L’impact de la turbulence sur les hydroliennes

Auteur : Tom CAMERON, étudiant en l1 SPI

Ceci est un domaine de recherche essentiel, car il influence à la fois les performances et l’intégrité structurale. Les conditions turbulentes, souvent exacerbées par les interactions entre les vagues, peuvent entraîner des fluctuations importantes de la puissance produite et affecter les caractéristiques de sillage des turbines marémotrices (TST). Il est essentiel de comprendre cette dynamique pour optimiser la conception et le fonctionnement des turbines dans des environnements réels.

A/Effets de turbulence sur la puissance de sortie

1. Fluctuations de puissance dues à l’intensité de la turbulence (TI)

Dans les environnements de marée, l’intensité des turbulences (TI), qui mesure le niveau de fluctuations de vitesse au sein d’un écoulement par rapport à sa vitesse moyenne, peut atteindre des niveaux de 10 % à 20 %. Ces variations perturbent la stabilité de la puissance générée (Tan et al., 2023). Ces fluctuations rendent difficile le maintien d’une production énergétique constante.

2. Impact des conditions de lacet

Les coefficients de puissance des turbines marémotrices diminuent de manière significative dans des conditions d’entrée en lacet (ou « yaw »), où l’angle entre la direction principale du courant et l’axe de rotation d’une turbine peut atteindre 30°. Ces conditions peuvent entraîner des réductions allant jusqu’à 47,1 % de l’efficacité (Qian et al., 2023). Ces variations mettent en évidence l’importance de concevoir des turbines capables de s’adapter à des écoulements non uniformes.

3. Effets des turbulences induites par les ondes

Les turbulences générées par les vagues, qui créent des fluctuations de vitesse et des structures tourbillonnaires dans l’eau, homogénisent les structures du sillage en aval. Cela réduit la décroissance énergétique dans le domaine spectral, une représentation des fluctuations d’énergie en fonction de leur fréquence (Fernandez-Rodriguez, 2023). Cela peut influencer les performances des turbines situées dans des réseaux, où l’effet d’ombre peut être accentué.

B/Caractéristiques de sillage et stabilité

1. Instabilités générées par les interactions sillage-turbulence

L’interaction entre les structures du sillage des turbines et les tourbillons turbulents, mouvements chaotiques au sein du fluide, peut créer des instabilités hydrodynamiques. Ces perturbations dans l’écoulement en aval réduisent l’efficacité globale d’un parc de turbines (Smyth et al., 2023).

2. Altérations de la dynamique des fluides

Les simulations numériques de la dynamique des fluides (CFD, ou Computational Fluid Dynamics), qui modélisent et analysent les écoulements de fluides, montrent que la turbulence modifie non seulement la vitesse moyenne en aval des turbines, mais aussi la distribution spatiale de l’intensité du sillage. Ces altérations compliquent les interactions entre turbines dans un réseau, impactant la planification des configurations optimales (Gregori et al., 2023).

C/Implications sur la conception et les stratégies opérationnelles

1. Conception résiliente des turbines

La compréhension approfondie des paramètres de turbulence est essentielle pour améliorer la durabilité des turbines. Par exemple, la fatigue des pales, usure progressive due à des charges fluctuantes causées par les variations de vitesse et les turbulences, peut être atténuée en utilisant des matériaux avancés ou des géométries adaptatives (Tan et al., 2023).

2. Stratégies de contrôle et d’optimisation

Des stratégies de contrôle adaptatif, intégrant des modèles prédictifs, peuvent aider à compenser les effets des fluctuations de turbulence. Cela inclut des algorithmes de réglage en temps réel pour maximiser la puissance extraite tout en minimisant l’usure des composants. 3. Innovations dans la conception des réseaux

La conception de réseaux de turbines devrait tenir compte des interactions complexes entre les vagues, les courants et le fonctionnement des turbines. Une meilleure disposition spatiale des turbines peut atténuer les effets de sillage et maximiser l’efficacité globale du parc. L’étude de l’effet d’ombre, où le sillage d’une turbine perturbe l’écoulement d’eau vers une turbine située en aval, est essentielle pour optimiser ces configurations (Gregori et al., 2023).

Conclusion

Bien que les turbulences constituent un défi pour les performances des turbines marémotrices, elles offrent également des opportunités pour innover dans leur conception et leurs stratégies opérationnelles. Les recherches futures devront se concentrer sur le couplage entre modèles expérimentaux, numériques et sur le terrain pour résoudre les complexités de la turbulence. Cela permettra de développer des systèmes d’énergie marémotrice plus robustes, efficaces et viables sur le plan économique

Sources:

 Generation and distribution of turbulence-induced loads fluctuation of the horizontal axis tidal turbine blades (Wang et al., 2024)

  Experimental and numerical investigations on the performance and wake characteristics of a tidal turbine under yaw (Qian et al., 2023)

On the impact of waves and turbulence on the power fluctuations and wake structure of a tidal-stream turbine (Fernandez-Rodriguez, 2023)

Synthetic eddy generation and modelling of turbine operation in a turbulent tidal flow (Gregori et al., 2023)

 Profiles_Turbulence_metrics_Readme from Characterization of the vertical evolution of the three-dimensional turbulence for fatigue design of tidal turbines. 23 April 2020 (Thiébaut et al., 2020)