Comment déterminer la vitesse et la direction du vent d'une éolienne ?

L’efficacité de la production d’énergie et la stabilité opérationnelle des éoliennes dépendent fortement de mesures précises de la vitesse et de la direction du vent. La vitesse du vent détermine l'échelle d'entrée d'énergie et la direction du vent affecte l'angle des pales par rapport au vent, qui déterminent tous deux la puissance de sortie et la répartition de la charge de l'unité. Cet article présentera brièvement les principales méthodes de mesure de la vitesse et de la direction du vent, couvrant les technologies de capteurs mécaniques, ultrasoniques et de haute précision, fournissant des références techniques pour la conception et l'exploitation des parcs éoliens.
1、 Méthode de mesure de la vitesse du vent

1. Anémomètre mécanique

Principe : En utilisant la relation linéaire entre la vitesse de rotation de la coupelle ou de la pale et la vitesse du vent, le mouvement mécanique est converti en signaux électriques via un capteur de vitesse.

Anémomètre à trois coupelles : Trois coupelles à vent sont installées à angles égaux sur un axe vertical, entraînées par le vent pour tourner, et la vitesse est proportionnelle à la vitesse du vent. Sa vitesse de vent de départ est faible (0,5-1 m/s), adaptée aux environnements difficiles tels que la poussière, la pluie et la neige, mais il y a un décalage, ce qui la rend plus adaptée à la mesure de la vitesse moyenne du vent. Par exemple, une tour éolienne de 100 m de haut installe généralement trois anémomètres à coupelles à des hauteurs de 30 m, 50 m, 70 m, etc., pour enregistrer de manière synchrone des données de vitesse du vent multicouches.

Anémomètre à hélice : plusieurs pales tournent autour d'un axe horizontal et la vitesse est proportionnelle à la vitesse du vent. Il est généralement associé à une girouette pour garantir que les pales sont toujours alignées avec la direction du vent. Sa structure est compacte, mais les pales de l'hélice sont sensibles à l'usure due au vent et au sable et nécessitent un entretien régulier.

2. Anémomètre à ultrasons

Principe : Basé sur la méthode de différence de temps de propagation des ultrasons, la vitesse du vent est calculée en mesurant la différence de vitesse de propagation des ondes ultrasonores dans la direction du vent avant/arrière.

Anémomètre à ultrasons à quatre sondes : quatre sondes sont appariées pour former deux ensembles d'unités de mesure du vent. Chaque ensemble de sondes calcule la vitesse relative du vent en mesurant la différence de temps de propagation des ultrasons dans l'air ; en combinant deux ensembles de données, un vecteur de vitesse du vent tridimensionnel peut être obtenu. Il n'a aucune usure mécanique et a un temps de réponse rapide (<1 seconde), mais le coût est élevé et le temps pluvieux ou neigeux peut affecter la précision des mesures. Par exemple, les grandes éoliennes fournissent des données de vitesse du vent de haute précision en temps réel grâce à des anémomètres à ultrasons, prenant en charge le contrôle de la hauteur et l'optimisation de la puissance.

3. Anémomètre de haute précision

Principe : En utilisant la technologie des ultrasons sans alignement, une mesure en temps réel des données de vitesse et de direction du vent est obtenue, éliminant ainsi la dépendance directionnelle des capteurs mécaniques traditionnels.

Capteur de fusion à ultrasons : intègre plusieurs ensembles de sondes à ultrasons, élimine les interférences environnementales (telles que la température et l'humidité) grâce à des algorithmes et génère des données sur la vitesse du vent avec une précision de ± 0,1 m/s. Il est facile à installer et ne nécessite pas d'étalonnage régulier, mais son coût est 30 à 50 % plus élevé que celui des capteurs traditionnels. Par exemple, un certain parc éolien a analysé la distribution des ressources éoliennes à l’aide d’anémomètres de haute précision et a optimisé la disposition des unités, ce qui a entraîné une augmentation de 8 % de la production annuelle d’électricité.

2、 Méthode de détermination de la direction du vent

1. Girouette mécanique

Principe : Utilisant la structure asymétrique de la girouette au début et à la fin, elle tourne autour de l'axe vertical sous l'action de la force du vent, pointant vers la direction du vent.

Girouette à aile unique : composée d'une aile arrière, d'une tige de pointage, d'un poids d'équilibrage et d'un arbre principal rotatif, avec le centre de gravité situé sur l'axe de l'arbre de support, et peut osciller librement. Son installation doit être à un 90 ° angle par rapport à la direction du vent dominant et corrigé en fonction de la déclinaison magnétique locale. La direction du vent est représentée à l'aide de la méthode des 16 azimuts (tels que NNE, ENE) ou de la méthode de l'angle (rotation dans le sens des aiguilles d'une montre avec le nord comme référence). Par exemple, un parc éolien situé dans une zone montagneuse a installé une girouette profilée au dernier étage de la tour de mesure du vent, combinée à un anémomètre à trois coupelles, pour compléter la collecte de données sur les ressources éoliennes.

2. Anémomètre à ultrasons

Principe : Calculer l'angle de direction du vent à travers les données de différence de temps de propagation de plusieurs ensembles de sondes à ultrasons.

Anémomètre à ultrasons à trois bras : trois bras de capteur sont installés verticalement et horizontalement, et le vecteur de direction du vent est calculé en mesurant la différence de temps de propagation des ondes sonores entre les extrémités des bras. Il n'a pas d'usure mécanique, une vitesse de réponse rapide, mais un coût élevé, adapté aux scénarios avec des exigences de précision strictes.

3、 Base de sélection des méthodes de mesure

Adaptabilité environnementale : les capteurs à ultrasons ou de haute précision sont privilégiés dans les zones poussiéreuses, pluvieuses et enneigées pour éviter les problèmes d'usure et de givrage avec les capteurs mécaniques.

Contrainte de coût : les capteurs mécaniques sont facultatifs pour les parcs éoliens de petite et moyenne taille, tandis que les capteurs à ultrasons ou de haute précision sont recommandés pour les parcs éoliens de grande taille ou offshore afin d'améliorer la fiabilité des données.

Exigence de précision : Capteurs de haute précision (erreur<± 0,2 m/s) sont nécessaires pour l'évaluation des ressources éoliennes, tandis que des capteurs de précision moyenne (erreur<± 0,5 m/s) peut être utilisé pour le contrôle de l'unité.

4. Conclusion

La mesure précise de la vitesse et de la direction du vent est la base d’un fonctionnement efficace des éoliennes. Les capteurs mécaniques ont un faible coût mais nécessitent un entretien fréquent, les capteurs à ultrasons ont une forte adaptabilité mais un prix élevé, et les capteurs de haute précision équilibrent précision et commodité. Dans les applications pratiques, il est nécessaire de sélectionner de manière exhaustive en fonction des conditions environnementales, du budget et des exigences de précision pour optimiser l'efficacité de la production d'énergie du parc éolien et la durée de vie de l'équipement.