Les turbines de production d’énergie éolienne fonctionnent souvent dans des environnements complexes créés par la turbulence atmosphérique et le sillage des turbines, et la turbulence a toujours été une mesure importante dans le processus d’analyse des ressources éoliennes.
Dans le secteur éolien, la turbulence est un concept complexe, souvent évoqué dans les rapports d'analyse : dommages aux réducteurs d'éoliennes, fissures des pales, fissures des fondations, production d'électricité non conforme aux normes. Mais qu'est-ce que la turbulence exactement ?
Quel est l'impact de la turbulence sur les éoliennes ?
La turbulence est un état d'écoulement des fluides. Lorsque le débit est très faible, les couches de fluide s'écoulent sans mélange, ce qui est appelé écoulement laminaire, ou écoulement stationnaire ou écoulement en nappe. Avec une augmentation progressive du débit, la ligne d'écoulement du fluide commence à onduler, la fréquence et l'amplitude des oscillations augmentant avec le débit. Cet état est appelé écoulement de transition. Lorsque le débit augmente au point que de nombreuses lignes d'écoulement ne sont plus clairement distinguables, de nombreux petits tourbillons apparaissent dans le champ d'écoulement, ce qui détruit l'écoulement laminaire, non seulement par glissement entre les couches adjacentes, mais aussi par mélange. Il y a alors mélange. À ce moment, le fluide se déplace irrégulièrement, perpendiculairement à l'axe du tube d'écoulement, dans le sens de la vitesse générée. Ce mouvement est appelé turbulence, également appelé écoulement perturbé ou écoulement turbulent.
Comment la turbulence est-elle définie dans la conception des ventilateurs ? Les experts pensent à la toute-puissante méthode statistique. Selon la norme CEI 61400 (une série de normes pour les éoliennes développées par la CEI), l'intensité de la turbulence (en abrégé TI) fait référence à l'ampleur de la variation aléatoire de la vitesse du vent sur une période de 10 minutes, et c'est le rapport entre l'écart type de la vitesse moyenne du vent sur 10 minutes et la vitesse moyenne du vent sur la même période, et c'est la charge de fatigue normale à laquelle les éoliennes fonctionnent. C'est la charge de fatigue normale supportée par l'éolienne en fonctionnement, et c'est l'un des paramètres importants de la classification de sécurité des éoliennes CEI 61400-1.
Les turbulences ont deux causes principales : la première est due au frottement ou à l'effet de blocage de la rugosité du sol lors de l'écoulement de l'air ; la seconde est due au mouvement vertical de l'écoulement dû à la différence de densité de l'air et de température atmosphérique. Généralement, ces deux causes se produisent simultanément, provoquant des turbulences. En atmosphère neutre, l'air se refroidit adiabatiquement en s'élevant et atteint l'équilibre thermique avec la température ambiante. L'intensité des turbulences dépend donc entièrement de la rugosité de la surface.
Impact des turbulences sur la sécurité des éoliennes
La conception des turbines est standardisée, mais les vents naturels ne sont pas aussi disciplinés, et nous devons sélectionner les turbines en fonction des conditions de turbulence dans un champ éolien donné.
Dans le champ éolien, le niveau de turbulence dépasse le niveau de conception du ventilateur, selon la norme de conception, la fabrication du ventilateur est très difficile à atteindre la durée de vie prévue, la durée de vie de conception d'origine de 20 ans du ventilateur, dans 10 ans ou même 8 ans lorsque la racine de la pale, la broche, le plancher de la nacelle et d'autres composants structurels peuvent être dus à une fatigue à long terme au-delà de la norme de conception et entraîner des dommages, de sorte que les revenus du parc éolien seront difficiles à atteindre.
Si la turbulence dépasse la norme, l'éolienne est-elle nécessairement inutilisable ? Étant donné que les paramètres de conception des éoliennes sont généralement supérieurs aux indicateurs des conditions de vent du site, il est généralement possible de réaliser des simulations de charge empiriques pour confirmer les exigences de sécurité. Par exemple, pour une vitesse moyenne annuelle du vent de 8 m/s, la turbulence est calculée pour un ventilateur de classe A. Si la turbulence est de 0,162 pour un emplacement de ventilateur, mais que la vitesse moyenne annuelle du vent n'est que de 7 m/s, nous pouvons essayer d'ajouter les paramètres au modèle de conception du ventilateur, par simulation, afin de déterminer si le ventilateur répond aux exigences de sécurité du parc éolien. Si ces paramètres sont satisfaits, l'éolienne peut être adaptée à ce parc éolien.
L'effet des turbulences sur la production d'énergie éolienne
En fin de compte, ce qui nous importe le plus, c'est la capacité réelle de nos parcs éoliens à générer des revenus. Cependant, pour ce qui est de l'effet des turbulences sur la production d'électricité réelle des parcs, il convient d'abord de mentionner les courbes de puissance statique et dynamique. Actuellement, dans le secteur, on utilise souvent la courbe de puissance statique pour l'évaluation de la production d'électricité, ce qui est très peu scientifique. En effet, cette courbe repose sur l'hypothèse que les turbulences environnementales, dans les conditions idéales de la courbe de puissance établie, sont impossibles à observer en environnement réel, ce qui entraîne une surestimation importante de la production d'électricité. L'approche scientifique devrait consister à utiliser la courbe de puissance dynamique correspondante, basée sur les turbulences environnementales réelles du site d'évaluation, afin de fournir une référence plus claire et plus réaliste pour l'évaluation de l'électricité.
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