Descriptif et contexte général
Une prise de conscience mondiale a été faite quant à la préservation de l’environnement et à l’importance de l’utilisation des énergies renouvelables (ENR). Dans cette optique, de nom-breux projets ont été développés notamment autour de l’habitat : mise en place de chauffe-eaux solaire, et des panneaux photovoltaïques, or il existe très peu de travaux sur les éoliennes à axe verticales intégrables sur les bâtiments. Cette thèse s’inscrit dans une nouvelle voie de re-cherche et développement. Les objectifs de ce projet sont multiples. Ils ont pour but non pas de créer de grand champ d’éoliennes à axe horizontal peu accepté par la population mais des sites de production individuels intégrés aux logements individuels et collectifs, et aux bâtiments tertiaires. Ce type d’intégration d’énergies renouvelables complétera les efforts menés à ce jour concernant la conversion de l’énergie solaire. La multiplication de systèmes de production d’éner-gie éolienne apportera une production d’énerd’éner-gie non-négligeable dans le but de transformer les bâtiments classiques en bâtiments zéro énergie voire en bâtiment à énergie positive. Ce projet de recherche et développement s’intègre naturellement dans une thématique du Laboratoire de Physique et Ingénierie Mathématique pour l’énergie et l’Environnement (PIMENT) ex LPBS de L’université de La Réunion : Systèmes Energétiques et énergies renouvelables Appliqués au Bâtiment (SEAB). L’énergie éolienne est actuellement fortement décriée pour des raisons de nuisance sonores et visuelles et pour une perturbation profonde des modes de vie des faunes aviaires. Les éoliennes à axe vertical sont des dispositifs de production réputés pour l’absence de nuisance sonore (0 décibels produit par rapport au vent) et pour avoir des vitesses de rota-tion compatibles avec la présence des oiseaux. La maintenance est réduite (révision tous les 5 ans) par rapport aux éoliennes à axe classique (révision tous les 6 mois). Les éoliennes à axe vertical s’intègrent aussi facilement dans le paysage et possèdent des formes harmonieuses. En outre, ce type de systèmes présente un intérêt financier non négligeable et s’avère moins coûteux
que des systèmes photovoltaïques. Toutefois, ces éoliennes ont une production plus faible que les éoliennes classiques dans des conditions de vent stable en intensité et en direction (grandes plaines dégagées). A l’inverse, les éoliennes à axe vertical ont des plages de fonctionnement plus grand et fonctionnent très bien dans des environnements perturbés tels que la canopée urbaine, les façades, pignons et arête d’un bâtiment. Le présent projet vise à modéliser numériquement les écoulements d’air autour de l’éolienne en fonctionnement afin de réaliser une optimisation de sa voilure dans un environnement contrôlé (soufflerie numérique) et dans un environnement perturbé par un bâtiment et un ensemble de bâtiments. Une deuxième étape du projet nous amènera à étudier l’intégration aux bâtiments et à mieux cerner le couple bâtiment/ éolienne.
Contexte Régional
Ce projet de recherche et de sdéveloppement a pour but de développer des bases de concep-tion et d’intégraconcep-tion de l’énergie éolienne à la Réunion. Le potentiel de ce projet est considérable. Le but est de rendre chaque maison ou immeuble collectif Réunionnais énergétique-ment indé-pendant. Il s’agit donc de rendre accessible à chaque réunionnais des dispositifs de production d’énergie sous forme intermittente et complémentaire au photovoltaïque. De ce fait, grâce au transfert de connaissance effectué au terme du projet, les entreprises de production, de construc-tion, d’installation et architectes auront une longueur d’avance sur le marché mondial par l’in-tégration de nouvelles technologies à gain énergétique dans les logements neufs et anciens, soit un potentiel de plus de 240 000 logements (source INSEE). Par ailleurs, ces nouvelles technolo-gies et ces développements nécessiteront de nouvelles compétences techniques qui pourront être transférées dans les organismes identifiés comme des pôles de formation en ENR, ceci induira de fait une valeur ajoutée aux formations réunionnaises.
Structure de la thèse
L’intitulé de cette thèse est la modélisation des systèmes éoliens verticaux intégrés aux bâ-timents. Elle contient deux thèmes principaux : une étude sur la modélisation numérique d’une VAWT, une étude sur l’intégration architecturale d’une éolienne dans le bâtiment. Pour le res-pect du contexte initial de l’étude, après une brève introduction sur les contextes du sujet, la partie bibliographique seront présentés dans le chapitre 2. Des éléments de validation du modèle numérique utilisé et les apports sur la modélisation du rotor de l’éolienne en mouvement libre sera présentée dans le chapitre 3. Dans ce chapitre, les paramètres aérodynamiques ainsi que l’analyse de l’écoulement d’air qui passe à travers le rotor de l’éolienne seront traités. Parmi les modèles existants, le modèle CFD sera utilisé pour résoudre nos problèmes. Les modèles
INTRODUCTION GÉNÉRALE 7
mathématiques des équations moyennées de Reynolds (RANS) seront formulés et les modèles de turbulences classiques seront présentés. Parmi ces modèles de turbulences, le modèle standard k-ε et le modèle SST k-ω seront utilisés. Le chapitre 4 traitera l’intégration architecturale des VAWTs autour d’un bâtiment. En effet, on étudiera la puissance susceptible d’être captée par les zones d’un bâtiment à forte vitesse du vent. Cette étude consiste à étudier l’emplacement optimal d’une éolienne à axe vertical autour d’un à deux bâtiments isolés. Enfin, le Chapitre 5 sera consacré à la modélisation de conversion électrique d’une VAWT de type Savonius. C’est sur cette thématique que qu’on va terminer ce rapport de thèse.