Date de publication : 05 mai 2007

Etude des performances d’un système de conversion éolienne. Application sur le site d’Adrar (Algérie)

Résumé

L'énergie éolienne a connu une très forte croissance au cours de la dernière décennie grâce aux avantages qu'elle présente pour l'environnement, aux percées technologiques connexes et aux programmes d'encouragement gouvernementaux dans le monde. Le présent article fait état des récents développements concernant les systèmes de conversion de l'énergie éolienne ainsi que des avantages sociaux et environnementaux qui y sont associés.

Il présente aussi une modélisation et simulation d’un système de conversion éolienne sur le site d’Adrar (Algérie) en utilisant les paramètres météorologiques et radio métriques et la détermination des paramètres de Weibull k et C et la puissance récupéré (vitesses moyennes du vent) en fonction de l’altitude et de rugosité du site.

Introduction

L’estimation des ressources en énergie éolienne présente une difficulté majeure. Contrairement aux réserves en combustible fossile, la quantité d’énergie disponible varie avec la saison et l’heur du jour. L’énergie éolienne est d’avantage influencée par la topographie que l’énergie solaire. De plus, la quantité totale d’énergie éolienne convertible sur le territoire d’une nation, dépend de façon significative des caractéristiques, du rendement espéré, du dimensionnement et de la répartition horizontale des éoliennes.

2. Les avantages et les Inconvénients de l'énergie éolienne

Tous système de production d’énergie a ses avantages et ses inconvénients [1, 2]:

2.1. Avantages :
• Energie propre non polluant
• Elle peut être complémentaire aux filières traditionnelles
• Elle ne consomme pas de combustibles
• Abondante
• Elle permet que le terrain occupé par les parcs éoliens soit utilisé à d'autres fins, par exemple : agricoles
• Bas impact environnemental ;
• Ils fonctionnent de façon rentable dans les régions éloignées et venté.
• Ils sont flexibles et peuvent être élargis à n'importe quel moment pour répondre à vos besoins en matière d'électricité.
• Temps de réalisation d’une centrale éolienne minimum.
• Ils ont une longe durée de vie.
• On élimine les frais et les risque de transport associé des énergies fossiles.

2.2 Inconvénients :
• Instable, elle est sujette à des variations du vent et à des périodes de calme
• Difficulté de stockage de l'énergie
• Les équipements sont chers et produisent du bruit
• Impact visuel (effets d'ombre dus au mouvement et réflexions intermittentes)
• Interférences électromagnétiques.

Principe de fonctionnement

Une éolienne est constituée d’une partie tournante, le rotor, qui transforme l’énergie cinétique en énergie mécanique, en utilisant des profils aérodynamiques. Le flux d’air crée autour du profil une poussée qui entraîne le rotor et une traînée qui constitue une force parasite. La puissance mécanique est ensuite transformée soit en puissance hydraulique par une pompe, soit en puissance électrique par une génératrice.

Le système éolien est constitué des éléments suivants : un capteur éolien, un adaptateur mécanique composé des organes de transmission de puissance avec multiplicateur ou réducteur de vitesses, un transformateur d’énergie qui peut être électrique, hydraulique ou thermique, un accumulateur d’énergie associé au transformateur, un réseau de distribution alimentant le ou les utilisateurs, enfin les organes de commande, de sécurité et de distribution [2].

3. Donnés géographique et météorologiques de la wilaya d’Adrar [3]

La wilaya d’Adrar est située dans la partie centrale du Sahara. Elle est limitée au nord par la wilaya de Béchar, à l’est par les wilayas de Ghardaïa et de Tamanrasset, à l’ouest par la wilaya de Tindouf et au sud-ouest par la République Islamique de Mauritanie.
La région d’Adrar, à climat de type Continental Désertique, est caractérisé par un régime pluviométrique très faible avec des précipitation rares et irrégulières d’une année à une autre et par un régime thermique qui présente lui aussi de grandes variations avec des hivers rigoureusement froids et de tés très chaud :

La fréquence des vents est très grande durant toute l’année ; en effet le pourcentage des fréquences calmes est de l’ordre de 16 % à Adrar. Les vitesses sont très élevées puisque la fréquence des vitesses supérieur à 5 m/s est de l’ordre de 20 à 40 % et que des vitesses supérieures à 20 m/s ne sont pas rares (les rafales de vent).

La direction des vents dominants est de secteur Nord-Est et Nord (sauf en juillet et août ou ils sont de secteur Est et Nord-Est) avec une fréquence de 25 % pour le Nord- Est et 16 % pour le secteur Nord.

La vitesse moyenne mensuelle de vent sur le site d’Adrar à une hauteur de 10 m du sol est tous jours supérieure à 5 m/s, et comme la plupart des éoliennes démarrent à une vitesse de vent supérieure à 3 m/s, donc l’exploitation de l’énergie éolienne est favorable pour ce site. Le site d’Adrar offre un potentiel énergétique éolien très important et peut être rentable même pour les installations de grande puissance [1].

4. Caractéristique vitesse -altitude

La vitesse du vent, la puissance annuelle et le facteur de puissance augmentant avec la hauteur, les aérogénérateurs fonctionneront avec une très grande efficacité à des hauteurs plus élevées.

5. Variation de la masse volumique de l’air en fonction de la température, pression et de l’altitude

5.1. Pression atmosphérique moyenne
La variation de la valeur de la pression atmosphérique moyenne annuelle a une influence sur la densité de l'air, et donc sur la puissance éolienne récupérable pour une même vitesse du vent.
La pression atmosphérique moyenne est inversement proportionnelle à l'altitude [4].

5.2. Température moyenne annuelle
La variation de la valeur de la température moyenne annuelle a une influence sur la densité de l'air, et donc sur la puissance éolienne récupérable pour une même vitesse du vent. Pour cela nous avons utilisé un coefficient de correction thermique.
Plus la température est élevée, moins l'air est dense et, donc, moins l'énergie du vent est grande. La masse volumique de l’air dans les conditions standards (la pression atmosphérique standard 101,3 kPa [5] au niveau de la mer et à la température de 15 ºC) ρ0 =1,225 kg /m3.

6. Puissance moyenne annuelle fournie par un aérogénérateur

L’énergie du vent ou énergie éolienne traversant une surface A perpendiculaire à la direction du vent est l’énergie d’une masse d’air en mouvement, encore appelée énergie cinétique. A un instant donné, la puissance d’un vent de vitesse V est proportionnelle au cube de la vitesse du vent ainsi qu’à la surface traversée A [2].
P ~A V³ .Donc, quand la vitesse du vent double, la puissance est multipliée par 8.

7. Régulation mécanique de la vitesse de l’éolienne [6]

Les objectifs de la régulation sont d’assurer la sécurité de l’éolienne par vents forts et de limiter la puissance. Chaque éolienne est caractérisée par :

. VN la vitesse nominale, pour la quelle la turbine éolienne est développe sur son arbre une puissance nominale Pn.
. VD : la vitesse de démarrage,
. VM : la vitesse maximale du vent,

Les vitesses VD, VN et VM définissent quatre zones sur le diagramme de la puissance utile en fonction de la vitesse du vent :
· La zone I (V<VD), où la puissance P = 0 (la turbine ne fonctionne pas),
· La zone II (VD ≤V≤VN), dans laquelle la puissance fournie sur l'arbre dépend de la vitesse du vent V,
· La zone III (VN ≤V≤VM), où la vitesse de rotation est maintenue constante (régulation centrifuge) et où la puissance fournie reste égale à PN.
· La zone IV (VM ≤V), dans laquelle le système de sûreté du fonctionnement arrête le transfert de l'énergie.

8. Conclusion

La densité de puissance moyenne annuelle disponible sur le site d’Adrar à 10m est estimée à 2481,83 kWh/m2.an, et la densité de puissance moyenne annuelle récupérable est 1464,30 kWh/m2.an pour la même hauteur. Cette densité de puissance devient après la correction de la masse volumique de l’air (coefficient de correction thermique, de pression et de l’altitude), 1355,90kWh/m2.an.

Généralement les vitesses sont mesurées à une hauteur normalisée égale à 10m du sol, mais les aérogénérateurs commercialisés sont installés à des hauteurs supérieures ou égales à 25m du sol, donc les caractéristiques du site doivent être corrigées en utilisant un modèle d'extrapolation verticale, a cette hauteur (25m) la densité de puissance moyenne annelle récupérable et de 1956,2 kWh/m2.

La production d’énergie grâce aux éoliennes ne rejette ni gaz à effet de serre, ni polluants atmosphériques. En luttant contre le changement climatique, l’éolien participe donc au maintien à long terme de la biodiversité des milieux naturels. Le caractère réversible et recyclable de ces installations répond bien aux principes d’un développement durable.

9. Références
[1] R. Maouedj, S. Bousalem, et B. Benyoucef « Etude des performances d’un système éolien pour le site d’Adrar ». Le 7eme congrès national de la physique et ses applications (CNPA2006). Béchar .Décembre 2006.
[2] Clebson Wagner Pereira. « L'énergie éolienne : Principe de fonctionnement, développement viable ». Mai - 2006
[3] K. Messaitfa, « Douze années d’expériences du pompage solaire a travers le sud ouest de l’Algérie », ENERSOLE. Octobre 2001. Adrar.
[4] Elliot, D. et al., Wind Energy Resource Atlas of the United States, SERI, Octobre 1986.
[5] Modèle pour projets de centrale éolienne. Centre d’aide à la décision sur les énergies propres. Canada.
[6] Fernando D. Bianchi, Hernán De Battista and Ricardo J. Mantz. « Wind Turbine Control Systems Principles, Modelling and Gain Scheduling Design », Germany.

Mots clés : système de conversion éolienne, paramètres de Weibull, vitesses moyennes du vent, puissance récupérée.

Auteur(s) :

R. Maouedj et B. Benyoucef - Unité de Recherche Matériaux et Energies Renouvelables (URMER) - Université Abou Bekr BELKAID. TLEMCEN - B.P : 119, 13000 Tlemcen. Algérie - E-mail : ra_maouedj@yahoo.fr