Wind-turbine wake effects on the rate of accumulation of fatigue damage in overhead conductors

Des expériences en soufflerie utilisant la détection par fibre optique distribuée révèlent que, dans des conditions atmosphériques forestières, les conducteurs aériens positionnés sous ou partiellement à l'extérieur du sillage d'une éolienne peuvent subir des dommages de fatigue réduits ou gérables, suggérant que l'actuelle directive de sécurité britannique de maintenir une séparation de trois diamètres de rotor pourrait potentiellement être réduite.

L'essentiel

Imaginez une gigantesque rivière d'air invisible coulant au-dessus de la campagne. Parfois, cette rivière est lisse ; d'autres fois, elle est agitée et sauvage. Maintenant, imaginez une éolienne debout dans cette rivière. Tandis que l'éolienne tourne pour capter le vent, elle laisse derrière elle un « sillage » — une traînée d'air perturbée, turbulente et tourbillonnante, semblable au sillage laissé par un bateau se déplaçant dans l'eau.

La question que pose cette recherche est la suivante : Qu'arrive-t-il aux lignes électriques (conducteurs aériens) qui passent à travers ce sillage turbulent ?

Au Royaume-Uni, les règles de sécurité actuelles stipulent que les lignes électriques doivent se trouver à une distance d'au moins trois fois la largeur des pales d'une éolienne de la turbine. La crainte est que l'air agité du sillage fasse vibrer les câbles si violemment qu'ils finiront par rompre par fatigue, comme un trombone que l'on plierait et déplierait de nombreuses fois.

Cependant, jusqu'à présent, personne n'avait réalisé d'expérience détaillée et de haute technologie pour voir si cette règle est réellement basée sur la physique ou s'il ne s'agit que d'une supposition. Ce document décrit cette expérience.

L'expérience : Un monde miniature

Les chercheurs ont construit une version miniature du monde à l'intérieur d'une soufflerie à l'Imperial College London.

• L'éolienne : Ils ont utilisé un modèle réduit d'une véritable éolienne.
• La ligne électrique : Au lieu d'un lourd câble d'acier, ils ont utilisé un câble en caoutchouc flexible (EPDM) qui se comporte de manière similaire à un vrai fil lorsqu'il vibre.
• Les « yeux » : Pour voir exactement comment le câble tremblait, ils ont collé un fil spécial à fibre optique sur toute sa longueur. Ce fil agit comme un système nerveux super sensible, ressentant chaque infime étirement et tension à des milliers de points le long du fil.

Ils ont testé le câble à différentes hauteurs et à différentes distances derrière l'éolienne (1,5, 2, 3, et 4 fois la largeur de l'éolienne). Ils ont maintenu la vitesse du vent constante, simulant une journée venteuse.

Les résultats surprenants

1. Le « collier » est le point faible
Tout comme une corde de guitare est la plus sollicitée là où elle est attachée au chevalet, la ligne électrique est la plus sollicitée juste là où elle est fixée au pylône. Les chercheurs ont découvert que c'est le point critique où le fil est le plus susceptible de rompre.

2. Le sillage ne rend pas toujours les choses pires
On pourrait s'attendre à ce que le sillage turbulent fasse toujours plus vibrer le fil. Mais les résultats ressemblaient plutôt à un jeu de « Boucle d'or » :

• En hauteur (près du centre de l'éolienne) : Lorsque le fil était haut, directement au milieu du sillage, la turbulence augmentait effectivement les vibrations. C'est le scénario « mauvais » où les dommages de fatigue s'accumulent plus rapidement.
• En bas (près du sol) : Lorsque le fil était plus bas, plus près du sol, le sillage rendait les choses en réalité moins dangereuses. Les chercheurs pensent que le sol agit comme un mur, « compressant » l'air entre le sol et le sillage. Cela crée un flux d'air plus rapide et plus lisse qui calme en fait le fil par rapport au vent sauvage et non obstrué.
• Le « point idéal » : L'endroit le plus dangereux n'était pas nécessairement la distance la plus proche. Pour les fils à certaines hauteurs, être à deux largeurs de turbine provoquait le plus de vibrations et de dommages.

3. La règle des 3 distances pourrait être trop conservatrice
La règle actuelle du Royaume-Uni dit : « restez à 3 largeurs de distance ». L'étude suggère que cette règle pourrait être trop stricte pour les fils situés plus bas sur le sol.

• Si un fil est bas, être plus proche que 3 largeurs (comme 1,5 ou 2 largeurs) pourrait en fait être plus sûr que d'être plus loin, car le fil n'est pas entièrement immergé dans la partie la plus mauvaise du sillage.
• La marque des « 3 largeurs » n'est pas une ligne magique où le danger apparaît ou disparaît soudainement. Le danger dépend entièrement de la hauteur du fil et de la profondeur à laquelle il se trouve dans le sillage.

L'analogie de la vue d'ensemble

Pensez au sillage de l'éolienne comme à une piste de danse désordonnée et tourbillonnante.

• Si vous vous tenez en plein milieu de la piste de danse (fil haut), vous vous faites bousculer et pousser souvent, et vous pourriez vous fatiguer rapidement.
• Si vous vous tenez près du bord de la pièce, près du mur (fil bas), les danseurs (le vent) pourraient en fait vous pousser loin du chaos, ou le mur pourrait bloquer le pire des chocs. Dans certains cas, se tenir plus près du mur permet de rester plus en sécurité que de se tenir plus loin, en plein air.

La conclusion

Le document conclut que la règle du « taille unique » consistant à rester à 3 largeurs de l'éolienne pourrait ne pas être nécessaire pour toutes les lignes électriques. Si le fil est bas par rapport au sol, il pourrait être sûr de le construire plus près de l'éolienne sans craindre qu'il ne se rompe à cause de la fatigue du vent. La clé est de comprendre que le vent ne se comporte pas de la même manière à chaque hauteur.

En bref : Le sillage de l'éolienne est un désordre complexe et tourbillonnant. Parfois, il fait plus vibrer les lignes électriques, mais parfois, surtout pour les fils proches du sol, il les fait moins vibrer. L'ancienne règle de « rester loin » pourrait être plus sûre que nécessaire pour certains fils, ce qui pourrait économiser de l'argent et de l'espace pour les nouveaux projets énergétiques.

Résumé technique

Résumé technique : Effets de sillage des éoliennes sur le taux d'accumulation de dommages de fatigue dans les conducteurs aériens

Énoncé du problème
La transition mondiale vers des émissions nettes zéro stimule une expansion simultanée de la production d'énergie éolienne terrestre et de la construction de nouvelles lignes de transport aérien (LTA). Cette convergence nécessite la co-localisation de turbines éoliennes et de conducteurs aériens (CEA). Les directives actuelles concernant la distance de séparation minimale de sécurité entre ces actifs varient considérablement selon les juridictions ; par exemple, le Royaume-Uni recommande une distance minimale de trois diamètres de rotor (3D) pour atténuer la fatigue induite par le sillage, tandis que d'autres nations proposent des directives aérodynamiques différentes ou inexistantes. Malgré les implications économiques de l'application de ces distances, la base physique de la recommandation de 3D reste largement non vérifiée par des données expérimentales de haute fidélité. Des études antérieures se sont appuyées sur une modélisation grossière ou des mesures de terrain limitées avec de grandes incertitudes, concluant souvent que les effets de sillage sur la fatigue sont minimes, mais échouant à résoudre les mécanismes concurrents de déficit de vitesse de sillage et d'augmentation de l'intensité de la turbulence.

Méthodologie
Pour combler cette lacune, les auteurs ont mené des expériences en soufflerie de haute fidélité à l'Imperial College London, conçues pour simuler l'interaction entre le sillage d'une éolienne et un conducteur aérien dans des conditions atmosphériques forestières.

• Configuration expérimentale : Un modèle de turbine éolienne à échelle réduite (diamètre du rotor $D = 500$ mm) a été placé en amont d'un modèle de conducteur instrumenté. La configuration simule le parc éolien de Gordon Bush en Écosse, reproduisant un terrain forestier à l'aide de épis de type Counihan, d'une clôture et d'une rugosité de surface cubique pour obtenir un exposant de Hellmann $\alpha = 0,22$.
• Mise à l'échelle et paramètres : Les expériences ont maintenu la similitude géométrique pour la séparation turbine-conducteur ($x_C$) et la hauteur du conducteur ($H$) par rapport au diamètre de la turbine. Trois hauteurs de conducteur ont été testées ($H/D \in \{0,25, 0,475, 0,925\}$), et quatre distances de séparation ont été évaluées ($x_C/D \in \{1,5, 2, 3, 4\}$), parallèlement à une référence sans turbine. La vitesse du vent incident sur le conducteur a été fixée à $7$m s$^{-1}$, une valeur choisie pour représenter la limite supérieure de la plage typiquement responsable des vibrations éoliennes.
• Instrumentation : Une innovation clé a été l'utilisation de la détection de déformation par fibre optique distribuée basée sur la diffusion de Rayleigh (RBS). Une fibre optique a été collée au conducteur, fournissant des mesures de déformation spatialement résolues avec une résolution de 2,6 mm sur l'ensemble de la portée de 1,125 m. Cela a permis de capturer à la fois les déformations moyennes et fluctuantes avec une haute fidélité spatiale, surmontant les limites des jauges de déformation discrètes.
• Analyse de la fatigue : Les données de déformation ont été traitées par comptage de Rainflow pour décomposer les cycles de contrainte. Une métrique de dommage de fatigue relative ($D_{rel}$) a été calculée à l'aide d'une formulation de loi de puissance ($D_{rel} = \sum n_i (\Delta \sigma_b)^m$) avec des exposants $m=1,5$ et $m=2$ pour tenir compte des propriétés matérielles inconnues du modèle en caoutchouc EPDM, qui a été sélectionné pour améliorer le rapport signal sur bruit tout en maintenant la similitude dynamique.

Résultats clés
L'étude a produit des conclusions critiques concernant l'interaction entre les sillages de turbine et la fatigue des conducteurs :

1. Localisation critique de la déformation : Les déformations moyennes les plus élevées ont été observées de manière constante dans une région immédiatement adjacente au collier du conducteur ($L_c$), où le câble se comporte comme une poutre libre vibrante. Cette région est identifiée comme la plus susceptible de subir une défaillance par fatigue.
2. Comportement de la déformation moyenne : La présence d'une turbine en amont n'a pas augmenté de manière substantielle la déformation moyenne au niveau du collier critique par rapport à la référence sans turbine. En fait, pour les conducteurs entièrement immergés dans le sillage (près de la hauteur du moyeu), la déformation moyenne a diminué. Pour les hauteurs de conducteur plus basses, la présence de la turbine a parfois induit un effet de « compression » entre le sillage et le sol, augmentant légèrement la déformation à des séparations proches ($1,5D$ et $2D$), mais ces augmentations étaient marginales.
3. Déformation fluctuante et vibration éolienne : Les déformations fluctuantes étaient dominées par les vibrations éoliennes (vibration induite par les vortex) plutôt que par le buffeting turbulent. Le sillage de la turbine a généralement augmenté l'amplitude de ces vibrations tout en réduisant leur fréquence caractéristique en raison du déficit de vitesse du sillage.
   • Lorsque le conducteur est entièrement immergé dans le sillage (hauteur du moyeu), la déformation fluctuante augmente à mesure que la turbine se déplace vers l'amont (récupération du sillage), tout en restant inférieure aux niveaux de référence.
   • Pour les hauteurs de conducteur plus basses, les séparations les plus proches ($1,5D$ et $2D$) ont entraîné de légères augmentations de la déformation fluctuante, tandis que les séparations de $3D$ et $4D$ ont souvent réduit les fluctuations de déformation par rapport à la référence.
4. Accumulation de dommages de fatigue : L'accumulation de dommages de fatigue cumulés dépendait fortement de la hauteur du conducteur et de la séparation :
   • Entièrement immergé (hauteur du moyeu) : Les taux de dommages de fatigue augmentent lorsque le conducteur est entièrement immergé dans le sillage, le dommage maximal se produisant à une séparation de $2D$.
   • Hauteurs plus basses : Contrairement à l'hypothie selon laquelle la proximité augmente toujours le risque, les hauteurs de conducteur plus basses ont subi une réduction de l'accumulation de dommages de fatigue lorsqu'elles étaient placées plus près de la turbine (spécifiquement à $1,5D$ et $2D$) par rapport à la référence.
   • Le seuil de 3D : Les données n'ont montré aucune discontinuité spécifique ou comportement « spécial » dans la réponse mécanique ou l'accumulation de dommages à la distance de séparation de $3D$ actuellement recommandée au Royaume-Uni.

Signification et affirmations
Les auteurs affirment que ces résultats fournissent la première base physique dérivée d'expériences contrôlées de haute fidélité pour remettre en question l'universalité de l'actuelle directive de séparation de 3D. L'étude suggère que, sous des conditions atmosphériques forestières, l'hypothèse selon laquelle un sillage de turbine accélère invariablement la fatigue est incorrecte. Plus précisément :

• Faisabilité de séparations plus rapprochées : L'article conclut que des séparations conducteur-turbine plus petites que la directive actuelle de 3D peuvent être réalisables, à condition que le conducteur ne soit pas entièrement immergé dans le sillage de la turbine. Dans ces cas, le déficit de vitesse du sillage peut en effet réduire l'accumulation de dommages de fatigue par rapport à un flux non entravé.
• Risque dépendant du contexte : Le risque de défaillance par fatigue n'est pas une simple fonction de la distance, mais est fortement modulé par la hauteur du conducteur par rapport à la structure du sillage. L'emplacement « le plus dangereux » identifié est à $2D$ en aval pour les conducteurs entièrement immergés dans le sillage, probablement en raison de la rupture des mouvements cohérents à grande échelle (par exemple, les vortex de bout de pale) dans la région de transition.
• Limites : Les auteurs reconnaissent modestement les limites, incluant l'utilisation d'un modèle en caoutchouc EPDM (qui diffère des conducteurs en aluminium réels en termes de propriétés matérielles) et les limites de réponse en fréquence du système RBS, qui n'a pas pu résoudre les détachements de vortex à haute fréquence mais a capturé les modes de fréquence naturelle dominants.

En résumé, ce travail soutient que l'application systématique d'une marge de sécurité de 3D peut être excessivement conservatrice pour les conducteurs situés en dessous de la hauteur du moyeu de la turbine, permettant potentiellement une utilisation plus efficace des terres pour le développement des infrastructures d'énergie renouvelable.