Presentation Garrad Hassan

5/9/2018 Presentation Garrad Hassan - slidepdf.com

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Conception et analyse d’un parc éolien

Garrad Hassan & Partners Ltd

Corse 26-27 novembre 2007



Introduction



Présentateur

• Jean-Pierre Callens

Conception d’un parc éolien (Introduction)



Qui est Garrad Hassan ?• Leader expert indépendant dans l’énergie éolienne

• Crée en 1984

• 220 personnes dans 17 pays différents• Présent sur 5 continents

Bureau GH

Aucune participation

Financière dans aucun

parc éolien




Services et Produits• Bureau d’expertise pour les parcs éoliens onshores et

offshores

- Etude de faisabilité, vérification de la ressource éolienne- Calcul du productible

- Assistance au développement

- Expertise et conseil auprès des Propriétaires

- Due Diligence auprès des Banques

• Conception des Éoliennes et service de certification• Recherche et développement

• Fournisseur de logiciels de références pour l’industrie

- GH WindFarmer, GH Bladed, GH Scada, GH Forecaster • Études Stratégiques

• Séminaires de formation




Un processus de développement complexe…• Phase 1 Prospection (0-6mois) Identification du site

Accord municipal, démarrage ZDE

Etude de faisabilité, accords fonciers

• Phase 2 Etude d'impact (+12mois) Etude environnementale (Faune, flore)Etude paysagère et acoustique

Démarrage Campagne de mesure vent

(>=12 mois)

• Phase 3 Demande de PC (+ 12/18mois) Demande officielle (NDIPC), contratd’achat (COA) réunion publique,enquête publique. Remise du PC

• Phase 4 Financement et Construction Accord avec les banques

(+ 12/24mois, disponibilité machines?) Construction, réglage, mise en service

• Phase 5 Exploitation et entretien

(+ 20/25ans)




Identification d’un site: Facteurs clés

• Schéma éolien, ZDE?

• Ressource éolienne? - Connection au réseau?

• Accés et construction? - Zone protégée?• Opposition locale? - Télécom/Radar/Traffic aérien?

• Propriétaires terriens - Autres développeurs?




Identification d’un site et sélection

Système d’information géographique

• Cartes d’état major

• Prospection• Publicité

• Ciblage des propriétaires terriens

• Ciblage de développementsspécifiques (zone non protégée, à faiblepotentiel, etc)

• Carte de Vent- Atlas Européen du vent- Atlas régional

• Service météorologique

• Données long terme

• Mesures sur sites

• Projets voisins




Éoliennes: différents modèles…• Décrochage ou angle d’attaque variable?

• Vitesse fixe ou variable?

• Boîte de vitesse?

• Taille?

• Références?

• Courbe de puissance garantie?• Expérience locale?

• Pannes?

• Contrat de maintenance?

• Délai de réparation?• Délai de livraison?

• Coût?




Accés et construction

Vérification de l’accessibilité au site des éoliennes et des

engins de levage• Par la mer: Port de capacité suffisante

• Par la route: Limite de poids? Rayon de courbure? Village?

• Nouvelles routes sur le site: Longueurs requises?

Il sera peut-être nécessaire de modifier le tracé / les caractéristiques de laroute d’accés.

Acquisition des permis pour:

• Accés à travers une propriété privé• Construction d’une nouvelle route

• Interruption occasionnelle des routes avoisinantes

…délai supplémentaire à prévoir




Raccordement au réseau

• Où est la ligne la plus proche (à un voltage permettantd’accepter la production envisagée)

• Pouvons-nous estimer la capacité disponible de la ligne?

Vérification avec le gestionnaire du réseau

• Autres projets voisins en cours d’instruction?

• Coûts du raccordement?

• Délais de raccordement?

Etc.







Zone protégéeLes servitudes environnementales :ZNIEFF de type I et II, ZICO, ZPS, NATURA 2000, ZSC, ZPPAUPSites inscrits ou classés à proximité du site en dehors du périmètre de protection,Couloirs migratoires (dans la mesure où les informations sont disponibles)Parc naturels.

Les servitudes techniques :Servitudes aéronautiques civiles,

Servitudes concernant les activités militaires,Servitudes radioélectriques,

Radars Météo france.

Les contraintes locales :Lignes HT et THT,

Canalisations diverses (gaz, hydrocarbures),Distance des habitations les plus proches,

Voies de circulation (routes, autoroutes, chemins de fer...)ArchéologiquesGéotechniques

Etude préliminaire simple permettant de réaliser la ZDE enaccord avec les communautés de communes




Visibilité/Bruit• Visibilité du parc éolien

à partir de zone spécifique, lieu touristique, route, sites culturels

• Impact sur le paysageUne validation initiale peut être effectuée à travers un ZIV

------------------------------------------------------------------------------

• Impact sonore (par octave…)

Nuit: +3db/bruit de fond, Jour: +5db

Une carte d’impact sonore est réalisable en tenant compte du relief.




Analyses Détaillées

• Campagne de mesures• Calcul du régime de vent à long terme

• Prévoir la vitesse du vent et les

variations de direction sur le site

• Optimisation de l’emplacement –Intégration des contraintes

• Energie produite nette annuelle

• Incertitudes des résultats




L’importance de la distribution des vitesses

0

2

4

6

8

10

12

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 18 19 20 21 22 23 24

Vitesse du ve nt

U ns i t e

e x c e l l e n t

V i t e s s ed u v e n

t = 1 3 m / s

U ns i t e

d e q u a l i t é m é d

i o c r e

V i t e s s e

d u v e n t = ( 3 + 2 3 ) / 2

= 1 3 m / s




Etude de faisabilité…Compromis indispensable entre• Contraintes

- Plusieurs types d’éoliennes par parc- Limites du Parc, pente du sol

- Accès et construction- Système électrique- Distance par rapport aux maisons, lignes électriques, routes etc- Couloir de navigation- Contraintes environnementales (Visibilité, bruit, ombrage)

- Distance entre les éoliennes, sillages, turbulence- Coûts (accès, fondations, tranchées, lignes électriques, …etc)

• Maximalisation de la production énergétique

Réalisation manuelle très lourde…facilitée avec l’aide d’un logiciel

+ Montage des dossiers (ZDE, Etude d’impact, Demande de permis de construire,réunions publiques), avec impact visuel /sonore, zone d’ombrage, visualisation,photomontage, simulation 3D




Programme du jour

Session 1- Introduction

- Principes de l’écoulement du vent- Mesure du vent-

Session 2- Analyse et Interprétation des données

météorologiques

- Utilisation de WAsP avec GH WindFarmer - Modèles de sillage – validation

Session 3- Estimation de l’énergie produite par un

parc éolien- GH WindFarmer analyse environnementale

GH WindFarmer (Introduction)



Principes de l’écoulementdu vent



Principes généraux de l’écoulement du vent

1. Profil de la vitesse moyenne du vent2. Probabilité de distribution des vitesses

moyennes du vent3. Turbulence4. Écoulement de l’air au-dessus des collines5. Variations de la rugosité de surface

Conception d’un parc éolien (Principes de l’écoulement du vent)



Couche atmosphérique limite

COUCHE LIMITE TERRESTRE

HAUTEUR DU GRADIENT

ATMOSPHÈRE LIBRE

COUCHE D’EKMAN

COUCHE DE SURFACE




Profil moyen de la vitesse du vent dans lacouche de surface

• Loi Logarithmique

Loi Logarithmique modifiée pour une altitude jusqu’à 200m

• Loi de Puissance

Vitesse du vent (m/s)

H a u t e u r ( m

)




Loi Logarithmique:

Où

(z) = Vitesse moyenne du vent à l’ altitude zu* = Vitesse de friction,k = Constante de von Karman = 0.4

z o = Longueur de rugosité

En utilisant une hauteur de référence:

( ) ( ) ( )o

z z k u z U /ln/=

( )( )

( )( )

o

o

z H

z z

H U

z U

/ln

/ln=




Profil de la loi logarithmique


L n ( z / z o

)

• Zo = 0.03




Valeurs courantes Zo

Ville

Banlieues

Bois et Forêt

Champ entouré de

haies

Champ sans arbre

Terre en friche

Herbe rase, steppe

Sol désertique

Plaine enneigée

Sable

Mer calme

Banc de boue, surfaceplane glacée

TYPE DE TERRAIN

0.321

0.8

0.5

0.3

0.190.05

0.03

0.01

0.130.005

0.001

0.100.0003

0.0001

0.00001

>Zo (m)




Z = 0.03

o




o

Z = 0.05




Z = 0.3

o




Loi de PuissanceDans les applications d’ingéniérie, la loi de puissance est largementutilisée pour la détermination de la vitesse à différentes altitudes à

l’intérieur de la couche limite.

La valeur de l’exposant dépend du type de surface et du domained’altitude considérée.

est appelé l’exposant du gradient de la loi de puissanceLe gradient est défini comme la variation de la vitesse du vent avec lahauteur




Profil de la loi de puissance


H a u t e u r ( m

)




Régime de Vent

• Échelle géographique

• MACRO – 1000 à 40000 km

• SYNOPTIQUE – 100 à 5000 km

Systèmes météorologiques,ouragans

• MÉSOSCALE – 1 à 100 km

Vent généré localement, brisecôtière, vent de montagne.

Tornades, tempêtes

• MICROSCALE – < à 1 km

Rafales, turbulence

• Échelle de temps

• Mois - Semaines

• Semaines - Jours

• Jours - Minutes

• Minutes - secondes




Spectre de la vitesse du vent de Van der Hoven

La période moyennée de la mesure du vent devrait se situer dansl’intervalle spectral 10 mins à 2 hrs

4 jours 5 minutes




TurbulenceTurbulence = Vitesse instantanée du vent– Vitesse moyenne

du vent

LL’ ’ intensit intensit éé de lade la t t urbulenceurbulence

V i t e s s e i n s t a n t a n é e d u v e n t

Temps

( )( )

( ) z U

z z I

u

u

=




L’intensité de la turbulence décroît avec lahauteur

Intensité de la turbulence

Hauteur (m)

au-dessus dusol




Vitesse extrêmeVitesse extrême, 50anssur 10 minutes de moyenne d’enregistrement.

Régle NV65 (1) utilisée actuellement:V normale (zone 2) = 31.3 m/s à 10mV extrême (zone 2) = 41.4 m/s

Future règle Eurocode Vent (2)

Vrèf France = 26 m/s à 10mVnacelle (80m) = 26 x Kt x Loge (z/z0)= 26 x 0.19* x Loge (80/0.05*)= 36.5 m/s

*Cas d’un parc en rase campagne

Conclusion: Le calcul des vitesses extrêmes varie, une analyse plus fine estpeut être nécessaire.

(1) Règles NV65 - AFNOR p25(2) Actions du Vent et de la neige sur les structures – AFNOR p129-135




Distribution de la probabilité de la moyenne dela vitesse du vent

La distribution de fréquence de Weibull correspond bien à denombreuses distributions observées:Décrite avec A (paramètre d’échelle) et k (paramètre de forme)

Vitesse du vent

Measured

Weibull fit

Mesurée

Ajustement Weibull

Vitesse du vent

P r

o b a b i l i t é




Écoulement du vent au-dessus de collines

Séparation del’écoulement

Vitesse maximale

sur la crête




La variation de rugosité se propage à travers la couche limite, jusqu’a 50 fois la hauteur de l’obstacle

Variation de la rugosité de surfaceVent


Ligne de

transition

Valeur élevéede z0

z0 élevé z0 faible

Valeur bassede z0



Les équations simples supposent une rugosité constante et un

sol plat sur une grande étendue. En pratique on observe:

- Des variations multiples de la rugosité de surface, entraînant deschangements dans le profil de vitesse

- Des collines à géométries complexes

- Des obstacles

L’analyse complète de l’écoulement du vent nécessite une modèlisationInformatique

Toutes les directions doivent être considéréesDéveloppement continue afin d’intégrer des sites de plus en pluscomplexes

Prévision du comportement de l’écoulementdu vent dans des sites réels




Mesure du vent



La puissance disponible est très sensible à la

vitesse du vent

•• DensitDensitéé de lde l’’air,air,

•• Vitesse du vent,Vitesse du vent, VV•• Surface balaySurface balayéée,e, SS

PPventvent

= (= (VS)VS) ½½VV22

== ½½ S VS V33

VVSS

• 50 à 75 % de la modification locale de la vitesse du vent peut être observée

suite au passage du vent au-dessus du relief.• Sachant que Pvent V3, une augmentation de 50-75 % de la vitesse entraîne

une augmentation de 300-500 % de la puissance.

• N.B: Pmachine

= 1/2Cp S V3 C

pMax = 16/27 en kg/m3, V en m/s et S en m2

• Pvent en kg.m2/s



Carte du terrain

Carte de la vitesse

du vent

Intervention humaine !!

Variations du vent sur le site



Mesure de la vitesse du vent -Vue générale

• Mâts météorologiques

• Equipement de mesure

• Anémomètres

- Etalonnage

• Gestion des données

Conception d’un parc éolien (Mesure du vent)



Principe de positionnement dans des terrains complexesSi le parc éolien va ressembler à cela…..

Il est inutile de placer le mât à cet endroit...

(même si cela correspond à l’endroit le plus venté)

Où à cet endroit...

(Où les obstacles ou la variation de rugosité de surface ne correspondent pas au conditions réelles)

Placez le mât à un endroit représentatif.




Principe de positionnement

Combien de mâts sont nécessaires?

Objectif: Générer un rapport entre les caractéristiques du ventau niveau des éoliennes et celles au niveau du mât

Par déduction des modèles d’écoulement de fluide - WAsP

La précision dépend des paramètres suivants:• Complexité du terrain• Variations de rugosité

• Obstacles• Séparation




Combien de mâts sont nécessaires?

0.5 KmTrès complexe – i.e arêtes demontagne

1 KmComplexe – i.e surfaceonduleuse, collines ouchangements importants de

rugosité tels que forêts

2 KmSimple – i.e relativement platavec quelques changements derugosité de surface

Distance maximalerecommendée entrel’emplacement des éoliennes etle mât le plus proche

Complexité du terrain




Photo Brian Hurley, Airtricity

Mesures offshores

• Enregistrement

– Onéreux

– Structure non cablée,nécessite uneinstallation adéquate




Hauteur du mât et modèle

• Hauteur du mât > 2/3 hauteur du moyeu

• Le modèle du mât peut être économique àcondition que les règles indiquées dans lesnormes IEA et IEC soient suivies




Déplacement de mâts météorologiques

• Nécessité de laisser au moins un mât immobile

• Possibilité de déplacer d’autres mâts seulementaprès 6 mois




Équipement de mesures

• Le montage doit suivre les recommendations de l’IEA

• 2 exemples de montage médiocre:- Effet de tige

- Effet de montage en bout




Montage de l’anémomètre et de la girouette:Bonne et Mauvaise pratique

Bonne Mauvaise




Effet de montage en bout de mât

• Le bout du mât entraîne

une accélération de lavitesse du vent

• Les études montrent queles anémomètres situés à

moins de 3D du bout dumât sont influencés par cet effet d’accélération

Vent




Mat météorologique




Ligne de conduite sur les équipements -anémomètresPresque toujours un anémomètre à cônes

- Robuste et constant

- Précis- Faible consommation

Autres possibilités:

Tube à pression- Médiocre pour les vents faibles

Sonique- Consommation élevée, cher

- Pas de formation de glace- Très bien détaillé

Sodar, Lidar…




• Girouette• Thermomètre• Enregistreur

Il sera éventuellement nécessaire deconvaincre un tiers de la précision• Étalonnages des équipements

• Traçabilité des enregistrements

Procédure pour détecter et enlever lesdonnées résultantes d’un défaut, gel etc

Ne pas trop s’attarder sur lesstatistiques mensuelles!

Autres équipements




L’utilisation de bonnes méthodes conduit àdes prévisions solides




Analyse et interprétation

des données météorologiques



Analyse et interprétation des donnéesmétéorologiques - Vue générale

• Qu’est ce qu’une MCP?• Choix de la station de référence• Procédure de corrélation• Prédiction• Moyenne de la vitesse du vent à long terme• Exemples• Extrapolation des mesures: hauteur du mât hauteur

du moyeu• Intensité de turbulence

Conception d’un parc éolien (Analyse et interprétation des données météorologiques)



Données requisesIdIdééalement:alement:10 années ou + de données enregistrées sur le site

En réalité:Méthode de Mesure-Corrélation-Prévision avec une station deréférence pour calculer le régime de vent sur le site à long terme

Données du site nécessaires pour la MCP• 1 an ou + de données à une hauteur proche de celle du moyeu• Analyse partielle possible avec moins d’information




Choix de la station de référenceNécessite:• Enregistrement historique > 5 années

• Plus des enregistrements concourants• Proximité

• Consistence

• Exposition simple

Options:• Stations de Météorologie Nationale

• Autres

- Parcs éoliens existants?- Sites avec MCP existantes?




Corrélation (1)

Méthodes:

• Directionnelle• Simple rapport des moyennes

• Analyse de régression- Un paramètre (forcé à travers l’origine)

- Rapport d’accélération S()- Ajustement pour les vitesses faibles

- Exclusion

- Passage d’une seconde ligne de corrélation

- Autres méthodes




Corrélation (2)Vérifications des résultats:

• Bonne corrélation entre le site et la station de référence- Corrélation des directions- Dispersion des vitesses- Ecart-type / validation de la corrélation

• Méthodes simples




Exemple de corrélations des vitessesStation de référence assez proche

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Mast Ref at XX m wind speed (m/s)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

M a s t S i t e a t X X m

w i n d s p e e d

( m / s )

PCA fit

Data

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20


0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30


w i n d s p e e d

( m / s )

PCA fit

Data

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20


0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30


w i n d s p e e d ( m / s )

PCA fit

Data

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20


0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30



PCA fit

Data

120 degrees 150 degrees





Exemple de corrélations des vitessesStation de référence plus lointaine

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20


0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30


w i n d s p e e d

( m / s )

PCA fit

Data

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20


0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30


w i n d s p e e d

( m / s )

PCA fit

Data

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20


0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30



PCA fit

Data

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20


0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

M a s t S i t e a t X X

m


PCA fit

Data






Exemple de corrélation des directions

Vitesse du vent >5m/s


P é i i



Prévision

La corr La corr éélation produit:lation produit:

Usite () = S () x Uréf ()

Ajuste la distribution pour chaque secteur directionnel

La vitesse du ventLa vitesse du vent àà long terme:long terme:Produit pour le mât sur le site sous la forme d’une distributionannuelle de fréquence

Analyse dAnalyse d’’incertitude:incertitude:Ecart-type en S()Ecart-type de la vitesse moyenne annuelle basé sur la période dedonnées disponible




Exemple de résultats:

Rose des vents

5 % 10% 15%

0-3 3-6 6-9 >9 m/s




Exemple de résultatsDistribution des fréquences de vitesse

Bonne approximationWeibull

Médiocre approximationWeibull

Vitesse du vent

Measured

Weibull fit

Mesurée

Ajustement Weibull


Vitesse du ven

Measured

eibull fiMesurée

Ajustement Weibull

t



Prédiction de l’écoulement du vent au niveaudes éoliennes

Nécessite une extrapolation à partir du mât- Au niveau de la hauteur du moyeu- Au niveau de la position des éoliennes

Comment?- Mesure?- Modélisation?

Autres informations nécessaires…




Turbulence

• Importance de la mesure

• Ce qu’il est nécessaire de mesurer

• Analyse

• Variation avec la direction




Turbulence – Exemple de résultats (1)L’intensité de turbulence varie avec la direction

Direction du vent (degrés)

I n t e n s i t é d e t u r b u l e n c e ( % )


Turbulence - Exemple de résultats (2)



Turbulence - Exemple de résultats (2)L’intensité de turbulence varie avec la vitesse



Utilisation de WAsP avec

GH WindFarmer



WAsP avec GH WindFarmer – Vue Générale• Modèlisation de l’écoulement du vent

• Atelier WAsP- méthode

- source des données

- fichiers WAsP pour GH WindFarmer

• Utilisation de WAsP dans GH WindFarmer - sans association

- association avec table de distribution de fréquence

Conception d’un parc éolien (Utilisation de WAsP avec GH WindFarmer)



Modélisation de l’écoulement du Vent• Conservation de la quantité de mouvement (mv)

et de la masse

- importance pour la description des conversions

• Autres facteurs

- insertion des limites (ciel, terrain)- conditions initiales

- résolution spatiale

- temps de calcul du modèle


WAsP



WAsPAnalyse de l’Atlas éolien et Programme d’Application

• Développé par Risøe, DanemarkSpécialisé dans l’énergieéolienne

• Suppose une similarité du type

de vent entre la station deréférence et le site.

• Utilisé pour l’Atlas ÉolienEuropéen




Méthode: atlas éolien de Waspextrait de l’atlas Européen du vent

• Convertit des données venten paramètres Weibull• Soustrait les obstacles, la

rugosité et la topographie

• Crée un régime de ventglobal

• Ensuite, ajoute rugosité ettopographie observées sur le

site




Méthodologie WAsP

• Particularités du Modèle

- Conservation de la masse- Couche limites

- Coordonnées polaires

- Vitesse moyenne uniquement

• Rapide et efficace• Dépend de la qualité des données d’entrée

• Régime de vent identique par hypothèse- e.g. régime côtier, régime de montagne, etc




Sources des données – topographie & rugositéTopographie• Nécessite une carte digitale,

format vecteur (contour)• Achat ou digitalisation d’une image

Rugosité de Surface

• Nécessite la définition de zo pour - Forêt, vergets- Villes, villages- Lacs, cours d’eau- etc

• La zone doit acceptée deschangements multiples

Addition des contours dans WAsP MapEditor


Sources des données – Vitesses du vent



Commencer avec:

• Vitesse du vent à long-termeet histogramme des directions

Ou

• Série chronologiques

Fichier d’entrée pour WAsP et GH WindFarmer:

• Fichier de format TAB

0 0.633 0.783 0.67 0.455 0.387 0.325 0.36 0.333 0.317 0.207 0.201 0.342 5.8171 1.238 1.532 1.292 0.829 0.569 0.401 0.543 0.448 0.391 0.203 0.221 0.376 9.2912 1.44 2.269 1.563 0.828 0.597 0.383 0.54 0.554 0.384 0.262 0.217 0.266 11.0473 1.473 2.327 1.45 0.623 0.347 0.174 0.401 0.486 0.385 0.395 0.313 0.225 10.4944 1.094 1.901 1.062 0.388 0.203 0.098 0.281 0.435 0.506 0.633 0.416 0.225 8.825 0.805 1.347 0.825 0.149 0.114 0.067 0.155 0.448 0.627 0.803 0.51 0.252 7.4496 0.547 0.998 0.545 0.106 0.052 0.054 0.108 0.549 0.694 0.923 0.514 0.257 6.6927 0.409 0.835 0.384 0.051 0.035 0.043 0.076 0.565 0.888 0.934 0.502 0.219 6.347

8 0.227 0.753 0.241 0.054 0.015 0.039 0.043 0.504 0.927 0.846 0.435 0.107 5.5079 0.144 0.618 0.243 0.068 0.008 0.011 0.032 0.49 0.87 0.776 0.351 0.071 4.867

10 0.11 0.491 0.198 0.033 0.003 0.007 0.005 0.392 0.769 0.713 0.214 0.043 3.98711 0.076 0.511 0.223 0.015 0.003 0.004 0.005 0.329 0.811 0.546 0.147 0.033 3.5812 0.067 0.415 0.167 0.003 0.001 0.003 0.001 0.396 0.784 0.464 0.071 0.019 3.24613 0.041 0.332 0.153 0 0 0.001 0.001 0.34 0.761 0.316 0.025 0.028 2.74814 0.024 0. 266 0. 099 0 0 0 0. 001 0. 314 0. 797 0. 246 0.015 0. 017 2. 31415 0.016 0. 158 0. 066 0 0 0 0. 003 0. 258 0. 688 0. 201 0.011 0. 005 1. 96516 0.007 0.083 0.037 0 0 0 0.001 0.285 0.609 0.143 0.004 0 1.54117 0 0.029 0.039 0 0 0 0.001 0.235 0.443 0.094 0.007 0 1.19718 0 0.013 0.009 0 0 0 0 0.186 0.347 0.09 0 0 0.957

19 0.001 0.001 0.003 0 0 0 0 0.118 0.253 0.064 0 0 0.66620 0 0 0.001 0 0 0 0 0.104 0.242 0.037 0 0 0.52421 0 0 0 0 0 0 0 0.059 0.187 0.015 0 0 0.32422 0 0 0 0 0 0 0 0.031 0.138 0.005 0 0 0.22923 0 0 0 0 0 0 0 0.021 0.088 0.005 0 0 0.16524 0 0 0 0 0 0 0 0.027 0.043 0.001 0 0 0.08425 0 0 0 0 0 0 0 0.024 0.045 0 0 0 0.07426 0 0 0 0 0 0 0 0.013 0.029 0 0 0 0.04327 0 0 0 0 0 0 0 0.003 0.016 0 0 0 0.01928 0 0 0 0 0 0 0 0 0.004 0 0 0 0.00429 0 0 0 0 0 0 0 0 0.001 0 0 0 0.001

30 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 031 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 032 0 0 0 0 0 0 0 0 0.001 0 0 0 0.00133 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 034 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0




Conclusion concernant les calculs de WAsP• Données entrées dans WAsP

- fichier .MAP topographie et rugosité

- fichier.TAB pour la distribution de fréquence du vent- définition de la grille de calcul

- surface

- altitude- résolution

• Fichiers produits par WAsP

- fichier(s) .WRG de la grille de ressources du vent




Utilisation de WAsP dans GH WindFarmer • Idéalement

- utilisation de données vent de plus de 10 ans- mesures effectuées sur le site- utilisation dans les calculs, de la table de fréquence actuelle

• En pratique- prévision á partir d’une station météo proche- prévision á partir du mât sur le site, en utilisant la méthode MCP- utilisation de la méthode d’”association” de GH WindFarmer




Simple prédiction á partir d’une station Météoproche (pas de mât sur le site)

• uniquement dans le cas d’unterrain non complexe

• Station météo proche

• données vent de longue duréeet de bonne qualité

• suppose un régime de ventsimilaire

• utilise Weibull dans la prévisiond’énergie

Station Météo

Grille.WRG

X XX X

Atlas.LIB (régime de vent global)

Météo.TAB

Site du parcéolien


“Association” dans GH WindFarmer



• Si l’ énergie est calculée directement á partir du fichier WRG, noussupposons que la distribution est de type Weibull; l’informationdans la distribution mesurée est alors perdue

• Dans GH WindFarmer, la distribution mesurée peut être utilisée sila grille .WRG est associée avec le fichier .TAB au mât de mesure

• Ainsi GH WindFarmer utilise les données WRG au mât et ál’éolienne pour calculer le facteur d’accélération pour chaquedirection

• Ce facteur d’accélération est alors appliqué pour mesurer la

distributionVoici comment procéder…..


Méthode d’“association” dans GH WindFarmer



Tout d’abord création desfichiers WAsP:

• Données entrées dans WAsPTable de fréquence au mâtFichier: Mât.TAB

• Données produites par WAsP- Grille de resource du vent à la

hauteur du moyeu:Grille.WRG

- Point unique WRG à lahauteur et position du mât:Mât.WRG

Grille.WRG

XXXX

Mât.WRG

Mât.TAB

Atlas.LIB (régime de ventglobal)


Méthode d’“association” dans GH WindFarmer



• Les données WRG contiennent lesparamètres Weibull A, k, Pr pour chaque secteur directionnel

• Tout d’abord GH WindFarmer interpoleentre les points de la grille WRG etla position de l’éolienne

• Ensuite GH WindFarmer calcule

l’accélération entre le mât etl’éolienne à partir des paramètres deWeibull à chaque point X,Y,Z de lagrille

• Cette accélération est alors appliquéeà la table de fréquence mât. TAB

• Finalement l’énergie produite par l’éolienne est déduite

Grille.WRG

XXXXMât.WRG

Mât.TAB

accélération




Modèles de sillage -

validation

Modèles de sillage et vérification du modèle de



sillage

Effets de sillage dans un parc éolien:

• comportement des éoliennes dans le sillage d’autreséoliennes

• réduction globale de la vitesse du vent

- réduit la production d’énergie• intensité des effets de turbulence- augmente les efforts mécaniques sur les machines

• dépend de

- La vitesse absolue du vent et de sa direction- La distance entre chaque éolienne- L’intensité de la turbulence

Conception d’un parc éolien (Modèles de sillage - validation)



Modèles de sillage• Avec l’augmentation de la distance en aval

- Le sillage s’étend

- La perte de vitesse diminue

• Modèles de sillage

- PARK- Viscosité tourbillonnaire


Modèle de sillage: PARK



• Suppose une extension linéaire du sillage

• La conservation de la quantité de mouvement (MV) conduit à undéficit initial de la vitesse

• Conservation de la masse en aval


Modèle de sillage: Viscosité tourbillonnaire



• Ne suppose pas une extension linéaire du sillage

• Suppose un profil de vitesse Gaussien à la section d’initiation

• Applique la conservation de la quantité de mouvement et de

la masse• Utilise l’intensité de la turbulence comme donnée d’entrée


V lid ti ffl i



Validation en soufflerieVitesse du vent mesurée dans l’axe central du sillage (points rouges)et prévision à l’aide de GH WindFarmer, modèle à Viscosité

tourbillonnaire (ligne continue)

Tip speed ratio of 4.0

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

Distance downstream, x (rotor diameters)

U / U o


Validation en soufflerie



Vitesse du vent mesurée etprédictions effectuées par GH

WindFarmer à l’aide du modèle desillage à Viscosité tourbillonnaire

Tip speed ratio = 4.0

X = 2.5 Rotor Diameters

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

-1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50

Y-(rotor diameters )

U / U o

predicted measured

Tip speed ratio = 4.0x = 5 Rotor Diameters

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

-1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50

Y-(rotor diameters)

U / U o

predicted measured

Tip speed ratio = 4.0x = 10 Rotor Diameters

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

-1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50

Y-(rotor diameters )

U / U o

predicted measured


Validation du modèle à l’aide de mesures àl’é h ll 1 1



l’échelle 1:1Sillage Multiple - Nørrekær Enge II

Eoliennes300 kW28 m diamètre de pâle

Distance entreéolienne6D dans la direction166 degrés

7-8D dans la direction258 degrés-10

0

10

20

30

40

50

-10 0 10 20 30 40 50 60 70

Spacing in rotor diameters, bearing 258 deg

S p a c i n g i n r o t o r d i a m e t e r s ,

b e a r i n g 1 6 6 d e g

N


V lid ti d dèl à l’ id d à



Validation du modèle à l’aide de mesures àl’échelle 1:1Sillage Multiple - Nørrekær Enge II


Parc éolien Nørrekær Enge II

Mesure de la puissance produite par les éoliennes et prévisions parle modèle à Viscosité to rbillonaire



Mesure de la puissance produite par les éoliennes et prévisions par le modèle à Viscosité tourbillonaire

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Turbine locations (diameters)

P o w e r o u t p u t

( k W )

0

20

40

60

80

100

120

140

-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60Turbine locations (diameters)

P o w e r o u t p u t

( k W )

Direction du vent B, vitesse 9.07 m/sDirection du vent A, vitesse 8.04 m/s


-10

0

10

20

30

40

50

-10 0 10 20 30 40 50 60 70

Spacing in rotor diameters, bearing 258 deg

S p a c i n g i n r o t o r d i a m e t e r s , b e a r i n g 1 6 6 d e g

N

A

B

Modèle de sillage dans GH WindFarmer



Modèle PARK modifié Recommendé lorsque la vitesse est essentielle (optimisation)

Modèle à viscosité tourbillonnaire Recommendé pour l’analyse détaillée

Absence de perte de sillage Pas de considération vis à vis du sillage ou des pertes

éventuelles


Option supplémentaire dans le cas d’espacementstrès réduits entre les machines



Calcul prévisionnel del’énergie produite par un

parc éolien

Calcul prévisionnel de l’énergie produite par uné li



Calcul prévisionnel de l énergie produite par unparc éolien

• Energie Idéale• Méthodologie• Exemple

• Analyse d’incertitude

Conception d’un parc éolien (Estimation de l’énergie produite par un parc éolien)

Calcul énergétique – GH

WindFarmer



WindFarmer Mesure:Distribution Fréquence

LT – Fichier Tab+Modélisation:Fichier de ressourceÉolienne sur le site

WRG site + WRG mât+

Propriétés desEoliennes

+Paramètres duprojet

LogicielGH

WindFarmer

Optimisation de ladisposition

Zone d’exclusion, Bruit,

visuel, ombre,radar, pente, sillage

Prédiction énergétique

annuelle nette

Pertes électriquesVisualisationsPhotomontage

Film 3D

Estimation de l’énergie produite par un parc éolien – GH WindFarmer

Énergie Idéale: Eo

C’est l’énergie obtenue si toutes les éoliennes ont la même



C est l énergie obtenue si toutes les éoliennes ont la mêmeressource en vent que celle présente au mât anémomètrique.

Eo = Nb. Éoliennes x { Courbe de Puissance (U) x Probabilité

du vent (U,) } 0 0.633 0.783 0.67 0.455 0.387 0.325 0.36 0.333 0.317 0.207 0.201 0.342 5.8171 1.238 1.532 1.292 0.829 0.569 0.401 0.543 0.448 0.391 0.203 0.221 0.376 9.2912 1.44 2.269 1.563 0.828 0.597 0.383 0.54 0.554 0.384 0.262 0.217 0.266 11.0473 1.473 2.327 1.45 0.623 0.347 0.174 0.401 0.486 0.385 0.395 0.313 0.225 10.4944 1.094 1.901 1.062 0.388 0.203 0.098 0.281 0.435 0.506 0.633 0.416 0.225 8.825 0.805 1.347 0.825 0.149 0.114 0.067 0.155 0.448 0.627 0.803 0.51 0.252 7.4496 0.547 0.998 0.545 0.106 0.052 0.054 0.108 0.549 0.694 0.923 0.514 0.257 6.6927 0.409 0.835 0.384 0.051 0.035 0.043 0.076 0.565 0.888 0.934 0.502 0.219 6.3478 0.227 0.753 0.241 0.054 0.015 0.039 0.043 0.504 0.927 0.846 0.435 0.107 5.5079 0.144 0.618 0.243 0.068 0.008 0.011 0.032 0.49 0.87 0.776 0.351 0.071 4.867

10 0.11 0.491 0.198 0.033 0.003 0.007 0.005 0.392 0.769 0.713 0.214 0.043 3.98711 0.076 0.511 0.223 0.015 0.003 0.004 0.005 0.329 0.811 0.546 0.147 0.033 3.58

12 0.067 0.415 0.167 0.003 0.001 0.003 0.001 0.396 0.784 0.464 0.071 0.019 3.24613 0. 041 0.3 32 0. 153 0 0 0. 00 1 0. 00 1 0 .3 4 0. 76 1 0. 31 6 0. 02 5 0 .0 28 2 .74814 0.024 0.266 0.099 0 0 0 0. 001 0. 314 0. 797 0. 246 0. 015 0.017 2. 31415 0.016 0.158 0.066 0 0 0 0. 003 0. 258 0. 688 0. 201 0. 011 0.005 1. 96516 0.007 0.083 0.037 0 0 0 0.001 0.285 0.609 0.143 0.004 0 1.54117 0 0.029 0.039 0 0 0 0.001 0.235 0.443 0.094 0.007 0 1.19718 0 0.013 0.009 0 0 0 0 0.186 0.347 0.09 0 0 0.95719 0.001 0.001 0.003 0 0 0 0 0.118 0.253 0.064 0 0 0.66620 0 0 0.001 0 0 0 0 0.104 0.242 0.037 0 0 0.52421 0 0 0 0 0 0 0 0.059 0.187 0.015 0 0 0.32422 0 0 0 0 0 0 0 0.031 0.138 0.005 0 0 0.22923 0 0 0 0 0 0 0 0.021 0.088 0.005 0 0 0.16524 0 0 0 0 0 0 0 0.027 0.043 0.001 0 0 0.084

25 0 0 0 0 0 0 0 0.024 0.045 0 0 0 0.07426 0 0 0 0 0 0 0 0.013 0.029 0 0 0 0.04327 0 0 0 0 0 0 0 0.003 0.016 0 0 0 0.01928 0 0 0 0 0 0 0 0 0.004 0 0 0 0.00429 0 0 0 0 0 0 0 0 0.001 0 0 0 0.00130 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0Vitesse du vent [m/s]

P u i s s a n c e [ K

w ]

Estimation de l’énergie produite par un parc éolien – GH WindFarmer

VD

Parc éolien



Parc éolienPoints à considérer:

• Secteur directionnel• Intervalle de vitesse

• Effet de l’intensité de la turbulence

• Effet de la rose des vents• Précision des coefficients de poussée CT

• Weibull ou distribution des fréquences mesurées


Exemple de résultats fournis



Exemple de résultats fournisParc éolien avec 44 éoliennes de 500 kW de puissance

La production d’énergie nette correspond à la valeur centrale:P50

L’ analyse des incertitudes nécessite aussi d’être considérée…

Production d’énergie idéale (GWh/annum) 60.8

Effet topographique (%) 94.0Effet de sillage (%) 96.0Efficacité de la transmission électrique (%) 98.0Disponibilité (%) 97.0

Production d’énergie nette (GWh/annum) 52.2


Sources d’incertitudes

• Le calcul de la vitesse moyenne à long terme et de la production



• Le calcul de la vitesse moyenne à long terme et de la productiond’énergie du parc éolien aura les sources d’incertitudes suivantes:

• Étalonnage des anémomètres

• Survitesse possible des anémomètres• Méthodologie Mesurer-Corréler-Prévoir

• Variabilité des données à long terme

• Analyse par WAsP

• Pertes de sillage• Autres

• Quelques incertitudes sont calculables en utilisant l’ écart type.Pour d’autres, l’incertitude doît être estimée.

• Les incertitudes s’ additionnent car nous considérons les élémentsindépendants entre eux


Exemple d’analyse de l’incertitude

Hypothèses:• Parc éolien 22 MW



• Energie prévue 52.2 GWh/an• Vitesse moyenne 7.3 m/s• Sensibilité d’énergie 12 GWh/an/(m/s)

Variation historique á long terme de la vitesse moyenne du ventsur 12 ans (provenant d’une station météo de référence)

1.73% 0.126 m/s 1.52 GWh/an

Erreur standard de la corrélation (données mesurées)

0.25 m/s 3.0 GWh/anÉtalonnage des anémomètres1% 0.073 m/s 0.88 GWh/an

Modèlisation de l’écoulement du vent et du sillage2 GWh/an

Variation future du vent sur 10 ans1.9% 0.139 m/s 1.66 GWh/an

Combinaison des erreurs standards( 1.522 + 32 + 0.882 + 22 + 1.66 2)0.5 = 4.34 GWh/an


Probabilités

Production énergétique, valeur moyenne 52.2 GWh, écart-type(9) 4.34 GWhP b bilité Di t ib ti N l



0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.070.08

0.09

0.1

35 37.5 40 42.5 45 47.5 50 52.5 55 57.5 60 62.5 65 67.5 70

Probabilité: Distribution Normale

Energie nette produite (GWh)P90 = 46.64 GWh

P10 = 57.76 GWh

1.289 1.289


ProbabilitésProduction énergétique, valeur moyenne 52.2 GWh, écart-type 4.34 GWh



g q y yp

. . .

60 0.997862568 0.001924028 60 0.001924

65 0.999990886 1.17064E-05 65 1.17E-05

70 0.999999994 9.25379E-09 70 9.25E-09

52.20

49.27 48.55 47.7046.64

45.0643.69

42.09

38.83

50.0% 75.0% 80.0% 85.0% 90.0% 95.0% 97.5% 99.0% 99.9%

Probabilité de dépassement

38.833.0899.9

42.092.3399

43.691.9697.5

45.061.644995

46.641.281690

47.701.03685

48.550.84280

49.270.674575

52.20050

Energie=52.2-

Ax(Ecart-type)A

% Probabilité

dedépassement

Energie nette produite (GWh)


Probabilités

Production énergétique, valeur moyenne 52.2 GWh, avec 2 incertitudesdifférentes: écart-type 4 34 GWh et écart-type 2 7 GWh



différentes: écart type 4.34 GWh et écart type 2.7 GWh

Probabilité

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

35 37.5 40 42.5 45 47.5 50 52.5 55 57.5 60 62.5 65 67.5 70

écart-type 2.7 GWh

écart-type 4.34 GWh

1.28

P90 = 48.75 GWh

1.28

Energie nette produite (GWh)

P90 = 46.64 GWh


Conclusion



Il est utile de réduire les incertitudes en ayant*• Des enregistrements de durée aussi longue que possible

sur le site, effectuées avec un appareillage étalonné dequalité à la hauteur de la nacelle

• Une corrélation forte avec une station météorologique long-terme

En effet toute incertitude additionnelle entraîne une réductionsensible de la valeur de l’énergie produite pour un niveau fixé degarantie.Cela peut ultérieurement contraindre les investisseurs à prendre des

précautions supplémentaires.

*Nous supposons ici que la courbe de puissance de l’éolienne est la courbe réelle


GH WindFarmer



GH WindFarmer

analyse environnementaleBruit

Zones d’influence VisuelleVisualisation

Photomontage

Clignotement d’ombre

Bruit

• Le bruit perçu dépend des facteurs suivants:



• Le bruit perçu dépend des facteurs suivants:

- Bruit produit par l’éolienne

- Distance de propagation- Fréquence du son- Absorption du sol- Barrière et réflexion par les arbres, constructions, etc- Bruit de fond ambiant/émergeant- Direction et vitesse du vent

• Modèle prenant en compte une seule fréquence, ou unerépartition du bruit par octave

• Guide des meilleures pratiques• Norme ISO 9613 sur la propagation

Conception d’un parc éolien (Analyse environnementale)

Bruit – une contrainte environnementale importante

Possibilité de fixer des limites pour des maisons individuelles et d’insérer ceslimites dans l’optimisation



1

2

3

4

5

67

1 2 3

4 5

6

7

8910

1112

13 14

15

1617

- Éolienne

- Habitation- Points de la frontière- Frontière

- Bruit :-

0 - 30 dB(A)30 - 35 dB(A)35 - 40 dB(A)40 - 45 dB(A)45 - 50 dB(A)

50 - 55 dB(A)


Zones d’ influences visuelles, ZIV

• Possibilité d’ exposition des ZIVs suivant une carte ou



Possibilité d exposition des ZIVs suivant une carte ou

interrogation pour des points précis

• Choix des critères de visibilité: nombre de bout de pâle,

nacelle, angle de visibilité vertical ou horizontal,

pourcentage visible du site

• Calcule la ZIV jusqu’a la distance souhaitée

• Courbure de la terre prise en considération

• Peut intégrer les effets de plusieurs sites


Carte ZIV




Parcs Eoliens multiples




Visualisation



• Interaction avec la carte de la zone

• Damier transparent, plein et photomontage

• Luminosité et effets de brouillard

• Points de vue multiples à différentes hauteurs

• Fonction d’enveloppe pour les vues aériennes ou pour les cartes

• Animation des éoliennes – rotation de la nacelle ou rotation des pâles


Observons le parc éolien …




Une vue en damier




… réglage des points de vue, des détails de

prise de vue, de la luminosité, etc...




… plus réelle...




… amélioration du terrain et du ciel




… luminosité et brouillard




… vue réaliste - photomontage




… une photo bien réelle




Clignotement d’ombre

• Visible lorsque les pâles de l’éolienne passent entre le soleil etl’observateur



l observateur

• Visible particulièrement au lever et au coucher du soleillorsque le soleil est bas sur l’horizon

• Le chemin parcouru par le soleil est calculé pour tous les

jours de l’année en considérant la latitude du site

• Hypothèses:- Les pâles de l’éolienne sont toujours perpendiculaires à l’observateur - L’éolienne est toujours en rotation- Il n’y a pas de nuage


Carte de Clignotement d’Ombre




Etude environnementale complète

• Bruit, ZIV, visualisation, photomontage et clignotement d’ombre



• Zones d’exclusions (ie: faune/flore, archéologie, proximité,

équipement de télécommunication, couloir aérien)

• Pente du sol

• Intervisibilité des radars avec les éoliennes

• Analyse ,optimisation énergétique et représentation

• L’étude automatique permet un accès rapide aux résultats

conjointement à une modification instantanée des paramètres sinécessaires


Documents

Presentation Garrad Hassan