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Étude du méandrement du sillage éolien lointain dans différentes conditions de rugosité

Muller, Yann-Aël (2015). Étude du méandrement du sillage éolien lointain dans différentes conditions de rugosité. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le développement de la production d’électricité d’origine éolienne passe par l’augmentation de la taille et du nombre d’éoliennes dans les parcs éoliens. Il existe un intérêt croissant pour le développement de parcs offshore ou dans des milieux forestiers, où les caractéristiques turbulentes de l’écoulement atmosphérique peuvent être très différentes.

La transition entre des tarifs subventionnés de rachat de la production d’électricité vers une tarification plus conforme aux prix du marché combinée avec la raréfaction des sites les plus propices impose aux investisseurs et aux constructeurs de parcs de prévoir la rentabilité des nouveaux projets de parcs éoliens avec précision afin de minimiser le risque financier. Or, la prévision à long terme de la production des installations éoliennes s’avère complexe, d’une part en raison de l’incertitude météorologique d’une année à l’autre, mais également en raison de la complexité des relations entre la turbulence atmosphérique, la topographie, et les interactions des sillages éoliens au sein du parc.

La prévision à court-terme de la production électrique d’un parc avec un horizon de quelques heures est également un enjeu qui prend de l’importance avec la progression de la part de l’énergie éolienne dans la production globale d’électricité. Ces prévisions sont cruciales pour assurer l’équilibre entre la production et la demande sur les réseaux de distribution d’électricité. Une prévision avancée de meilleure précision permet une meilleure gestion des moyens de production alternatifs à réponse rapide tels que les turbines à gaz ou les réservoirs hydroélectriques.

Une tendance actuelle est d’envisager le contrôle en temps réel des paramètres opérationnels des turbines au sein d’un parc. Les paramètres variables peuvent être par exemple l’orientation des turbines, l’angle d’incidence des pales (pitch), ou encore d’autres moyens d’actionnement tels que des volets. Le développement des dispositifs LiDAR, moyen optique de mesure de l’écoulement atmosphérique à distance, permet de mesurer la vitesse de l’écoulement directement en amont du rotor, ce qui ouvre des possibilités nouvelles pour le contrôle actif du rotor en temps réel. De tels procédés pourraient également intégrer des modèles de comportement du sillage éolien afin d’optimiser l’écoulement au sein des parcs.

Les coûts de maintenance des parcs éoliens représentent également un poste important pour les exploitants. L’estimation des sollicitations mécaniques s’exerçant sur les turbines est donc un paramètre important lors de la conception des champs. A ce titre, l’étude des caractéristiques de la turbulence atmosphérique et des interactions de sillage est nécessaire pour estimer les efforts aérodynamiques sur les turbines et fournir des données d’entrée pour des études d’aéroélasticité sur les structures mécaniques.

Toutefois, la mesure de l’écoulement atmosphérique et des sillages des turbines à l’intérieur des parcs est pour l’instant limitée par les moyens techniques existants. Les mesures spatialement résolues ou multi-composantes sont encore rares, malgré le développement de nouveaux moyens de mesure. Pour palier à ce déficit, la mesure expérimentale sur modèles réduits en soufflerie donne accès à des données permettant une meilleure compréhension des phénomènes en jeu.

L’autre moyen à disposition est la simulation numérique d’écoulement. Il a toutefois été constaté que les modélisations stationnaires classiques ont tendance à fortement surestimer la dissipation du sillage en aval des éoliennes. De plus, ce type de modélisation ne permet pas d’étudier les phénomènes instationnaires qui apparaissent au sein des parcs éoliens. Pour ces raisons la modélisation instationnaire par une méthode LES semble être une approche prometteuse pour l’étude des sillages éoliens. Toutefois ce type de modélisation présente des contraintes bien spécifiques.

Ce travail propose d’appliquer ces deux moyens d’étude, la modélisation expérimentale en soufflerie ainsi que la simulation numérique instationnaire pour tenter de mieux comprendre le comportement du sillage d’une éolienne, afin que celui-ci puisse être mieux pris en compte dans la conception et l’exploitation des parcs éoliens.

La problématique est traitée en deux parties. La première porte sur la modélisation de l’écoulement de couche limite atmosphérique, avec une attention particulière portée à la modélisation des grandes échelles de la turbulence atmosphérique. La seconde partie porte sur l’étude du sillage d’un disque actuateur soumis à un écoulement atmosphérique.

Chacune de ces parties comporte un volet expérimental et un volet numérique. La modélisation numérique instationnaire de l’écoulement atmosphérique fait intervenir une technique de génération stochastique de champs de vitesse turbulent avec évolution temporelle, spécialement développée au cours de la présente thèse, à laquelle un chapitre spécifique est dédié.

Le développement du travail effectué est précédé d’une revue bibliographique qui reprend certains aspects théoriques de l’étude statistique de la turbulence dont certaines relations sont utilisées par la suite. Cette revue détaille également certaines techniques de modélisation de la couche limite atmosphérique et de l’aérodynamique du rotor d’une éolienne.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse présentée à l'École de technologie supérieure [et à] l'Université d'Orléans comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie cotutelle France-Québec". Bibliographie : pages 159-164.
Mots-clés libres: Éoliennes. Sillage (Aérodynamique) Essais en soufflerie aérodynamique. Écoulement instationnaire (Aérodynamique) Modèles mathématiques. Couche limite (Météorologie) Modèles mathématiques. Turbulence atmosphérique. Centrales éoliennes. actuateur, disque
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Masson, Christian
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Aubrun, Sandrine
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 10 avr. 2015 20:43
Dernière modification: 14 mars 2017 20:53
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1447

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