Description des éoliennes à axe horizontal

La production annuelle d’une éolienne repose sur la courbe de puissance de l’éolienne, les vitesses de vent et le nombre d’heures de vent durant une année pour un site proposé. Les détails du calcul de la production annuelle d’une éolienne sont présentés dans la section 2.2 du chapitre 2, ici nous identifions les éléments les plus importants qui influencent sa valeur et leur lien avec le phénomène de givrage. La puissance d’une éolienne est déterminée à partir de son coefficient ~e puissance, de la surface balayée par ses pales, de la densité de l’air et de la vitesse du vent au cube. La puissance dépend principalement de la vitesse du vent, mais est aussi légèrement affectée par la densité de l’air, cette dernière étant déterminée à son tour par la température et la pression barométrique ou par l’altitude [7]. Le coefficient de puissance dépend des caractéristiques des profils aérodynamiques composants la pale, de la vitesse du vent, du nombre de pales, de leur rayon, de leur angle de calage et de leur vitesse de rotation ([8] et [9]). Les vitesses de vent sont représentées par une fonction de distribution qui représente la probabilité d’avoir une certaine vitesse du vent pendant une période donnée. Le vent ayant un caractère aléatoire, son analyse est basée sur des méthodes statistiques. Le régime des vents sur un site se caractérise par la valeur de la vitesse moyenne du vent et les lois statistiques permettant de représenter sa variation temporelle [10]. Parmi ces lois, la loi de Weibull est souvent utilisée en génie éolien, car elle représente bien les vitesses du vent observées à long terme sur un grand nombre de sites [5] et prend en compte l’asymétrie des données empiriques [11].

Un cas particulier de la distribution de Weibull est la distribution de Rayleigh. C’est la distribution de la vitesse de vent la plus simple pour représenter les ressources éoliennes, car elle exige seulement de connaître la vitesse moyenne du vent, l’asymétrie étant fixée à deux. Le calcul de la production annuelle est basé sur une vitesse moyenne du vent à la hauteur du moyeu pour le site étudié. En raison du phénomène de cisaillement du vent, la vitesse du vent à la hauteur du moyeu est habituellement plus élevée que celle mesurée à la hauteur habituelle où sont installés les anémomètres. Pour cette raison une extrapolation verticale des vitesses du vent mesurées est effectuée, au moyen d’une loi de puissance appliquée à la hauteur [12]. Si les lois de Weibull et de Rayleigh permettent de déterminer le comportement statistique de la vitesse du vent dans le temps, la loi de puissance permet de mesurer la variabilité du vent au même endroit, au même moment mais à des hauteurs différentes. Le calcul de la production annuelle, basé sur l’intégration du produit entre la puissance produite par l’éolienne à une vitesse de vent donnée et le nombre d’heures durant l’année pendant lesquelles le vent souffle à cette vitesse est valable pour des conditions standards de température et de pression atmosphérique. La production doit être corrigée en fonction de la pression atmosphérique, des conditions de température et des pertes inhérentes aux éoliennes telles que les pertes par effet de sillage, les pertes par encrassement des pales ou résultantes du verglas, les pertes pour causes d’arrêts et les autres pertes [5].

Exploitation des éoliennes en milieu nordique En milieu nordique, les basses températures augmentent la densité de l’air. Une densité d’air plus élevée augmente l’énergie cinétique du vent et par conséquent la puissance captée par l’éolienne. L’air est par exemple 27 % plus dense à -33°C qu’à +35°C. La puissance fournie par une éolienne, qui est directement proportionnelle à la densité de l’air, est donc 27 % plus importante à -33°C qu’à +35°C [13]. Les milieux nordiques disposent généralement de régions très bien exposées au vent et ces régions semblent idéales pour l’exploitation des éoliennes. Malheureusement, les problèmes liés au givrage et aux très basses températures y sont fréquents et ont de sérieuses conséquences sur la production des éoliennes, leur maintenance et leur durée de vie [14]. La présence de glace sur les pales d’éoliennes diminue considérablement les performances du rotor. Lors de conditions d’évènements givrants, un dépôt de glace se forme sur les pales (Figure 2), celles-ci perdent leurs caractéristiques aérodynamiques [15], le couple rotatif s’affaiblit et la puissance électrique fournie par l’éolienne diminue. Lorsque l’évènement givrant est très sévère [13], la production électrique est interrompue en raison d’un couple rotatif nul qui conduit à l’arrêt de l’éolienne [14].

Le Tableau 1 présente un ordre de grandeur des valeurs moyennes annuelles des pertes de production dues au givrage pour un parc éolien [16]. Les pertes de production dépendent à la fois de l’intensité, de la longueur et de la fréquence des évènements givrants. Lors d’un évènement givrant assez important, la masse de glace accumulée peut augmenter considérablement le chargement radial sur les pales en raIson de la force centrifuge. Le système de fixation des pales au moyeu doit alors être spécialement dimensionné pour supporter le surplus de contraintes et éviter tout bris mécanique. Les éoliennes peuvent aussi être arrêtées en raison de vibrations trop importantes qUI apparaissent lorsque le dépôt de glace n’est pas réparti uniformément [18]. Ces vibrations favorisent l’expulsion dangereuse de morceaux de glace [19]. La présence de la glace sur les appareils de mesure d’une éolienne altère également le fonctionnement de ces appareils. Un anémomètre givré [15] ou une girouette givrée ne sont pas en mesure de fournir des données cohérentes, le contrôle de l’éolienne devient alors difficile ou même impossible. Sur certains sites éoliens à climat très froid (régions nordiques et/ou sites montagneux), les températures peuvent descendre en dessous des seuils de fonctionnement de certaines composantes, notamment électroniques, de l’éolienne.

Pour éviter tout bris mécanique, l’huile des boites de vitesses est chauffée régulièrement. Enfin, à très basse température et pour des vitesses de vent favorable, une éolienne peut paradoxalement se retrouver en situation de surproduction à cause de la densité de l’air trop élevée. La génératrice doit alors être dimensionnée pour supporter ce surplus de puissance sans être endommagée [15]. Certaines adaptations sont obligatoires pour envisager d’exploiter des éoliennes en milieu nordique. Ces adaptations concernent à la fois la conception mécanique de l’éolienne (matériaux adaptés aux faibles températures, dimensionnement du moyeu adapté aux contraintes radiales supplémentaires dues à l’accumulation de glace sur les pales), le choix des équipements de l’éolienne (appareils de mesures météorologiques chauffés, boites électriques chauffées, mise en place de systèmes de dégivrage automatisés), et enfin l’entretien et la maintenance de l’éolienne (dégivrage manuel des pales, remplacement des pièces brisées ou usées par le froid et le givre, chauffage de l’huile des boîtes de vitesses).

Modèles numériques de givrage

Plusieurs modèles numériques ont été développés pour simuler la formation de glace (le givrage) sur un profil aérodynamique en deux dimensions afin de prédire le type de glace, la forme et la location du dépôt, ainsi que leur effet sur l’aérodynamique des avions et des hélicoptères en fonction des conditions atmosphériques mesurées. Ils utilisent comme conditions d’entrée la température et l’ humidité relative de l’air, la pression barométrique, la vitesse de vent, la teneur en eau liquide de l’air (LWC), le diamètre volumétrique médian (MVD) des gouttelettes d’eau en surfusion et la durée de l’évènement, et font des calculs successifs de l’écoulement autour du profil et des trajectoires des gouttelettes d’eau pour prédire l’efficacité de collection, la couche limite et les coefficients de transfert, du bilan de masse et transfert de chaleur à la surface de l’objet pour prédire la masse de glace accumulée, et des changements de géométrie pour prédire la forme de dépôt de glace. Les codes validés pour l’aéronautique, en deux dimensions, sont LEWICE développé aux États- Unis par Wright [23] en 1995, ONERA développé en France par Gent [24] en 1990, TRAJICE2D développé en Grande-Bretagne par Guffond [25] en 1992, CANICE développé au Canada (École polytechnique) par Paraschivoiu [26] en 1994, CIRA développé en Italie par Mingione [27] en 1996, CIRALIMA développé au Québec par G. Fortin [20] en 2003. Le code FENSAPICE 3D, développé au Canada (Université McGill) par Habashi [28] en 2002, est le seul qui peut prédire la formation de glace sur un avion en 3D. Ces différents codes sont décrits et comparés plus en détail dans la thèse de doctorat de G. Fortin [20].

L’Institut technique de la recherche en Finlande (Technical Research Institute of Finland VTT) a développé le code TURBICE pour la modélisation de l’accrétion de glace sur les pales d’éolienne. La version initiale a été établie en 1992 par Finstand et Makkonnen [29] et a été amélioré par la suite [30]. Le code CANICE-WT a été développé à l’École polytechnique de Montréal (Canada) pour la simulation et l’analyse de la formation de glace (givre et verglas) sur \es éoliennes à axe horizontal. Le code est capable de prédire la masse et la forme de glace se déposant le long d’une pale d’éolienne connaissant la géométrie de l’éolienne, les conditions d’opération et les conditions atmosphériques [22]. Étant donné que l’accès du code CIRALIMA était facile et que ses résultats sont fiables et précis comparés aux autres logiciels, ce code est utilisé dans ce travail. CIRALIMA permet de prédire en 20 la forme des profils aérodynamiques après l’accumulation de glace, en régime sec (givre) et humide (verglas), et ce pour différentes conditions atmosphériques et différentes positions sur la pale.