vent

Le vent est une ressource inépuisable, gratuite et disponible partout.

L'atmosphère composée essentiellement d'azote, d'eau et d'oxygène est caractérisée par sa pression, sa température et son humidité, paramètres pouvant varier avec l'altitude. Le rayonnement solaire est absorbé de façon très différente aux pôles et à l'équateur du fait de la forme sphérique de la terre. L'énergie absorbée à l'équateur est donc très supérieure à celle absorbée aux pôles. Ces variations de température provoquent des différences de densité des masses d'air entrainant leur déplacement d'une latitude à une autre. Ce déplacement s'effectue des zones ou la densité de l'air (pression atmosphérique) est élevée vers celle ou elle est plus faible. Ces déplacements sont considérablement influencés par la force de Coriolis (due à la rotation de la terre) qui s'exerce perpendiculairement à la direction du mouvement vers la droite dans l'hémisphère nord et vers la gauche dans l'hémisphère sud. Ces lois définissent les mouvements généraux de déplacement d'air, donc du vent. On peut prévoir la direction des vents dominants dans la plupart des parties du globe avec une certaine assurance, cependant ces directions uniques sont souvent perturbées par :

• les orages qui troublent la direction dominante bien que celle-ci soit bien apparente dans les relevés continus
• les obstacles naturels qui modifient la direction du vent au sol
• les dépressions cycloniques qui peuvent se déplacer dans n'importe quelle direction et qui se superposent au système général de la pression atmosphérique

Le vent se caractérise par 2 grandes variables par rapport au temps :

• sa vitesse
• sa direction

Effet de la force de Coriolis sur la direction des vents

L'air qui s'élève à l'équateur crée au niveau du sol une zone de basse pression attirant les masses d'air du nord et du sud. L'air qui s'élève se dirige vers les pôles nord et sud dans la haute atmosphère. Dans les deux hémisphères, à environ 30 degrés de latitude, la force de Coriolis empêche les courants d'air d'atteindre les pôles. L'air qui commence a se refroidir à cette latitude descend, il se crée alors une zone de haute pression (appelée aussi un anticyclone).
Nous pouvons donc établir une direction des vents globaux suivant la latitude comme suit :

Lors de l'installation d'éoliennes il faudra veiller à avoir le moins obstacles possible dans la direction des vents dominants.

On appelle aussi les vents globaux les vents géostrophiques, ces vents sont le produit d'écarts de température et des variations de pression qui en suivent. La surface du sol a très peu d'influence sur la direction et la vitesse de ces vents car ils se situent à des hauteurs supérieures à 1000 mètres au-dessus du niveau du sol. La vitesse de ces vents peut être mesurée à l'aide de ballons-sondes. Le vent géostrophique est une approximation du vent réel il correspond à un mouvement horizontal rectiligne et uniforme des particules d'air sans frottement (non valide dans la couche de frottement (altitude inférieure à 1000-2000m) et dans les latitudes inférieure à 20°)

La surface du sol a une influence importante sur les vents jusqu'à une altitude de 100 mètres au dessus du sol, la rugosité du terrain ainsi, les obstacles naturels ou artificiels et la rotation de la terre peuvent influencer la vitesse et la direction du vent. Ce sont les vents de surface qui présentent le plus grand intérêt pour la récupération de l'énergie éolienne.

• le phénomène de Fœhn dans dans les Alpes
• les effets de Chinook et de Zonda dans les Montagnes Rocheuses en Amérique du Nord et dans les Andes en Amérique du Sud
• le Mistral qui pénètre dans la vallée du Rhône pour s'étendre ensuite vers la mer Méditerranée
• le Sirocco soufflant du Sud du Sahara vers la mer Méditerranée

L'alizé est un vent des régions intertropicales (entre 23°27 nord et 23°27 sud), soufflant de façon régulière des hautes pressions subtropicales vers les basses pressions équatoriales. Dans l'hémisphère nord, il souffle du nord-est vers le sud-ouest, dans l'hémisphère sud du sud-est vers le nord-ouest. Les alizés s'étendent depuis le niveau de la mer (0 m) jusqu'à 1 500 ou 2 000 mètres d'altitude. C'est seulement à partir de 6 000 m d'altitude que la direction des vents s'inverse ¹⁾.

Le vent interagit avec toute chose, y compris les constructions humaines. Les villes ont d'ailleurs parfois généré un urbanisme si particulier que certaines grandes places publiques deviennent infréquentables à pied si le vent se lève un peu. Le fait de bloquer le vent ne fait que le rendre plus violent.

Les différents types d'effets des vents urbains²⁾ :

• Effet de coin: effet d'écoulement au coin qui coince ou crée une résistance au vent
• Effet de sillage : effet de circulation tourbillonnaire en aval d'une construction
• Effet de porche: accélération locale du vent suite à une construction sur pilotis ou bien un porche dans une barre construite
• Rouleau tourbillonnant : phénomène tourbillonnaire en amont d'une construction
• Effet de barre : déviation en vrille d’un vent qui arrive entre 45° et l’axe d’une construction en forme de barre. On peut limiter l’effet en aménageant le toit et les arêtes de la construction ;
• Effet Venturi ou effet tunnel : pincement du vent qui provoque des aspirations latérales si il y a des ouvertures à cet endroit
• Suite d'immeubles interrompu : perturbation locale créée par l'absence brutale d'une construction dans une suite harmonieuse
• Effet du désaxement : quand des bâtiments sont implantés régulièrement mais désaxés les uns des autres, cela crée des pressions locales et aide à éviter l'amplification du vent
• Effet des différences de hauteur : Toute modification brutale de la topographie engendre des perturbations telles les tours urbaines, certaines places publiques sont désertées au moindre vent à cause de la présence d'une tour qui génèrera des tourbillons disproportionnés pour le lieu
• Effet de canalisation : proche de l'effet venturi
• Effet de maille: complexification de l'urbanisation dont l'effet peut être positif ou négatif
• Effet de pyramide : que ce soit de manière régulière ou en gradin, la pyramide crée des perturbations mais, de par sa forme limite les effets au sol

Difficiles à caractériser, il faut des enregistrements sur plusieurs dizaines d'années pour éventuellement avoir une idée des variations instantanées. Il est pourtant important de tenir compte de ces variations. Si l'on considère la puissance récupérable par un moteur éolien on remarque qu'un vent à rafales imposera des contraintes qu'il faudra prendre en compte dans le calcul de son support, la plus part des systèmes de régulation ayant une inertie très supérieure à la durée d'une rafale.

Plusieurs facteurs contribuent à déterminer les variations du vent :

• le temps qu'il fait
• la topographie du terrain
• les obstacles.

Ces variations de la vitesse du vent font varier la production énergétique de l'éolienne bien que l'inertie du rotor compense, dans une certaine mesure, les variations les plus courtes.

Les phénomènes journaliers sont dus aux phénomènes thermiques liés au rayonnement solaire (souvent car l'écart de températures entre ma mer et la terre est plus important le jour que la nuit), les variations de la température en fonction de l'altitude créent des courants. La vitesse moyenne du vent est plus faible pendant la nuit ou elle varie peu puis augmente à partir du lever du soleil avant d'atteindre son maximum entre 12h et 16h T.U. Les vents sont également plus turbulents le jour que la nuit et ont tendance à changer de direction plus fréquemment. Ce phénomène peut être un avantage pour les producteurs d'énergie éolienne du fait que la consommation électrique est elle aussi plus importante le jour que la nuit.

A: Brise de mer, B: Brise de terre

En journée la terre se réchauffe plus rapidement que la mer, ce qui provoque un soulèvement de l'air chaud qui s'étend ensuite vers la mer. Ainsi, une dépression se crée près de la surface de la terre, attirant l'air froid provenant de la mer, c'est la brises de mer (fig. A)
Au crépuscule, il se produit souvent une période calme ou la température de la terre et celle la mer est plus au moins identique. La nuit le phénomène inverse s'installe et le vent commence à souffler dans le sens inverse, c'est la brise de terre (fig. B). En général, la vitesse du vent est moins importante que celle de la brise de mer car la différence de température entre la terre et la mer est moins importante la nuit. La mousson qui souffle en Asie du Sud-Est est en effet une brise de mer alternant avec une brise de terre à grande échelle, sa direction varie en fonction des saisons.

Effet d'ondulation avec amortissement sur un vent suite à une montagne

Les régions montagneuses donnent naissance à beaucoup de phénomènes climatologiques. La brise de vallée se produit sur les versants exposés au sud dans l'hémisphère Nord et sur les versants exposés au nord dans l'hémisphère Sud. Le réchauffement des versants et de l'air situé au dessus de ces versants font chuter la densité de l'air. L'air commence alors à s'élever vers le sommet de la montagne, produisant ce que l'on appelle une brise montante. La nuit, le phénomène s'inverse et une brise descendante se produit. Les vents s'écoulant le long des versants des montagnes peuvent être très violents.

L’onde orographique lorsque le vent soufflant perpendiculairement à une barrière montagneuse doit remonter la pente. Si l'environnement est stable, la masse d'air redescendra du côté aval de l'obstacle et entrera en oscillation autour d'une hauteur égale ou inférieure au sommet de celui-ci. Par contre, si l'air est instable, l'air continuera de s'élever, avec ou sans oscillation. Dans ces conditions la friction et la poussée d'Archimède doivent être prises en compte lors de la modélisation du vent comme c'est le cas pour le Foehn.

L’air froid plus dense en haut d’une montagne y crée une pression plus forte que dans la vallée et provoque un autre effet. Le gradient de pression fait alors dévaler la pente à l’air sur une distance insuffisante pour que la force de Coriolis le dévie. Cela génère donc un vent dit catabatique. On rencontre ce genre d’effet le plus souvent la nuit. Ils sont également très communs au front d’un glacier, par exemple, sur la côte du Groenland et de l’Antarctique à toute heure.

Le vent anabatique est un vent ascensionnel d'une masse d'air le long d'un relief géographique dû au réchauffement de celui-ci et donc l'opposé du vent précédent. Diverses conditions météorologiques peuvent créer un vent anabatique, mais il s'agit toujours de la formation d'une différence de température entre les masses d’air au-dessus des vallées et celles réchauffées sur leurs pentes qui cause une circulation d’air. Il est donc aussi appelé vent de pente et se produit le plus souvent le jour.

Dans certaines conditions de contraintes, par exemple dans des vallées très encaissées, l’air ne peut que suivre un chemin. Si le gradient de pression devient perpendiculaire à la vallée, le vent sera généré exclusivement par la différence de pression. C'est le vent antitriptique. On trouve aussi des accélérations dans les resserrements par effet Venturi qui donne un « vent de goulet » et un « courant-jet de sortie de vallée » alors que l'air descendant la vallée envahit la plaine.

Si une vallée est en pente, on peut observer l'effet de canyon, les vents montent et descendent le long des versants qui entourent la vallée.

Les variations mensuelles dépendent essentiellement du lieu géographique et seuls les relevés météorologiques peuvent renseigner sur ces variations.

Les variations annuelles sont répétitives, des renseignement sur une année permettent une bonne évaluation de l'énergie récupérable sur un site.

La vitesse du vent dépend essentiellement de la nature du terrain au-dessus duquel se déplacent les masses d'air.

Nature du terrain	Inégalité du sol en cm	Exposant α
Plat : neige, glace, mer, marécages, herbes courtes	0 à 20	0,08 à 0,12
Peu accidenté : champs et pâturages, cultures	20 à 200	0,13 à 0,16
Accidenté : bois, zones peu habitées	1 000 à 1 500	0,20 à 0,23
Très accidenté : villes	1 000 à 4 000	0,25 à 0,4

Avec

Les site les plus intéressants pour la récupération d'énergie éolienne sont les sites peu ou pas accidentés pour lesquels l'exposant α est faible. On bénéficie dans ce cas de vitesses du vent près du sol élevées et la variation de la vitesse de vent avec l'altitude est faible (la vitesses de vent en haut et en bas de la machine sont sensiblement les mêmes), ce qui à pour conséquence de diminuer les contraintes cycliques sur les pales du moteur éolien (d'autant plus important lorsque le diamètre de l'hélice est grand).

Attention à ne pas compter dans l'altitude l'élévation du terrain, par exemple un site en bord de mer placé derrière une falaise de 20 mètres. Lors des calculs de la vitesse du vent, il serai erroné de totaliser la somme de la hauteur de la falaise celle de la tour pour obtenir la hauteur réelle de l'éolienne car la falaise provoquera des turbulences et déviera le vent avant que celui-ci l'atteigne.

Elles sont dues aux obstacles (immeubles, arbres, rochers etc.) qui modifient l'écoulement régulier des masses d'air et peuvent freiner considérablement la vitesse du vent, tout en provoquant souvent de la turbulence. Ces variations instantanées de direction doivent être prises en compte car elles imposent des contraintes importante à toutes les machines à axe horizontal.

La zone de turbulence crée par un obstacle s'étend sur une distance d'environ trois fois la hauteur de cet obstacle, cette turbulence est plus forte derrière l'obstacle que devant, on veillera donc à limiter la présence d'obstacles aux abords d'une éolienne, en particulier dans la direction des vents dominants (devant l'éolienne).

Variation mondiale saisonnière de la vitesse du vent

En France les vents les plus fréquents sont d'ouest et de sud-ouest sauf dans l'extrême Sud-Est ou les vents de sud-est sont les plus fréquents. A chaque saison correspond une direction générale du vent.

• En hiver les vents sont de sud à ouest dans le Nord de la France et de nord à ouest dans le Sud.
• Au printemps vents de nord et d'ouest
• En été les régimes sont comme au printemps, mais mieux établis
• En automne les régimes sont ceux de l'hiver mais plus réguliers

Les obstacles freinent le vent en aval de celui-ci en fonction de sa porosité. Cette porosité est définie comme la surface ouverte divisée par la surface totale de l'objet exposé au vent. Par exemple un bâtiment a une porosité égale à 0 tandis qu'un arbre sans feuilles (en hiver) laisse passer plus de la moitié du vent (1/3 seulement pour le même arbre feuillu en été). L'effet d'abri sera d'autant plus important que l'on se trouve plus près de l'obstacle et du sol.

Lorsque que l'on étudie le potentiel éolien d'un site il faut en général prendre en considération tous les obstacles présents dans la direction des vents dominants à moins de 1km de l'éolienne.

La bonne utilisation de l'énergie éolienne nécessite un choix très judicieux du site en fonction des vitesses moyennes de vent, des rafales, des directions des obstacles etc. Dans le cas d'utilisation d'aéromoteurs de petite et moyenne puissance le site est très souvent une donnée du problème. la prise en considération de tous les éléments (obstacles,hauteur du pylône support de l'aéromoteur) sera déterminantes pour le bon fonctionnement de la station.

Avant d'entreprendre l'exploitation d'une station éolienne sur un site donné, il sera nécessaire de disposer d'un minimum de renseignements sur les caractéristiques du vent sur le site.

Si la vitesse du vent a été mesurée pendant une longue période sur le site prévu à une hauteur qui correspond à celle du moyeu de l'éolienne à implanter, il sera possible d'estimer de façon précise la production d'énergie.

Des anémomètres de qualité sont une nécessité pour obtenir des mesures fiables, la gamme de prix et de fiabilité des anémomètres est très étendue. Il est possible d'acheter des anémomètres à des prix remarquablement bas. Ces anémomètres sont appropriés à la réalisation de mesures météorologiques et au montage au sommet de l'éolienne où des mesures précises ne sont pas nécessaires. Ces anémomètres ne sont par contre pas du tout appropriés aux mesures à réaliser avant l'installation d'une éolienne, du fait de leur imprécision et de leur mauvais calibrage l'incertitude des mesures peut atteindre 5 à 10 %. Dans le cas d'un parc éolien ce sera un véritable désastre économique si les vitesses du vent sont mesurées avec une erreur de 10%, en effet le risque sera de mesurer un contenu énergétique du vent qui sera 33 % supérieur au contenu réel, couplé avec des mensures effectuées à différentes hauteurs, l'erreur de calcul pourra atteindre 75%.

On trouve des anémomètre professionnel et bien calibré avec une erreur de mesure de seulement 1% pour environ 700 à 900 Euros, cout negligeable comparé au risque économique encouru par l'utilisation d'un mauvais anémomètre.

Anémomètre à coupelles (dit de Robinson)

Il existe un certain nombre d'appareils pour la mesure de la vitesse du vent, mais l'appareil le plus répandu est encore aujourd'hui l'anémomètre à coupelles dit de Robinson (moulinet) muni d'un rotor de trois coupelles qui se met à tourner autour d'un axe vertical sous l'effet du vent. Ces anémomètres peuvent être à main à lecture directe ou fixes à lecture déportée, les relevés de vitesses devront être faits à heure fixe par un observateur (pour un anémomètre à main il faudra faire les mesures toujours dans les mêmes conditions sur un site suffisamment dégagé ; pour un anémomètre fixe, on le placera si possible à la hauteur prévue pour l'aérogénérateur). L'anémomètre peut être aussi relié à un enregistreur graphique.

L'anémomètre est en général doté d'une girouette indiquant la direction du vent. Plus rarement, l'anémomètre peut être muni d'une hélice en remplacement des coupelles.

Autres types d'anémomètres

• Les anémomètres à ultrasons ou à laser enregistrent les changements de phase du son ou de la lumière réfléchis par les molécules de l'air.
• Les anémomètres à fil chaud (ou thermiques) enregistrent la vitesse du vent en comparant les écarts de température existant entre les fils chauds placés du côté du vent et ceux placés du côté sous le vent. Plus le vent est fort, plus le fil chaud sous le vent se refroidit.

Un des avantages de l'emploi d'anémomètres non-mécaniques est une réduction de la sensibilité au gel ainsi, des modèles spéciaux munis d'arbres et de coupelles chauffés ont été conçus pour les régions arctiques. Ils permettent aussi de disposer de toutes les composantes spatiales de la vitesse. En effet, les anémomètres à coupelles ne mesurent que la vitesse horizontale (parallèle au plan de rotation), et en terrain complexe (pentes élevées, haut niveau de turbulence) cela peut mener à une erreur de mesure. Chaque anémomètre à coupelles possède donc une caractéristique spécifique erreur/angle du flux.

Le mât de mesure est un mât d’une hauteur de 10 à 80 m sur lequel sont fixés des instruments de mesure de la vitesse (anémomètres) et de la direction du vent (girouettes). Il s’agit généralement de mâts tubulaires haubanés, minces et cylindriques ils sont en général mieux appropriés à l'installation d'instruments de mesure que les mâts en treillis produisant un plus grand effet d'abri. Les mâts sont souvent en kits et sont faciles à assembler, et ne nécessitent généralement pas de grue ou autres sortes d'équipement lourd.

Les données renseignent sur le vent moyen, le vent le plus faible, le plus fort, l’hygrométrie et les directions de vents dominants.

Les mesures doivent s’étaler sur un minimum de plusieurs mois pour être pertinentes. Les données sont recueillies et enregistrées à l'aide d'un enregistreur de données autonome, pouvant fonctionner sur batteries pendant une période assez longue. Les données sont enregistrées sur une puce qu'il faut changer régulièrement.

Vitesse à 10 m de hauteur

Les services de la Météorologie nationale sont susceptibles de fournir de nombreux renseignements généraux sur les régimes de vent sur le territoire français et ils peuvent fournir des renseignements beaucoup plus précis si ils disposent de stations de mesure localement. Les stations météorologiques peuvent être exclusivement exploitées par la Météorologie nationale ou dépendant d'autres services comme la marine nationale. Tous les renseignements météorologiques d'une région sont regroupés au Bureau climatologique régional dont on trouvera la liste avec les départements correspondants. Les observations d'une station relatives à l'ensemble des données climatiques (soleil, vent, températures) sont regroupées sur un TCM ou fiches climatologiques.

Rose des vents fournie par la station de Marignane sur une période de 10 ans (1962-1972)

La rose des vents fournie par la station de Marignane sur une période de 10 ans (1962-1972) montre clairement les conditions générales du vent sur cette région : le secteur de vent dominant est le mistral avec un axe de fréquence maximale sur l'azimut 320° ; le secteur des vents secondaires concerne le type de temps perturbé “Est” à “Sud-Est” , il se situe entre les azimuts 100° et 160°. Les vents de Mistral supérieur à 5m/s représentent 1/3 du temps dans le secteur 300° à 340° alors que les vents de secteur Est à Sud-est sont nettement moins fréquents.

voir la fiche climatologique complète de la station de Marignane

Tous ces renseignements ne sont pas directement applicables au site d'implantation d'un aéromoteur car ils ne prennent pas en compte les caractéristiques physiques du terrain, il est donc nécessaire d'interpréter ces informations :

• en demandant au Bureau climatologique régional de fournir une analyse du vent (vent moyen, direction, nombre de jours, sens du vent…). Les services compétents peuvent faire une synthèse et une analyse de toutes les informations disponibles et , en tenant compte du relief, fournissent leurs conclusions (service payant)
• en recueillant des informations sur place, éventuellement auprès des usagers et habitant locaux lorsque c'est possible.

• Le potentiel éolien d'un parc éolien
• l'énergie éolienne

• Climathèque Météo-France service internet d'accès aux données et produits climatologiques de Météo-France
• Meteociel.fr état du vent en France en temps réel
• liste des vents sur Wikipedia