Ce qui est bon pour l'un n'est pas toujours le meilleur pour tous.

Les éoliennes solitaires produisent le plus d'énergie lorsqu'elles sont pointées directement dans le vent. Mais lorsque des lignes d'éoliennes serrées font face au vent dans les parcs éoliens, les sillages des générateurs en amont peuvent interférer avec ceux en aval. Comme un hors-bord ralenti par l'eau agitée d'un bateau devant, le sillage d'une éolienne réduit le rendement de ceux qui se trouvent derrière.

Le fait de pointer les turbines légèrement à l'écart du vent venant en sens inverse (appelé wake-steering) peut réduire cette interférence et améliorer à la fois la quantité et la qualité de l'énergie des parcs éoliens, et probablement des coûts d'exploitation inférieurs, une nouvelle étude de Stanford montre.

« 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, " dit Jean Dabiri, professeur de génie civil et environnemental et de génie mécanique et auteur principal de l'article. "L'accent traditionnel a été mis sur la performance des turbines individuelles dans un parc éolien, mais nous devons plutôt commencer à penser à la ferme dans son ensemble, et pas seulement comme la somme de ses parties."

Les sillages des turbines peuvent réduire l'efficacité des générateurs sous le vent de plus de 40 %. Précédemment, les chercheurs ont utilisé des simulations informatiques pour montrer que le désalignement des turbines par rapport aux vents dominants pourrait augmenter la production des turbines en aval. Cependant, montrer cela sur un véritable parc éolien a été entravé par les difficultés de trouver un parc éolien prêt à arrêter les opérations normales pour une expérience et de calculer les meilleurs angles pour la turbine – jusqu'à présent.

D'abord, le groupe de Stanford a développé un moyen plus rapide de calculer les angles de désalignement optimaux pour les turbines, qu'ils ont décrit dans une étude, publié le 1er juillet dans Actes de l'Académie nationale des sciences .

Puis, ils ont testé leurs calculs sur un parc éolien en Alberta, Canada en collaboration avec l'opérateur TransAlta Renewables. La puissance de sortie globale de la ferme a augmenté jusqu'à 47 pour cent dans des vitesses de vent faibles - en fonction de l'angle des turbines - et de 7 à 13 pour cent dans des vitesses de vent moyennes. La direction du sillage a également réduit les flux et reflux de puissance qui sont normalement un défi avec l'énergie éolienne.

"Grâce à la direction de sillage, la turbine avant a produit moins de puissance que prévu, " a déclaré Michael Howland, étudiant au doctorat en génie mécanique, auteur principal de l'étude. "Mais nous avons constaté qu'en raison de la diminution des effets de sillage, les turbines en aval généraient beaucoup plus de puissance."

Variabilité

La production variable des parcs éoliens rend la gestion du réseau plus difficile de deux manières importantes.

L'un est le besoin d'alimentations de secours, comme les centrales électriques au gaz naturel et les grandes, piles chères. Dans la nouvelle étude, l'amélioration de la puissance à des vitesses de vent faibles était particulièrement élevée car les turbines cessent généralement de tourner en dessous d'une vitesse minimale, couper complètement la production et obliger les gestionnaires de réseau à s'appuyer sur une alimentation de secours. Par vent lent, le wake-steering a réduit le temps pendant lequel les vitesses sont tombées en dessous de ce minimum, les chercheurs ont trouvé. Notamment, les gains les plus importants étaient la nuit, lorsque l'énergie éolienne est généralement plus précieuse en complément de l'énergie solaire.

L'autre est la nécessité de faire correspondre exactement la quantité d'électricité fournie et utilisée dans une région à chaque instant pour maintenir la fiabilité du réseau. La turbulence de l'air provenant des sillages peut rendre la production du parc éolien erratique minute par minute, une période de temps trop courte pour allumer un générateur de gaz. Cela rend l'adéquation entre l'offre et la demande plus difficile pour les gestionnaires de réseau à très court terme. Ils ont des outils pour le faire, mais les outils peuvent être coûteux. Dans l'étude, La direction du sillage a réduit la variabilité à très court terme de la production d'énergie jusqu'à 72 pour cent.

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 de turbine et augmenter les coûts de réparation. Bien que l'expérience n'ait pas duré assez longtemps pour prouver que la direction du sillage réduit la fatigue de la turbine, les chercheurs ont suggéré que cela se produirait.

"La première question que beaucoup d'opérateurs nous posent 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 jusqu'à présent, nous avons vu que vous pouvez réellement réduire la fatigue mécanique grâce à la direction du sillage."

Modélisation et viabilité à long terme

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 gourmande en données et en calculs, " dit Sanjiva Lele, professeur d'aéronautique et d'astronautique, et de génie mécanique. "Au lieu, nous avons établi des représentations mathématiques simplifiées qui non seulement fonctionnaient mais réduisaient également 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 la direction du sillage.

"Notre modèle est essentiellement plug-and-play car il peut utiliser les données spécifiques au site sur les performances des parcs éoliens, ", a déclaré 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 pu mesurer un changement dans la production annuelle d'électricité en raison de la durée limitée de 10 jours de cet essai sur le terrain, l'étape suivante, dit Dabiri, consiste à effectuer des tests sur le terrain pendant une année entière.

« Si nous pouvons en 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'électricité et même l'utilisation des terres pour les parcs éoliens partout, " dit Dabiri.