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Influence de la stabilité atmosphérique sur les pratiques du secteur éolien

Sumner, Jonathon (2006). Influence de la stabilité atmosphérique sur les pratiques du secteur éolien. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Puisque le secteur de l'énergie éolienne poursuit un essor rapide, tant en termes technologiques qu'en popularité, les normes internationales décrivant les méthodes pour évaluer la performance d'une éolienne ont de la difficulté à rester à jour. Ce problème est relié aux conditions implicitement complexes dans lesquelles les turbines opèrent. Les effets combinés du terrain non homogène, de la turbulence, des conditions météorologiques diverses et des limitations en mesure jouent un rôle important. Dans ce travail, l'effet des conditions atmosphériques sur la performance d'une éolienne est analysé, avec une emphase sur l'interaction entre le profil de vitesse du vent et la puissance de l'éolienne, pour ainsi examiner la validité des pratiques existantes. cette étude est divisée en deux parties et présentée sous forme de deux articles scientifiques.

Pour analyser l'interaction du vent avec l'éolienne, un modèle atmosphérique est nécessaire. La théorie de Monin-Obukhov est couplée à un modèle de turbulence pour résoudre les profils de vitesse et de température dans la couche limite atmosphérique. Ce modèle est validé avec des mesures de l'étude CASES99 et est ensuite comparé avec le modèle existant «flux-profil». La comparaison illustre les avantages du modèle proposé. Premièrement, le modèle de turbulence permet des solutions sous des conditions très stables, une faiblesse connue de la méthode «flux-profil». Deuxièmement, l'introduction d'une autre équation élimine le besoin d'une deuxième mesure de vitesse. De plus, le modèle de turbulence peut être utilisé pour redériver les équations de Monin-Obukhov dans la limite très stable. Le système d'équations est non linéaire et il est résolu avec l'algorithme de Newton-Raphson.

Subséquemment, le modèle est appliqué pour étudier l'impact des conditions atmosphériques sur les tests de performance et l'évaluation du potentiel éolien d'un site. Le profil de vent est intégré numériquement pour trouver la vitesse moyenne sur la surface balayée par les pales. En utilisant les données d'un parc situé à Delabole en Angleterre, les caractéristiques de performance pour une Vestas Windane-34 sont calculées en suivant la norme IEC et une version modifiée pour tenir compte de la vitesse moyennée. Bien que la différence entre les courbes de puissance soit petite, la différence entre les coefficients d'efficacité maximale est appréciable. De plus, le productible énergétique annuel a diminué de presque 5% par rapport à l'estimation de la norme IEC. Il est donc conclu que l'hypothèse qui suppose que la vitesse du vent au moyeu soit représentative du contenu énergétique n'est pas toujours précise, ni conservateur.

Titre traduit

Influence of atmospheric stability on wind energy practices

Résumé anglais

As the wind energy industry continues its rapid growth, both technologically and in terms of popularity, the international standards governing power performance evaluation are having difficulty keeping pace. This is primarily due to the inherently complex conditions Under which wind turbines often operate. The combined effects of non-homogeneous terrain, turbulence, varying meteorological conditions and, of course, measurement limitations all play an important role in power performance testing. Herein, the impact of atmospheric conditions on wind turbine performance is analyzed, with focus on the link between wind speed velocity profiles and turbine power, to examine the validity of existing industrial practices. The study is divided into two works, each of which are presented in the form of an article.

To analyze the interaction of the wind with the turbine, an atmospheric model is first developed. The Monin-Obukhov similarity fonctions are coupled with a two-equation turbulence model to resolve the profiles of temperature and velocity in the atmospheric surface layer. The model is validated with eddy covariance and profile measurements from the CASES99 experiment and the results are compared with classic flux-profile techniques. In doing so, the relative benefits of the presented formulation become apparent. Firstly, the addition of a turbulence model allows for convergence in the moderate to very stable regime, a known weakness of the existing flux-profile formulation. Secondly, the addition of an extra equation eliminates the need for a second velocity measurement. Furthermore, the turbulence model can be used to reformulate the Monin-Obukhov equations for the very stable limit. The resulting system of equations is non-linear in nature and is solved with a Newton-Raphson algorithm.

The presented model is then applied to investigate the impact of atmospheric conditions on power performance testing and site evaluation. The disk-averaged wind speed, üdisk• is evaluated by numerically integrating the predicted velocity profile over the swept area of the rotor. Power performance and annual energy production (AEP) calculations for a Vestas Windane-34 turbine from a wind farm in Delabole, England, are carried out using both disk-averaged and hub height wind speeds. Although the power curves generated with each wind speed definition have only slight differences, there is an appreciable impact on the maximum turbine efficiency. Furthermore, when the Weibull parameters for the site are recalculated using Üdisk. the AEP prediction using the modified parameters fell by nearly 5% compared to current methods. Thus, the practical assumption that the hub height wind speed is representative of the energy content of the wind is found to not always be accurate or even conservative.

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. [31]-33. Chap. 1. Revue de la littérature -- Chap. 2. Développement des équations de base -- Chap. 3. Développement et validation du modèle mathématique proposé -- Chap. 4. Influence de la stabilité atmosphérique sur les courbes de performance d'une éolienne -- Chap. 5. Conclusions.
Mots-clés libres: Atmospherique, Courbe, Developpement, Eolien, Eolienne, Equation, Mathematique, Modele, Performance, Secteur, Stabilite, Validation
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Masson, Christian
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 25 mars 2011 18:56
Dernière modification: 04 nov. 2016 21:28
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/484

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