TP 4.2: Production énergetique par éolienne

Fichier Word:             TP 4.2 Production energétique par éolienne

Comparée à d’autres pays européens, la France a très peu développé, la production d’énergie électrique à partir de l’énergie éolienne. Les raisons essentielles de ce choix ont certainement été la priorité donnée au nucléaire et un coût de production relativement élevé.

Aujourd’hui, il semble que « le vent tourne » car les populations prennent conscience des enjeux environnementaux.

On notera aussi que les progrès techniques réalisés dans la conception et la réalisation des éoliennes (appelées souvent aérogénérateurs) ont fait baisser sensiblement le prix de revient de l’électricité éolienne.

I. L'éolien: Principe et production à travers le monde

A partir du document "diaporama éolienne"

a. Donner la quantité d’énergie totale disponible sur terre pour les éoliennes. (diapositive 4)

b.Quel est l’élément qui crée cette énergie ?

c. Sur la dernière page du document, on parle « d’énergie grise ». Expliquer ce que cela représente. Qu’en pensez-vous pour notre éolienne ?

et du document "eolien en chiffre EDF France"

d. Analyser les chiffres du document et en faire une synthèse (résumé) de quelques lignes

e. Quelle est la puissance totale installée en France du parc éolien?

II. Technologie d'une éolienne

A partirde la diapositive 8 du document "diaporama éolienne"

a. Donner le nom et décrire, de manière détaillée, le rôle de chaque élément (représenté par un chiffre sur le dessin).

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III. Etude d'une éolienne

Notre éolienne sera une VESTAS V47 – 660 kW dont les caractéristiques  techniques sont données dans   vestas_47.pdf

D'après les informations fournies dans le descriptif général de l’éolienne, donner :

a. les vitesses minimale et maximale du vent en phase de production d’énergie électrique (en km/h)

b. la tension de sortie du générateur

c. la fréquence de rotation (en tour/min) de l'arbre rapide pour les conditions nominales de fonctionnement (vitesse de vent de 50 km/h)

d. la plage de vitesse du vent où l’éolienne fournit sa puissance maximale

IV. Puissance disponible sur l'arbre d'une éolienne

Des essais en soufflerie permettent de définir, pour un profil de pale considéré et une commande d’asservissement associée, un coefficient de puissance C_p caractéristique de chaque éolienne. Ce coefficient C_p permet de déterminer la puissance disponible sur l'arbre de l'aérogénérateur par application de la relation suivante, issue de la loi de Betz :

N.B : la surface du disque éolien est la surface circulaire générée par la rotation des pales

Pour la suite de l’étude, on prendra une surface de disque éolien de 1766 m² et C_p disponible sous l’intranet

la courbe Cp en fonction de la vitesse de rotation est à consulter dans le document COEFFICIENT DE PUISSANCE DE L’AEROGENERATEUR.pdf.

a. Créer un tableur sous Excel avec une ligne pour v(la vitesse), Cp, et la puissance mécanique.

b. Calculer la puissance mécanique disponible pour des vitesses de vent égales à 5 m/s, 10 m/s, 15 m/s, 20 m/s et 25 m/s.

c. Tracer à l’aide des valeurs précédentes, le graphe de P = f(v) sur excel.

d. Conclure sur la caractéristique obtenue. Pour quelle valeur de la vitesse du vent a t on la plus grande puissance mécanique? Quelle est la conséquence des vents très violents?

V. Exercice d'application: Installation d'une éolienne dans le chalet de montagne

La région pouvant être suffisamment ventée, le promoteur décide d'apporter un apport d'énergie électrique en associant la production photovoltaïque étudiée en TP3.2 à une éolienne . Cette éolienne a une  puissance 3,5 kW pour assurer sa production d’électricité. A partir des relevés RTE, on obtient une estimation de la  production totale des éoliennes françaises. Cela nous permet d'extrapoler à notre éolienne afin d’en déduire sa production mensuelle. On utilise les relevés du mois d'avril de cette année pour faire notre estimation.

a.Lire sur le graphique le pourcentage moyen de production nationale de l’éolien ainsi que la puissance (que signifie ces valeurs)

on a vu à la question I.e, la puissance totale installée en France du parc éolien

b. Calculer (en %) le rapport de production éolienne par rapport à celle installée

c. A partir de la puissance de notre petite éolienne et du pourcentage de production, calculer la production théorique de ce mois d’avril (en kWh)

d. .Peut-on extrapoler sur l’année? Vous pouvez changer la période d'étude à partir du lien RTE proposé

 https://www.rte-france.com/eco2mix/la-production-delectricite-par-filiere#

VI. Prototypage numérique de l'éolienne

6.1 Détermination de la puissance mécanique captée par l’hélice (à la vitesse nominale)

On veut mesurer la puissance mécanique Pu disponible sur l’arbre de sortie de l’hélice pour la vitesse nominale du vent

P_tr= C_u × w, où C_u est le couple moteur en N·m et w la vitesse angulaire en rad/s.

 Procédure à suivre:

- Ouvrir le fichier eolienne.psimsch  avec le logiciel  Psim Version 9 que vous enregistrerez sous votre bureau .

- Régler la vitesse du vent à la valeur nominale.

- Simuler le fonctionnement de l’éolienne.

- Afficher les courbes de la fréquence de rotation N_h de l’arbre de sortie de l’hélice.

- Afficher la courbe de la puissance mécanique Pu en multipliant les courbes : Couple et vitesse angulaire

a. Mesurer le temps nécessaire à l’hélice pour atteindre sa fréquence de rotation nominale:

b. Mesurer la fréquence de rotation nominale de l’hélice:

c. Mesurer la puissance mécanique Ptr captée par l’hélice:

 

 6.2 Détermination du rendement de l'hélice

Le rendement ηh de l’hélice est défini par la relation :

 où  P_vent représente la puissance du vent traversant la surface circulaire balayée par les pales de l’hélice

A partir des documents  :

	a. Donner le coefficient de puissance Cp (valeur max) de cette éolienne b. Calculer la puissance Pvent portée par le vent à la vitesse nominale c. Calculer le rendement de l’hélice ηh.

  6.3 Etude du générateur associé à l'hélice

On utilise le schéma complet de l’aérogénérateur (hélice + alternateur) associé au redresseur et à la batterie. La batterie est constituée d'accumulateurs électrochimiques au plomb.

La tension V_bat aux bornes de la batterie (de 24 V) varie en fonction de son état de charge:

V_bat = 21V lorsque la batterie est complètement déchargée

V_bat = 29 V lorsque la batterie est chargée.

 Procédure à suivre:

- Ouvrir le fichier  eolienne avec moteur pmsm 24v psimsch avec le logiciel  Psim Version 9 que vous enregistrerez sous votre bureau .

- Placer sur le schéma les appareils, voltmètre et ampèremètre, pour mesurer la tension et le courant à la sortie de l’alternateur.

- Simuler le fonctionnement de l’éolienne en fonction du temps

- Visualiser l’évolution du courant I_alt et de la tension V_alt

a. Mesurer la durée de la recharge complète de la batterie en secondes. Exprimer cette durée en heures

Modifier la durée de la simulation: double cliquer sur l’élément simulation control et régler final time à  180000 et time step à 30. Simuler le fonctionnement. Afficher les courbes de la puissance électrique Pelec _moy et du courant I_alt en sortie de l’alternateur.

b. Mesurer la puissance fournie à la batterie au début et à la fin de la charge

c. Mesurer la puissance moyenne Pelec _moy produite par l’alternateur en cliquant sur "x barre"

d. Relever la valeur mesurée de Pelec _moy

d. Calculer le rendement moyen de l’alternateur

  6.4  Bilan énergétique de l'éolienne

a. Calculer le rendement moyen de l’aérogénérateur (à la vitesse nominale)

b. Conclure sur l’intérêt d’utiliser une éolienne par rapport à du photovoltaïque (puissance fournie, encombrement, rendement, utilisation etc.)