Solutions de mesure du vent à distance
Les éoliennes deviennent de plus en plus hautes et plus grandes chaque année, rendant l’installation d’un mât de mesure suffisamment élevé pour obtenir une évaluation représentative des conditions de vent à la hauteur du moyeu et sur l’ensemble du plan du rotor de plus en plus difficile et coûteuse, en particulier pour les grands projets.
Des solutions alternatives et complémentaires sont disponibles sur le marché pour contourner cette problématique : les capteurs à distance. Il existe essentiellement deux types de capteurs à distance, destinés à évaluer les conditions de vent des éoliennes : le Lidar (Light Detection And Ranging) et le Sodar (Sonic Detection And Ranging). Cet article vise à expliquer ces technologies, en gardant à l’esprit que les deux peuvent être utilisées en complément d’une campagne de mesure par mât ou comme outil autonome dans certaines situations spécifiques.
Le principe de l’effet Doppler
Avant d’examiner ces technologies en détail, il est essentiel de comprendre le principe physique qui les régit : l’effet Doppler.
L’effet Doppler est caractérisé par un changement de fréquence d’une onde entre un émetteur et un récepteur lorsque la distance entre eux varie dans le temps. Un exemple typique est le son d’une ambulance en mouvement : lorsque l’ambulance s’approche, le son est plus aigu, et lorsqu’elle s’éloigne, il devient plus grave. Ce phénomène est dû à l’augmentation de la fréquence des ondes devant l’objet en mouvement.
Figure 1 : Effet Doppler sur les fréquences des ondes
Le Sodar : une technologie basée sur le son
La technologie Sodar utilise les structures thermiques de l’atmosphère. Son émetteur produit une impulsion sonore, qui voit sa fréquence modifiée au contact des structures en mouvement sous l’effet Doppler. Le récepteur du Sodar capte ensuite cette impulsion et déduit la vitesse du vent en fonction de la nouvelle fréquence.
La hauteur de mesure dépend du temps que met l’impulsion à revenir au récepteur. Contrairement aux anémomètres, le Sodar mesure le vent sur une zone circulaire, créée par plusieurs faisceaux sonores formant un cône.
Le Sodar monostatique
La technologie Sodar monostatique est la plus couramment utilisée dans l’industrie éolienne. Dans ce système, l’émetteur et le récepteur sont situés au même endroit. Ce type de capteur est généralement moins coûteux et consomme moins d’énergie que le Lidar. Cependant, il est fortement affecté par les échos, notamment provoqués par la proximité de bâtiments ou d’arbres.
Figure 2 : Principe du Sodar monostatique et exemples (AQ510 par AQSystem, Triton par Vaisala)
Le Sodar bistatique (en développement)
Le Sodar bistatique fonctionne selon le même principe que le Sodar monostatique, mais son dispositif comprend des émetteurs et récepteurs séparés. Plus il y a de récepteurs, plus la mesure des turbulences est précise et plus les erreurs dues aux échos peuvent être corrigées.
Il est possible de placer l’émetteur sur la nacelle de l’éolienne et les récepteurs au sol, afin de mesurer le vent directement à la hauteur du moyeu.
Le Lidar : une technologie basée sur la lumière
Contrairement au Sodar, le Lidar exploite les particules en suspension dans l’air. Son émetteur produit une lumière pulsée ou continue, dont la couleur est modifiée sous l’effet Doppler lorsqu’elle entre en contact avec des particules en mouvement. Le récepteur analyse cette lumière modifiée et déduit la vitesse du vent en fonction de la couleur reçue.
Il est possible de combiner plusieurs Lidar d’une même technologie pour améliorer la qualité des mesures.
Le Lidar pulsé
Ce type de Lidar envoie une impulsion lumineuse et détermine la distance en fonction du délai entre l’émission et la réception de l’impulsion. Une seule impulsion permet de mesurer toutes les hauteurs programmées dans le Lidar.
Comme le Sodar, le Lidar pulsé mesure le vent sur une zone circulaire, grâce à plusieurs faisceaux lumineux. Son portée de mesure varie de 30 m à 10 km.
Figure 4 : Leosphere est un fabricant de lidars pulsés conçus pour différents usages (Windcube, Windcube x00S et Wind Iris).
Le Lidar à onde continue (CW Lidar)
Un Lidar à onde continue (CW Lidar) émet un faisceau collimaté et ajuste la distance de mise au point. Le vent est mesuré uniquement à l’endroit où le faisceau est focalisé.
Contrairement au Lidar pulsé, les distances ou hauteurs sont mesurées une par une. La portée de cette technologie varie de 10 m à 300 m.
Figure 5 : ZephyR est un fabricant de lidars CW conçus pour différentes utilisations (ZephIR 300, Zephir DM et Wind Iris).
Comment Greensolver peut vous aider ?
Chaque capteur à distance possède ses avantages et ses inconvénients, qui seront détaillés dans un prochain article.
Greensolver maîtrise parfaitement ce sujet. Si vous souhaitez utiliser un capteur à distance pour vos projets éoliens, n’hésitez pas à nous contacter – nous serons ravis de vous accompagner dans cette démarche.