RAPPORT MÉTÉOROLOGIQUE DE 12 MOIS Île d Entrée, Québec

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1 RAPPORT MÉTÉOROLOGIQUE DE 12 MOIS Île d Entrée, Québec Préparé pour Hydro-Québec Par Hélimax Énergie inc. Juin 2007

2 IDENTIFICATION DU DOCUMENT Numéro du projet : 289 Date d émission : 6 juin 2007 Version : Statut du document : Liste de circulation : Historique : Note : Finale Privé et confidentiel Hydro-Québec, copie interne d Hélimax 11 mai 2007 : Première publication 6 juin 2007 : (ajout des cartes à 30 m) Ce document est également disponible en anglais. CLAUSE D EXONÉRATION DE RESPONSABILITÉ Le présent rapport a été rédigé par Hélimax Énergie inc. («Hélimax») conformément à sa proposition et aux directives fournies par le «client». Les renseignements et l analyse figurant aux présentes bénéficient uniquement au client et aucune autre personne ne pourra s y fier. Hélimax s est strictement fondée sur les données actuellement disponibles et a exécuté les services conformément aux normes de diligence actuellement suivies par les cabinets d experts-conseils qui rendent des services de nature semblable. Malgré ce qui précède, ni Hélimax, ni les personnes agissant pour son compte ne font quelque déclaration ni ne donnent quelque garantie que ce soit, expresse ou tacite, i) ayant trait à la véracité, à l exactitude ou à l exhaustivité des renseignements figurant aux présentes élaborés par des tiers ou obtenus de ceux-ci, y compris du client, ou ii) que l utilisation des renseignements figurant aux présentes par le client ne portera pas atteinte aux droits de propriété privée, notamment aux droits de propriété intellectuelle de quiconque. Le client est seul responsable de l interprétation et de l utilisation des renseignements figurant aux présentes et de leur adaptation à sa situation particulière. Par conséquent, Hélimax n assume aucune responsabilité quelle qu elle soit ayant trait à tout dommage direct ou indirect ou toute autre obligation découlant de l utilisation par le client, des renseignements, des résultats, des conclusions ou de l analyse figurant dans le présent rapport. ii

3 DÉFINITIONS ET SYMBOLES EC m m/s MW N/A N/D Z 0 α º degré ºC degré Celsius Environnement Canada mètre mètres par seconde mégawatt non applicable non disponible longueur de rugosité coefficient de cisaillement vertical iii

4 SOMMAIRE EXÉCUTIF Un programme d'évaluation de la ressource éolienne bien conçu est indispensable pour prédire, avec le plus d exactitude possible, le potentiel du gisement éolien sur un site donné. Ce rapport fournit une analyse météorologique, selon les standards de l industrie, pour les données recueillies sur un mât de mesure qui fait partie d une campagne de mesure des vents conçue pour le site de l Île d Entrée, aux Îles de la Madeleine, dans la province de Québec. Hydro-Québec («Client») a mandaté Hélimax Énergie inc. («Hélimax») pour évaluer la viabilité de procéder au développement d un petit projet éolien hors réseau. En utilisant une procédure de contrôle de qualité rigoureuse avec une analyse exhaustive des données selon les standards de l industrie, Hélimax a démontré, de façon générale, le bon fonctionnement du mât de mesure de vent pour la pleine période d analyse. Les données météorologiques ont ensuite fait l objet d un ajustement climatologique en vue de valider la représentativité des vitesses et directions de vent observées. Enfin, la moyenne annuelle ajustée de la vitesse de vent fut ensuite extrapolée à une hauteur correspondent à une hauteur de moyeu typique de 80 m. Il est cependant important de noter qu un niveau d incertitude est associé à ces valeurs bien que les données analysées soient issues d une période d observation de 12 mois. Cette incertitude a pour origine plusieurs facteurs (instruments, taux de recouvrement, extrapolation des vitesses de vent, variabilité inter-annuelle, etc.) et bien qu elle n ait pas été évaluée dans le présent rapport, pourrait faire l objet d une analyse lors d une phase ultérieure du projet. Le tableau ci-dessous présente un sommaire des résultats importants suite à l analyse météorologique. Sommaire de l analyse météorologique Information générale Nom de la station HQ21101 Altitude (m) 13 Période d observation Vitesses de vent observées sur une période de 12 mois 30 m au-dessus du sol (m/s) 8,6 40 m au-dessus du sol (m/s) 9,1 50 m au-dessus du sol (m/s) 9,2 Vitesses de vent après ajustement climatologique et extrapolation verticale Vitesse du vent annuelle après ajustement climatologique, à une hauteur de 30 m (m/s) 8.5 Vitesse du vent annuelle après ajustement climatologique, à une hauteur de 50 m (m/s) 9,1 Vitesse du vent annuelle après ajustement climatologique et extrapolation à une hauteur de 80 m (m/s) 9,6 iv

5 TABLE DES MATIÈRES 1 INTRODUCTION CARACTÉRISTIQUES DU SITE ET DE L INSTRUMENTATION DESCRIPTION GÉNÉRALE DU SITE SYSTÈME D ACQUISITION DE DONNÉES ET SPÉCIFICATION DES INSTRUMENTS ANALYSE DES DONNÉES ET CONTRÔLE DE QUALITÉ MÉTHODOLOGIE DU CONTRÔLE DE LA QUALITÉ DES DONNÉES CORRÉLATION ENTRE LES VITESSES DE VENT À DIFFÉRENTS NIVEAUX TAUX DE RECOUVREMENT DES DONNÉES LES EFFETS DE SILLAGE DE LA TOUR SUR LES MESURES DE VITESSE DE VENTS ANALYSE DU GISEMENT ÉOLIEN ÉVOLUTION MENSUELLE DES OBSERVATIONS ET DES PARAMÈTRES DÉRIVÉS Évolution mensuelle de la température atmosphérique Évolution mensuelle des vitesses de vent Évolution mensuelle du coefficient de cisaillement vertical du vent Évolution mensuelle de l intensité de turbulence ÉVOLUTION JOURNALIÈRE DES OBSERVATIONS Cycle journalier de la température atmosphérique Cycle journalier de la vitesse du vent Cycle journalier du coefficient de cisaillement vertical du vent Cycle journalier de l intensité de turbulence DISTRIBUTION DIRECTIONNELLE DES OBSERVATIONS ET DES PARAMÈTRES DÉRIVÉS Distribution directionnelle de la vitesse du vent Distribution directionnelle de la densité d énergie Distribution directionnelle du coefficient de cisaillement du vent Distribution directionnelle de l intensité de turbulence DISTRIBUTION DES VITESSES DE VENT AJUSTEMENT CLIMATOLOGIQUE ET EXTRAPOLATION VERTICALE AJUSTEMENT CLIMATOLOGIQUE DES VITESSES DE VENT PROFIL VERTICAL DE LA VITESSE DU VENT CARTOGRAPHIE DE LA RESSOURCE ÉOLIENNE DISCUSSION DES RÉSULTATS ANNEXE A TESTS DE CONTRÔLE DE QUALITÉ ANNEXE B DISTRIBUTION DE LA VITESSE DU VENT ANNEXE C CONCEPTS MÉTÉOROLOGIQUES ANNEXE D LE MODÈLE WASP v

6 LISTE DES FIGURES Figure 1-1 : Étapes de l analyse météorologique...2 Figure 2-1 : Localisation géographique et localisation du mât de mesure...4 Figure 2-2 : Photo du site Île d Entrée Direction Nord...5 Figure 2-3 : Photo du site Île d Entrée Direction Est...5 Figure 2-4 : Photo du site Île d Entrée Direction Sud...5 Figure 2-5 : Photo du site Île d Entrée Direction Ouest...5 Figure 2-6 : Instrumentation sur le mât Île d Entrée...7 Figure 3-1: Distribution directionnelle du rapport des vitesses de vent à 50 m Figure 3-2: Distribution directionnelle du rapport des vitesses de vent à 40 m Figure 4-1 : Évolution mensuelle de la température Figure 4-2 : Évolution mensuelle des vitesses Figure 4-3 : Évolution mensuelle des coefficients de cisaillement vertical Figure 4-4 : Évolution mensuelle de l intensité de turbulence Figure 4-5 : Cycle journalier de la température Figure 4-6 : Cycle journalier de la vitesse des vents Figure 4-7 : Cycle journalier du coefficient de cisaillement vertical Figure 4-8 : Cycle journalier de l intensité de turbulence Figure 4-9 : Rose des vents (m/s) à 50 m Figure 4-10 : Distribution directionnelle de la densité énergétique (%) Figure 4-11 : Distribution directionnelle du coefficient de cisaillement vertical Figure 4-12 : Distribution directionnelle de l intensité de turbulence Figure 4-13 : Distribution des vitesses de vent à 50 m Figure 5-1: Localisation des stations météorologiques considérées et/ou utilisées pour l ajustement climatologique Figure 6-1 : Carte topographique du domaine Figure 6-2 : Carte de la rugosité de surface du domaine Figure 6-3 : Carte de vitesse des vents du domaine à 30 m au-dessus du sol Figure 6-4 : Carte de la densité de puissance du domaine à 30 m au-dessus du sol Figure 6-5 : Carte de vitesse des vents du domaine à 80 m au-dessus du sol Figure 6-6 : Carte de la densité de puissance du domaine à 80 m au-dessus du sol LISTE DES TABLEAUX Tableau 2-1 : Identification, localisation du mât de mesure et caractéristiques du site...3 Tableau 2-2 : Spécifications des instruments...6 Tableau 3-1 : Coefficient de détermination entre les niveaux de mesure...8 Tableau 3-2 : Taux de recouvrement des données (%)...9 Tableau 4-1: Moyennes mensuelles des observations Tableau 4-2 : Paramètres de Weibull Tableau 5-1 : Tableau du sommaire général Tableau 6-1 : Données d entrée du modèle WAsP Tableau 7-1 : Sommaire de l analyse météorologique vi

7 1 INTRODUCTION Hélimax Énergie inc. «Hélimax» a conçu et mis en œuvre une campagne de mesure des vents pour le compte d Hydro-Québec («Client»). La campagne consiste en un mât de mesure de 50 m et a pour but de quantifier et d analyser la ressource éolienne sur le territoire du projet en vue de développer un petit projet éolien hors réseau sur l Île d Entrée, aux Îles de la Madeleine (Québec). Dans ce contexte, Hélimax a effectué une analyse en profondeur des données météorologiques recueillies de cette tour entre avril 2006 et avril Pour adéquatement évaluer la ressource éolienne selon les pratiques en cours dans l industrie, les données ont été analysées et les résultats statistiques présentés. Un schéma décrivant l approche qu Hélimax a utilisée pour exécuter ce travail est présenté à la Figure 1-1. La Section 2 du présent document contient une description des sites à l étude, de l emplacement du mât de mesure et les spécifications sur les instruments utilisés pour recueillir les observations. La méthodologie utilisée pour le contrôle de qualité des données est expliquée à la Section 3. L analyse du gisement éolien est présentée à la Section 4. La Section 5 présente l ajustement climatologique et l extrapolation des vitesses de vent. La cartographie des vents est discutée à la Section 6. Une conclusion sur l analyse météorologique est donnée à la Section 7. 1

8 Étape ANALYSE MÉTÉOROLOGIQUE Traitement informatique et professionnel Livrable Collecte des données Données brutes extrapolation verticale analyse des données et Ajustement climatologique des vitesses de vent extrapolation verticale Contrôle de qualité, Cartographie du vent et Stations de référence météorologique Analyse des données des stations de référence Évaluation de la longueur de rugosité Cartes de rugosité et topographiques Contrôle de qualité Analyse des données Données représentatives de la période d observation Ajustement climatologique des vitesses de vent Données représentatives de la climatologie Données extrapolées à hauteur de moyeu d une turbine typique Rapport météorologique pour fins de financement comprenant l ajustement climatologique des vitesses de vent et l analyse approfondie des données Cartographie des vents du domaine Traitement principalement fait par ordinateur Analyse professionnelle Entrée et/ou sortie de données 10 janvier 2005 Figure 1-1 : Étapes de l analyse météorologique 2

9 2 CARACTÉRISTIQUES DU SITE ET DE L INSTRUMENTATION Cette section fournit une description du site et des spécifications sur les instruments utilisés pour l acquisition des observations météorologiques. 2.1 Description générale du site Le site est situé sur l Île d Entrée, qui se trouve à 16 km au sud-est de Cap-aux-Meules. L Île d Entrée fait partie de l archipel des Îles de la Madeleine, qui est situé dans le golfe du St-Laurent, dans la province du Québec. Le domaine est généralement caractérisé par de petites collines et peu de végétation. Une campagne de mesure des vents est en cours en vue d estimer le gisement éolien de ce site pour le développement potentiel d un projet éolien. De ce fait, un mât de mesure des vents, identifié «Île d Entrée» ou «HQ21101» a été installé sur le site. Celui-ci est situé à une altitude de 13 m au-dessus du niveau de la mer. Le mât est installé à environ 150 m au sud-est d une falaise qui donne sur le Golfe. Il n y a aucun arbre ni autre obstacle digne de mention dans un rayon d au moins 75 m autour du mât. Au Tableau 2-1, on retrouve le numéro d identification du mât de mesure, le nom, les coordonnées géographiques ainsi que les principales caractéristiques de l environnement immédiat du mât. La Figure 2-1 nous présente la situation géographique du mât dans l ensemble du site. Des photos du site, prise selon quatre directions cardinales, sont présentées aux Figure 2-2 à la Figure 2-5. Tableau 2-1 : Identification, localisation du mât de mesure et caractéristiques du site Information générale Numéro de la station HQ21101 Nom de la station Île d Entrée Ville la plus proche Cap-aux-Meules (Québec) Coordonnées Nord ,6 Ouest ,6 Caractéristiques du terrain Propriétaire Privé Utilisation - Topographie et obstacles Collines aux pentes douces, peu élevées et recouvertes d herbes 3

10 Figure 2-1 : Localisation géographique et localisation du mât de mesure 4

11 Figure 2-2 : Photo du site Île d Entrée Direction Nord Figure 2-3 : Photo du site Île d Entrée Direction Est Figure 2-4 : Photo du site Île d Entrée Direction Sud Figure 2-5 : Photo du site Île d Entrée Direction Ouest 5

12 2.2 Système d acquisition de données et spécification des instruments La section suivante fournira un rapport détaillé de l instrumentation utilisée dans le cadre de la présente campagne de mesure des vents. Il est à noter que toutes les données de direction du vent sont mesurées par rapport au nord géographique (0 ). Le mât installé à l Île d Entrée est une structure tubulaire maintenue en place à l aide d hauban. Il est équipé d instruments à trois niveaux, soit 50 m, 40 m et 30 m. Il est équipé de 5 anémomètres calibrés NRG, 2 girouettes NRG et de 1 thermomètre NRG. Un anémomètre redondant est installé aux deux niveaux supérieurs dans le but d assurer une continuité des observations si l un des instruments principaux devenait défectueux. Tous les anémomètres et les girouettes sont des instruments non chauffés. Les anémomètres principaux sont orientés vers l ouest, ce qui correspond bien à une orientation dans la direction des vents dominants. Un système d acquisition de données (SAD) NRG a été utilisé pour la collecte des données. Celui-ci recueille, avec une période d échantillonnage de deux secondes, les observations de vitesse du vent, de direction du vent et de température. Toutes les dix minutes, une moyenne de ces échantillons est calculée et le SAD enregistre alors les données moyennées en indiquant l heure exacte de la fin de la période de dix minutes. Les observations sont envoyées quotidiennement au bureau d Hélimax grâce à un système de télémétrie. Les informations concernant l instrumentation du mât sont présentées au Tableau 2-2 et à la Figure 2-6. Canal sur le SAD Type d instrument Anémomètre calibré Anémomètre calibré Anémomètre calibré Anémomètre calibré Anémomètre calibré Tableau 2-2 : Spécifications des instruments Manufacturier/ Modèle Niveau (m) Hauteur actuelle (m) Orientation ( ) Intervalle de compilation (minutes) NRG #40C 50 47, NRG #40C 50 47, NRG #40C 40 40, NRG #40C 40 40, NRG #40C Girouette NRG #200P 50 47, Girouette NRG #200P 40 40, Thermomètre NRG #110S Voltmètre NRG N/A N/A N/A N/A N/A N/A Système de transfert de données Système d acquisition de données NRG Symphonie NRG Symphonie 2 2,5 N/A N/A 2 2,5 N/A N/A 6

13 Paratonnerre Niveau 1 Nord Niveau 2 Nord Senseurs niveau 3 30 m* niveau 2 40 m* niveau 1 50 m* Instrumentation au niveau 1 altitude: 50 mètres* anémomètre calibré NRG à 270 anémomètre calibré NRG à 90 girouette NRG à Instrumentation au niveau 2 altitude: 40 mètres* anémomètre calibré NRG à 270 anémomètre calibré NRG à 90 girouette NRG à 180 Thermomètre Data Logger Niveau 3 3 Nord Instrumentation de base Vue générale du mât Légende Anémomètre calibré NRG *Note: Les hauteurs indiquées sont mesurées du sol jusqu au dessus du senseur Girouette NRG Instrumentation au niveau 3 altitude: 30 mètres* anémomètre calibré NRG à 270 Figure 2-6 : Instrumentation sur le mât Île d Entrée 7

14 3 ANALYSE DES DONNÉES ET CONTRÔLE DE QUALITÉ Hélimax a développé une procédure approfondie pour le contrôle de la qualité des données recueillies par des mâts de mesure de vent. Cette procédure respecte les pratiques en cours dans l industrie. La présente section décrie la méthodologie utilisée par Hélimax pour le contrôle de qualité des données, fournit les résultats des corrélations entre les vitesses du vent à différents niveaux et présente un sommaire des taux de recouvrement des observations. 3.1 Méthodologie du contrôle de la qualité des données Une analyse rigoureuse des observations collectées sur le mât de mesure est faite en utilisant un logiciel développé à l interne. Toutes les données et les statistiques de vent sont soumises à une série de 15 tests dans le but de détecter toute observation douteuse due à un évènement de gel ou à une panne. Celles qui échouent ces tests sont analysées directement par un météorologue professionnel. Les données entachées d erreurs sont éliminées de la base de données et de toute analyse future. Un tableau décrivant les tests effectués sur les données est présenté à l annexe A. Ceux-ci sont conçus de façon à vérifier les cinq principaux aspects des observations suivants : Continuité des enregistrements (pas de saut temporel); Observations comprises dans des limites météorologiques acceptables; Occurrence des vitesses du vent inférieures à 1 m/s; Variations temporelles des paramètres météorologiques; Variations verticales de la vitesse et de la direction du vent. 3.2 Corrélation entre les vitesses de vent à différents niveaux Une première vérification de la qualité des observations est faite par l analyse de la corrélation entre les vitesses de vent observées aux différents niveaux. Cette approche permet une validation rapide de la qualité des mesures recueillies. Le coefficient de détermination, R 2, représente le degré de corrélation qui existe entre les mesures de vitesse du vent à différentes hauteurs. Les valeurs de R 2 pour les instruments du mât sont présentées au Tableau 3-1. Une bonne corrélation entre les différents niveaux indique que les instruments fonctionnent correctement. Tableau 3-1 : Coefficient de détermination entre les niveaux de mesure 50 m 40 m 30 m 50 m 1,00 0,99 0,98 40 m 0,99 1,00 0,99 30 m 0,98 0,99 1,00 8

15 3.3 Taux de recouvrement des données Le taux de recouvrement des données est défini comme le ratio du nombre d observations valides mesurées par un mât de mesure pendant une période donnée par rapport au nombre total d observations potentielles qui pourraient être mesurées pendant cette même période. Les observations valides sont définies comme celles qui passent les tests de contrôle de qualité et l analyse faite par un météorologue professionnel. Plus le nombre d observations valides est grand, plus le taux de recouvrement des données est élevé, et par conséquent, plus l échantillon des données est représentatif des conditions réelles du site. Les taux de recouvrement mensuels des données au mât sont démontrés au Tableau 3-2, et sont généralement excellents. Au cours des mois d hiver les recouvrements sont légèrement plus faibles en raison du gel des instruments. Le premier et le dernier mois ont un taux de recouvrement plus faible, car l étude n est pas effectuée sur ces mois en entier. Mois Année Vitesse à 50 m #1 Tableau 3-2 : Taux de recouvrement des données (%) Vitesse à 50 m #2 Vitesse à 40 m #1 Vitesse à 40 m #2 Vitesse à 30 m Direction à 50 m Direction à 40 m Température à 3 m (du ) (au ) Moyenne Les valeurs moyennes présentées ont été calculées à partir de l ensemble des données (validées) aux 10 minutes plutôt qu avec les moyennes mensuelles. 9

16 3.4 Les effets de sillage de la tour sur les mesures de vitesse de vents Avant d analyser les données de vent d un mât de mesure, il est important de déterminer l importance de l effet de sillage de la tour sur les observations. Bien que l effet de sillage doive être minimal, lorsque les instruments sont montés sur les bras de montage selon les recommandations de l industrie, il serait possible que cela puisse influencer de manière non négligeable l intensité de la turbulence. En installant deux anémomètres au même niveau de mesure, il est possible de quantifier et de corriger cet effet de sillage de la tour. Hélimax a effectué une analyse des données des deux anémomètres fixés à 50 m et à 40 m du mât de mesure. Le rapport des vitesses de vents mesurées par les anémomètres principaux sur les vitesses mesurées par les anémomètres redondants est illustré à la Figure 3-1 et à la Figure 3-2. Comme on peut le remarquer, l effet de sillage réduit les vitesses enregistrées par chaque anémomètre dans les secteurs orientées vers la tour. Dans ce rapport, les données sujettes à l effet de sillage ont été corrigées en utilisant les mesures de vitesses de vent enregistrées par les anémomètres exposés au champ de vitesse de vent non perturbé. 10

17 V5#1 / V5# Direction du vent Figure 3-1: Distribution directionnelle du rapport des vitesses de vent à 50 m V4#1 / V4# Direction du vent Figure 3-2: Distribution directionnelle du rapport des vitesses de vent à 40 m 11

18 4 ANALYSE DU GISEMENT ÉOLIEN Une analyse exhaustive est effectuée sur les observations recueillies par le mât de mesure ainsi que sur les paramètres dérivés. Ces observations sont définies comme celles prises par les senseurs sur le mât de mesure, soient : la vitesse du vent, la direction du vent et la température. Les paramètres dérivés incluent le coefficient de cisaillement et l intensité de turbulence. Les variations des observations et des paramètres dérivés peuvent affecter considérablement la puissance générée par une éolienne et devraient, par conséquent, être bien connues. Les sections suivantes présentent l évolution mensuelle et les variations journalières des observations, les distributions directionnelles des vitesses de vent et des paramètres dérivés ainsi que les distributions des vitesses de vent à chaque niveau de mesure. 4.1 Évolution mensuelle des observations et des paramètres dérivés Cette section présente l évolution mensuelle des observations (température atmosphérique et vitesse du vent) et des paramètres dérivés (cisaillement du vent et intensité de turbulence). Tableau 4-1 présente les moyennes mensuelles des observations et des paramètres dérivés pour le mât de mesure de l Île d Entrée. La moyenne mensuelle des vitesses de vent à 50 m varie entre 7,4 m/s et 11,5 m/s (ces valeurs n ont pas subi d ajustement climatologique). Il faut noter que seuls les mois ayant un taux de recouvrement jugé acceptable ( 75 %) sont présentés aux Figure 4-1, Figure 4-2, Figure 4-3 et Figure Évolution mensuelle de la température atmosphérique La température atmosphérique affecte la densité de l air qui, à son tour, pourrait affecter considérablement le potentiel du gisement éolien. La relation entre la densité énergétique et la température atmosphérique est montrée à l annexe C. La Figure 4-1 montre l évolution mensuelle de la température au cours de la période d observation. Les températures moyennes correspondent à une variation saisonnière typique Évolution mensuelle des vitesses de vent Généralement, en Amérique du Nord, les vitesses de vent sont plus élevées pendant l hiver car les patrons synoptiques augmentent la présence des hauts gradients de pression durant cette saison. La Figure 4-2 présente l évolution mensuelle des vitesses moyennes de vent pendant la période d observation aux différents niveaux de mesure. 12

19 4.1.3 Évolution mensuelle du coefficient de cisaillement vertical du vent Les vitesses de vent augmentent avec la hauteur par rapport au sol. Ceci est causé par la baisse graduelle de la force de frottement (friction). Théoriquement, la vitesse du vent devrait être nulle au sol et ensuite augmenter avec la hauteur jusqu à la couche limite atmosphérique. La variation de la vitesse du vent avec la hauteur à partir du sol est définie comme étant le profil vertical de la vitesse du vent ou le cisaillement vertical du vent. Dans l industrie éolienne, deux lois mathématiques sont utilisées pour l extrapolation verticale de la vitesse de vent aux hauteurs de moyeu d éoliennes typiques : la loi de puissance et la loi logarithmique. Basé sur des études internes, il a été trouvé que la loi logarithmique représente mieux la variation verticale de la vitesse du vent. Cependant, le coefficient de cisaillement vertical «α», basé sur la loi de puissance (définie à l annexe C), est présenté ici pour fin d analyse météorologique. La Figure 4-3 montre l évolution mensuelle des coefficients de cisaillement vertical du vent pendant la période de mesure. Les valeurs de cisaillement correspondent à ce à quoi on s attendrait étant donnée le type de terrain sur lequel le mât est installé, quoiqu elles soient légèrement plus élevées pour les mois d avril jusqu à juillet Évolution mensuelle de l intensité de turbulence La turbulence est définie comme l intensité de la fluctuation de la vitesse du vent. La turbulence est générée par la rugosité de surface du sol ou par des effets thermiques. De plus, puisque la turbulence dépend de la rugosité de surface, il est attendu que plus la hauteur par rapport au sol augmentera, plus l intensité de turbulence diminuera. Il est important de quantifier l intensité de turbulence parce qu elle augmente l usure des éoliennes et réduit leur durée d opération. L intensité de turbulence est définie comme la fluctuation de la vitesse du vent par rapport à la vitesse moyenne observée qui, dans ce cas, est basée sur des intervalles de 10 minutes. La formule mathématique de l intensité de turbulence est présentée à l annexe C. L intensité de turbulence est utilisée, en autre, lors de la modélisation de l effet de sillage pendant le calcul du productible d un parc éolien. Les évolutions mensuelles de l intensité de turbulence sont montrées à la Figure 4-4. On remarque que l intensité de la turbulence est basse 2 et, comme attendu, diminue avec la hauteur par rapport au sol. 2 Selon les normes de l industrie, la turbulence d un site est considérée comme : - Basse quand l intensité de la turbulence est en dessous de 0,10; - Modérée quand l intensité de la turbulence est entre 0,10 et 0,25; - Haute quand l intensité de la turbulence est au-dessus de 0,25. 13

20 Tableau 4-1: Moyennes mensuelles des observations Mois-Année Vitesse de vent à 50 m (m/s) Vitesse de vent à 40 m (m/s) Vitesse de vent à 30 m (m/s) Température à 3 m ( C) Coefficient de cisaillement vertical 50 m 40 m Intensité de turbulence à 50 m Intensité de turbulence à 40 m Intensité de turbulence à 30 m (du ) 9,3 9,1 8,4 4,7 0,17 0,07 0,08 0, ,4 7,3 6,7 10,6 0,13 0,07 0,07 0, ,8 8,5 7,6 15,6 0,22 0,06 0,07 0, ,8 7,6 6,9 20,5 0,18 0,06 0,07 0, ,4 7,4 7,0 19,2 0,06 0,07 0,07 0, ,0 7,9 7,5 17,1 0,05 0,07 0,07 0, ,7 8,6 8,3 11,3 0,05 0,09 0,09 0, ,9 8,7 8,2 7,3 0,09 0,08 0,08 0, ,3 11,2 10,8 1,5 0,05 0,08 0,08 0, ,5 11,4 11,0-2,0 0,06 0,08 0,08 0, ,7 10,7 10,4-5,4 0,02 0,08 0,08 0, ,7 10,5 10,0-1,6 0,11 0,08 0,08 0, (au ) 9,5 9,4 8,9 1,3 0,08 0,09 0,09 0,10 Moyenne 3 9,2 9,1 8,6 8,0 0,10 0,07 0,07 0,09 3 Les valeurs moyennes présentées ont été calculées à partir de l ensemble des données (validées) aux 10 minutes plutôt qu avec les moyennes mensuelles. 14

21 Température (ºC) An - Mois Figure 4-1 : Évolution mensuelle de la température Vitesse de vent (m/s) m 40 m 30 m An - Mois Figure 4-2 : Évolution mensuelle des vitesses 15

22 Coefficient de cisaillement m / 40 m An - Mois Figure 4-3 : Évolution mensuelle des coefficients de cisaillement vertical Intensité de turbulence m 40 m 30 m An - Mois Figure 4-4 : Évolution mensuelle de l intensité de turbulence 16

23 4.2 Évolution journalière des observations Les observations météorologiques suivent souvent des cycles journaliers. Ces cycles sont principalement causés par la variation du rayonnement incident le jour et du rayonnement sortant la nuit. Le rayonnement incident augmente la température atmosphérique à la surface, laquelle atteint son maximum vers l après-midi, tandis que le rayonnement sortant tend à diminuer celle-ci pour atteindre un minimum avant le lever du soleil. Le cycle journalier apparaît clairement sur les données observées durant une campagne de mesure de vent et il est important, par conséquent, de le quantifier. Hélimax utilise le cycle journalier comme méthode supplémentaire dans le processus de contrôle de qualité des données observées, ce qui sera discuté dans cette section Cycle journalier de la température atmosphérique Le cycle journalier de la température atmosphérique est le résultat direct du rayonnement solaire incident. En général, la température atteindra un maximum en après-midi et un minimum juste avant le lever du soleil. Figure 4-5 montre le cycle journalier de la température pour le site. Ces mesures ont été effectuées à une hauteur de 3 m au-dessus du sol. Les températures suivent un cycle typique, étant à la hausse le jour et à la baisse le soir. Or, ces variations sont faibles dues à l effet océanique causé par la proximité du golfe du St- Laurent Cycle journalier de la vitesse du vent Le réchauffement de l atmosphérique pendant la journée fait augmenter le gradient de température à l intérieur de la couche limite atmosphérique et ainsi, celle-ci atteint un maximum en après-midi. Cette augmentation du gradient accroît le mélange thermique vertical de l air, lequel expliquerait pourquoi les vitesses de vent sont généralement plus fortes dans l après-midi. Cependant, des phénomènes locaux ou à grande échelle influencent occasionnellement le cycle journalier de la vitesse du vent, atténuant ainsi la différence observée entre le maximum et le minimum, ou même causant un minimum dans le cycle journalier durant l après-midi. La Figure 4-6 présente le cycle journalier de la vitesse du vent pour le site étudié. On remarquera que ces dernières sont assez constantes durant toute la journée avec une légère hausse la nuit, où elles atteignent un maximum. La constance du vent au cours de la journée est probablement due à l influence des phénomènes de grande échelle survenant sur le golfe du St-Laurent Cycle journalier du coefficient de cisaillement vertical du vent À l opposé des cycles observés en et 4.2.2, le coefficient de cisaillement vertical du vent atteint habituellement un minimum au cours de la journée et un maximum pendant la nuit. Le cisaillement suit généralement ce type de cycle parce que, durant le jour, l accroissement du mélange thermique vertical atténue la différence entre les vitesses de vent mesurées aux différents niveaux. La Figure 4-7 montre le cycle journalier du coefficient de cisaillement du vent. Les valeurs correspondent à ce à quoi on s attendrait pour le type de terrain sur lequel le mât est installé Cycle journalier de l intensité de turbulence L intensité de turbulence est aussi influencée par le cycle journalier du rayonnement solaire et, par le fait même, du mélange thermique vertical de l atmosphère. Généralement, l intensité de turbulence atteint un maximum en début d après-midi. La Figure 4-8 présente le cycle journalier de l intensité de turbulence. L intensité de la turbulence est faible. 17

24 Température (ºC) Heure Figure 4-5 : Cycle journalier de la température Vitesse de vent (m/s) m 40 m 30 m Heure Figure 4-6 : Cycle journalier de la vitesse des vents 18

25 Coefficient de cisaillement m / 40 m Heure Figure 4-7 : Cycle journalier du coefficient de cisaillement vertical Intensité de turbulence m 40 m 30 m Heure Figure 4-8 : Cycle journalier de l intensité de turbulence 19

26 4.3 Distribution directionnelle des observations et des paramètres dérivés Les vitesses de vent sur un site particulier sont fortement influencées par les patrons synoptiques ainsi que par les effets locaux causés par la topographie et la rugosité de la surface. De ce fait, les vitesses de vent ainsi que les paramètres dérivés peuvent varier grandement selon la provenance du vent. Il est donc important de quantifier la distribution directionnelle des observations et des paramètres dérivés Distribution directionnelle de la vitesse du vent La rose des vents est la méthode courante utilisée dans l industrie pour décrire la distribution directionnelle de la vitesse du vent d un site. Essentiellement, une rose des vents montre la distribution et l occurrence des vitesses de vent par secteur. Les secteurs directionnels prédominants et ceux ayant une forte vitesse de vent peuvent alors être facilement identifiés. Les tableaux à l annexe B montrent les données utilisées pour créer les roses des vents. La Figure 4-9 montre la rose des vents observée au niveau de mesure le plus haut (50 m) du mât. La provenance des vents pour l Île d Entrée est distribuée surtout dans les secteurs nord-ouest, ouest, sud-ouest avec le vent prédominent provenant du sud Distribution directionnelle de la densité d énergie La densité d énergie est proportionnelle au cube de la vitesse du vent. Par conséquent, même si la distribution directionnelle de la densité d énergie est souvent similaire à celle de la vitesse du vent, elle présente parfois ses propres particularités. La Figure 4-10 présente la distribution directionnelle de la densité d énergie pour tous les niveaux d observations du mât de mesure. On remarquera le maximum de la densité d énergie dans le secteur sud, avec des pointes fortes pour les secteurs du nord-ouest et de l ouest Distribution directionnelle du coefficient de cisaillement du vent Le coefficient de cisaillement vertical du vent est influencé par l environnement immédiat du mât de mesure ainsi que par l environnement rencontré sur la trajectoire parcourue par le vent. Il dépend aussi de la vitesse du vent, étant généralement plus bas par vents forts. La Figure 4-11 montre la distribution directionnelle du coefficient de cisaillement vertical du vent. Les valeurs correspondent à ce à quoi on s attendrait pour le type de terrain sur lequel le mât est installé. De plus, cette figure révèle des valeurs maximales dans le secteur sud-sud-est Distribution directionnelle de l intensité de turbulence L intensité de turbulence est aussi influencée par l environnement immédiat autour d un mât de mesure. Elle est généralement plus grande lorsque les vents passent au-dessus d obstacles ou de surfaces ayant des valeurs de rugosité élevées. Cependant, l intensité de turbulence diminue généralement avec la hauteur parce que l effet de la rugosité de la surface diminue aussi avec la hauteur. La Figure 4-12 présente les distributions directionnelles de l intensité de la turbulence. L intensité de la turbulence est généralement faible, mais est moyenne pour les secteurs nord-est et est-nord-est pour les deux plus hauts niveaux (50 m et 40 m). Au plus bas niveau (30 m), l intensité de la turbulence est moyenne du nord nord-est au sud-est (sens horaire). 20

27 N 10% 8% 5% 3% O 0.9% E S Calme Figure 4-9 : Rose des vents (m/s) à 50 m 21

28 N NNO 14% NNE 12% NO 10% NE 8% ONO 6% ENE 4% 2% O 0% E 50 m 40 m 30 m OSO ESE SO SE SSO SSE S Figure 4-10 : Distribution directionnelle de la densité énergétique (%) NNO 0.25 N NNE 0.20 NO 0.15 NE 0.10 ONO 0.05 ENE 0.00 O E 40 m / 50 m OSO ESE SO SE SSO SSE S Figure 4-11 : Distribution directionnelle du coefficient de cisaillement vertical 22

29 N NNO 0.14 NNE 0.12 NO 0.10 NE 0.08 ONO 0.06 ENE O 0.00 E 50 m 40 m 30 m OSO ESE SO SE SSO SSE S Figure 4-12 : Distribution directionnelle de l intensité de turbulence 23

30 4.4 Distribution des vitesses de vent Généralement, la distribution statistique de Weibull peut représenter assez fidèlement la réelle distribution de fréquence des vitesses de vent observées, particulièrement avec les fortes vitesses. L expression mathématique de la distribution de Weibull est présentée à l annexe C. Le Tableau 4-2 présente les paramètres d échelle (c) ainsi que de forme (k) représentant le plus exactement la distribution de Weibull tracée à partir des observations recueillies au niveau d instrumentation supérieur (50 m). Ces paramètres ont été déduits à l aide d un logiciel interne et validés avec WAsP. Tableau 4-2 : Paramètres de Weibull Paramètre de Weibull c 10,4 k 2,2 La Figure 4-13 présente l histogramme des vitesses de vent observées sur une période de 12 mois pour le niveau de mesure le plus haut (50 m). Superposée à l histogramme se trouve la courbe de la fonction de distribution de Weibull. Les tableaux de l annexe B montrent les données utilisées pour créer la distribution statistique de Weibull. 10% 9% 8% 7% 6% Ratio 5% 4% 3% 2% 1% 0% Plage de vitesse (m/s) Figure 4-13 : Distribution des vitesses de vent à 50 m 24

31 5 AJUSTEMENT CLIMATOLOGIQUE ET EXTRAPOLATION VERTICALE Cette section décrit l ajustement climatologique et l extrapolation verticale à hauteur de moyeu (pour une éolienne typique) de la vitesse du vent. 5.1 Ajustement climatologique des vitesses de vent Les vitesses de vents peuvent varier significativement d une année à l autre à cause de la grande variabilité atmosphérique. Pour une année et un site donnés, il arrive régulièrement que la vitesse du vent varie de plus de 10 %, et plus rarement de plus de 20 % par rapport à la moyenne climatique. Donc, dans un tel contexte d évaluation de potentiel éolien, couvrant toute la durée de vie du parc éolien, des données climatologiques d une station locale météorologique sont utilisées afin d ajuster les observations recueillies durant le programme de mesure de vent. Ce processus est défini comme l ajustement climatologique de la vitesse de vent climatologique. L ajustement climatologique des vitesses de vent s est fait en recourant à plusieurs régressions linéaires multiples entre les moyennes journalières des vitesses observées par le mât de mesure et des vitesses observées par des stations météorologiques des environs. Les coefficients de régression linéaires obtenus pour chacune de ces stations météorologiques ont ensuite été utilisés afin de procéder à un ajustement climatologique des vitesses de vent observées par le site. L ajustement climatologique des vitesses a été calculé en utilisant l équation suivante : V climato mât = V courte _ période mât + n i= 1 a i climato courte_ période ( V V ) où : ato V lim : Vitesse moyenne climatologique d une station météorologique de référence c i c ato V lim i : Vitesse moyenne du vent d une courte période d une station météorologique de référence c ato V lim mast courte _ période V mast Vitesse moyenne climatologique du mât de mesure Vitesse moyenne d une courte période du mât de mesure 1,2,...n : Index des stations météorologiques 4 a i : Coefficient de régression linéaire Les stations météorologiques servant à l ajustement climatologique de la vitesse de vent à long terme sont sélectionnées en utilisant des conditions et des critères stricts. Deux stations d Environnement Canada (EC) ont initialement été considérées, celles-ci étant à proximité du site. Des tests statistiques sont ensuite effectués sur ces stations afin d évaluer la corrélation entre les données de la station météorologique et les observations du mât de mesure 5. Finalement, une station ayant la meilleure corrélation avec le mât de mesure a été sélectionnée, soit (cette station n a pas été visitée) : Îles-de-Madeleine (7053KGR). i i Cette station a été utilisée afin de réaliser l ajustement climatologique de la vitesse du vent. La corrélation entre le mât de mesure et la station météorologique est montrée au Tableau 5-1. Comme il y a un fort degré de corrélation, la régression linéaire est jugée bonne. 4 Station météorologique de référence telle que Station Environnement Canada 5 Se référer au document interne d Hélimax : TetF-7053KGR (Iles de la Madeleine)-CCM00.xls. 25

32 Parallèlement à l ajustement climatologique de la vitesse du vent, la représentativité climatologique de la rose des vents observée sur une période annuelle donnée est aussi validée avec les données des stations d EC Profil vertical de la vitesse du vent Tel que cité précédemment, l industrie éolienne utilise deux lois mathématiques pour extrapoler verticalement la vitesse du vent : la loi de la puissance et la loi logarithmique. La loi de la puissance est caractérisée par le coefficient de cisaillement vertical, α, alors que la loi logarithmique est caractérisée par la longueur de rugosité Z 0. Les expressions mathématiques de ces deux lois sont montrées à l annexe C. Il est à noter que la loi logarithmique est préférée dans les analyses de productible, puisqu elle représente mieux le profil vertical du vent. Dépendant de la topographie locale, le calcul du profil selon la loi logarithmique exige une autre variable, la hauteur de déplacement, pour prendre en compte la présence de la végétation aux environs de la région étudiée. La hauteur de déplacement est équivalente aux 2/3 de la hauteur moyenne de la végétation. Aucune hauteur de déplacement n a été utilisée dans cette analyse puisque le site est situé en terrain découvert. La vitesse de vent extrapolée à une hauteur de moyeu potentielle (80 m) est fournie au Tableau 5-1. Les calculs sont basés sur la loi logarithmique avec une longueur de rugosité spécifique au site. Après une comparaison des vitesses de vent à 40 et à 50 m, ainsi qu une analyse des vitesses diurnales, Hélimax a conclu que l influence de la rugosité de surface est particulièrement basse à l Île d Entrée (de part sa topographie et géographie insulaire). En conséquence, seuls les deux niveaux de mesure supérieurs ont été utilisés afin de calculer le facteur de rugosité et effectuer l extrapolation verticale. 6 Se référer au document interne d Hélimax : RV_7053KGR(Iles de la Madeleine)_ s-CCM00.xls. 26

33 Figure 5-1: Localisation des stations météorologiques considérées et/ou utilisées pour l ajustement climatologique 27

34 Information générale Tableau 5-1 : Tableau du sommaire général Numéro d identification de la station HQ21101 Altitude (m) 13 Période d observation Taux de recouvrement des données (%) voir Tableau 3-2 Vitesses de vent observées 30 m au-dessus du sol (m/s) 8,6 40 m au-dessus du sol (m/s) 9,1 50 m au-dessus du sol (m/s) 9,2 Intensité de turbulence Intensité de turbulence (IT) à 50 m au-dessus du sol 0,10 Rugosité de la surface et coefficient de cisaillement Longueur de rugosité de la surface - Z 0 0,002 Hauteurs de référence pour Z 0 50 m 40 m 30 m Coefficient de cisaillement vertical α 0,10 Hauteurs de référence α 50 m 40 m Ajustement climatologique de la vitesse du vent Station météorologique utilisée pour l ajustement Iles-de-la-Madeleine (7053KGR) Période utilisée pour l ajustement R 2 à 30 m 0,92 R 2 à 50 m 0,89 Vitesse du vent après ajustement climatologique 30 m au-dessus du sol (m/s) m au-dessus du sol (m/s) 9,1 Vitesse du vent après ajustement climatologique et extrapolation 80 m au-dessus du sol (m/s) 9,6 28

35 6 CARTOGRAPHIE DE LA RESSOURCE ÉOLIENNE Les cartes de vitesse des vents pour cette analyse ont été réalisées grâce au programme WAsP, 7 dont une description générale est fournie à l annexe D. Le programme WAsP calcule les valeurs de vitesse des vents et la distribution directionnelle à une hauteur déterminée au-dessus du sol; il produit un champ représentant la variation spatiale du gisement éolien. Pour réaliser ce champ de vitesses, le modèle a besoin des trois données suivantes : Le champ de données numériques altimétriques du site modélisé; Les valeurs de rugosité de surface pour le site, y compris les obstacles; Les données en matière de vent enregistrées par une tour de mesure anémométrique située dans le domaine ciblé. Les données d entrée précises dont Hélimax s est servi pour exécuter le programme WAsP sont présentées dans le Tableau 6-1. La Figure 6-1 et la Figure 6-2 montrent, respectivement, la carte topographique et la carte de rugosité de surface du site qui ont servi de données d entrée pour le programme WAsP. Les données météorologiques entrées dans le modèle sont les données recueillies au niveau de 30 m et de 50 m de l Île d Entrée, après l ajustement climatologique. Données d entrée Tableau 6-1 : Données d entrée du modèle WAsP Source des données Données geographiques Altitude Rugosité de surface Données meteorologiques Tour et niveau de mesures Période utilisée pour la simulation 1: carte, Base nationale de données topographiques et Geobase 1: carte, Base nationale de données topographiques HQ21101 Île d Entrée à 30 m et à 50 m Les données à 30 m sont utilisées dans le programme WAsP pour créer un champ de vitesses de 10 m de résolution à une hauteur de 30 m au-dessus du sol et les données à 50 m sont utilisées dans le même programme pour créer un champ de vitesses de 10 m de résolution à une hauteur de 80 m sur le site correspondant à l emplacement du futur parc éolien. La taille du domaine du site a été choisie de manière à conserver les conditions de base requises par le modèle. Le programme WAsP a été roulé en utilisant les données d Île d Entrée pour produire un champ de ressource éolienne pour le domaine entier. La carte des vents produite pourra alors servir pour réaliser une analyse du productible énergétique. Les cartes de vitesse des vents et de densité de puissance produites sont indiquées, respectivement, aux Figure 6-3 et Figure 6-4 ainsi qu aux Figure 6-5 et Figure Wind Atlas Analysis and Application Program du service Wind Energy Department du Risø National Laboratory, au Danemark. 29

36 Figure 6-1 : Carte topographique du domaine 30

37 Figure 6-2 : Carte de la rugosité de surface du domaine 31

38 Figure 6-3 : Carte de vitesse des vents du domaine à 30 m au-dessus du sol 32

39 Figure 6-4 : Carte de la densité de puissance du domaine à 30 m au-dessus du sol 33

40 Figure 6-5 : Carte de vitesse des vents du domaine à 80 m au-dessus du sol 34

41 Figure 6-6 : Carte de la densité de puissance du domaine à 80 m au-dessus du sol 35

42 7 DISCUSSION DES RÉSULTATS Hélimax a effectué une analyse en profondeur des observations colligées pendant une période d environ 12 mois pour le site de l Île d Entrée. En utilisant une procédure de contrôle de qualité rigoureuse avec une analyse exhaustive des données selon les standards de l industrie, Hélimax a démontré le bon fonctionnement du mât de mesure de vent pour la pleine période d analyse. Le Tableau 7-1 présente le sommaire des résultats obtenus suite à l analyse météorologique. Ces résultats doivent être interprétés en tenant compte des taux de recouvrement des données, tels que présentés à la Section 3.3. Il est cependant important de noter qu un niveau d incertitude est associé à ces valeurs bien que les données analysées soient issues d une période d observation de 12 mois. Cette incertitude a pour origine plusieurs facteurs (instruments, taux de recouvrement, extrapolation des vitesses de vent, variabilité inter-annuelle, etc.) et bien qu elle n ait pas été évaluée dans le présent rapport, pourrait faire l objet d une analyse lors d une phase ultérieure du projet. Il faut noter également que les impacts éventuels des changements climatiques sur la future ressource éolienne n ont pas été pris en considération dans cette analyse. Tableau 7-1 : Sommaire de l analyse météorologique HQ21101 Période d observation Vitesse des vents observée à une hauteur de 30 m (m/s) 8,6 Vitesse des vents observée à une hauteur de 40 m (m/s) 9,1 Vitesse des vents observée à une hauteur de 50 m (m/s) 9,2 Vitesse des vents annuelle à une hauteur de 30 m après ajustement climatologique (m/s) 8.5 Vitesse des vents annuelle à une hauteur de 50 m après ajustement climatologique (m/s) 9,1 Vitesse des vents annuelle après ajustement climatologique et extrapolation à une hauteur de 80 m (m/s) 9,6 36