Caractéristiques de la turbulence sur les sites de Bamako et Niamey

pourcentage de cas important pour les vents moyens et forts (80 % de vents > 5 ms^-1 et 54 à 60% de cas > 7 ms^-1).

Tableau 4.4: Pourcentages d’occurrence du vent pour différents seuils (> 3 ms^-1 ; > 5 ms^-1 et > 7 ms^-1) à Niamey. Intervalles de temps propices à la production d’énergie éolienne.

Mois Vitesses >

3 ms^-1 (en %) Vitesses > 5

ms^-1 (en %) Vitesses > 7 ms^-1 (en %)

Intervalle de temps propice à la production d’énergie (vents > 3 ms^-1)

Avril 72 59 40 0H - 24H

Mai 75 60 34 17H - 14H30

Juillet 78 53 18 0H - 24H

Août 74 40 9 0H - 24H

Septembre 73 43 12 0H - 24H

Octobre 67 35 8 15H - 11H

Novembre 94 80 54 0H - 24H

Décembre 90 82 60 0H - 24H

Cependant, ces deux estimations de la turbulence ne concernent pas les mêmes bandes de fréquence (ou de longueurs d’ondes) du spectre d’énergie, ni les mêmes variables : l’écart type est celui de la vitesse horizontale, alors qu’ε est la dissipation de l’énergie de l’ensemble des trois composantes (dissipation de l’énergie cinétique turbulente) ce qui inclut donc les fluctuations de vitesse verticale qui sont liées à la convection. Nous avons considéré à Bamako des échantillons de 12 minutes (29 minutes à Niamey) soit 5 profils, ce qui correspond à des longueurs d’onde de 1 à 10-20 km en vertu de l’hypothèse de Taylor (1938) de l’atmosphère gelée. Or ce qu’on appelle turbulence concerne plutôt les mouvements d’échelle spatiale inférieure, à savoir quelques mètres à 3-4 km (Stull, 1988). Dans ce domaine, Banta et al. (2006) donnent des valeurs typiques de σ(U)/U = 0.05 et Kaimal et Izumi (1965), de σ(W)/W=0.012, au niveau du jet nocturne. ε fait référence aux échelles les plus petites de cet intervalle, mais nous n’avons pas trouvé, dans la littérature, de mesures de la dissipation dans le jet, à part dans les études de Kaplan et al. (2000) qui sont commentées plus loin.

Nous avons voulu savoir si les caractéristiques des deux types de turbulence avaient des points communs. Pour cela, nous avons représenté les cycles diurnes du taux de dissipation de l’énergie cinétique turbulente, de l’écart type du vent et de l’indice de turbulence du vent à 150m d’altitude (Fig. 4.27-a à 4.27-h). L’énergie cinétique turbulente ε a été multipliée par un facteur 500 pour pouvoir la comparer à l’écart type du vent (même si l’unité des deux paramètres n’est pas la même). Nous n’avons pas conservé les valeurs nocturnes de la dissipation car elles sont très fortes sans qu’on en comprenne la raison. Nous avons comparé les résultats pour différentes manières d’effectuer les moyennes des indices de turbulence : moyenne sur les composantes du vent, moyenne des écarts types et des modules, moyenne des quotients ou quotient des moyennes. Les résultats ne sont pas sensiblement différents.

Il n’y a pratiquement pas de différence entre les images avec pluies (même si elles ne sont pas présentées ici) et sans pluie de l’écart type et d’ε. Les valeurs extrêmes augmentent très légèrement après filtrage car la turbulence filtrée pendant les pluies est de la turbulence faible. Les résultats présentés ici sont filtrés de la pluie.

Le cycle diurne le plus typique est celui de Bamako en post-mousson (Fig. 4-

fluctuations de la vitesse verticale. Les deux autres oscillations correspondent aux incidences du jet nocturne.

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

(g) (h)

Figure 4.27 : Cycles diurnes des indicateurs de turbulence, à 150 m agl, à Bamako (gauche) et à Niamey (droite).

En dehors de ce cas, l’écart type du vent ne présente pas un cycle diurne très marqué (cela vient aussi de l’échelle). Quelque soit la période de l’année, σ(V) ne dépasse jamais 1.5 ms^-1. L’influence du jet nocturne sur l’écart type reste cependant à prouver car σ(V) n’augmente pas la nuit, à Niamey, là où le jet est le plus fort. Il aurait même tendance à être inférieur à celui qui est mesuré pendant les autres mois (cohérent avec le résultat sur la comparaison des méthodes de calcul de la moyenne, cf. Fig. 4.16). En réalité, σ(V) augmente quand la distribution en direction des vents est isotrope (comme en octobre à Bamako) et diminue dans les cas de forte anisotropie (décembre à Niamey) ce qui paraît évident. Par ailleurs, les oscillations nocturnes de σ(V) ne dépassent pas les oscillations diurnes, ce qui montre simplement que l’écart-type est d’autant plus important que le vent est faible (et donc non stationnaire).

Pendant la journée, les variations de σ(V) sont parfois en phase avec celles d’ε (octobre et décembre à Bamako, août et octobre à Niamey) mais dans les autres cas, σ(V) commence à décroître alors qu’ε atteint son maximum (entre 14 et 16h). La décroissance de σ(V) est liée au fait que l’intensité du vent se met à augmenter à nouveau vers 14-16h alors que la convection est maximale (donc ε est fort).

Kaplan et al. (2000) ont modélisé la turbulence liée au jet nocturne à l’aéroport de Dallas. Ils indiquent des taux de dissipation nocturnes bien plus forts que ceux de la journée (au maximum 0.5 10^-3 m² s^-3 la journée, pour 0.5 à 2-3 10^-3 m² s^-3 la nuit).

Leur figure 18 a été reproduite en figure 4.28. En comparaison, nos valeurs diurnes maximales varient de 3 à 7 10^-3 m² s^-3, ce qui est déjà très fort.

Le taux de turbulence reste toujours inférieur à 1, ce qui permet de préserver la longévité des éoliennes (noter que nos taux de turbulence sont naturellement plus élevés que la valeur de σ(U)/U = 0.05 indiquée par Banta et al., 2006, ce qui est normal puisqu’il ne s’agit pas de la même zone de fréquences). Il a tendance à augmenter légèrement pendant la journée, quand le vent est faible. Il est justifié de penser que le taux de turbulence ‘basse-fréquence’ (celui de la communauté éolienne) est plus à même d’endommager les éoliennes que le taux ‘haute-fréquence’. Même si l’écart type et le taux de turbulence sont un peu plus faibles à Niamey, on ne pourra cependant pas négliger l’usure des éoliennes par les aérosols qui sont

Les distributions en direction de l’écart type du vent et de l’indice de turbulence ont aussi été étudiées sous forme de roses (non montrées ici). Les roses de l’écart type sont isotropes, si bien que celles de l’indice de turbulence sont essentiellement définies par celles du module du vent : les plus forts indices de turbulence se retrouvent dans les directions où le vent est faible.

Figure 4.28 : Modèles de coupes hauteur – temps (0 – 500m AGL) du taux de dissipation nocturnes (x 10^-4 m² s³) à DFW valable de 0300 – 0300 UTC du (a) 15-16 sep 1997, (b) 16-17 sep 1997, (c) 17 – 18 sep 1997, (d) 18 – 19 sep 1997 et (e) 19 – 20 sep 1997 (TAPPS, Aéroport de Dallas – USA).