Afin de planifier le déploiement d'un parc d'hydroliennes en rivière et de maximiser son extraction d'énergie, des simulations de parc de turbines sont souvent effectuées. Cependant, dans un contexte où des dizaines de turbines sont déployées, il est impensable de simuler la géométrie complète de chaque turbine. Il est donc nécessaire d'utiliser des modèles simplifiés qui reproduisent fidèlement les turbines et qui intègrent toutes les principales interactions se produisant dans un parc de turbines, à savoir les interactions turbine-sillage, les effets de blocage et l'interaction avec la ressource. Le modèle EPTM (Effective Performance Turbine Model) est un outil approprié en ce sens, permettant de tester et d'analyser un grand nombre de configurations de parc différentes à un faible coût de calcul. Pour garantir une utilisation adéquate et fiable dans des conditions d'écoulement de rivière et de parc, l'EPTM a d'abord été validé et adapté, en se concentrant sur la technologie de turbine à axe transversal (Cross-Flow Turbine : CFT). Dans ce but, une méthodologie numérique a été développée pour reproduire les conditions d'écoulement de rivière et les conditions d'écoulement de parc (présence de perturbations). À l'aide de simulations complètes de turbine en 3D utilisant cette méthodologie, on constate qu'une turbine fonctionnant dans ces conditions voit une réduction de ses performances. Cependant, il s'avère que le coefficient de traînée effectif reste essentiellement inchangé, ce qui permet d'utiliser la même distribution de coefficients de force locale effectif dans toute situation. De plus, bien que le coefficient de puissance effectif apparaisse plus faible que pour une turbine dans des conditions d'écoulement idéalisées, il ne varie pas en fonction du type de perturbation et sa diminution est faible en conditions de surface libre. Ceci est important pour l'utilisation de l'EPTM, car le modèle simplifié est basé sur cette hypothèse. De multiples comparaisons entre l'EPTM et les simulations de turbine complète dans des conditions d'écoulement de rivière ou de parc ont confirmé que l'EPTM-CFT est toujours capable de prédire avec précision les performances des turbines et de reproduire leur sillage moyen avec un haut degré de fiabilité. Suite à cette procédure de validation, des simulations de parc de turbines ont été réalisées à l'aide de l'EPTM-CFT. Assumant un écoulement ambient turbulent, de nombreuses configurations de parc de turbines à axe vertical ont été testées pour étudier plus précisément l'effet du blocage local, de l'espacement latéral et longitudinal, du décalage latéral entre les rangées et du sens de rotation sur les performances des turbines. Les résultats ont montré que les effets de blocage doivent être considérés simultanément avec les interactions turbine-sillage, en particulier lorsque les turbines génèrent un sillage qui dévie latéralement en aval. Ce dernier aspect joue d'ailleurs un rôle important en vue de déterminer si les rangées devraient être décalées entre elles ou non. Pour un parc à plusieurs rangées, cet aspect affecte également la pertinence des différents paramètres utilisés. En effet, dans ce contexte, l'espacement latéral devient plus significatif que la valeur de blocage local. Pour aider à statuer sur l'espacement latéral et longitudinal optimal à fixer au sein d'un parc, un nouveau paramètre a été proposé : la puissance marginale par turbine. Comme de nombreuses variables économiques peuvent entrer en jeu, ce paramètre permet de quantifier l'avantage d'ajouter des rangées ou des colonnes de turbines par rapport à la puissance déjà installée. Enfin, il est possible, pour un parc de turbines optimal donné, d'évaluer son impact sur la ressource. Sur la base d'un vrai site en rivière, une simulation réaliste d'un parc de turbines en rivière a été effectuée en utilisant la méthodologie développée précédemment. Les résultats de la simulation, comparés aux résultats de simulations plus simplifiées, ont souligné qu'une géométrie de canal appropriée et une distribution juste de la vitesse d'entrée sont essentielles pour obtenir des performances de turbine fiables. S'il apparaît que la prise en compte de la surface libre a affecté de manière négligeable les performances du parc et le niveau d'eau en amont pour le cas considéré, il n'en reste pas moins que l'évaluation de l'impact sur la ressource est toujours pertinente puisque l'élévation du niveau d'eau peut être plus importante si le niveau de blocage ou le nombre de Froude sont plus élevés. / In order to plan a river hydrokinetic turbine array deployment and to maximize its energy extraction, turbine array simulations are often carried out. However, in a context where tens of turbines are deployed, it is unthinkable to simulate the complete rotating geometry of every turbine. It is therefore necessary to use simplified models that reproduce accurately the turbines and that incorporate all the main interactions taking place in a turbine array, namely the turbine-wake interactions, the blockage effects and the interaction with the resource. The Effective Performance Turbine Model (EPTM) is a suitable tool in that sense, allowing to test and analyze a large amount of different array configurations at a low computational cost. Although the EPTM has been developed to serve as a tool for array analysis, it has only been tested up to now in a uniform flow with a low turbulence level. For this reason, the EPTM has been validated and adapted in this work to ensure a proper and reliable use in river array flow conditions. Herein, the efforts has been mainly put on a cross-flow turbine (CFT) technology. First, a numerical methodology has been developed to reproduce river flow conditions and array flow conditions, which include shear, large-scale temporal fluctuations and (modeled) turbulence. Following 3D blade-resolved turbine simulations, it is found that a turbine operating in those conditions sees a reduction of its performance, especially when the shear aspect is present. However, it turns out that the effective drag coefficient remains essentially unchanged, allowing to use the same local effective force coefficient distribution in every situation. Moreover, although the effective power coefficient appears to be lower than for a turbine in idealized flow conditions, it does not vary depending of the type of perturbation and its decrease is small under free-surface conditions. This is important for the use of the EPTM, since the simplified model is based on this assumption. Multiple comparisons between EPTM and blade-resolved turbine simulations in river/array flow conditions have confirmed that the EPTM-CFT is always able to predict accurately the performances of the turbines and to reproduce their mean wake with a high degree of reliability. Following this validation procedure, a series of turbine array simulations have been conducted using the EPTM-CFT. Assuming a turbulent flow environment, many vertical-axis turbine array configurations have been tested to study more precisely the effect of local blockage, lateral and longitudinal spacing, array staggering and direction of rotation on turbine performance. Results have shown that all aspects of blockage, local and global, must be considered simultaneously with the possibility of turbine-wake interaction, especially when the turbines generate a wake that deflects sideways downstream. The latter aspect could play an important role in determining whether or not the array should be staggered. For a multiple-row array, this aspect also affects the relevance of the different array parameters used. Indeed, in this context, the lateral spacing becomes more meaningful than the local blockage value. To help decide on the optimal lateral and longitudinal spacing to set within an array, a new parameter has been proposed: the marginal power per turbine. As many economic variables can come into play, this parameter helps quantifying the benefit of adding rows or columns of turbines in comparison to the already installed power. Finally, it is possible, for an identified optimal turbine array, to assess its impact on the resource. Based on an actual river site, a realistic simulation of a turbine array in river has been performed using the methodology previously developed. The simulation results, compared with the results of more simplified simulations, have pointed out that an appropriate channel geometry and an accurate inflow velocity distribution are essential to obtain reliable array performances. Although it arises that taking into account the free surface has negligibly affected the array performances and the water level upstream for the case considered, it remains that the assessment of the impact on the resource is always relevant since the rise in the water level can be larger if the blockage ratio or the Froude number are higher.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/71105 |
| Date | 10 February 2024 |
| Creators | Gauvin Tremblay, Olivier |
| Contributors | Dumas, Guy |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | thèse de doctorat, COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xxiv, 168 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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