Une infrastructure de mesures météorologiques et d’analyse des performances de l’éolienne eocycle 25 au Cégep de Jonquière - Avril 2016 - 2

Depuis 2012, la Chaire de recherche industrielle du conseil en sciences naturelles et génie du Canada (CRSNG) en technologies des énergies renouvelables et du rendement énergétique (TERRE) du Cégep de Jonquière développe son expertise dans les énergies vertes.

Mise en contexte

L'assistance des manufacturiers pour tester leurs technologies est au coeur des travaux de recherche de la Chaire TERRE. Un article paru dans le numero d'avril 2015 d'Électricité Québec, décrit l'éolienne de 25 kW de l'entreprise Eocycle raccordee au réseau électrique de Ville Saguenay, qui est au centre de notre vitrine technologique située à moins de 3 km du Cégep de Jonquière.

En résumé

Adjacent à l'éolienne, est érigé un mat de mesure météorologique qui sera essentiel pour mesurer les performances de l'éolienne. C'est dans un cadre d'amélioration continue de leur produit que Eocycle participe activement à cette recherche appliquée avec la chaire TERRE. La conception, la mise en place, l'exploitation et l'entretien de l'infrastructure de mesure, la communication, l'archivage et les analyses vous seront présentées dans le présent article. Les premiers resultats sur l'analyse des performances relatives de l'éolienne suite aux changements des pales ainsi que de la nacelle et des controles concluront l'article.

L'infrastructure météorologique

Positionnement

Le mât de mesure est disposé sur le site à une distance optimale de l'éolienne. La norme IEC 61400-12 stipule que cette distance est 2,5 fois le diamètre du rotor de l'éolienne, ce qui revient dans notre cas à 2,5 x 12,7 m = 31,75 m. Le mât est situé au sud de l'éolienne en raison des vents du nord qui sont les moins fréquents sur le site, afin de minimiser les périodes d'obstruction des mesures du mat par l'éolienne.

Les paramètres clés

Le rendement global (en %) d'une éolienne est défini par son coefficient de puissance (Cp) :

La valeur maximale théorique, connue sous le nom de limite de Betz, dit que toute machine éolienne ne pourra jamais tirer plus que 59,3 % de l'énergie du vent qui la frappe. Les grandes éoliennes récentes (2 à 3 MW) ont des rendements avoisinant les 50 % dans les conditions optimales.

La mise en graphique du CP en fonction de la vitesse des vents représente la courbe de puissance, en quelque sorte la signature du produit du manufacturier pour ses clients. La puissance électrique produite est mesurée en temps reel avec un capteur de puissance PM-1000 de Rockwell installe sur la sortie de l'éolienne. Pour la puissance incidente dans le vent qui frappe l'éolienne, elle depend des facteurs physiques et météorologiques suivants :

Où
A est la surface balayee par les pales de l'éolienne (126,7 m²)
V est la vitesse du vent (m/s) incidente au centre de l'éolienne
ρ est la masse volumique de l'air qui dépend de la temperature, de l'humidité relative et de la pression atmosphérique sur le site.

La détermination en temps réel de ces paramètres, essentielle à nos études, est à la base de la conception de notre mât météorologique.

La structure mécanique

Il s'agit d'une tour monopôle de 40 m constituée de trois sections tubulaires en acier superposées ainsi que d'un paratonnerre. Des epaulements permettent aux differentes sections d'etre boulonnees. L'ingenierie mecanique fut realisee avec notre partenaire Cegertec WorleyParsons. Les instruments de mesure sont fixes a l'aide de supports robustes en acier galvanise fixes au mat a l'aide de ruban metallique galvanise.

Les capteurs

En tout, 15 instruments de mesure NRG ont ete disposes sur le mat a differentes hauteurs et orientations. Ils ont tous ete etalonnes par ce manufacturier certifie. Sept differents types de capteurs, au total, ont ete utilisés.

Acquisition des données

L'acquisition des données se fait en parallèle sur 2 systèmes installés dans un boîtier chauffant au pied du mât. Il a été conçu et fabriqué conjointement avec le centre de production automatisée (CPA) du Cégep de Jonquière. Les principales composantes numérotées du boîtier sont identifiées sur la figure 4.

1. Le bornier d'entrée des capteurs
2. Les conditionneurs permettant de diviser les signaux
3. Le système d'acquisition NRG
4. Les points entrée-sortie (I/o) vers l'automate
5. L'alimentation du système télémetrique
6. Prise au secteur 120 VAC
7. Le transformateur pour alimenter les capteurs chauffants

Premièrement, les données sont acquises par le NRG Symphonie Plus3. Cet appareil fait une lecture à chaque seconde et ensuite enregistre pour chaque tranche de 10 minutes les valeurs moyennes, minimales et maximales ainsi que les écarts standards sur ces mesures. Les données sont ainsi enregistrées à l'aide d'une carte SD et sont classées par journées sous un format lisible (RWD) à l'aide du logiciel Symphonie Data Retriever disponible gratuitement.

La seconde méthode d'acquisition est réalisée avec un automate à entrées déportées. Ces entrées sont situées dans le boitier du mat pour recevoir les signaux de tensions et les diriger vers l'automate du poste de commande. Les parametres d'etalonnage de chaque capteur sont programmes afin d'en calculer les valeurs de sortie dans les unites desirees. L'avantage de ce systeme est que toute l'information transitant par fibre optique est enregistree en temps reel sur un serveur situe dans une chambre securisee au college. La gestion de l'archivage des donnees se fait par le systeme industriel Plant Information (PI). Le traitement des données Accès et visualisation Un poste client installe au departement de genie electrique permet de consulter donnees du serveur. L'acquisition de donnees et la telemetrie necessitent des outils fiables et utilitaires afin d'afficher et d'utiliser aisement l'information acquise par le systeme PI. PI ProcessBook est un logiciel perfectionne permettant plusieurs options telles que l'affichage en temps reel des donnees sous forme de graphiques, ideaux pour le suivi et la maintenance. Il est possible de concevoir des interfaces d'operation composees de graphiques, affichage numerique, boutons permettant diverses actions, etc. Il est egalement possible de modifier les interfaces par programmation Visual Basic, laissant place a de multiples options de creation, pour des resultats personnalises (figure 5). Génération de rapports d'exploitation PI DataLink permet de creer des rapports detailles avec la base de donnees du serveur. DataLink est installe en complement a Excel et permet de creer des rapports de production et des tableaux de bord integrant les valeurs des points de mesure PI et des valeurs calculees a partir de ces points. Il est possible d'afficher par son intermediaire les donnees de n'importe quel capteur selon la periode desiree. Il est egalement possible de traiter les donnees afin de rendre le rapport plus leger et de permettre la creation de graphiques representatifs. La grande force de cet outil est la transposition directe de la base de donnees en rapports standardises Excel pour fins d'analyses. Maintenance et amélioration continue Depuis sa mise en marche en 2012, le mat a fait l'objet d'un suivi serre en collaboration avec le Laboratoire International des Materiaux Antigivre (LIMA) a l'Universite du Quebec a Chicoutimi. Nous avons valide les differents capteurs installes en reference a une station locale d'environnement Canada. La figure 6a presente un graphique construit avec un rapport DataLink sur une journee qui permet de comparer les mesures des anemometres de notre mat a celle de la station reference. La superposition des courbes pour notre anemometre a 10 m (bourgogne) correlle la reference (orange). La croissance logarithmique de la vitesse des vents en fonction de l'altitude est correlee a 99 % par ces donnees experimentales. Une maintenance complete effectuee a l'ete a permis de determiner le mauvais fonctionnement de certains capteurs. La figure 6b presente un graphique extrait de PI ProcessBook qui a permis de diagnostiquer le moment d'origine d'une panne de plusieurs capteurs du mat. Le resserrement des borniers de mise a la terre a ete la premiere action appliquee, ce qui a resolu le probleme. Une intervention realisee en octobre a permis d'ajouter un barometre et une girouette correctement calibree au bas du mat de mesure. L'historien PI et ses utilitaires est un coffre d'outil performant qui nous permet d'ameliorer progressivement la qualite notre infrastructure de recherche appliquee. Analyses de performances Protocole Afin de s'assurer de la qualite de la selection et du traitement des donnees, un protocole d'analyse a ete dresse conjointement avec Eocycle. Ce standard permet de : ◎ Determiner que les obstacles tels que le poste de commande du site, la station de Gaz Metro, sont situes assez loin du mat de mesure pour ne pas affecter ses mesures. ◎ Calculer l'angle d'exclusion, ou les donnees du mat sont faussees par le sillon de l'eolienne. Il est de 67,74° reparti symetriquement de part et d'autre de la direction liant l'eolienne au mat de mesure. Les vents provenant dans cette fourchette d'incidence seront retires de nos rapports, car ils sont perturbes. ◎ Etablir les equations des calculs de performance et identifier les variables a connaitre Definir le format de rapport Excel pour les donnees a extraire du PI et programmer les calculs. Les donnees seront regroupees par classe de vents de 0,5 m/s sur toute la plage des vitesses. ◎ Lister plusieurs correlations a effectuer entre les mesures de differents capteurs. Par exemple, trouver la relation liant la vitesse incidente sur l'eolienne a la vitesse une fois perturbee par le rotor, mesuree par l'anemometre sur la nacelle. ◎ Standardiser les analyses comparatives des variations du coefficient de performance en fonction d'une modification apportee au systeme eolien. Par exemple, pour mesurer l'impact sur la production, de l'implantation d'un nouvel algorithme, d'une modification au bord d'attaque des pales, de l'implantation d'une nouvelle generation de controle, etc. Résultats Le tableau de la figure 7a presente la production relative de l'eolienne suite au remplacement des pales (janvier 2014), de la nacelle et des controles (septembre 2014) par rapport a la courbe de reference de l'eolienne premiere generation en 2013. Toutes les puissances indiquees sur l'axe vertical sont relatives au cas de reference soit en 2013 a 8,5 m/s. Les augmentations de rendement pour chaque classe de vent dues aux deux innovations sont calculees et leur effet combine est mentionne. Les courbes de puissance relatives ainsi que la distribution des episodes de vents sont representees graphiquement a la figure 7b. Nous remarquons principalement des figures 7a et 7b que : ◎ Le remplacement de la nacelle et des controles montre une augmentation de performances marquee aux basses vitesses de vent. Il permet de tripler la production (318 %), quoique faible, aux alentours du demarrage (3,5 m/s). ◎ Les nouveaux systemes de controle contribuent a largement compenser les pertes associees aux nouvelles pales jusqu'a 6,5 m/s. ◎ Le remplacement des pales cause une augmentation de performance marquee a partir de vents superieurs a 6,5m/s. L'augmentation due aux pales est de 18,2 % et l'effet supplementaire des controles s'abaisse a 2,8 % pour 8,5 m/s. ◎ L'effet combine des deux changements permet de majorer de 21 a 26,7 % la production sur les plages allant de 6,5 a 8,5 m/s. Conclusion Cette recherche appliquee a permis de quantifier les augmentations de performances mesurees en conditions reelles de l'eolienne Eocycle25 sur toute la plage de vent etudiee. Le nouveau systeme de controle permet de retrier plus d'energie aux basses puissances de vent tel que desire initialement. Cet effet decroit avec la vitesse du vent et c'est alors que les nouvelles pales prennent la releve. Cette etude a aussi permis de valider et justifier ces modifications complementaires apportees par Eocycle a leur produit. Le processus d'amelioration continue se poursuit au fil du temps par certains ajustements au niveau de la programmation des controles du systeme par exemple. Le developpement et la mise a l'essai de capteurs de givres avec le LIMA permettront de perfectionner la caracterisation du comportement de l'eolienne en climat nordique dans un proche avenir. Le site de Panet du Cegep de Jonquiere est tout designe pour la poursuite de nos etudes de performances. Remerciements Ce projet est le fruit de la precieuse collaboration de la Chaire TERRE du Cegep de Jonquiere1, de son centre de production automatise2, du Laboratoire international des materiaux antigivre (LIMA) de l'Universite du Quebec a Chicoutimi (UQAC)3 , de Eocycle Technologies4, de Cegertec WorleyParsons5 et de Ville de Saguenay. Voici les co-auteurs ayant collabore a cet article. 1. Martin Bourbonnais, Pierre Otis 2. Pierre Otis 3. Eric Villeneuve, Jean-Benoit St-Germain, Jean Perron 4. Oscar Pineda, Bouaziz Ait-Driss 5. Marc Savard Figure 5 Figure 6a Figure 6b

Article publié dans Électricité Québec, volume 63, N^o 3, avril 2016