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Étude de l'interaction aérodynamique entre deux parcs éoliens

Ghanem, Jean (2008). Étude de l'interaction aérodynamique entre deux parcs éoliens. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Depuis l'arrivée de l'industrialisation au XIX" siècle, l'homme a constamment cherché des nouvelles sources d'énergie pour développer l'économie. Ces dernières années, les problèmes de la pollution et du réchauffement climatique ont mis de l'avant les énergies vertes dont l'énergie éolienne. Bien que le vent soit une ressource disponible et gratuite, les régions de choix pour installer les parcs éoliens demeurent limitées. Les contraintes d'ordre scientifique et réglementaire conduisent à des situations où deux parcs se retrouvent à proximité l'un de l'autre.

Cette situation peut causer quelques difficultés selon la distance entre deux parcs. La proximité des parcs pourrait amener à des pertes de performances plus ou moins grandes. Afin de quantifier les pertes potentielles, il suffit de rappeler que la puissance d'une ou de plusieurs éoliennes est proportionnelle au cube de la vitesse du vent en amont. Donc, la performance d'un parc est intimement liée à la vitesse du vent en amont de chacune des turbines faisant partie du parc. Des méthodologies ont été développées pour l'étude aérodynamique d'un parc. La plupart de ces méthodes considèrent la performance de chaque éolienne individuellement pour ensuite déduire celle du parc. Cette approche n'a pas été retenue dans le cadre de ce mémoire. Le présent mémoire tente de développer une nouvelle approche globale considérant le parc comme une seule entité créant une rugosité élevée
affectant la couche limite atmosphérique.

L'approche utilisée introduit le problème de l'écoulement de l'air au dessus d'une plaque ayant une certaine rugosité. Le mémoire présente une revue de ce type de problèmes. La relation entre le déficit de la vitesse et la rugosité de la plaque qui cause le déficit est examinée. Le traitement de l'écoulement près de la paroi étant un élément important, les différents régimes de l'écoulement près de la paroi seront explicités.

Les parcs, sujet de notre étude, baignent dans l'atmosphère et interagissent avec la couche limite atmosphérique. Dans ce contexte, une bonne compréhension de la couche limite atmosphérique s'impose. Le mémoire présente les différents aspects de cette couche dans ses diverses parties. Différentes formules et méthodologies d'esfimation de la hauteur de la couche limite sont revues. Ces formules aident à établir la hauteur de notre domaine de simulation. Également, étant donné que le parc est considéré comme une rugosité, plusieurs modèles ont été repris.

Plusieurs facteurs régissent le mouvement des particules d'air entourant les éoliennes étudiées comme la pression et la vitesse. Dans un environnement turbulent, comme le notre, les équations moyennées de continuité et de quantité de mouvement de Reynolds sont utilisées. Le modèle de turbulence k-£ standard est adopté pour sa simplicité et son efficacité.

Pour valider la méthodologie utilisée, la première étape consistait à procéder à une simulation dans un domame de 2km de longueur par 800m de hauteur avec une rugosité constante. Cette simulation maintes fois répétée, en imposant à chaque fois une valeur de rugosité différente, a donné les résultats escomptés c'est-à-dire, des profils de vitesse, d'énergie cinétique et de taux de dissipation qui ne varient pas dans la direction de l'écoulement. La deuxième étape consistait à considérer un domaine de longueur 20km en prenant compte du changement de rugosité dans la région du parc. Cette simulation a montré des profils de vitesse en aval du parc qui se rapprochent du profil de l'entrée du domaine au fur et à mesure qu'on s'éloigne du parc. Plusieurs simulations effectuées en variant la position de la frontière de sortie de manière à l'éloigner du parc ont permis de confirmer que les résultats trouvés sont indépendants de l'emplacement de la frontière de sortie. Ces différentes simulafions ont permis d'établir une relation entre la position en aval du parc et le pourcentage de la vitesse non-perturbée récupéré. L'indépendance de la solution obtenue par rapport au maillage a été vérifiée. La sensibilité de la solution par rapport à plusieurs paramètres a été examinée.

Enfin, une simulation du même parc, mais placé en mer, a été faite avec une longueur de domaine de 28km. Celle-ci a permis d'établir une comparaison entre le comportement du vent en aval du parc dans les deux cas : sur terre et en mer. On constate que le profil de vitesse du vent non-permrbé est récupéré plus rapidement sur terre qu'en mer.

Titre traduit

Study of the aerodynamic interaction between two wind farms

Résumé traduit

Since the industrialization era at the 19th century, the quest for new sources of energy did not cease. More recently, problems of pollution and global warming helped accelerating the elaboration of green energy like wind turbines. Although wind is a free resource available worldwide, viable sites to install efficient wind farms remain limited. Constraints of scientific and of regulatory nature bring situations in which two farms can be more or less close to one another.

This situation, dependently of the distance between two farms, could lead to serious performance losses. In order to be able to estimate these losses, it is important to note that the power of one or several wind turbines is proportional to the speed of the wind upstream raised to the power three. Therefore, the performance of a farm is closely related to the speed of the wind upstream of each turbine forming this farm. Many approaches are developed for the aerodynamic study of a wind farm. Most of those methods do consider the performance of each turbine individually to deduce that of the farm. The goal of the present study is to develop a global solution regarding the farm as one entity creating a high roughness affecting the atmospheric boundary layer.

The studied flow being that of the air over a plate having a certain roughness, a review of this type of problem was made. One sees there the relation between the velocity deficit and the roughness of the plate causing this deficit. The near-wall treatment of the flow being a major element, its various aspects are discussed.

The wind farms studied, being placed into the atmosphere, interact with the atmospheric boundary layer. In this context, a good comprehension of the atmospheric boundary layer is important. Various aspects of this layer were exposed. Various formulas and methodologies used to estimate the boundary layer height were discussed. This helped us to establish the height of our simulation domain. Also, given that the farm is considered as a roughness, various farm roughness formulas were reviewed.

Several parameters govern the movement of air particles surrounding a wind turbine like pressure and velocity. In a turbulent environment, like the one studied, Reynolds' averaged equations of continuity and momentum are used. The standard k -£ turbulence model is adopted for its simplicity and its effectiveness.

In order to validate the methodology used, a domain of 2km length and 800m height was considered with a constant roughness. This simulation which was run three times by imposing each time a different roughness value gave the anticipated results, i.e. profiles of velocity, kinetic energy and dissipation rate roughly are constant along the domain. The second step consisted in considering a domain length of 20km taking into account the roughness change in the farm region. This simulation showed that the farther we are situated downstream from the farm, the doser the speed profiles are to the domain velocity inlet profile. Several simulations which were made while varying the position of the outlet boundary confirmed that the results are independent of this boundary position. These various simulations made it possible to establish a relation between the position downstream from the farm and the recovered percentage of not-disturbed velocity.

Mesh independence of the solution obtained was verified. The sensibility of the solution to main wind farm and flow parameters was examined.

Lastly, a simulation of the same farm, but placed offshore, was made with a length of domain of 28km. This one made it possible to establish a comparison between the behavior of the wind downstream of the park in both cases: onshore and offshore. It is to be noted that the speed profile of the not-disturbed wind is recovered more quickly onshore than offshore.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie mécanique". Bibliogr. : f. [142]-144.
Mots-clés libres: aerodynamique, atmospherique, couche, eolien, equation, interaction, limite, methode, numerique, parc, paroi, rugosite, rugueux
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Masson, Christian
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 09 août 2010 14:41
Dernière modification: 16 déc. 2016 21:31
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/107

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