(Crédit: Don Sniegowski / Flickr)
La recherche révèle que les éoliennes orientées légèrement à l’écart de la force du vent, appelée direction de sillage, peuvent réduire ces interférences et améliorer la quantité et la qualité de l’énergie des parcs éoliens.
Le changement réduirait probablement aussi les coûts d'exploitation.
Les éoliennes solitaires produisent le plus d'énergie lorsqu'elles sont dirigées directement dans le vent. Cependant, lorsque des éoliennes très compactes sont confrontées au vent dans des parcs éoliens, le sillage de génératrices en amont peut interférer avec celles en aval. Comme une vedette rapide ralentie par les eaux agitées d'un bateau devant, le sillage d'une éolienne réduit le rendement de ceux qui se trouvent derrière.
«Pour atteindre les objectifs mondiaux en matière de production d’énergie renouvelable, nous devons trouver des moyens de générer beaucoup plus d’énergie à partir des parcs éoliens existants», a déclaré le principal auteur John Dabiri, professeur de génie civil et environnemental et de génie mécanique à l’Université de Stanford. «L’accent était traditionnellement mis sur la performance des éoliennes individuelles dans un parc éolien, mais nous devons plutôt commencer à penser à la ferme dans son ensemble, et non pas simplement à la somme de ses parties.»
Les sillages de turbine peuvent réduire l’efficacité des générateurs sous le vent de plus de 40 pour cent. Auparavant, les chercheurs ont utilisé des simulations informatiques pour montrer que le désalignement des turbines dues aux vents dominants pourrait augmenter la production de turbines en aval. Cependant, les difficultés rencontrées pour trouver un parc éolien disposé à arrêter les opérations normales pour une expérience et pour calculer les meilleurs angles pour l'éolienne ont empêché de le montrer sur un véritable parc éolien - jusqu'à maintenant.
Premièrement, les chercheurs ont mis au point un moyen plus rapide de calculer les angles optimaux de désalignement des turbines, qu’ils décrivent de manière plus détaillée. Actes de l'Académie nationale des sciences.
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Ils ont ensuite testé leurs calculs sur un parc éolien en Alberta, au Canada, en collaboration avec l'opérateur TransAlta Renewables. La puissance totale de la ferme a augmenté jusqu’à 47 pour cent par vent faible (selon l’angle des éoliennes) et de 7 à 13 pour cent par vent moyen. La direction au réveil a également réduit les hauts et les bas du courant, ce qui constitue normalement un défi pour l’énergie éolienne.
«Grâce à la direction de sillage, la turbine avant produisait moins d'énergie que prévu», explique l'auteur principal, Michael Howland, étudiant au doctorat en génie mécanique. «Mais nous avons constaté qu’en raison de la diminution des effets de sillage, les turbines en aval généraient beaucoup plus de puissance.»
Améliorer les parcs éoliens
La production variable des parcs éoliens rend la gestion du réseau plus difficile de deux manières importantes.
L'une d'elles est la nécessité de recourir à des sources d'alimentation de secours, telles que des centrales au gaz naturel et des batteries de grande taille et coûteuses. Dans l’étude, l’amélioration de la puissance à des vitesses de vent faibles était particulièrement importante, car les turbines cessaient de tourner en dessous de la vitesse minimale, ce qui réduisait totalement la production et obligeait les gestionnaires de réseau à s’appuyer sur une alimentation de secours. Selon les chercheurs, par temps de vent faible, la direction de sillage permettait de réduire le temps nécessaire à une vitesse inférieure à ce minimum. En particulier, les gains les plus importants ont été enregistrés la nuit, lorsque l’énergie éolienne a généralement la plus grande valeur en complément de l’énergie solaire.
L'autre est la nécessité de faire correspondre à tout moment la quantité d'électricité fournie et utilisée dans une région afin d'assurer la fiabilité du réseau. La turbulence de l'air due aux sillages peut rendre la production d'un parc éolien irrégulière minute par minute, une période trop courte pour allumer un générateur de gaz. Cela rend la mise en correspondance de l'offre et de la demande plus difficile pour les opérateurs de système à très court terme. Ils ont des outils pour le faire, mais les outils peuvent être coûteux. Dans l’étude, le pilotage de sillage a permis de réduire la variabilité à très court terme de la production d’énergie jusqu’à 72.
En outre, la réduction de la variabilité peut aider les propriétaires de parcs éoliens à réduire leurs coûts d'exploitation. La turbulence dans les sillages peut fatiguer les aubes et augmenter les coûts de réparation. Bien que l'expérience n'ait pas duré assez longtemps pour prouver que la direction de sillage réduit la fatigue de la turbine, les chercheurs suggèrent que cela se produirait.
«La première question que beaucoup d'opérateurs nous demandent est de savoir comment cela affectera la santé structurelle à long terme de leurs turbines», a déclaré Dabiri. «Nous travaillons à déterminer les effets exacts, mais nous avons constaté que, jusqu’à présent, vous pouvez réellement réduire la fatigue mécanique grâce à la direction de sillage».
Obtenir les bons angles
Pour calculer les meilleurs angles de désalignement pour cette étude, les chercheurs ont développé un nouveau modèle basé sur les données historiques du parc éolien.
«La conception de parcs éoliens est généralement une tâche très exigeante en données et en calcul», explique Sanjiva Lele, professeur d'aéronautique et d'astronautique et de génie mécanique. «Au lieu de cela, nous avons établi des représentations mathématiques simplifiées qui ont non seulement fonctionné mais également réduit la charge de calcul d’au moins deux ordres de grandeur.»
Ce calcul plus rapide pourrait aider les exploitants de parcs éoliens à utiliser largement le pilotage de sillage.
«Notre modèle est essentiellement plug-and-play, car il peut utiliser les données spécifiques au site sur les performances des parcs éoliens», explique Howland. «Différents emplacements de ferme pourront utiliser le modèle et ajuster en permanence les angles de leurs turbines en fonction des conditions de vent.»
Bien que les chercheurs n'aient pas été en mesure de mesurer un changement dans la production annuelle d'électricité en raison de la durée limitée de 10 de ce test sur le terrain, la prochaine étape, selon Dabiri, consiste à effectuer des tests sur le terrain pendant une année entière.
«Si nous pouvons arriver au point où nous pouvons déployer cette stratégie à grande échelle pendant de longues périodes, nous pouvons potentiellement optimiser l'aérodynamisme, la production d'énergie et même l'utilisation des sols pour les parcs éoliens partout», explique Dabiri.
La recherche a bénéficié du soutien de la National Science Foundation, d'une bourse d'études supérieures de Stanford et du TomKat Center for Sustainable Energy de Stanford. Les chercheurs ont mené des tests sur le terrain en collaboration avec TransAlta Corp.
La source: L'Université de Stanford
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