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Aperçu sur le développement des parcs éoliens
Historique de l’évolution des éoliennes
L’histoire nous apprend que l’utilisation de la technologie éolienne a été initiée en Perse en l’an 1000 avant J.C pour moudre le grain et pour le pompage d’eau. Elle a débuté à l’ouest de l’Europe seulement en l’an 1300, principalement pour une utilisation rurale. Cette technologie a connu un grand succès jusqu’au dixneuvième siècle en fournissant l’énergie mécanique nécessaire pour les travaux agricoles [1]. Ce n’est que début du 20ème siècle, après l’avènement de la révolution industrielle et des machines à vapeur au 19ème siècle, que les éoliennes ont évoluées, et ont commencées à être utilisées pour produire de l’électricité. La première éolienne Lykkegard pour produire l’électricité a été introduite au Danemark. On commence depuis à parler d’aérogénérateurs. La crise énergétique en 1973 a donné une impulsion pour le développement des éoliennes afin de contribuer à satisfaire la demande d’énergie. Ce développement est de plus en plus encouragé en raison des problèmes de pollution et des changements climatiques provoqués par les émissions des gaz à effet de serre. En effet, avec la diminution du stock mondial d’hydrocarbures, la demande énergétique sans cesse croissante et la crainte d’une pollution de plus en plus envahissante, les énergies propres et renouvelables attirent tout particulièrement les industriels, les énergéticiens et la communauté des chercheurs partout dans le monde. Les éoliennes ont ainsi continué à évoluer au cours des 20 dernières années. Le coût global nécessaire à la production d’électricité à partir du vent est devenu maintenant comparable aux sources d’énergie traditionnelles comme les combustibles fossiles. Cette réduction du coût est le résultat de progrès importants de la technologie utilisée pour les éoliennes. Actuellement, l’industrie est devenue mature et permet d’envisager l’exploitation à grande échelle l’énergie éolienne.
Etat actuel des parcs éoliens
La capacité mondiale installée des éoliennes a atteinte 196 630 MW jusqu’à fin 2010, ce qui peuvent produire l’électricité jusqu’à 430 TWh/an. Ceci représente 2,5% de l’énergie électrique consommée mondialement avec un chiffre d’affaire de 40 milliards d’euros [3]. La représentation graphique en Fig.1.1 montre la puissance installée en MW cumulée dans le monde entier et qui a connu une croissance très importante : 22,5% en 2010 ; ainsi une prévision d’installation pour 2011 est montrée. De cette capacité d’installation mondiale, 84 278 MW sont installés en Europe, ces éoliennes peuvent produire jusqu’à 181 TWh/an; ce qui représente 5,3% de la consommation de l’énergie électrique en Europe. La représentation graphique illustrée en Fig.1.2 montre la répartition des installations éoliennes dans les pays européens en 2010. L’Allemagne occupe la première place pour la puissance installée. Elle est suivie par l’Espagne, l’Italie, et la France. La capacité d’installation en France a atteint 5660 MW [3]; ce qui ont contribué à hauteur de 1,9% à la consommation électrique nationale et ont permis d’éviter l’émission de 4 millions de tonnes du CO2. Ces chiffres montrent l’intérêt croissant pour l’utilisation des énergies renouvelables en réponse à l’inquiétude portée au changement climatique. Á l’horizon de 2020, l’Europe prévoit la production de 20% de son énergie électrique à partir des énergies renouvelables comme l’éolienne. L’Association Européenne de l’Energies Eolienne (EWEA) prévoit, que la puissance installé dépassera les 1900 GW en 2020 [3].
Interaction aérodynamique des éoliennes dans un parc
Le sillage d’éolien a été un sujet de recherche intensive depuis l’intérêt accru de l’utilisation de l’énergie éolienne ces dernières décennies. Les éoliennes sont les plus grandes machines tournantes qui permettent d’extraire l’énergie cinétique du vent et de la transformer en énergie mécanique. Cette extraction énergétique ralentit le vent et donne lieu à un sillage tourbillonnaire qui se développe à l’arrière du rotor éolien [69]. Dans un parc, une éolienne qui se trouve dans le sillage d’une autre sera sous une vitesse de vent ralentie. Elle n’est donc pas dans de bonnes conditions de production d’énergie. De plus, l’augmentation de l’intensité de turbulence, à cause des structures tourbillonnaires du sillage, induit des charges dynamiques (Fig.1.3). Ces charges provoquent la fatigue mécanique des matériaux [4] et réduisent ainsi la durée de vie des pales et des autres composants de l’éolienne.
Si les machines dans un parc ne sont pas positionnées de façon optimale, la perte de puissance peut atteindre jusqu’à 23% [4, 5, 24, 26] par rapport au cas optimum. Dans les grands parcs éoliens off-shore, la perte moyenne due au sillage éolien est de l’ordre de 10 à 20% de la puissance totale. Généralement, la distance entre les éoliennes dans un parc est précisée par les constructeurs comme cinq à neuf fois le diamètre dans la direction des vents dominants et trois à cinq fois le diamètre dans la direction perpendiculaire [26]. Mais malheureusement, cette définition de positionnement ne garantit pas le rendement optimum pour les éoliennes. Il est absolument indispensable d’étudier et d’analyser le développement du sillage de l’éolienne pour optimiser la rentabilité énergétique d’un parc éolien. La maîtrise de l’aérodynamique des éoliennes permet de concevoir des éoliennes plus efficaces et plus performantes. Cependant, l’interaction aérodynamique des éoliennes dans un parc constitue toujours un défi pour l’aérodynamique [31, 68]. En effet, la difficulté vient de nombreuses contraintes qui conditionnent le fonctionnement des éoliennes, telles que : la topographie du terrain, les conditions atmosphériques complexes et l’interaction aérodynamique entre les machines voisines [1,8]. Actuellement, il n’est pratiquement pas possible de simuler plusieurs machines éoliennes installées dans un parc avec des méthodes de simulation complète, parce que le temps de calcul devient rapidement prohibitif. En effet, la simulation de la géométrie complète des pales nécessite un nombre énorme de mailles au voisinage des parois afin de reproduire les effets de la couche limite. Pour résoudre cette difficulté, plusieurs travaux ont été réalisés afin de développer des modèles équivalents du rotor éolien permettant d’accélérer le calcul [9]. Ces modèles appelés « modèles hybrides » consistent à remplacer le rotor éolien par des forces de volume ou de surface à l’intérieur du domaine de simulation numérique. Cependant, même en mettant en œuvre des moyens puissants de calcul, la bonne représentation du rotor reste un problème difficile. La difficulté pour la modélisation de l’éolienne est révélée dans la recherche dite « blind test » menée par le NREL (National Renewable Energy Laboratory) en 2002 [76].
Analyse des méthodes aérodynamiques pour la modélisation des éoliennes
Il existe différentes façons de classer les méthodes de calcul. Dans ce travail, on s’intéresse au développement des méthodes qui peuvent être appliquées aux études des parcs éoliens. En conséquence, il est utile de classer les méthodes selon la rapidité et la précision. Pour cela, on distingue deux catégories de méthodes aérodynamiques applicables aux rotors éoliens :
• Méthodes basées sur l’aérodynamique du profil.
• Méthodes de simulation complète.
Les méthodes basées sur l’aérodynamique du profil des pales utilisent les caractéristiques bidimensionnelles des profils, provenant de l’expérience ou de la simulation. L’hypothèse principale de ces méthodes est que l’écoulement autour du profil de pale est considéré bidimensionnel; donc le fonctionnement des tranches voisines de la pale est indépendant. En résultat, le calcul des forces aérodynamiques appliquées à la pale, peut être simplifié. Le calcul de portance et de traînée se fait par une simple intégration de ces forces le long de la pale, tranche par tranche, en prenant en compte les propriétés aérodynamiques des profils et la vitesse à l’amont. Ce calcul est très rapide et permet d’accélérer la solution. La différence entre ces méthodes vient du calcul de la vitesse à l’amont de la tranche. Ce calcul est très simple, quand on utilise la théorie de Glauert ou le calcul est très complexe mais précis, quand on utilise la méthode de résolution des équations de Navier-Stokes.
Contrairement aux méthodes basées sur l’aérodynamique du profil qui simplifient l’écoulement autour du profil de pale, les méthodes de la simulation complète prennent en compte la géométrie réelle de la pale. Ces méthodes utilisent soit la théorie de l’écoulement potentiel, soit les équations de Navier-Stokes ou d’Euler afin de modéliser l’écoulement autour des éoliennes.
Théorie de Glauert
Cette théorie, développée par Glauert en 1935 [21], constitue un progrès significatif pour modéliser l’écoulement à travers le rotor, en couplant le théorème de quantité de mouvement et la théorie de l’élément de pale. Ici, la résultante de vitesse est corrigée à l’aide de la vitesse induite par le rotor. Le théorème de quantité de mouvement calcule la vitesse induite axiale pour chaque élément de pale. Le théorème de conservation de la quantité de mouvement en rotation calcule la vitesse tangentielle induite. En prenant en compte ces vitesses induites, les efforts aérodynamiques sont obtenus avec la vitesse relative au profil au plan de rotation.
Méthode tourbillonnaire de la ligne portante
Cette méthode très simple est introduite par Ludwig Prandtl (1918) pour les ailes et Nikolaï Joukovski (1912) pour les hélices. Ici, la pale du rotor est remplacée par une ligne portante avec une distribution de tourbillons attachés qui créent la portance (Fig. 2.7).
La méthode de la ligne portante, appliquée aux éoliennes, remplace l’écoulement à travers le rotor, par un écoulement à travers un système tourbillonnaire équivalent. Le système comporte les tourbillons dits « attachés » qui représentent les pales. Ces tourbillons tournent à la même vitesse angulaire que le rotor éolien et créent une portance équivalente aux pales. Cependant, selon le théorème de Helmholtz, le tourbillon doit être fermé et ne peut finir (ou naître) à l’intérieur de l’écoulement. Ainsi, aux extrémités de la pale, apparaissent les tourbillons marginaux qui se referment à l’infini, à l’aval de l’éolienne. Ces tourbillons ne subissent aucune force et se meuvent avec l’écoulement [29].
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Table des matières
Introduction générale
Partie A. État de l’art sur les éoliennes
1. Aperçu sur le développement des parcs éoliens
1.1 Introduction
1.2 Historique de l’évolution des éoliennes
1.3Etat actuel des parcs éoliens
1.4 Interaction aérodynamique des éoliennes dans un parc
1.5 Conclusion
2. Analyse des méthodes aérodynamiques pour la modélisation des éoliennes
2.1 Introduction
2.2 Méthodes basées sur l’aérodynamique du profil
2.2.1 Théorie de l’élément de pale
2.2.2 Théorie de Glauert
2.2.3 Méthode tourbillonnaire de la ligne portante
2.2.4 Méthode hybride
2.3 Méthodes basée sur la géométrie complète
2.4Evaluation des méthodes adaptées pour la simulation des parcs éoliens
2.5 Conclusion
Partie B. Modèle hybride proposé
3.Proposition d’un modèle hybride intégrant les forces tangentielles dans l’évaluation des charges aérodynamiques
3.1 Introduction
3.2 Modèles hybrides appliqués aux rotors éoliens
3.2.1 Modèle hybride du disque actif
3.2.2 Modèle hybride de la ligne active
3.2.3 Modèle hybride de la surface active
3.3Analyse des résultats d’essais NREL et besoin de modélisation des forces tangentielles sur les profils de pale
3.4 Conclusion
4.Validation du modèle proposé dans le cas de l’écoulement autour d’un profil
4.1 Introduction
4.2Simulation avec la géométrie complète du profil
4.2.1 Validation de la simulation
4.2.2 Distribution des charges aérodynamiques
4.3 Simulation avec les modèles hybrides
4.3.1 Cas de la ligne active
4.3.2 Cas de la surface active
4.3.3 Nouveau modèle de surface active
4.4 Comparaison des résultats de simulation
4.4.1 Ecoulement autour du profil
4.4.2 Développement du sillage
4.5 Conclusion
5.Etude en soufflerie par exploration PIV de l’écoulement autour d’une éolienne tripale à axe horizontal
5.1 Introduction
5.2Principe de la technique de mesure PIV
5.3 Description du banc d’essais en soufflerie
5.3.1Présentation de la soufflerie
5.3.2Éolienne testée
5.3.3Equipement PIV
5.4 Description des essais et traitement des images PIV
5.5 Résultats des essais
5.6.1 Champ de l’écoulement instantané
5.6.2 Champ de l’écoulement moyenné
5.6 Conclusion
Conclusion générale
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