Soutenance mémoire
DONNÉES DES CENTRALES ÉOLIENNES
PRÉSENTATION DES MODÈLES
Ce chapitre présente les différents modèles disponibles pour le calcul de la production énergétique d’une centrale éolienne. Dans un premier temps, le modèle d’écoulement atmosphérique est résumé. Par la suite, les modèles mathématiques de sillage sont exposés. Ensuite, la description des modèles commerciaux est présentée. Ce chapitre se conclut par la sélection des modèles commerciaux pour la présente étude. 2.1 Modèles d’écoulement atmosphérique Le modèle d’écoulement atmosphérique a été développé par Jackson et Hunt (1975). Ce modèle utilise les équations de quantité de mouvement et de continuité pour résoudre l’écoulement atmosphérique. Ces équations sont simplifiées en négligeant les termes non linéaires. Elles sont par la suite résolues à l’aide des transformées de Fourier. Le modèle divise l’atmosphère en deux régions : la région interne et la région externe Trois hypothèses principales sont émises. D’abord, la couche limite est développée sur un plan de rugosité constante. La deuxième hypothèse est de supposer un nombre de Rossby et un nombre de Reynold élevé de manière à pouvoir décrire le profil de la couche limite par une courbe logarithmique. La dernière hypothèse est que la hauteur de la colline est beaucoup plus petite que sa longueur. Cette hypothèse fait en sorte que les falaises et les escarpements ne sont pas tenus en compte. Par la suite, Walmsley et al. (1982) apporte une modification qui consiste à mettre la pression dépendante de l’altitude dans la région interne. Une des principales améliorations dues à cette modification est la réduction du « bruit » dans les résultats d’analyse. Enfin, Walmsley et al. (1986) modifie le modèle afin de prendre en compte la variation de rugosité, initialement supposée constante. Le modèle final incluant les modifications est nommé MS3DJH/3R. 2.2 Modèles mathématiques de sillage Dans cette section, les modèles mathématiques pour la résolution du sillage sont présentés. Les modèles exposés sont les principaux modèles présents dans les modèles commerciaux (Section 2.3). Trois modèles de sillage sont abordés ainsi que la description des méthodes de combinaison des sillages. 2.2.1 Modèle de sillage axisymétrique Le modèle axisymétrique a été développé par Ainslie (1988). Ce modèle utilise les équations de Navier-Stokes moyennées dans le temps, pour un cas axisymétrique avec un système de coordonnées cylindriques (Shames, 1992). L’hypothèse que le fluide est incompressible est également émise. 25 La viscosité tourbillonnaire (Tennekes et Lumley, 1972) est utilisée pour établir un lien entre l’écoulement moyen et les tourbillons de turbulence. Selon l’auteur, la viscosité tourbillonnaire est adéquatement décrite par une échelle de longueur et une échelle de vitesse (Ainslie, 1988). Ainslie (1988) donne les conditions aux frontières à deux diamètres de rotor. Les conditions aux frontières pour cette section sont données par un profil de vitesse Gaussien ayant comme entrée le déficit de vitesse et la largeur du sillage. La Figure 2.2 montre le schéma de ce modèle de sillage. 2.2.1.1 Comportement oscillant du sillage (« meandering ») Plusieurs modèles de sillage prédisent le champ de vitesse du sillage comme étant stationnaire dans le temps. En fait, ce n’est jamais vrai pour une éolienne opérant dans la couche limite. Cette approximation est raisonnable pour des conditions stables. Par contre, pour des conditions neutres et instables, le sillage va sinuer par rapport à un observateur situé au sol dû aux fluctuations de la direction du vent. Cette observation résultera d’un décalage de la ligne centrale du déficit de vent.
DONNÉES DES CENTRALES ÉOLIENNES
Ce chapitre explique et détaille les données disponibles pour cette étude, de même que les manipulations qui ont été faites sur celles-ci. Premièrement, le type de données utilisées est présenté. Puis, le contrôle qualité est effectué sur les données, tandis que le triage de ces données filtrées est décrit. La dernière section de ce chapitre affiche les résultats du contrôle qualité effectué sur les différents mâts météorologiques. Afin de ne pas enfreindre les clauses de confidentialité, les résultats sur le contrôle qualité des éoliennes ne sont pas dévoilés dans ce mémoire. 3.1 Type de données Les données utilisées dans cette étude proviennent de différentes centrales éoliennes canadiennes. Au total, les données opérationnelles de cinq centrales éoliennes possédant une capacité de production globale approximative de 350MW sont mises à notre disposition. La centrale I est située sur un site très simple. Les centrales II et III possèdent des terrains ayant des dénivelés non négligeables et une rugosité élevée. Elles sont situées sur des terrains complexes. Enfin, les sites des centrales IV et V possèdent de faibles dénivelés et une rugosité relativement élevée. Ces sites sont considérés simples. Les figures 3.1 à 3.5 présentent les pentes des sites des centrales éoliennes. Chaque centrale éolienne possède une banque de données moyennées aux dix minutes. Ces banques de données s’étendent sur une année de mesures, soit l’année 2009, à l’exception de la centrale éolienne I où deux années de mesures sont disponibles, soit 2008 et 2009. Dans cette étude, un mât météorologique est utilisé pour chaque centrale éolienne. Les données disponibles pour les mâts météorologiques sont : • les données statistiques de la vitesse de vent à 30, 50 et 80 m; • les données statistiques de la direction du vent à 50 et 80 m; • la température à 80 m; et, • l’humidité relative à 80 m. Les données disponibles pour les éoliennes sont : • la puissance utile; • la puissance réactive; • la vitesse de vent à la nacelle; et, • le taux de fonctionnement des instruments de mesure dans la plage de temps. 42 Les cartes de rugosité et de dénivelé ont été fournissent par les propriétaires des différentes centrales éoliennes. Ces cartes sont sous formes vectorielles avec une résolution de dix mètres. 3.2 Contrôle qualité des données Le contrôle qualité est l’inspection des données mesurées et l’élimination des données erronées. Il permet d’éliminer les données qui ont été enregistrées lors d’un fonctionnement anormal d’un instrument de mesure ou d’une éolienne. Les données conservées sont ainsi plus représentatives des conditions d’opération et permettent de meilleures observations. L’usage du contrôle qualité permet également une interprétation plus complète des résultats provenant de la comparaison de la production énergétique estimée versus la production énergétique mesurée. Dans le cadre de cette étude, le contrôle qualité est effectué sur les données des mâts météorologiques et sur les éoliennes. 3.2.1 Contrôle qualité des données des mâts météorologiques Le contrôle qualité des données des mâts météorologiques comporte trois étapes. La première étape consiste à éliminer les données perturbées par le sillage des éoliennes et à rejeter les plages de temps ayant des données manquantes. La deuxième étape est l’identification des données suspectes. Une donnée suspecte nécessite une vérification manuelle; il peut s’avérer qu’une donnée suspecte n’est pas nécessairement erronée. Cette étape consiste à mettre des marqueurs sur les plages de temps qui ne satisfont pas un ou plusieurs critères. La dernière étape est l’examen visuel des données suspectes. Les données suspectes identifiées à l’étape précédente sont vérifiées et supprimées lorsqu’il est déterminé qu’elles sont erronées. 43 3.2.1.1 Élimination des données perturbées et manquantes L’élimination des données perturbées consiste à déterminer les données qui sont affectées par le sillage des éoliennes avoisinantes et de les éliminer de la banque de données. Puisque le sillage se traduit, entre autres, par un déficit de vitesse, garder les données perturbées engendrerait une erreur au niveau de la distribution du vent. Les valeurs de vitesse de vent mesurées au mât seraient plus faibles que celles perçues par l’éolienne. Il en résulterait une sous-estimation de la production annuelle d’énergie. L’identification des secteurs perturbés se retrouve à l’annexe A de la norme IEC-61400-12-1 (IEC, 2005). Cette norme stipule qu’un obstacle est jugé considérable lorsqu’il influence l’écoulement du fluide à plus de 1 %.
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Table des matières
CHAPITRE 1 INTRODUCTION
1.1 Mise en contexte
1.2 Objectifs de l’étude
1.3 Données disponibles
1.4 Structure du mémoire
CHAPITRE 2 PRÉSENTATION DES MODÈLES
2.1 Modèles d’écoulement atmosphérique
2.2 Modèles mathématiques de sillage
2.2.1 Modèle de sillage axisymétrique
2.2.1.1 Comportement oscillant du sillage (« meandering »)
2.2.2 Modèle de sillage Katić
2.2.3 Modèle de sillage G.C. Larsen
2.2.4 Méthodes de combinaison du sillage
2.3 Modèles commerciaux
2.3.1 MS-Micro
2.3.2 OpenWind
2.3.3 WAsP
2.3.4 WindPro
2.3.5 WindFarm
2.3.6 WindFarmer
2.4 Sélection des modèles étudiés
CHAPITRE 3 DONNÉES DES CENTRALES ÉOLIENNES
3.1 Type de données
3.2 Contrôle qualité des données
3.2.1 Contrôle qualité des données des mâts météorologiques
3.2.1.1 Élimination des données perturbées et manquantes
3.2.1.2 Identification des données suspectes
3.2.1.3 Examen visuel des données suspectes
3.2.1.4 Exemple d’examen visuel des données suspectes
3.2.2 Contrôle qualité des données des éoliennes
3.3 Classification des mesures physiques
3.4 Mesures physiques
3.4.1 Centrale éolienne I-2008
CHAPITRE 4 MÉTHODOLOGIE
4.1 Paramètre de comparaison
4.1.1 Calcul de l’erreur de production
4.1.2 Calcul de l’amélioration
4.2 Analyse de l’effet de terrain
4.2.1 Caractéristique des analyses de la ressource éolienne
4.2.2 Caractéristique du terrain
4.3 Analyse de l’effet de la vitesse de vent
4.4 Analyse de l’effet du sillage
4.4.1 Analyse sur un site idéalisé
4.4.1.1 Distance de l’éolienne qui génère le sillage
4.4.1.2 Angle de l’éolienne qui génère le sillage
4.4.1.3 Nombre d’éoliennes qui génèrent le sillage
4.4.2 Analyse sur site réel
4.5 Classification de la topographie
4.5.1 Positionnement de l’éolienne par rapport au mât
4.5.2 Classification de l’orographie
4.5.3 Classification de la rugosité
4.5.3.1 Problématique
4.5.3.2 Longueur de rugosité de référence
4.5.3.3 Saut de rugosité
4.5.4 Classification du sillage
4.6 Paramètres de corrélation
4.6.1 Indicateurs de corrélation
4.6.1.1 Indicateurs de topographie
4.6.1.2 Indicateur de sillage
4.6.2 Limite des corrélations
4.6.3 Élimination des résultats suspects
4.6.4 Éliminination des variables non significatives
4.7 Correction de la courbe de puissance
4.7.1 Calcul de la correction de la courbe de puissance
4.7.2 Méthodologie de la procédure de validation
4.8 Correction des modèles
4.8.1 Analyse d’erreurs de la distribution de Weibull
4.8.1.1 Comparaison des méthodes d’estimation des paramètres de Weibull
4.8.1.2 Méthode d’estimation des paramètres de Weibull du modèle WAsP
4.8.1.3 Description de la problématique
4.8.1.4 Méthodologie de la correction
4.8.1.5 Limites de la méthodologie
4.8.2 Analyse d’erreurs de discrétisation sur la courbe de puissance du modèle WAsP
4.8.2.1 Méthode de calcul de la courbe de puissance
4.8.2.2 Méthodologie de la correction
CHAPITRE 5 RÉSULTATS ET ANALYSES
5.1 Effet de terrain
5.1.1 Caractérisation des sites
5.1.2 Résultats détaillés de la centrale éolienne III modélisée avec MS-Micro
5.1.3 Résultats globaux et comparaisons
5.1.3.1 Erreurs de production dans les situations hors sillage
5.1.3.2 Indicateurs de terrain
5.1.3.3 Correction de l’erreur de production
5.1.3.4 Discussion sur la classification de la topographie
5.2 Effet de la vitesse
5.3 Effet de sillage
5.3.1 Analyse sur un site idéalisé
5.3.1.1 Distance de l’éolienne qui génère le sillage
5.3.1.2 Angle entre l’éolienne qui génère le sillage et l’éolienne perturbée
5.3.1.3 Nombre d’éoliennes qui génèrent le sillage
5.3.2 Analyse sur un site réel
5.3.2.1 Sillages unitaires
5.3.2.2 Sillage multiple
5.3.2.3 Combinaison des deux types de sillage
5.3.2.4 Corrélation de sillages
5.4 Correction de la courbe de puissance (hors sillage)
5.5 Correction des modèles
5.5.1 Analyse d’erreurs de la distribution de Weibull
5.5.2 Analyse des erreurs de discrétisation de la courbe de puissance
5.5.3 Combinaison des corrections
CONCLUSION
ANNEXE I MESURES PHYSIQUES – CENTRALE ÉOLIENNE I-2009
ANNEXE II MESURES PHYSIQUES – CENTRALE ÉOLIENNE II
ANNEXE III MESURES PHYSIQUES – CENTRALE ÉOLIENNE III
ANNEXE IV MESURES PHYSIQUES – CENTRALE ÉOLIENNE IV
ANNEXE V MESURES PHYSIQUES – CENTRALE ÉOLIENNE V
ANNEXE VI EFFET DE TERRAIN – CENTRALE ÉOLIENNE I – MODÈLE WASP
ANNEXE VII EFFET DE TERRAIN – CENTRALE ÉOLIENNE II – MODÈLE WASP
ANNEXE VIII EFFET DE TERRAIN – CENTRALE ÉOLIENNE III – MODÈLE WASP
ANNEXE IX EFFET DE TERRAIN – CENTRALE ÉOLIENNE IV – MODÈLE WASP
ANNEXE X EFFET DE TERRAIN – CENTRALE ÉOLIENNE V – MODÈLEWASP
ANNEXE XI EFFET DE TERRAIN – CENTRALE ÉOLIENNE I – MODÈLEMS-MICRO
ANNEXE XII EFFET DE TERRAIN – CENTRALE ÉOLIENNE II – MODÈLEMS-MICRO
ANNEXE XIII EFFET DE TERRAIN – CENTRALE ÉOLIENNE IV – MODÈLEMS-MICRO
ANNEXE XIV EFFET DE TERRAIN – CENTRALE ÉOLIENNE V – MODÈLEMS-MICRO
ANNEXE XV EFFET DE TERRAIN – TABLEAU COMPARATIF
ANNEXE XVI EFFET DE VITESSE – MODÈLE WASP
ANNEXE XVII EFFET DE VITESSE – MODÈLE MS-MICRO
ANNEXE XVIII EFFET DU SILLAGE – TABLEAUX COMPARATIFS
ANNEXE XIX ANGLE EN FONCTION DE L’ÉOLIENNE QUI GÉNÈRE LESILLAGE
ANNEXE XX NOMBRE D’ÉOLIENNES QUI GÉNÈRENT LE SILLAGE
ANNEXE XXI EFFET DU SILLAGE – MODÈLE 1
ANNEXE XXII EFFET DU SILLAGE – MODÈLE 2
ANNEXE XXIII EFFET DU SILLAGE – MODÈLE 3
ANNEXE XXIV EFFET DU SILLAGE – MODÈLE 4
ANNEXE XXV EFFET DU SILLAGE – MODÈLE 5
ANNEXE XXVI EFFET DU SILLAGE – MODÈLE 6
ANNEXE XXVII EFFET DU SILLAGE – MODÈLE 7
ANNEXE XXVIII EFFET DU SILLAGE – MODÈLE 8
ANNEXE XXIX EFFET DU SILLAGE – MODÈLE 9
ANNEXE XXX EFFET DU SILLAGE – MODÈLE 10
ANNEXE XXXI EFFET DU SILLAGE – MODÈLE 11
ANNEXE XXXII EFFET DU SILLAGE – MODÈLE 12
ANNEXE XXXIII EFFET DU SILLAGE – MODÈLE 13
ANNEXE XXXIV CORRECTION DE LA COURBE DE PUISSANCE
ANNEXE XXXV CORRECTION DE LA DISTRIBUTION DE WEIBULL
ANNEXE XXXVI DISCRÉTISATION DE LA COURBE DE PUISSANCE
BIBLIOGRAPHIE
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