Comparaison de différents agencements

Cette partie a pour but d'étudier différents agencements ainsi que différents espacement longitudinal afin de déterminer quelle configuration serait la plus adaptée au problème. Ce travail est effectué dans un canal afin de limiter les temps de calculs. La configuration retenue sera ensuite appliquée à la zone étudiée afin de vérifier la conformité des résultats. L'espacement transversal restera constant et a été choisi selon la littérature et le retour de nos contacts.

Au cours des simulations, il a été considéré que les axes des hydroliennes étaient alignés avec la direction de l'écoulement en imposant comme condition à la limite amont du domaine une vitesse purement longitudinale.
De plus, la taille du domaine a été définie afin de limiter les effets de bords grâces aux
recommandations de Monsieur Andreewsky (EDF) selon lesquelles l'hydrolienne devrait se situer à:

  • 2.5 diamètres des parois latérales
  • 5 diamètres en amont
  • 10 diamètres en aval

On prendra de plus 4 diamètres d'espacement transversal entre les hydroliennes.

Lors de la mise en place d'un parc d'hydroliennes, l'objectif principal étant d'optimiser la puissance extraite par les machines, l'étude des effets de sillage est dès lors primordial. Ici la vitesse initiale imposée pour les simulations est de 4.5 m/s, vitesse maximale atteinte au niveau du passage du Fromveur dans le cas d'une mer agitée. Cette étude de cas permettra de déterminer quelles sont les interactions entre les machines dans des conditions extrêmes et de ce fait garantira un effet de sillage moindre lorsque les hydroliennes fonctionneront dans un état "normal".
La puissance extraite par les hydroliennes constituant la première rangée de la ferme est présentée dans le tableau ci-dessous:

$P_{extraite} = \eta P_{th} = \frac{1}{2} \rho \eta \pi r^2 U^3$

 

où   $\eta$ = 0,4 est le rendement de la machine
        r est le rayon de la machine
        U est la vitesse de l'écoulement

Puissance théorique  (MW)                  3.57                  
Puissance extraite (MW)          1.42        

 

1. Influence de l'espacement en configuration "régulière"

Dans un premier temps, l'étude se porte sur la configuration la plus simple qui consiste en un alignement des machines.

Illustration : Etude du sillage en fonction de l'espacement entre les hydroliennes a) 5 diamètres, b) 10 diamètres, c) 15 diamètres (cliquer pour agrandir)

Les trois écoulements ci-dessus représentent l'impact des hydroliennes sur la vitesse de l'écoulement et mettent donc en évidence le phénomène de sillage. La vitesse imposée à l'entrée du domaine étant constante, ce dernier n'évolue donc pas au cours du temps.
Logiquement, un premier constat peut être effectué : plus l'espacement entre les hydroliennes est important, plus la vitesse juste avant la seconde rangée sera grande, la puissance ainsi extraite s'en trouvera optimisée.
Cependant, le cas idéal mis en place pour déterminer l'agencement optimal des hydroliennes ne prend pas en compte les contraintes imposées par le cas réel, comme la bathymétrie, ou bien l'étendue du domaine où le courant est exploitable. Ainsi, il faut trouver un compromis et de ce fait savoir si la perte de puissance engendrée par un espacement moins important est contrebalancée par l'augmentation de l'étendue qui se traduira par un accroissement du coût de raccordement. En effet, au regard des captures des résultats de nos simulations, l'agencement idéal serait sans nul doute celui obtenu pour un espacement de 15 diamètres entre chaque rangée de turbines (i.e 150 mètres).
Dans le but de pouvoir dresser une comparaison plus précise entre la vitesse initiale et la vitesse à l'amont de la deuxième rangée d'hydroliennes, il semble judicieux de tracer le profils de ces dernières et sont représentés ci-dessous :

Illustration : Profils de vitesse au niveau des deux rangées d'hydroliennes (cliquer pour agrandir)

La vitesse longitudinale moyenne de l'écoulement oscille autour de 4.5 m/s, soit la vitesse imposée à l'entrée du domaine.
Ci-dessous un tableau permettant de comparer l'impact de la première rangée d'hydroliennes sur la puissance extraite de la seconde.

Espacement 5D 10D 15D
Vitesse (m/s) 4.22 4.36 4.4
Puissance extraite (MW) 1.12 1.30 1.34

Bilan :
La différence de production d'électricité est inférieure à 3% pour l'espacement des hydroliennes allant de 10D à 15D. Cette perte est donc négligeable au regard du prix que coûterait un raccordement allongé de 50 mètres (50 k€ pour 50 mètres supplémentaires).

 

2. Comparaison des configurations "régulière" et "quinconce"

A présent, il faut chercher à déterminer la configuration la plus pertinente à mettre en place. En effet, la présence de l'hydrolienne influence grandement les conditions hydrodynamiques de l'écoulement. Un phénomène important à mettre en avant est l'accélération de la vitesse au niveau des parois latérales de l'hydrolienne. Un gain d'énergie extraite par les hydroliennes est dès lors exploitable. Le résultat mis en avant précédemment est confirmé, en effet, les effets de sillage sont négligeables à partir de 10 diamètres comme le montrent les illustrations ci-dessous.

Illustration : Etude du sillage en fonction de la configuration des hydroliennes a) régulière, b) quinconce. (cliquer pour agrandir)

Pour plus de précision, il a été tracé comme précédemment les profils de vitesse afin de pouvoir juger au mieux quelle serait la configuration optimale.

Illustration : Profils de vitesse au niveau des deux rangées d'hydroliennes (cliquer pour agrandir)

Configuration Quinconce Alignée
Vitesse (m/s) 4.58 4.36
Puissance extraite (MW) 1.50 1.30

Bilan :
On constate que la puissance extraite au niveau de la seconde rangée est plus élevée qu'au niveau de la première, pour la configuration en quinconce. En effet, pour chaque hydrolienne appartenant à la seconde rangée, la production d'électricité est supérieure de 14% par rapport à la configuration régulière.

 

3. Influence de l'espacement en configuration "quinconce"

Bien que la configuration optimale soit évidente, en analysant les illustrations représentant l'évolution de la vitesse au sein de l'écoulement, il semble probable qu'une diminution de l'espacement entre les hydroliennes soit possible. Pour vérifier cette impression, des simulations pour différents espacements (5D et 10D) dans la configuration "quinconce" ont été effectuées. Les profils de vitesse obtenus sont représentés ci-dessous.

Illustration : Profils de vitesse pour différents espacements de la configuration quinconce (cliquer pour agrandir).

Il est donc aisé de remarquer que la vitesse au niveau de la seconde hydrolienne est identique aussi bien pour un espacement de 100 que de 50 mètres, la puissance extraite est donc la même. Nous privilégions dès lors un espacement plus faible dans l'optique de diminuer les coûts de raccordement au réseau.

Bilan :
La dernière configuration observée arrivant à allier une faible étendue de la ferme ainsi qu'une puissance extraite optimale par les hydroliennes, est donc sans nul doute l'agencement le plus pertinent à adopter pour le placement des machines.