Soutenance mémoire
CONVERSION DE LA MESURE DE LA VITESSE DU VENT
MESURES ET INSTRUMENTATION
Mesure de la vitesse du vent
Le vent est caractérisé par sa vitesse, mesurée à l’aide d’un anémomètre et par sa direction, donnée par une girouette. La vitesse moyenne du vent est l’indicateur le plus important sur la ressource éolienne disponible sur ce site. La quantité d’énergie susceptible d’être convertie en électricité par une éolienne dépend avant tout de la vitesse du vent.
L’énergie du vent varie avec le cube de la vitesse.
. Ainsi, le double de la vitesse du vent correspond à une augmentation de sa capacité énergétique de 23 , soit 8 fois.
La mesure de la ressource éolienne sur un site se réalise le plus souvent à l’aide d’un anémomètre en haut d’un mât dont la hauteur correspond à la hauteur du moyeu de l’éolienne prévue. De cette façon, on évite l’incertitude liée à l’estimation de la vitesse du vent à une hauteur donnée à partir de mesures faites à une hauteur différente. L’installation de l’anémomètre en haut du mât réduit au minimum le risque de perturbations de l’écoulement de l’air causées par le mât lui-même. En cas d’installation de l’anémomètre sur un des côtés du mât, il devient important de le placer dans la direction dominante du vent afin de minimiser l’effet d’abri créé par le mât.
Échantillonnage des données
La mesure de la vitesse du vent doit se faire à chaque une ou deux secondes et on doit enregistrer la moyenne, l’écart type et les vitesses maximale et minimale sur un intervalle donné. En général, la vitesse du vent enregistrée est la moyenne des vitesses conservées pendant un intervalle de 10 minutes qui est maintenant la période standard internationale pour la mesure des vents. Les valeurs moyennes sont aussi utilisées pour évaluer la distribution des fréquences d’apparition de chaque valeur de la vitesse du vent. L’écart type est calculé pour chaque échantillon. Ces écarts types de la vitesse du vent sont des indicateurs du niveau de turbulence et de la stabilité atmosphérique. L’écart type est également utile pour la détection de données suspectes ou erronées lors de la validation des valeurs moyennes. Les valeurs maximale et minimale doivent être déterminées à chaque jour. Ces valeurs sont obtenues des lectures prises à chaque une ou deux secondes. Il faut aussi enregistrer la direction du vent à l’instant des valeurs maximale et minimale.
En principe, on pourrait utiliser d’autres intervalles de mesure ou d’enregistrement des données. Le choix d’une période de 10 minutes pour calculer la moyenne est une convention. Des périodes plus courtes ou plus longues peuvent être appropriées dans des circonstances particulières. L’avantage de la période de 10 minutes est qu’elle est habituellement assez longue pour amortir certaines turbulences non significatives dans l’analyse d’un site. En même temps, cette période est assez courte pour enregistrer les changements significatifs qui se produisent pendant une tempête ou des situations de forts vents en rafales pouvant durer entre 5 et 30 minutes. Cependant, le choix de l’intervalle n’est pas sans importance pour la vitesse du vent. En fait, la période idéale est celle qui pennettra d’enregistrer le type de turbulence à considérer pour une application donnée.
Ainsi, la période de 10 minutes s’est avérée offrir cette particularité pour la plupart des applications en énergie éolienne.
Instrumentation
La mesure de la vitesse du vent s’effectue le plus souvent à l’aide d’anémomètres à coupelles (figure 18). Ce type d’anémomètre se compose de trois ou quatre coupelles reliées à un axe vertical. Au moins une coupelle fait ainsi face au vent. La fonne aérodynamique des coupelles convertit la force de pression du vent en couple de rotation. La rotation des coupelles est presque linéairement proportionnelle à la vitesse du vent à l’intérieur d’une échelle donnée. Un capteur convertit ce mouvement de rotation en signal électrique. La détennination de la vitesse du vent par un circuit électronique consiste à mesurer la fréquence de rotation des coupelles et, après étalonnage, la vitesse en mètres par seconde.
D’autres types d’anémomètres peuvent être utilisés: les anémomètres à ultrasons ou à laser qui enregistrent les changements de phase du son ou de la lumière réfléchis par les molécules de l’air (effet Doppler), les anémomètres à fil chaud qui enregistrent la vitesse du vent en comparant à chaque minute les écarts de température existant entre les fils chauds placés du côté du vent et ceux placés du côté sous le vent. Plus le vent est fort, plus le fil sous le vent se refroidit. L’avantage principal de l’emploi d’anémomètres non mécaniques est une réduction de la sensibilité au gel. Dans la pratique, l’anémomètre à coupelles s’utilise cependant partout et des modèles spéciaux munis d’arbres et de coupelles chauffés ont été conçus pour les régions arctiques.
Lors du choix d’un anémomètre, il faut prendre en considération certaines caractéristiques. Les anémomètres destinés à des applications de faible vitesse de vent, telle que l’étude de la pollution atmosphérique, sont habituellement faits de matériaux légers.
Ceux-ci ne sont pas appropriés aux environnements très venteux ou glaciaux. Le seuil minimum (« threshold ») est la vitesse minimum à laquelle l’anémomètre démarre et maintien sa rotation. Pour l’éolien, il est plus important que l’anémomètre survive à une rafale de vent de 25 m / s que sa sensibilité aux vents soit en dessous de 1 m / s . La constante de distance (« distance constant ») est la distance de déplacement de l’air, dépassé l’anémomètre, durant le temps que les coupelles prennent pour atteindre 63% de la vitesse finale après un changement de la vitesse du vent. Cette valeur donne une indication sur le temps de réponse de l’anémomètre à un changement de vitesse de vent. Une grande constante de distance est habituellement associée à des anémomètres plus lourds, avec une inertie plus grande, qui prennent plus de temps pour ralentir quand le vent diminue. Ces anémomètres peuvent surestimer la vitesse du vent. On doit aussi tenir compte de la fiabilité et de l’entretien des anémomètres, la plupart ont une durée de vie de 2 ans et plus sur leur roulement à bille.
Un anémomètre très populaire est le NRG#40 de la compagnie NRG. Il a démontré une fiabilité à long terme et une stabilité de sa calibration. Les coupelles sont faites de polycarbonate noir moulé. L’assemblage est fixée à un axe durci en cuivre et béryllium qui utilise un roulement sur billes modifié en téflon. Ce roulement sur billes n’a besoin d’aucun entretien et demeure précis pendant au moins deux ans dans la plupart des environnements.
Cet anémomètre est capable de fournir une lecture de la vitesse du vent entre 1 et 96 m / s .
Le signal de sortie obtenu est une onde sinusoïdale de faible amplitude dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse du vent. Il possède un seuil de 0,78 mètre par seconde et une constante de distance de 3 mètres.
Conditionneur de signal
Le capteur NRG#40 fournit à sa sortie une onde sinusoïdale de faible amplitude dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse du vent. Selon le manufacturier, pour un vent d’environ 1 mi s l’amplitude du signal sinusoïdal sera au minimum d’environ 80 millivolt pointe à pointe (40 millivolt maximum) avec une fréquence de 0,85 Hz et pour un vent de 96 mi s l’amplitude du signal sera au maximum de 12 volts pointe à pointe (typiquement 9 volts pointe à pointe) avec une fréquence de 125 Hz. Ce signal doit être converti en onde carrée variant de ° à 5 volts avec une fréquence variant entre 0,85 et 125 Hz pour être récupéré par le système d’acquisition de données.
Le conditionneur de signal (figures 20 et 21) doit fournir une protection contre les surtensions. L’utilisation d’une varistance à l’oxyde de métal (MOV) permet de protéger le circuit contre les surtensions passagères. Un amplificateur d’instrumentation ayant une grande résistance d’entrée et un gain en tension de 2 permet la mesure de vents faibles. Pour enlever le bruit à l’entrée à haute fréquence, il est nécessaire d’ajouter un filtre passif passe bas afin d’atténuer le signal durant les forts vents. La diode DI protège le LM339 contre les inversions de polarité du signal à l’entrée. Il faut préciser que le signal à l’entrée ne doit pas dépasser 5 volts pointe car le LM339 pourrait cesser de fonctionner. Il n’y a pas de problème ici, car il faudrait un vent de 191 Km/h. Le comparateur permet de convertir le signal sinusoïdal en onde carré variant de 0 à 5 volts.
Le seuil de déclenchement du comparateur doit être ajusté assez bas afin de détecter les faibles signaux pendant les vents faibles, ce qui est moins susceptible d’arriver étant donné que le signal à l’entrée est amplifié. Le comparateur doit aussi avoir une hystérésis afin de diminuer sa sensibilité au bruit autour du passage par zéro. L’hystérésis consiste à établir un niveau de référence plus élevé lorsque la valeur de la tension d’entrée augmente que lorsqu’elle diminue. Les deux niveaux de référence sont appelés le point de déclenchement supérieur (PDS) et le point de déclenchement inférieur (PD!). Le circuit utilisé est un comparateur avec hystérésis utilisant une rétroaction positive.
Étant donné que l’alimentation positive du comparateur est 5 volts et que l’alimentation négative est de 0 volt, sa sortie basculera entre 0 et +5 volts. Lorsque la tension d’entrée augmente vers 49,5 millivolts, la sortie du comparateur bascule à +5 volts et lorsqu’elle diminue vers 0 volt, la sortie du comparateur bascule à 0 volt. Ainsi, le comparateur pourra fournir une onde carrée 0 à 5 volts si le signal sinusoïdal à l’entrée est plus grand que 49,5 millivolts pointe. Pour un vent de faible intensité, il est possible que le capteur fournisse un signal minimum de 40 millivolts pointe. C’est pour cette raison qu’un amplificateur est prévu.
Le filtre passe bas passif du premier ordre a une fréquence de coupure Cfc) de 132,6 Hz ce qui est suffisant pour laisser passer les vents forts et couper le bruit aux hautes fréquences.
Simulation du conditionneur de signal
Deux simulations ont été effectuées pour vérifier le comportement du circuit réalisé.
La première avec un faible vent d’environ Im1s et, la seconde pour un vent fort de 96m1s. Pour un signal à l’entrée de 40 millivolts pointe et de fréquence égale à 0,85 Hz, ce qui correspond à un vent de 1 m / S , nous obtenons une onde carrée variant de 0 volts à 5 volts à une fréquence de à 0,85 Hz (figure 22).
Mesure de la direction du vent
L’infonnation sur la direction du vent dominant est importante pour identifier les emplacements et les orientations idéales des turbines et pour optimiser leur disposition dans un parc éolien. La valeur instantanée de la direction du vent est aussi nécessaire au système de contrôle des grandes éoliennes, afin de les orienter face au vent.
La mesure de la direction du vent est représentée en degrés. On place habituellement la référence zéro degré au nord et l’angle augmente dans le sens horaire.
Échantillonnage des données
La mesure de la direction du vent doit se faire à toutes les une ou deux secondes et on doit aussi enregistrer la moyenne, l’écart type et la direction de vent lors des rafales. En général, la direction du vent enregistrée est la moyenne des directions mesurées pendant un intervalle de 10 minutes qui est maintenant considérée comme période standard pour la mesure des vents. Ces valeurs moyennes sont utilisées pour représenter la fréquence à laquelle le vent souffle d’une direction donnée sous la fonne d’une rose des vents. L’écart type est calculé en utilisant l’échantillon de mesures prises à un intervalle de un ou deux secondes dans chaque intervalle de 10 minutes pour lequel la moyenne est enregistrée. Pour la mesure de la direction des rafales de vent dans une journée, il faut faire coïncider les mesures de la vitesse de vent maximal avec celles de sa direction.
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Table des matières
REMERCiEMENTS
AVANT-PROPOS
RÉSUMÉ
TABLE DES MATIÈRES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
LISTE DES ÉQUATIONS
LISTE DES ABRÉVIATIONS ET DES SIGLES
INTRODUCTION
PROBLÉMATIQUE
O BJECTIFS
M ÉTHODOLOGIE
É TAT DE LA RECHE RCHE
ORIGINALITÉ DE LA REC HERCHE
CHAPITRE 1 SUPERVISION PAR INTERNET
1.1 INTRODUCTION
1.2 I NTE RN ET
1.3 M ODÈLE CLIENT / SERVEUR
1.4 ÉTAT DE LA RECHERCHE
1.5 ANALYSE DES SOLUTIONS
1.5.1 SOLUTION # 1
1.5.2 SOLUTION #2
1.5.3 SOLUTION #3
1.6 SYNTHÈSE
CHAPITRE 2 CARACTÉRISTIQUES GÉNÉRALES DU SYSTÈME
2.1 INTRODUCTION
2.2 ARCHITECTURE DE L’APPLICATION
2.3 RÉSEAU INTERNE (INTRANET)
2.4 CONFIGURATION DU ROUTEUR ET DES ADRESSES IP
2.5 SYSTÈME D’ACQUISITION DE DONNÉES ET DE COMMUNICATION
2.6 CAMÉRA IP
CHAPITRE 3 MESURES ET INSTRUMENT ATION
3.1 MESURE DE LA VITESSE DU VENT
3.1.1 ÉCHANTILLONNAGE DES DONN ÉES
3.1.2 INSTRUMENTATION
3.1.3 CONDITIONNEUR DE SIGNAL
3.1.4 SIMULATION DU CON DITIONNEUR DE SIGNA L
3.2 MESURE DE LA DIRECTION DU VENT
3.2.1 ÉCHANTILLONNAGE DES DONNÉES
3.2.2 INSTRUMENTATION
3.2.3 CONDITIONNEUR DE SIGNAL
3.2.4 SIMULATION DU CONDITIONNEUR DE SIGNAL
3.3 MESURE DE LA TEMPÉRATURE
3.3.1 ÉCHANTILLONNAGE DES DONNÉES
3.3.2 INSTRUMENTATION
3.3.3 CONDITIONNEUR DE SIGNAL
3.3.4 SIMULATION DU CONDITIONNEUR DE SIGNAL
3.4 MESURE DES SIGNAUX ÉLECTRlQUES DE LA TURBINE
3.4.1 ÉCHANTILLONNAGE DES DONNÉES
3.4.2 INSTRUMENTATION
3.4.3 CONDITIONNEUR DE SIGNAL DE TENSION / FRÉQUENCE
3.4.4 SIMULATION DU CONDITIONN EUR DE SIGNAL
3.4.5 CONDITIONNEUR DE SIGNAL DE COURANT
3.4.6 SIMULATION DU CONDITIONNEUR DE SIGNAL
3.5 CAMÉRA IP
3.5.1 PROTOCOLE DE TRANSFERT D’IMAGE
3.5.2 MESSAGE ÉTAT DU SERVEUR
3.5.3 AUTHENTIFICATION DU CLIENT
3.5.4 RÉSULTAT DE L’AUTHENTIFICATION
3.5.5 TRANSFERT D’IMAGE
3.5.6 ALGORITHME DE RÉCEPTION D’UNE IMAGE
CHAPITRE 4 SYSTÈME D’ACQUISITION DE DONNÉES ET DE COMMUNICATION ….. 81
4.1 INTRODUCTION
4.2 MICROCONTRÔLEUR
4.3 INTERNET EMBARQUÉ
4.4 TECHNOLOGIE SMARTSTACK
4.5 CONVERSION DES MESURES ANALOGIQUES
4.5.1 ALGORlTHMES DES PROGRAMMES POUR LA CONVERSION DES MESURES ANALOGIQUES
4.6 CONVERSION DE LA MESURE DE LA VITESSE DU VENT
4.6.1 ALGORITHME DU PROGRAMME DE MESURE DE LA VITESSE DU VENT
4.7 CONVERSION DE LA MESURE DE LA FRÉQUENCE
4.7.1 ALGORITHME DU PROGRAMME DE MESURE DE LA FRÉQUENCE DE LA TENSION
CHAPITRE 5 SYTÈME DE COLLECTE DE DONNÉES
5.1 INTRODUCTION
5.2 PRINC IP E
5.3 I NTERFACE UTILISATEUR
5.4 ALGORITHME DU SYSTÈME DE COLLECTE DE DONNÉES
5.5 B ASE DE DONNÉES
5.6 CLASSES DU PROGRAMME DE COLLECTE DE DONNÉES
5.7 FORMAT DU FICHIER CSV
CHAPITRE 6 ARCHITECTURE LOGICIELLE
6.1 INTRODUCTION
6.2 S ERVLET
6.3 INTERFACE UTILISATEUR
CONCLUSiON
BmLIOGRAPHIE
ANNEXE 1 CONTENU DU CD
ANNEXE II SPÉCIFICATION DE LA CAMÉRA IP
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