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Ce TP a t r alis par les tudiants Pierre Boscq Baptiste Dumortier Aurore Dutin et. Kevin Friry durant leur projet de fin d tudes 2005 2006. DOCUMENT DISPONIBLE SUR L INTRANET, Table des mati res. Donn es historiques et conomiques 5, 1 1 L histoire de l olienne 5. 1 1 1 Des moulins vent aux oliennes modernes 5, 1 1 2 L olien aujourd hui 7. 1 2 Evolution de l nergie olienne en quelques chiffres 8. 1 2 1 Evolution mondiale depuis 1995 8, 1 2 2 Etude de l ann e 2005 9. 1 2 3 La France 11, 2 Rappels th oriques et techniques 13.
2 1 Principes de bases 13, 2 1 1 Les capteurs axe vertical 14. 2 1 2 Les capteurs axe horizontal 16, 2 2 Pr sentation g n rale du syst me 17. 2 2 1 Capteur d nergie 17, 2 2 2 Transmission m canique 18. 2 2 3 Convertisseur 18, 2 2 4 Syst mes de r gulation 18. 2 2 5 La charge 19, 2 2 6 La structure support 20, 2 3 Les m thodes de quantification des performances d une olienne 21.
2 3 1 L nergie disponible 21, 2 3 2 L nergie r cup rable 22. 2 3 3 La th orie de BETZ 22, 2 3 4 La limite de BETZ 24. 3 Manipulation 25, 3 1 Questions de culture g n rale 25. 3 2 Travail pratique Quantifier les performances de l olienne 26. 3 2 1 Protocole exp rimental 26, 3 3 Annexe Caract ristiques de l olienne RUTLAND 503 28. Chapitre 1, Donn es historiques et conomiques, 1 1 L histoire de l olienne.
L utilisation de la force du vent pour suppl er l nergie humaine ou animale n est pas. nouvelle on a retrouv la trace de syst mes fixes de conversion du vent qui remontent. 2000 ans avant J C et l utilisation du vent pour la navigation date peut tre de 5000 ans Cer. tains pays ont depuis le Moyen Age largement fait usage de ce type d nergie par le biais de. moulins vent ou d oliennes dites am ricaines que ce soit pour moudre le grain ou pomper. l eau Les ann es 1970 2000 ont vu une importante volution la fois de leur utilisation. par le monde et de leur conception b n ficiant des progr s technologiques et scientifiques. dans les domaines de l a rodynamique la structure les mat riaux l lectronique etc l ac. croissement de nos besoins nerg tiques suscite en effet leur d veloppement et leur mise. en uvre De par notre mode de vie nous avons cr e une forte demande d nergie de. plus confront s aux r ductions des r serves aux augmentations des co ts et aux impacts. cologiques des nergies traditionnelles nous sommes amen s proposer des alternatives. int ressante et renouvelable pour compl ter ces sources traditionnelles et l olienne consti. tue une source d nergie ad quate car fiable in puisable et sans cons quences ind sirables. sur l environnement s inscrivant notamment dans l effort global de r duction des missions. des gaz effet de serre, 1 1 1 Des moulins vent aux oliennes modernes. L nergie olienne tire son nom d Eole le nom donn par les anciens Grecs au dieu pro. duisant le vent, Il y a bien longtemps que les hommes ont imagin des. moyens pour exploiter les vents on a par exemple trouv. des roues aubes que le vent faisait tourner chez les perses. Mais c est vers le 12 me si cle qu apparaissent en Europe. les premiers moulins vent, Vers le d but du 13 me si cle les moulins taient consti. tu s d une solide tour ronde et les ailes ressemblaient des. chelles sur lesquelles on accrochait des toiles Vers la fin du. 14 me si cle on am liora les m canismes en permettant par. exemple au chapeau du moulin de tourner pour orienter les. pales vers le vent pour une utilisation plus intensive Puis. les moulins pivot sont apparus dont le b timent tait sus. pendu sur un axe central permettant de l orienter dans la. direction du vent, Vers 1845 les meuniers tant fatigu s de devoir en perma. nence monter dans les ailes pour faire varier la surface de. voilure on rempla a le tissu des ailes par un ing nieux sys. t me de planches mobile Nous devons cette am lioration. un inventeur fran ais du nom de Berton Nos h lices mo. dernes pas variable ne constituent finalement qu une mo. deste am lioration de ce m canisme La derni re volution. marquante a t l adoption de profils semblables des ailes. Ce sont sans doute les films du Far West qui ont fait d cou. vrir au grand public l olienne moderne tournant et grin. ant dans la ferme am ricaine traditionnelle Plusieurs mil. liers furent install es aux Etats Unis en particulier en Cali. fornie servant au pompage de l eau dans les levages. Des moulins massifs et trapus d autrefois nous avons au. jourd hui volu vers des structures l g res a riennes et. l gantes Le syst me de production lectrique occupe en. effet peu d espace il s agit d une h lice branch e sur un. alternateur Les principes qui gouvernent les rotors de ces. machines s apparentent ou sont issus de ceux des h lices ou. des rotors d h licopt res, 1 1 2 L olien aujourd hui.
Le Sommet de la Terre Rio en 1992 a marqu la prise de conscience internationale. du risque de changement climatique Les tats les plus riches pour lesquels une baisse de. croissance semblait plus supportable et qui taient en outre responsables des missions les. plus importantes y avaient pris l engagement de stabiliser en 2000 leurs missions au ni. veau de 1990 C est le Protocole de Kyoto en 1997 qui traduisit en engagements quantitatifs. juridiquement contraignants cette volont, De nombreux industriels ont alors pris conscience qu une r elle ouverture s op rait dans. le domaine olien, Il existe ainsi de nos jours une large palette d o. liennes diff rentes surtout utilis es pour la pro, duction lectrique Le petit olien par exemple. utilis par les particuliers d livre des puissances. de quelques dizaines de Watts pour des surfaces, d une cinquantaine de centim tres de diam tre ba. lay es par l h lice Le gros olien se tourne plu, t t vers la production d lectricit nationale qui.
est directement inject e sur le r seau de distribu. tion des puissances de 5 000 kiloWatts peuvent, ainsi tre obtenue pour des oliennes de 80 m tres. de diam tre, Des projets actuels se tournent vers des parcs maritimes en haute. mer aussi appel s parcs en offshore car bien que le co t du. kWh produit soit plus lev que sur le continent la production. y est plus stable et plus importante du fait de la pr sence quasi. constante de vent, Les sommets de Bonn en juillet 2001 et de Johannesburg en sep. tembre 2002 ont permis de d finir la mise en uvre du proto. cole de Kyoto et de r affirmer l objectif de r duction des gaz. effet de serre Le d veloppement des nergies renouvelables est. alors un enjeu primordial puisque la France s est engag e pro. duire 21 de son lectricit partir d nergies propres d ici 2010. au lieu de 15 actuellement comprenant d j l nergie hydrau. lique fournie par les barrages, 1 2 Evolution de l nergie olienne en quelques chiffres. 1 2 1 Evolution mondiale depuis 1995, Capacit totale install e dans le monde entre 1995 et 2005 source GWEC1.
La capacit totale mondiale install e fin 2005 tait de 59 322 MW ce qui repr sente une. progression de 25 par rapport l ann e 2004 Comme l indique le graphique ci dessus la. puissance install e augmente chaque ann e Ainsi l allure g n rale de la droite passant par. le sommet de chaque cylindre est similaire celle d une exponentielle ce qui traduit avec. quelle rapidit la capacit olienne install e cro t, Le graphique suivant illustre la capacit install e dans le monde au cours de chaque. GWEC General Wind Energy Council Conseil G n ral de l Energie olienne. Les membres de cette association viennent de plus de cinquante pays diff rents ils repr sentent. Plus de 1500 entreprises associations ou institutions. La majorit des grands constructeurs d olienne, Capacit install e dans le monde pour chaque ann e source GWEC. La encore nous remarquons que l installation d oliennes est en constante et forte aug. mentation ces derni res ann es l ann e 2005 a ainsi t celle durant laquelle le plus de ca. pacit a t install e avec pr s de 12 000 MW au niveau mondial Ces chiffres quantifient les. efforts effectu s par plusieurs pays pour augmenter la part de production lectrique via des. nergies propres, 1 2 2 Etude de l ann e 2005, L Europe dispose de 40 500 MW de capacit install e fin 2005 ce qui repr sente 69 de. la capacit mondiale Avec cette capacit l Europe a d ores et d j atteint l objectif de 2010. impos par la Commission europ enne l objectif tant de 40 000 MW. D ici 2010 l nergie olienne permettra elle seule de diminuer d un tiers le d gagement. des gaz effet de serre impos l Union Europ enne par le trait de Kyoto. Dix premiers pays en terme de capacit install e d cembre 2005 source GWEC. Le graphique pr sent ci dessus fait appara tre les dix pays ayant les plus grandes capa. cit s install es la fin de l ann e 2005, L Allemagne avec pr s du tiers de la capacit totale install e dans le monde figure bien. videmment en t te de ce classement Derri re nous retrouvons l Espagne et les Etats Unis. avec respectivement 16 9 et 15 4 de la capacit mondiale Figurent ensuite des pays. comme l Inde avec 7 5 et le Danemark avec 5 3, Bien que les chiffres aient volu s depuis l ann e 2003 l ordre mondial est rest sensi.
blement le m me Voici donc titre indicatif ce que repr sentait la production d lectricit. assur e par l nergie olienne par rapport la production totale de chacun des pays suivants. pour l ann e 2003, Danemark 25, Espagne 16, Allemagne 15. Etats Unis 0 7, Le croisement des informations du graphique avec ces derni res met en vidence un. aspect important la capacit install e de chaque pays par rapport celle mondiale n est. pas r v latrice de la politique de production d nergie de ce m me pays En effet bien que le. Danemark occupe la cinqui me place mondiale en terme de capacit install e sa production. lectrique est issue 25 de l nergie olienne A l oppos les Etats Unis ne produisent que. 0 7 de leur lectricit partir de l olien alors qu ils occupent le troisi me rang mondiale. en terme de capacit install e, Les dix premiers pays en terme de capacit install e au cours de l ann e 2005 GWEC. Le graphique et le tableau pr c dent font appara tre les pays qui ont install s le plus de. puissance olienne au cours de l ann e 2005 Les Etats Unis ont ainsi install pr s de 21. de la capacit mondiale les efforts de l Allemagne l Espagne et l Inde sont galement. souligner La France appara t au neuvi me rang mondial pour l exercice 2005 avec 367MW. 1 2 3 La France, Le pr sent graphique illustre l volution de la capacit de production install e en France. entre les ann es 1991 et 2005, Capacit de production install e annuellement en France en MW.
La France avec ses 762 6MW repr sentait 1 29 de la capacit mondiale install e et cu. mul e en 2005 La production d lectricit assur e par l olien a atteint la barre notable de 1. TWh au cours de cette m me ann e ce qui rapport aux 549 2 TWh produits par l ensemble. des dispositifs de production nationaux repr sente 0 18. Localisation des diff rents parcs oliens fran ais et du potentiel territorial. Comme le montre la carte des vents ci dessus tout le territoire n est pas propice ac. cueillir des oliennes il existe ainsi des disparit s en terme de vitesse de vent et de fr. quence Cette carte indique la moyenne annuelle de vitesse de vent en fonction du lieu. g ographique Nous remarquons que les fa ades maritimes sont bien expos es alors que. l int rieur des terres ne b n ficie pas des m mes conditions venteuses. En ce d but d ann e 2006 la France compte 987 oliennes en production r parties dans. les 136 parcs oliens Il est ais de constater que l implantation de ces parcs correspond aux. zones les plus favorables indiqu es sur la carte des vents L H rault et la Bretagne sont les. zones disposant du plus de capacit install e, Chapitre 2. Rappels th oriques et techniques, 2 1 Principes de bases. Une olienne est un g n rateur d lectricit fonctionnant gr ce la vitesse du vent Elle. se compose d un rotor h lice qui se met en mouvement gr ce la force du vent c est la pre. mi re conversion qu effectue l olienne transformer l nergie cin tique du vent en nergie. de rotation Cette rotation est ensuite convertie en lectricit par une g n ratrice L efficacit. maximum de l olienne est obtenue lorsque l h lice est face au vent donc perpendiculaire. Pour appr hender correctement le fonctionnement d une olienne il faut tout d abord. introduire le comportement d une pale dans un flux d air. Notations de portance et de tra n e, Le profil dans le flux d air est soumis deux forces les forces de portance P et de tra n e. T Ces forces varient avec la masse volumique de l air la surface apparente de la pale S et. le carr de la vitesse relative du vent W selon, P 1 2 W 2 SCz. T 1 2 W 2 SCx, Remarque La vitesse relative du vent est li e au rep re relatif celui du profil lui m me.
c est la vitesse que voit le profil, Les coefficients sans dimensions Cz et Cx sont respectivement les coefficients de portance. et de tra n e, La puissance r cup r e en exploitant la force de tra n e est d finie par. Les capteurs portance sont beaucoup plus efficaces que les capteurs tra n e La. puissance r cup r e par de tels capteurs est donn e par. P 1 2 V Cz S, o V est la vitesse de l air en coulement libre. 2 1 1 Les capteurs axe vertical, Deux principes diff rents sont utilis s pour ce type de machines. savoir la tra n e diff rentielle ou la variation cyclique d incidence. Capteurs a tra n e diff rentielle, Le principe de mise en mouvement est le suivant.
TP EOLIENNE Objectifs du TP Acqu rir des connaissances sur l origine et l utilisation actuelle de l nergie olienne Comprendre et mettre l preuve le fonctionnement d une olienne travers l observation de son comportement et la quanti cation de ses performances 1 Ce TP a t r alis par les tudiants Pierre Boscq Baptiste Dumortier Aurore Dutin et Kevin

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