Turbulences en vue

Lorsque le vent traverse une éolienne, il en ressort brisé en de multiples tourbillons. C’est tout le problème des parcs. Les turbulences créées par la première rangée d’éolienne affectent la suivante, qui produit jusqu'à 40% d'électricité en moins. Des chercheurs du Laboratoire d’ingénierie éolienne et d’énergie renouvelable (WIRE) de l'EPFL, dirigé par Fernando Porté-Agel développent actuellement de nouveaux outils pour améliorer l'efficacité globale des parcs. Ils ont publié deux articles concernant leurs recherches dans la revue Boundary-Layer Meteorology.

«Un des facteurs importants dans la conception d’un parc éolien réside dans le positionnement des éoliennes les unes par rapport aux autres», explique Yu-Ting Wu, doctorant au WIRE. Un des articles récemment publiés compare les résultats d’essais menés en soufflerie et d’une simulation numérique. Les chercheurs se sont penchés sur la disposition des éoliennes à l’intérieur du parc.

Les parcs éoliens ont toujours été conçus sous la forme d’un quadrillage. Les simulations effectuées par Wu montrent qu’on peut améliorer le rendement général en jouant simplement sur l'agencement des éoliennes. Il s’agit de laisser du temps au flux d’air turbulent pour qu’il se stabilise avant de rencontrer la rangée suivante. Mais il est difficile de trouver l'agencement parfait. «Il ne faut pas oublier que l’agencement est relatif, explique Wu. Il change avec la direction du vent» Par exemple, deux éoliennes placées l’une derrière l’autre face au vent du sud, seront côte à côte lorsque le vent souffle de l’est.

Wu et ses collègues ont démontré qu’une simulation peut reproduire de manière satisfaisante les mesures prises lors d’essais en soufflerie. Ces expériences numériques fournissent donc des données fiables et très complètes – un peu comme s’il était possible d’équiper chaque point de l’espace de capteurs mesurant la vitesse du vent, sa direction, l’intensité de la turbulence.

Pour ses simulations, Wu a développé un modèle d’éolienne qui prend en compte la rotation des hélices et leur interaction avec le vent – une amélioration par rapport à l’approche classique, dans laquelle les rotors sont considérés comme un simple disque perché sur un mât. L’approche de Wu est plus proche de la réalité. Il modélise la rotation de chaque éolienne ainsi que les forces générées dans le processus, offrant de ce fait un champ de propagation plus précis pour chaque éolienne.

Des souffleries à sol chauffant
La stabilité atmosphérique est un autre facteur critique qui influence la quantité d'énergie récoltée. Dans le deuxième article, Fernando Porté-Agel et ses collègues de l’Université du Minnesota expliquent la mise en place d’une série d’essais en soufflerie pour étudier les effets de la chaleur dans le sillage d’une éolienne. Ils les reproduisent en utilisant un chauffage au sol dans leur soufflerie.

Paradoxalement, malgré une plus forte turbulence par temps chaud, le flux d’air à l'arrière d'une éolienne récupère plus rapidement qu'avec des vents nocturnes, pourtant plus réguliers. Autrement dit, par temps chaud, le rendement ne devrait pas perdre plus d'efficacité que durant la nuit. Selon les auteurs, une forte turbulence environnant le sillage de l’éolienne entraîne une plus grande quantité de mouvements, permettant une stabilisation plus rapide du flux d’air.

Aussi surprenant que cela puisse sembler, les parcs d’éoliennes ont également un impact météorologique – au même titre que le relief, les forêts ou les villes. Elles doivent donc être prises en compte dans les modèles de prévision. Sur ce point également, les travaux de Fernando Porté-Agel pourraient avoir un impact.

Références:

Yu-Ting Wu, Fernando Porté-Agel (2012), Simulation of Turbulent Flow Inside and Above Wind Farms: Model Validation and Layout Effects, Boundary-Layer Meteorology

W. Zhang, C. D. Markfort and F. Porté-Agel (2012), Wind-Turbine Wakes in a Convective Boundary Layer: A Wind-Tunnel Study, Boundary-Layer Meteorology