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Correction CFD des données Lidar
Le service de correction CFD des données Lidar
Le service de correction CFD des données lidar pour les terrains complexes
Les dispositifs Lidar sont de plus en plus utilisés pour évaluer la ressource éolienne, en alternative aux mâts météorologiques. En effet, une fois les mâts météorologiques installés, la position et la hauteur des anémomètres conventionnels sont fixes. Cela restreint par conséquent les mesures à certains endroits et ne permet pas des mesures sur toute la longueur du rotor des éoliennes, qui peuvent culminer jusqu’à 200+ mètres. Les lidars pallient facilement cet inconvénient par leur portabilité. De plus, ils sont capables de mesurer la vitesse du vent à des hauteurs supérieures à celles que peuvent atteindre les mâts de mesures conventionnels.
Cependant, les capteurs distants rencontrent des biais de mesure en terrain complexe en raison du manque d'homogénéité de l'écoulement au sein du volume mesuré. Le succès d'un projet de parc éolien dépendant largement de l'évaluation initiale de la ressource en vent, une correction des données lidar au moyen de simulations CFD est nécessaire pour réduire l'incertitude.
Meteodyn a donc collaboré avec plusieurs fabricants de Lidar pour fournir un service de correction des données lidar minimisant considérablement ce problème.
Le processus de correction
Meteodyn fournit un service de correction des données Lidar pour les Lidars WindCube®, les Lidars ZX et les Lidars MOLAS B300.
ÉTAPE 1
En utilisant la position du Lidar, le calcul des angles d'écoulements entrants et de la déviation horizontale, Meteodyn fournit un fichier de correction tel que celui présenté à gauche, contenant : les coordonnées X et Y du Lidar sur la 1ère ligne (vert), les secteurs de direction en degrés sur la 2ème ligne (rouge), les hauteurs de mesure au-dessus du sol en mètres (bleu) et les facteurs de correction (noir).
ÉTAPE 2
Pour corriger les données LIDAR originelles, multipliez la vitesse du vent de chaque direction par leur facteur de correction à la hauteur souhaitée. Dans l'exemple de gauche, les données LIDAR à la hauteur de 80 m, dans le secteur de 20 degrés, doivent être multipliées par 1,054.
La science derrière la correction
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Les Lidars à balayage vertical basés au sol calculent la vitesse du vent 
comme le montre la figure de droite. Sur la base des mesures effectuées sur une zone scannée de façon circulaire, le Lidar mesure 
et 
. Cette zone a un diamètre proche de la taille de la hauteur mesurée.
Le calcul de la vitesse du vent suppose que l'écoulement sur le diamètre de mesure est homogène, et donc que 
et par conséquent que 
. Cependant, cette hypothèse devient caduque lorsque l'écoulement est non uniforme – ce qui est typique d'un terrain non simple. Ce que l'on souhaite obtenir est la vitesse du vent corrigé 
.
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Selon Sanquer et al. (Sanquer & Woodward, 2016), l'équation générale de est la suivante
Il convient donc d'obtenir 
, , , 
et 
. est facile à obtenir car il s'agit simplement de l'angle de balayage du demi-cône du Lidar utilisé. D'autre part, un modèle d'écoulement du vent précis est nécessaire pour obtenir les vitesses du vent ( et ) et les angles d'écoulements entrants ( et ).
Le facteur de correction est donc
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Pour obtenir des vitesses de vent et des angles de flux entrants précis, il faut modéliser correctement les caractéristiques de l'écoulement typiques d'un terrain complexe, telles que la séparation et la recirculation. En utilisant un modèle d'écoulement du vent tel que la Mécanique des Fluides Numérique (CFD), il est possible de calculer la série de facteurs permettant de corriger les données résultant du Lidar afin qu'elles soient similaires à celles mesurées par un anémomètre conventionnel, au point d'intérêt situé directement au-dessus du dispositif de mesure (Bingöl, Mann, & Foussekis, 2009).
Sanquer et al. (Sanquer & Woodward, 2016) ont utilisé la CFD pour résoudre les équations de Navier-Stokes moyennées (RANS) afin de calculer les vitesses de vent et les angles d'entrée requis. Cette méthode résout les équations de RANS dans un maillage raffiné autour de l'emplacement du Lidar, obtenant ainsi les vitesses du vent et les angles d'écoulements entrants aux endroits désirés.
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Cette méthode a été validée avec des données de mâts météorologiques. Elle se révèle très efficace et améliore la corrélation des données Lidar avec celle des anémomètres traditionnels (Sanquer et al., WindEurope Technology Workshop 2020 - WRA and O&M, juin 2020). Pour les terrains complexes, la correction CFD des données issues de Lidar devrait être un processus standard. Pour effectuer cette correction, il suffit de connaître l'emplacement géographique du lidar, son orientation*, la hauteur de fenêtre, les hauteurs de résultat souhaitées au-dessus du sol et la résolution de la direction.
*Le décalage d'orientation ou de direction, uniquement requis pour les Lidars WindCube®, correspond à l'angle de l'axe nord-sud du Lidar par rapport au Nord réel et est compté positivement dans le sens des aiguilles d'une montre.