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Rugosité

Définition

Dans le domaine de l'énergie éolienne, la rugosité du vent est un concept crucial qui influence la vitesse et la direction du vent à un emplacement donné. Comprendre la rugosité du vent est essentiel pour évaluer précisément les ressources éoliennes, concevoir des éoliennes efficaces et optimiser le rendement énergétique des parcs éoliens. La rugosité du vent se réfère à la variation de la surface du terrain et des structures présentes dans un environnement donné, ce qui affecte la manière dont le vent se déplace à travers cet environnement. Cette variation crée des différences de vitesse et de direction du vent à différentes altitudes et positions, ce qui peut avoir un impact significatif sur la performance des éoliennes.

La longueur de rugosité est la hauteur au-dessus du sol $z_o$ du plan où s’applique la condition d’adhérence, c’est-à-dire où le vecteur vent moyen est égal au vecteur nul. Elle dépend, pour chaque direction, de l’homogénéité du terrain, du type d’obstacles et de la distance sur laquelle ces deux conditions s’appliquent. Il peut y avoir des variations significatives de la longueur de rugosité selon les saisons, dues par exemple aux feuilles ou à une couverture neigeuse. Une des caractéristiques d’un site de mesure du vent est donc sa longueur de rugosité dans chaque direction. Le calcul exact de la longueur de rugosité étant difficile, le tableau ci-après fournit une classification qui peut être utilisée.

A des altitudes élevées (1 km au dessus du sol), la surface de la terre n'influence presque pas l'écoulement du vent mais dans les couche d'air plus basses, la friction contre la surface du terrain influe beaucoup sur la vitesse du vent. On distingue la rugosité du terrain et l'influence exercée par les obstacles avoisinants et les contours du paysage (orographie d'un paysage).

Une rugosité forte freine considérablement la vitesse du vent, par exemple une forêt ou un paysage urbain freinera beaucoup plus le vent qu'un paysage de plaine. La surface de la mer a une rugosité encore plus faible elle n'a que très peu d'influence sur l'écoulement de l'air, alors que l'herbe longue, les buissons et les arbrisseaux freinent considérablement le vent.

On se réfère en général à deux notions lorsque l'on évalue le potentiel éolien d'un endroit donné :

Les paysages ayant une forte rugosité - avec beaucoup d'arbres ou d'immeubles - sont rattachés à la classe de rugosité 3 ou 4 tandis que la surface de la mer est classée 0. Les pistes d'atterrissage en béton appartiennent à la classe de rugosité 0,5.

Mesure et modélisation de la rugosité du vent

Pour évaluer la rugosité du vent dans un emplacement donné, des techniques de mesure sur site, telles que l'utilisation de mâts de mesure ou de lidars, peuvent être utilisées pour collecter des données sur la vitesse et la direction du vent à différentes hauteurs. De plus, des modèles informatiques sophistiqués peuvent être utilisés pour simuler la rugosité du vent en fonction des caractéristiques du terrain et des structures environnantes.

Facteurs influant sur la rugosité du vent

Plusieurs facteurs influent sur la rugosité du vent, notamment :

Table des classes et longueurs de rugosité

Type de paysage Classe de rugosité Longueur de rugosité $z_0$
(en m) 		Indice d'énergie
(en %)
Mer ouverte, "Fetch" d'au moins 5 km 0,00002
Surface d'eau 0 0,0002 100
Terrain complètement dégagé avec une surface lisse, p.ex. une piste d'atterrissage en béton ou de l'herbe fraîchement coupée 0,5 0,0024 73
Terrain agricole dégagé, sans clôtures ou haies vives, et avec très peu de constructions. Seulement des collines doucement arrondies 1 0,03 52
Terrain agricole avec quelques constructions et des haies vives de 8 m de haut situées à environ 1.250 m les unes des autres 1,5 0,055 45
Terrain agricole avec quelques constructions et des haies vives de 8 m de haut situées à environ 500 m les unes des autres 2 0,1 39
Terrain agricole avec beaucoup de constructions, arbrisseaux et plantes, ou des haies vives de 8 m de haut situées à environ 250 m les unes des autres2,5 0,2 31
Villages, petites villes, terrain agricole avec de nombreuses ou de hautes haies vives, des forêts et un terrain très accidenté 3 0,4 24
Grandes villes avec de hauts immeubles 3,5 0,8 18
Très grandes villes avec de hauts immeubles et des grattes ciel 4 1,6 13

* Définitions selon l'Atlas éolien européen, WAsP

La rose des rugosités

Tout comme il existe une rose des vent pour déterminer la direction et la force moyenne des vents sur un site, il existe une rose des rugosités qui décrit rugosité du terrain dans les différentes directions du vent. Une rose des rugosités est habituellement divisée en douze secteurs de 30 degrés chacun, le nombre de secteurs correspond à celui de la rose des vents. Pour chacun des secteurs, on estime la rugosité du terrain.

Impact sur la performance éolienne

La rugosité du vent a un impact significatif sur la performance des éoliennes. Les variations de vitesse et de direction du vent dues à la rugosité peuvent affecter l'efficacité de la capture du vent par les éoliennes et la stabilité de leur fonctionnement. De plus, la rugosité peut entraîner une turbulence accrue, ce qui peut augmenter l'usure des composants des éoliennes et réduire leur durée de vie.

Vent potentiel

La vitesse du vent potentiel $Up$ à une hauteur de $zs$ et sur un site de longueur de rugosité $zo$ mètres peut être déterminée avec la vitesse du vent mesurée $Us$ grâce à la formule suivante (Wieringa, 1986) 1) :

vitesse du vent potentiel

$$Up=0,76 . Us . \ln \left(\frac{60}{z_0}\right). \left(\ln \left(\frac{zs}{z_0}\right)\right)^{-1}$$

$Up$ : vitesse du vent potentiel (en m/s)
$Us$ : vitesse du vent mesurée (en m/s)
$z_0$ : longueur de rugosité du site (en m)
$zs$ : hauteur au sol du vent potentiel (en m)

Voir aussi

1)
Metéo France note technique n°35