Développment d'un modèle générique d'optimisation de la production d'énergie d'un parc d'hydroliennes

Development of a generic analytical model for optimizing the energy production of a tidal turbine park

• Auteur / Autrice : Kabir Bashir Shariff
• Direction : Sylvain Guillou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, energetique, thermique, combustion, acoustique
• Date : Soutenance le 18/10/2023
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : établissement co-accrédité : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire universitaire des sciences appliquées de Cherbourg (1994-....)
• Jury : Président / Présidente : Abdellatif Ouahsine
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Annie-Claude Bayeul Lainé, Guillaume Balarac, Pierre-Luc Delafin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Annie-Claude Bayeul Lainé, Guillaume Balarac

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbulence

Processus empiriques (mathématiques)

Hydroliennes

Mots clés libres

Disque d'action

Puissance

Parc d'hydroliennes

Modèle empirique

Tidal farm

Empirical model

Actuator disk

Turbulence

Power

Résumé

L'industrie de l'énergie des courants de marée a réussi à déployer et à tester des turbines à courant de marée (Tidal Stream Turbine, TST) en grandeur réelle sur des sites d'essai dédiés, avec des unités individuelles atteignant jusqu'à 1 MW de puissance. L'étape suivante vers la commercialisation est l'étude de l'effet de sillage de la turbine et de l'interaction des hydroliennes au sein d'une ferme (ou parc) d'hydroliennes.Dans cette thèse, nous avons proposé potentiellement le premier modèle empirique pour estimer la turbulence ajoutée dans le sillage de la turbine d'hydroliennes. En utilisant ce modèle, la turbulence effective est générée et utilisée pour estimer le déficit de vitesse dans le sillage de la turbine. Ce modèle de déficit de vitesse utilise l'approche Jensen-Gaussienne pour les fonctions de flux et de forme. En outre, le modèle est appliqué à une ferme hydrolienne simple pour estimer le déficit de vitesse et l'intensité de la turbulence. Un principe de superposition est choisi pour évaluer l'interaction des sillages au sein de cette ferme.Comme les courants de marée en eaux peu profondes sont spécifiques aux sites, le modèle est généralisé pour prendre en compte la variation de la turbulence ambiante, le coefficient de poussée du rotor et le rapport diamètre-profondeur dans différentes conditions hydrodynamiques réalistes du site de marée dans un cas idéal. Le modèle est valable pour des TST réalistes en eaux peu profondes avec un coefficient de poussée allant de 0,64 - 0,98 et une turbulence ambiante de 5 - 20% dans un canal avec un rapport diamètre/profondeur du rotor de 20 - 60%.Profitant de la disposition des turbines, l'arrangement en quinconce produit plus d'énergie que l'arrangement rectiligne dans les mêmes conditions. L'augmentation de la puissance est attribuée à une récupération suffisante du sillage dans la première configuration. La comparaison avec différents espacements de turbines a montré que les arrangements rectilignes et en quinconces peuvent bénéficier d'un espacement latéral et longitudinal réduit sans affecter l'efficacité de la ferme. Les résultats obtenus montrent également qu'en eaux peu profondes, la profondeur du canal peut affecter la production d'énergie globale d'une ferme. Une augmentation de la puissance est observée pour un faible rapport diamètre-profondeur, ce qui résulte d'une expansion suffisante du sillage pour ce rapport. Dans les fermes, l'efficacité peut être améliorée en augmentant la turbulence ambiante, en espaçant suffisamment les turbines et en ayant un faible rapport diamètre/profondeur. Ce modèle générique, quoique améliorable, permet de donner un bon aperçu de la production d'énergie produite par une ferme d'hydroliennes pour différentes conditions avant un approfondissement avec par exemple des simulations à haute résolution.

The tidal energy industry has recorded successful deployment and testing of full-scale Tidal Stream Turbines (TST) at dedicated test sites with single units reaching up to 1 MW output. The next step towards commercialization is the investigation of the turbine wake effect turbine interaction in the tidal array.In this thesis, we proposed potentially the first empirical model to estimate the added turbulence in tidal turbine wake. Using this model, effective turbulence is generated and used to estimate the velocity deficit in the turbine wake. This velocity deficit model uses the Jensen-Gaussian approach for the stream and shape functions. Further, the model is applied in a simple tidal farm to estimate the velocity deficit and turbulence intensity. A superposition principle is chosen to evaluate the wake interaction in the tidal farm.As the tidal flows in shallow water are site-specific, the model is generalized to take into account the variation in ambient turbulence, rotor thrust coefficient, and the diameter-to-depth ratio at different realistic tidal site hydrodynamic conditions in an ideal case. The model is valid for realistic TST in shallow water with a thrust coefficient ranging from 0.64 - 0.98 and ambient turbulence of 5 - 20% in a channel with a rotor diameter to depth ratio of 20 - 60%.Profiting from the turbine arrangement, the staggered array produces higher than the rectilinear array under the same condition. The increase in power is attributed to sufficient wake recovery in the former configuration. The comparison with different turbine spacing has shown that the rectilinear and staggered array can benefit from reduced lateral and longitudinal spacing without affecting the efficiency of the farm. Also, the result obtained shows that in shallow water, the channel depth can affect the overall power production in a farm. An increase in power is observed at a low diameter-to-depth ratio, this results from sufficient wake expansion at a low rotor diameter-to-depth ratio. In tidal farms, it is noted that the efficiency can be improved by increased ambient turbulence, sufficient turbine spacing, and a low diameter-to-depth ratio. This generic model can provide insight into the power production in tidal farms under different conditions before high-fidelity numerical simulations.