Énergie éolienne : identifier les contraintes et influences pour optimiser le rendement

Identifier les contraintes de fonctionnement de l’éolienne

Contraintes météorologiques :

Le fonctionnement de l’éolienne doit être le moins possible perturbé par des phénomènes météorologiques tels que la neige, le givre, la tempête de sable, les orages, la grêle, etc.

Contraintes aérologiques :

Pour que le projet soit économiquement rentable, une éolienne nécessite un vent fort et régulier. La vitesse du vent doit être comprise en général entre 4 et 25 m/s.

Contraintes physiques :

La composition de l’atmosphère, influencée par la pollution, la brume, le brouillard et, d’une façon générale, tout ce qui peut faire varier la densité de l’air, affecte le rendement de l’éolienne.

Contraintes liées à la corrosion due à la concentration de sel ou de sable :

Les problèmes de corrosion sont bien connus de tous ceux qui vivent à proximité de la mer ou dans les zones sableuses. Sans maintenance, les performances de l’installation sont rapidement réduites.

Traditionnellement, le contenu du sel a été surveillé en utilisant des échantillonneurs à volume élevé suivis d’une analyse chimique des échantillons recueillis. Cependant, cette méthode n’est pas très utile pour une éolienne. Le ballon captif peut, cependant, être utilisé pour estimer le contenu du sable ou du sel à la hauteur de la nacelle dans les sites potentiels.

Les profils verticaux de concentration de teneur en sels ou particules de sable peuvent être mesurés de manière simple à l’aide d’une pompe et d’un sac d’échantillonnage comme indiqué sur la figure 1, le déclenchement de la minuterie étant réglé pour que l’échantillonnage s’effectue après le temps de vol jusqu’au niveau d’échantillonnage. À la fin du vol, les sacs sont récupérés et fermés hermétiquement aussi rapidement que possible ; l’analyse est ensuite effectuée au laboratoire. Pour convertir la concentration d’air des composés souhaités, il faut noter la durée et le débit de pompage et connaître le nombre de mètres cubes d’air que la pompe a prélevé.

Les influences locales sur le vent

Le terrain :

Pour optimiser le rendement d’une installation éolienne, le concepteur doit faire un choix de sites adéquats en fonction de l’influence locale sur le vent.

La topographie :

Au passage des obstacles topographiques, l’écoulement de l’air subit des modifications qui peuvent engendrer des augmentations de la vitesse du vent au sommet des collines.

Changement de rugosité :

À des altitudes élevées, à environ un kilomètre au-dessus du sol, l’influence de la surface de la terre sur l’écoulement du vent est pratiquement nulle. Par contre, dans les couches d’air plus basses, la friction contre la surface de terrain influe beaucoup sur la vitesse du vent. Dans le cas du gisement éolien, il faut distinguer l’effet de la rugosité du terrain et l’influence exercée par les obstacles avoisinants et les contours du paysage.

Obstacles : Lorsqu’un obstacle ou bâtiment isolé se dresse sur un site dégagé, l’écoulement du vent est très fortement perturbé dans le sens de l’écoulement et autour du bâtiment ou obstacle. Si h est la hauteur du bâtiment et d la dimension de la façade latérale perpendiculaire à la direction du vent, l’écoulement engendre une zone de sillage dont l’extension dans le sens de l’écoulement est de l’ordre de 20 heures, et latéralement d’environ 4 à 5 d.

Evaluation de site retenu

Pour optimiser son implantation sur un terrain, le choix des emplacements (micrositing) doit donc être effectué en fonction de caractéristiques locales du vent, et tenir compte des particularités suivantes :

• Le rapport maximal entre la hauteur d’une irrégularité et sa longueur ne doit pas dépasser 1/50 dans un rayon de 4 km en aval de l’éolienne, ce qui favorise les collines à faible pente.
• Le point le plus bas du rotor doit être au moins trois fois plus haut que la plus haute irrégularité sur le terrain dans un rayon de 4 km en aval de l’éolienne.
• Dans le cas d’un obstaclenaturel, comme une rangée d’arbres, ou d’obstacles érigés par l’homme, comme des immeubles, l’écoulement est perturbé sur une distance en aval correspondant à une vingtaine de fois la hauteur de l’obstacle. Dans cette zone, le vent est fortement fluctuant, tant en amplitude qu’en direction. Dans tous les cas, il faut placer l’éolienne à l’extérieur de la zone d’influence des obstacles.
• Comme l’éolienne doit être orientée vers les vents dominants, la direction du vent doit être prise en compte et pas seulement sa vitesse.

Certains édifices sableux peuvent aussi servir d’indicateur de vent. En effet, les formations dunaires sont classées selon le régime du vent et la couverture sableuse :

• sous un régime de vent bidimensionnel se forment des dunes linéaires, longitudinales ou transverses aux vents si le sol est bien recouvert de sable ;
• sous un régime de vent multidimensionnel se forment des dunes en étoiles ;
• sous un régime de vent unidimensionnel se forment des dunes en forme de croissant : les barkhanes

Conclusion

Pour favoriser le bon rendement d’une éolienne le choix du site d’implantation est primordial. Ce site doit avoir, de préférence, une vue aussi dégagée que possible dans la direction des vents dominants. Il faut qu’il y ait aussi peu d’obstacles et une rugosité aussi faible que possible dans cette direction. Avec une colline en pente douce, il est même possible d’obtenir un effet accélérateur.