Calibration virtuelle d'un site éolien en terrain complexe

Brodeur, Philippe (2006). Calibration virtuelle d'un site éolien en terrain complexe. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L'essor de l'énergie éolienne moderne, c'est-à-dire la production d'électricité à grande échelle à partir de la force du vent, date du milieu des années 1970, ce qui en fait une forme d'énergie extrêmement récente. Sa croissance très rapide au cours des dernières années s'avère très encourageante car il s'agit d'une forme d'énergie propre et renouvelable. Mais cette croissance ne se fait pas sans difficulté. En effet, de plus en plus d'éoliennes sont installées un peu partout dans le monde, entre autre sur des terrains complexes qui se caractérisent par un aspect montagneux ou un couvert forestier important. L'effet de ces différents éléments complique énormément le travail de compréhension du vent. Or, cette compréhension est nécessaire pour exploiter au mieux la ressource éolienne.

Cette problématique est particulièrement apparente lors de l'évaluation des performances des éoliennes. La puissance disponible dans le vent est proportionnelle à sa vitesse au cube (P α V3). Une connaissance très précise de la vitesse du vent, à la position exacte de l'éolienne si cette dernière n'était pas installée, est donc nécessaire. Or, il n'est pas possible de simplement mesurer la vitesse du vent à l'éolienne puisque la présence même de celle-ci influence grandement la vitesse du vent. Pour contourner ce problème, l'industrie éolienne utilise actuellement un concept nommé calibration de site, qui consiste à accumuler et analyser des données de vent. Il s'agit cependant d'un processus long et coûteux qui rebute les investisseurs. Il serait donc intéressant de pouvoir éliminer la calibration de site traditionnelle. L'objectif du présent mémoire est de développer une méthode très précise de simulation numérique de l'écoulement du vent sur des terrains complexes, sur de courtes échelles de distance, ce qui permettra de réaliser des calibrations virtuelles de sites éoliens.

Pour ce faire, une connaissance approfondie de la couche limite atmosphérique est nécessaire. L'étude de cette masse d'air, qui occupe le premier kilomètre au-dessus du sol, a donc été faite en portant une attention particulière à la théorie de similitude de Monin-Obukhov de même qu'à l'influence de la turbulence et du sol. De plus, comme l'objectif est de parvenir à simuler l'écoulement du vent au-dessus d'un terrain complexe, il est important de bien reproduire numériquement la surface étudiée. Différentes techniques de représentation surfacique ont donc été envisagées. Enfin, comme il a fallu valider la méthode développée, un site complexe réel a été retenu, soit le site de Rivière au Renard, en Gaspésie. L'étude statistique de données provenant de cinq tours anémométriques installées sur ce site a été réalisée, accordant une grande importance à l'analyse d'incertitude des données.

Titre traduit

Virtual site calibration over complex terrain

Résumé traduit

The rise of modem wind energy, that is the production of electricity on a large scale from the power of the wind, started in the l970's, which makes this form of energy production still quite young. Its incredibly fast growth in the last few years is very encouraging, since it is both a non-polluting source of energy and renewable, but this fast growth has not been without its drawbacks. For example, as more and more wind parks are installed worldwide, the best sites are being taken and increasingly turbines now have to be installed on complex terrains caracterised by mountains or forested fields. Their different effects complicate seriously our understanding of the wind, which is necessary to optimally exploit this resource.

This problem is particularly apparent when evaluating the performance of wind turbines. The power available in the wind is proportional to the cube of wind velocity, i.e. P x V3. A precise measure of the wind speed is therefore needed, but is impossible to attain at the wind turbine location since the latter will have an important influence on the local flow. To bypass this problem, the wind energy industry uses, for the moment, a concept called site calibration, which consist of accumulating and analyzing spatially correlated wind data. However, this is a long and expensive process which discourages investors. It would therefore be interesting to replace the traditional site calibration process. The objective of this Master's thesis is to develop a very accurate numerical method capable of simulating the wind over complex terrain, on short distances, which will allow to perform virtual site calibrations.

To achieve this goal, a fundamental understanding of the atmospheric boundary layer is necessary. The study of this mass of air, which occupies the first kilometer over the ground, has been thorough with particular attention to Monin-Obukhov similarity theory (MOST), turbulence and ground effets. Also, since the objective is to be able to simulate the flow field over complex terrain, it is important to accurately reproduce the studied surface numerically, and therefore different techniques of surface modelization are investigated. Finally, it is necessary to validate the developed numerical method, and therefore a real complex site is analyzed, that is Rivière au Renard, in Gaspésie, and a statistical analysis of data recorded by instruments located on five towers installed on this site is performed.

The wind being nothing else but a displacement of air, i.e. a moving fluid, many methods are available to simulate its flow patterns. One of the biggest difficulties related to modeling wind is the significant influence of turbulence. Many methodologies are consequently investigated, the final choice being to use CFD via the Reynolds Averaged Navier-Stokes equations, complemented by a modified k - € turbulence closure model.

Wind modelling over a terrain like that found at Rivière au Renard is clearly a challenge. In fact, for the study of wind flow over complex topography, where only the ground position is known a priori, the treatment of the boundaries is far from being a trivial problem. Emphasis is placed on the development of viable boundary conditions for the numerical model. Although many autors have worked on atmospheric boundary layer flow modelling, the present work distinguishes itself as the simulations are concentrated over very short distances. The proposed numerical method is implemented within the commercial software Fluent.

To verify the model' s validity, it is first compared to the empirical relations based on MOST for wind flow over flat terrain. Once this validation is complete, and since the main goal is to be able to simulate wind flow over complex terrain, numerical simulations have been compared to experimental data gathered at Rivière au Renard. In this application, the large potential of the method becomes evident, eventhough a major drawback is identified, that is the incapacity of the method to account for varying roughness length. Also, comparisons between the proposed method and the software WAsP, which is a model frequently used by the wind energy industry, was performed. It cannot be concluded from this study that the CFD approach is preferable to the WasP one, since only three distinct simulations are compared. However, the results obtained undoubtly suggest that major improvements in windflow analysis still remain for the future, and one can foresee that CFD methods will be more easily adaptable than linear approaches like those used by WAsP.

Finally, to validate the developed method with an industrial application, a comparison between Rivière au Renard's traditionnal and virtual site calibration was done for two different wind orientations. The obtained results show very encouraging possibilities for the proposed method.

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. [151]-155. Chap. 1. Introduction -- Chap. 2. Revue de la littérature -- Chap. 3. Concepts physiques -- Chap. 4. Modèle mathématique -- Chap. 5. Méthode numérique -- Chap. 6. Étude des données expérimentales -- Chap. 7. Résultats et discussion.
Mots-clés libres:	Calibration, Complexe, Distance, Ecoulement, Eolien, Methode, Numerique, Simulation, Site, Terrain, Vent, Virtuel
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Masson, Christian
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	24 févr. 2011 19:54
Dernière modification:	02 nov. 2016 23:46
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/501

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