (rotor), qui extrait une partie de l’énergie cinétique du vent

disponible pour la convertir en énergie mécanique.  Au niveau de la génératrice, qui reçoit l’énergie mécanique et la convertit en énergie

électrique, transmise ensuite au réseau électrique.

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Le fonctionnement général est illustre dans la figure2. L’ensemble de la chaine de conversion

fait appel à des domaines très divers et poses des problèmes aérodynamique, mécanique,électrique et automatique.

Figure 3: Principe de la conversion de l’énergie éolienne 

  Quand le vent se lève (environ 5 km/h), un anémomètre et une girouette placés sur lanacelle commandent aux moteurs d’orientation de placer l’éolienne face au vent. 

  Un mât ou pylône support permet de placer le rotor à une hauteur suffisante pourpermettre son mouvement (nécessaire pour les éoliennes à axe horizontal) et/ou placerce rotor à une hauteur lui permettant d'être entrainé par un vent plus fort et régulierqu'au niveau du sol. Le mât abrite généralement une partie des composants électriqueset électroniques (modulateur, commande, multiplicateur, générateur, etc.).

  Les pales (en général au nombre de trois) sont mises en mouvement par la seule forcedu vent. Elles entraînent avec elles l’arbre principal, le multiplicateur et la génératrice. 

  Un rotor, composé de plusieurs pales (en général trois) et du nez de l'éolienne. Lerotor est entrainé par l'énergie du vent, il peut être couplé directement ou

indirectement à une pompe (cas des éoliennes de pompage) ou plus généralement à ungénérateur électrique. Le rotor est relié à la nacelle par le moyeu.

  Une nacelle montée au sommet du mât, abritant les composants mécaniques,pneumatiques, certains composants électriques et électroniques, nécessaires aufonctionnement de la machine.

  Dans le cas des éoliennes produisant de l'électricité, un poste de livraison situé àproximité du parc éolien permet de relier ce parc au réseau électrique pour y injecterl'intégralité de l'énergie produite par un mat électromagnétique.

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B.  Constitution d’une éolienne :

Pales :

Les pales captent l’énergie du vent et la transfèrent au moyeu du rotor. 

Moyeu du rotor :

Il transmet le mouvement de rotation à l’arbre de transmission qui lui est solidaire.

Arbre de transmission :

Il reçoit le mouvement de rotation du moyeu afin d’entraîner la génératrice électrique.  

Transmission :

Appelée aussi multiplicateur, elle adapte la vitesse de rotation au fonctionnement de lagénératrice. (Elle n’est pas nécessaire dans les petites éoliennes).

Frein :

Il sert à arrêter l’éolienne en cas d’urgence, ou pour effectuer la maintenance. 

Génératrice :

Elle peut être un générateur à courant continu ou un alternateur; dans tous les cas elletransforme l'énergie mécanique que lui transmet le rotor, en énergie électrique.

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Système de contrôle :

Il surveille le fonctionnement de l’éolienne, signale et commande l’arrêt de l’éolienne en cas dedéfaillance.

Anémomètre :

Il mesure en permanence la vitesse du vent qu’il va transmettre au système de contrôle de façon àdémarrer ou arrêter l’éolienne. En général, une éolienne est enclenchée à partir de 3 à 4 m/s et estarrêtée approximativement à 25m/s (90 km/h).

Nacelle :

C’est le coffret qui se trouve en haut du mâ t. IL contient et protège les différents composants del’éolienne (la transmission, la génératrice, le système de contrôle, etc.). 

Gouvernail :

C’est le système d’orientation pour les petites éoliennes; Il sert à maintenir le rotor de l’éolienne dans

l'axe horizontal face au vent afin de tirer le maximum d’énergie.  

Mât et fondation :

Ce sont les éléments qui supportent la nacelle et le rotor; ils doivent être capables desupporter les différentes contraintes dues aux conditions du site.Plus le mât est haut, plus les pales captent du vent (la vitesse du vent augmentant avecl’altitude).

Dans le cas des éoliennes domestiques de petites puissances on utilisera des mâts haubanés car ils sontéconomiques et faciles à installer. Cependant leur installation demande beaucoup d'espace et leshaubans constituent un inconvénient majeur s'ils sont mal ancrés ou s'ils viennent à se casser.

VI.  Généralités sur les différents types d’éoliennes 

Les solutions techniques permettant de recueillir l’énergie du vent sont très variées. Il existedeux grandes catégories d’éolienne, qui se référent à la disposition géométrique de l’arbre sur 

lequel est montée l’hélice: les aérogénérateurs à axe vertical (VAWT) et à axe horizontal(HAWT).

 A. 

Les éoliennes à axe vertical :

Les éoliennes à axe verticales sont très peu répondues et assez mal connues. Le rotor de cetype de turbine fonctionne grâce à la poussée axiale et se base sur le principe de la variationcyclique d’incidence. Un profil placé dans un écoulement d’air selon différents angles, estsoumis à des forces d’intensités et de directions variables. La résultante de ces forces génèrealors un couple moteur entraînant la rotation du dispositif. Le couple de démarrage de ce typed’éoliennes est faible ce qui constitue un avantage. Elles présentent par contre des difficultéspour leur guidage du fait que, le palier supporte le poids de l’ensemble de la turbine. 

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Dans de ce type de capteur de vent on distingue :

1.  Rotor Savonius : 

Ce rotor a été inventé par le finlandais Sigurd Savonius en 1924. Il est constitué de deuxsections semi circulaire cylindriques formant approximativement un S. 

2.  Rotor Darrieus :

Il s’agit d’un capteur à circulation instationnaire conçu par l’ingénieur  français GeorgeDarrieus. Le rotor est constitué de plusieurs pales, en générale 2 ou 3 de profil symétrique

 biconvexe liées rigidement entre elles et tournant autour d’un axe vertical. Les formesadoptées pour les surfaces décrites par les pales sont cylindriques , conique ou parabolique.

3.   Avantage des turbines à axe vertical  

Les turbines à axe vertical présentent certains avantages :1. machinerie au sol et on n’a pas besoin de munir la machine d’une tour.  2. pas besoin d’orientation en fonction de la direction du vent 3. construction souvent simple.4. Elles tournent à faible vitesse et sont de ce fait peu bruyantes.

4.  Inconvénient des turbines à axe vertical  

Les principaux inconvénients sont les suivants :

1. Les vents sont assez faibles à proximité de la surface du sol.

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2. L’éolienne ne démarre pas automatiquement. Ainsi, il faut par exemple pousser les éoliennes de Darrieus pour qu’elles puissent démarrer. 3. Pour remplacer le palier principal du rotor, il faut enlever tout le rotor. Ceci vaut tant pourles éoliennes à axe vertical que pour celles à axe horizontal, mais dans le cas des premières,cela implique un véritable démontage de l’éolienne entière. 

4. Les éoliennes à axe vertical ont été prometteuses dans les années 80 et au début des années90, mais elles ont très vite disparu du marché du fait de leur faible rendement et desfluctuations importantes de puissance. 

B.  Les éoliennes à axe horizontal 

Les éoliennes à axe horizontal sont basées sur la technologie ancestrale des moulins à vent.Elles sont constituées de pales profilées de façon aérodynamique à la manière des ailesd'avion. Dans ce cas, la portance n'est pas utilisée pour maintenir un avion en vol mais pourgénérer un couple moteur entraînant la rotation.

1.  Les éoliennes lentes

Les éoliennes à marche lente sont munies d’un grand nombre de pales (entre 20 et 40), leur  inertie importante impose en général une limitation du diamètre à environ 8 m. Leurcoefficient de puissance atteint rapidement sa valeur maximale lors de la montée en vitessemais décroît également rapidement par la suite. Ces éoliennes multipales sont surtout adaptéesaux vents de faible vitesse. Elles démarrent à vide pour des vents de l’ordre de 2 à 3 m/s et

leurs couples de démarrage sont relativement forts. Cependant elles sont moins efficaces queles éoliennes rapides et sont surtout utilisées pour le pompage d’eau. La puissance maximale susceptible d’être obtenue par ce type de machine peut se calculer  enfonction du diamètre par l’expression suivante :

P= 0.15*D2 *V 3

La puissance étant exprimée en Watts, le diamètre en mètre et la vitesse du vent en m/s. 

2.  Les éoliennes rapides

Les éoliennes rapides ont un nombre de pales assez réduit, qui varie en général entre 2 et 4 pales. Elles sont les plus utilisées dans la production d’électricité en raison de leur efficacité,

de leur poids (moins lourdes comparées à une éolienne lente de même puissance) et de leurrendement élevé. Elles présentent, par contre, l’inconvénient de démarrer difficilement. Leurs

vitesses de rotation sont beaucoup plus élevées que pour les machines précédentes et sontd’autant plus grandes que le nombre de pales est faible. Le tableau propose une classificationde ces turbines selon la puissance qu’elles délivrent et le diamètre de leur hélice. 

Echelle Diamètre del’hélice 

Puissance délivrée

Petite Moins de 12 m Moins de 40 kW

Moyenne 12 à 45 m 40 kW à 1 MW

Grande 46 m et plus 1 MWFigure 4: Classification des turbines éoliennes.

En effet, les éoliennes ont différentes dimensions, et puisque l’air est une ressource diffuse, la tendance générale favorise les appareils de plus en plus gros. Les progrès en science des

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matériaux ont permis la fabrication de pales plus légères et plus solides ainsi quel’amélioration de la conception des tours et des fondations, ce qui permet la constructiond’appareils de plus en plus imposants. En 1995, les éoliennes de 500 kW étaient la dernièrenouveauté. Aujourd’hui, des appareils individuels de 4,5 MW (4 500 kW) sont en productioncommerciale.

Formule pratique pour une éolienne rapide à axe horizontal, tenant compte d'un rendementmoyen:P=0,2*D2*V 3 

VII.   Avantages et désavantages de l’énergie éolienne 

Le développement et la croissance d’utilisation de l’énergie éolienne sont liés aux avantagesque présente ce type d’énergie. Cependant, cette source d’énergie présente également dedésavantages qu’il faut étudier pour améliorer son exploitation. 

 A.  Les avantages :  Il s’agit d’une forme d’énergie indéfiniment durable et propre, elle ne nécessite aucun

carburant.  Elle ne crée pas de gaz à effet de serre, chaque mégawatt-heure d’électricité produit

 par l’énergie éolienne aide à réduire de 0,8 à 0,9 tonne les émissions de CO2 rejetéeschaque année par la production d’électricité d'origine thermique. 

  Elle ne produit pas de déchets toxiques ou radioactifs, la propriété des aérogénérateurspar des particuliers et la communauté permet aux gens de participer directement à laconservation de notre environnement.

  Selon EDF, l'énergie éolienne se révèle une excellente ressource d'appoint d'autres

énergies, notamment durant les pics de consommation, en hiver par exemple.  L’énergie éolienne est une énergie économique. L’éolienne permet de capter  l’énergie

sur le lieu même de son utilisation, ce qui économise ainsi tous les circuits dedistribution.

B.  Les inconvénients :

  Le caractère imprévisible du vent. Pour cette raison, les compagnies d'électricitééprouvent beaucoup de difficulté à accepter cette source d'énergie. Dans la plupart descas, une turbine éolienne est installée avec une génératrice diesel.

  Dans certaines communautés, l'apparence de la turbine est très importante. Lesturbines

sont souvent de taille monumentale et de ce fait, il est difficile de faire accepter un telappareil au sein de la population.  Le bruit mécanique qui est créé par les différents organes en mouvement comme les

engrenages.  Le bruit aérodynamique. Le freinage du vent et son passage autour des pales

engendrent un son caractéristique, comme un souffle.

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VIII.   Applications éolienne et systèmes

 A.  Sur la terre ferme (on shore) :

Éolienne contemporaine dans un paysage rural.

Ferme éolienne à Tehachapi Pass, Californie

Dans une installation éolienne, il est préférable de placer la génératrice sur un mât à une

hauteur de plus de 10 m jusqu'à environ 100 m, de façon à capter des vents plus forts et moins

perturbés par la « rugosité » du sol. Dans les zones où le relief est très complexe, il est

possible de doubler la quantité d'énergie produite en déplaçant l'installation de seulement

quelques dizaines de mètres. Des mesures in situ et des modèles mathématiques permettent

d'optimiser le positionnement d'éoliennes.

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B.  Pleine mer (offshore) :

Figure 5: Éoliennes en pleine mer, près de Copenhague.

Figure 6: Éoliennes et lignes à haute tension près de Rye, en Angleterre.

la condition qu'elles soient implantées assez loin de la côte, les éoliennes en pleine mer(offshore) entraînent moins d'impact sur le paysage terrestre. L'installation d'éoliennes en mer

est beaucoup plus coûteuse qu'à terre : les mâts doivent être étudiés pour résister à la force des

vagues et du courant, la protection contre la corrosion (particulièrement importante du fait des

embruns) doit être renforcée, l'implantation en mer nécessite des engins spécialisés, le

raccordement électrique implique des câbles sous-marins coûteux et fragiles, et la moindre

opération de maintenance peut nécessiter de gros moyens. En revanche, une éolienne offshore

peut fournir jusqu'à 5 MW (à comparer aux éoliennes terrestres limitées à 3 MW dans dessites bien ventés).

Dans les zones où la mer est peu profonde (par exemple au Danemark), il est assez simple de

les installer, et elles ont un bon rendement. L'ensemble des éoliennes (en pleine mer ou

terrestres) du Danemark produit, début 2006, 23 % de l'électricité nécessaire au pays. Ce pays

est un leader et précurseur dans la construction et l'utilisation de l'énergie éolienne, avec un

projet lancé dans les années 1970. Aujourd'hui de grands parcs offshore sont en construction

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au large de l'Angleterre dans la baie de la Tamise, ainsi qu'en Écosse pour une puissance

d'environ 4 000 MW au total.

La France ne possède pas de parcs offshore, mais quelques sociétés ont des projets en cours :

Parc éolien de la Côte d'Albâtre, Parc éolien de la baie de Seine.

C.  Villes :

En environnement urbain, où il est difficile d'obtenir de puissants flux d'air, de plus petits

équipements peuvent être utilisés pour faire tourner des systèmes basse tension. Des éoliennes

sur un toit fonctionnant dans un système d'énergie distribuée permettent d'alléger les

problèmes d'acheminement de l'énergie et de pallier les pannes de courant. De petites

installations telles que des routeurs wi-fi peuvent être alimentées par une éolienne portative

qui recharge une petite batterie.

D.  Pour les zones isolées et exposées aux cyclones :

Pour ces zones, des éoliennes spéciales ont été conçues : elles sont haubanées pour pouvoir

être couchées au sol en 45 minutes et sont de plus allégées. Elles peuvent aussi résister aux

tremblements de terre les plus courants. Elles ne nécessitent pas de fondations aussi profondes

que les autres et se transportent en pièces détachées. Par exemple, 7 éoliennes de 275 kW

unitaires rendent Terre-de-Bas excédentaire en électricité, lui permettant d'en fournir à la

Guadeloupe. De 1990 à 2007, 20 MW de puissance éolienne ont ainsi pu être installés en

Guadeloupe. Toutes peuvent être couchées au sol et arrimées, comme ce fut le cas lors des

passages des ouragans Ivan et José.

Mi-2007, il y avait environ 500 de ces éoliennes installées dans le monde, pour une puissance

totale de 80 MW. La puissance des aérogénérateurs qui les équipent est passée de 30 kW à

275 kW en 10 ans.

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IX.  Conclusion Générale

L’éolienne représente un potentiel assez important non pas pour remplacer les énergies

existantes mais pour palier à l’amortissement de la demande de plus en plus galopante. Aprèsdes siècles d’évolution et des recherches plus poussées depuis quelques décennies, plusieurs

 pays se sont, aujourd’hui résolument tournés vers l’énergie éolienne. Les plus avancés dans le

domaine sont : l’Allemagne avec une puissance installée de 14609 MW, l’Espagne 6202 MW,

le Danemark 3110 MW, la Hollande 912 MW et l’Amérique du nord 6677 MW. Avec

certains projets d’énergie éolienne développés (“offshore”, au large des côtes) de grandes

centrales éoliennes fournissent de l’électricité dans certaines parties du monde, à un prixconcurrentiel à celui de l’énergie produite par les installations conventionnelles (par ex. : les

centrales nucléaires et les centrales thermiques au mazout ou au charbon). Par contre enAfrique, le développement de l’énergie éolienne n’a connu aucune évolution et pourtant les

ressources n’y manquent pas et la technologie accessible, sauf la volonté et le manque de

prise de conscience de la majorité des autorités africaines.