Etude de la performance d'une hydrolienne dans un écoulement turbulent de marée en milieu estuarien

Abstract

L'intérêt pour la conversion de l'énergie cinétique de l'écoulement de marée par des turbines installées en zone proche côtière a considérablement augmenté depuis les dix dernières années. Des prototypes des hydroliennes à taille réelle ou taille réduite sont installés sur des sites démonstrateurs (étape de pré-commercialisation) dans plusieurs pays. Une turbine tidale à axe vertical (VATT) de la société hollandaise Water2Energy, a été installée en 2014 dans l'estuaire de l'Escaut, en Belgique, pour des tests en conditions réelles de mer, pour une durée de plusieurs semaines. L'écoulement dans l'estuaire est dominé par la marée, avec la vitesse maximale de courant supérieur à 1.5 m/s. Ces vitesses élevées et la profondeur relativement faible (12 m en moyenne) sont à l'origine d'un niveau de turbulence important qui varie au cours du cycle de marée. Le courant de marée et la turbulence sont deux forçages principaux qui affectent le fonctionnement de la turbine. L'expérience dans l'Escaut a été conçue pour étudier la performance de la turbine dans cet écoulement énergétique et fortement turbulent et pour évaluer l'impact de la turbulence marine sur la puissance électrique générée par la turbine. La turbine testée est une hydrolienne standard à quatre pales, de 2 m de diamètre, d'une puissance nominale de 5kW, équipée d'un mécanisme de contrôle des pales et commercialisée par la compagnie depuis peu. Un système de mesure de charge permet de connaitre avec précision la vitesse angulaire de rotation de la turbine. Combinée avec les données d'un capteur de couple, le système enregistre la puissance de sortie à très haute fréquence (100 Hz). Les trois composantes de la vitesse de l'écoulement ont été mesurées en continu en amont de la turbine par un vélocimètre fonctionnant à 16 et 32 Hz. Les mesures couvraient une longue période (plusieurs cycles de marée) avec des régimes d'écoulement différents. La haute fréquence d'acquisition des vitesses de courant rend possible l'estimation des propriétés fondamentales de la turbulence dans l'écoulement de marée : le taux de dissipation de l'énergie turbulente, l'échelle d'injection de l'énergie, l'échelle de Kolmogorov et le nombre de Reynolds. Nous discuterons des approches utilisées pour quantifier l'effet de la turbulence sur la puissance de sortie. L'intermittence est caractérisée par l'estimation de ses lois d'échelle pour les moments statistiques et aussi en considérant la dépendance en échelle de ses cumulants applicable aussi bien pendant des périodes de courant intense que pendant des courtes périodes de la renverse de courant. Nos résultats mettent en évidence une modulation de la puissance instantanée générée par la turbine par la turbulence dans l'écoulement incident, et plus spécifiquement dans l'intervalle inertiel de fréquences. La taille des structures turbulentes (vortex) identifiées dans l'écoulement a été trouvée comparable avec les dimensions de la turbine. L'interaction entre ces structures et la turbine peut être à l'origine d'instabilités et peut causer de fortes oscillations de puissance de sortie, enregistrées par les capteurs. Dans le spectre, ces oscillations correspondent à la fréquence propre de récupérateur f0 et à une fréquence quatre fois plus élevée (la turbine possède quatre pales). Dans les basses fréquences, la puissance générée par la turbine est modulée par la vitesse de l'écoulement. En utilisant des données de puissance et des mesures de vitesse de courant, la performance de la turbine a été évaluée pour différents régimes d'écoulement. Le coefficient Cp ainsi obtenu montre une large gamme de valeurs comprises en moyenne entre 0.25 et 0.45.