Brevet FR2939902A1 — publié le 20100618

BREVET D'INVENTION Décembre 2008 Henri-Pierre ROCHE Système de détection d'oiseaux et d'arrêt automatisé d'éolienne industrielle "Windpower Stop and go system for birds protection" INTRODUCTION Les éoliennes industrielles causent une mortalité non négligeable d'oiseaux par collision avec les pâles. La LPO estime ainsi à que les mortalités atteignent de 0,01 à 36 oiseaux par éolienne et par an, toutes espèces confondues. Pour la très grande majorité des petites espèces d'oiseaux (passereaux, etc.) qui peuvent entrer en collision avec des éoliennes, l'importance de leur population rend négligeable le taux de mortalité lié à ces collisions comparativement à d'autres sources de mortalité : trafic routier, lignes électriques aériennes, chats domestiques... La situation est cependant différente concernant les espèces de grande taille telles que les rapaces (aigles, vautours, milans...) ou d'autres grands voiliers (cigognes...) qui ont généralement de faibles populations et un faible taux de reproduction. La mortalité supplémentaire liée aux éoliennes devient alors significative pour ces espèces et sa réduction est un véritable enjeu d'autant que celles-ci sont rares, en mauvais état de conservation ou font l'objet d'engagements nationaux et internationaux de protection. Une analyse des recherches menées sur les cas de mortalité par collision d'espèces d'oiseaux patrimoniaux montrent que : - Les cas de mortalité sont constatés en de nombreux endroits du globe : Europe du nord (Pygargue à queue blanche...), Allemagne (Milan royal...), Ecosse (Aigles royaux...), Espagne (Vautour fauve, Vautour percnoptère, Cigogne blanche, Cigogne noire...), Etats-Unis (Aigles royaux...), Australie (Wedged Tailed Eagle), France (Cigogne blanche), Japon (Sea Eagle)... - Ces espèces montrent une grande confiance face aux éoliennes en rotation (vautours, milans...) même dans de bonnes conditions météorologiques ou peuvent voler dans l'espace balayé par les pâles même par mauvaise visibilité (aigles en Ecosse...). Certaines espèces fréquentent même activement les parcs éoliens pour se nourrir des cadavres d'autres oiseaux entrés en collision avec les pâles (Milan royal, Aigle royal, Pygargue à queue blanche...) - Les risques de collision sont particulièrement forts sur les axes principaux de déplacement qui présentent généralement des particularités situationnelles : relief, exposition, conditions de vent... Ces particularités sont recherchées par les oiseaux car elles facilitent leurs déplacements (zones d'ascendance thermiques, ascendance orographiques...). Les risques sont de même particulièrement Système de détection d'oiseaux et d'arrêt automatisé d'éolienne industrielle Henri-Pierre Roche ù Décembre 2008 Page 1 sur 6 forts à proximité des sites d'alimentation ou de reproduction qui concentrent un grand nombre d'oiseaux. - Les collisions interviennent le plus souvent entre la partie distale des pâles et les extrémités corporelles des oiseaux (bout des ailes, queue, tête...). Une hypothèse est donc que plus les oiseaux sont proches des éoliennes, moins ils anticipent la vitesse de rotation des pâles. L'importance de ces mortalités sur des espèces considérées comme patrimoniales est un frein non négligeable aux développements des éoliennes et a d'ores et déjà entraîné des arrêts de machines temporaires ou définitifs aux Etats-Unis (Altamont Pass) et en Espagne, une surveillance permanente des parcs éoliens par des ornithologues (Australie) ou même une annulation de projets (Allemagne...). Ces arrêts temporaires ou définitifs et les contentieux qui les accompagnent fragilisent les investissements financiers liés aux parcs éoliens en phase de développement mais aussi en phase d'exploitation. Le contexte de croissance du parc éolien mondial entraînera mécaniquement une augmentation des mortalités par collision et donc fragilisera encore ces investissements. L'adaptation du design (choix du type d'éoliennes et de leurs implantations) des parcs éoliens aux sites accueillant les espèces rares afin de diminuer le risque de collision est une démarche nécessaire mais qui reste cependant insuffisante car d'une part les fondements théoriques sur les déterminismes et le fonctionnement des déplacements des oiseaux sont encore balbutiants et d'autre part car ces déplacements dans le temps et l'espace gardent une part significative de stochasticité liée à la dynamique propre des espèces et des individus. Afin de concilier le développement éolien et la conservation de la biodiversité, il apparaît donc nécessaire de développer des méthodes permettant de stopper des éoliennes en cas de risque imminent de collision d'une espèce patrimoniale. Les radars sont d'ores et déjà largement utilisés pour l'étude des déplacements d'oiseaux. Des développements récents visent à les utiliser comme système de surveillance des parcs éoliens. Jusqu'à ce jour, il s'agit cependant de systèmes de forte puissance, onéreux, mobiles et temporaires dont l'objectif est avant tout de détecter des oiseaux de toutes tailles et sur de grandes distances. Le système proposé permet une détection des oiseaux de dimension variable, quelles que soient les conditions météorologiques, de jour et de nuit, et aux alentours immédiats et dans la zone de risque constituée par le volume balayé par les pales des éoliennes soit une sphère centrée autour de la turbine. Ce système est peu onéreux, fixe, d'installation et d'entretien aisé et s'appuie sur les technologies existantes et largement diffusées que sont les radars à impulsion en bande X et les logiciels de détection de mouvement par calcul de changement d'état d'une image de référence. Bien que les oiseaux de petites tailles puissent être détectés, c'est pour les espèces patrimoniales, généralement de grande taille, que le système trouve toute sa pertinence et sa plus forte tolérance aux échos parasites. Il répond ainsi beaucoup mieux aux contingences d'exploitations des parcs éoliens et aux obligations de protection des espèces. Système de détection d'oiseaux et d'arrêt automatisé d'éolienne industrielle Henri-Pierre Roche û Décembre 2008 Page 2 sur 6 2939902 I. Principes et agencements techniques Le système utilise deux radars rotatifs à impulsions en bande X, de hauteur verticale de faisceau de 20°, disponibles dans le commerce. Ces radars sont cependant modifiés de la manière suivante : - réglage maximum de la fréquence de récurrence, - réduction de la longueur d'impulsion minimum pour atteindre un ordre de grandeur de 50 mètres au maximum. Les radars sont positionnés de manière opposée dans l'axe de symétrie horizontale d'une éolienne industrielle. Les radars sont installés en hauteur, sur des pylônes, sur un axe incliné et à une distance suffisante permettant que la quasi-totalité de la sphère balayée par le rotor soit incluse dans l'angle vertical du faisceau radar. Dans le cas d'une éolienne de 75 mètres à hauteur de turbine et de 120 mètres de hauteur en bout de pâle, les radars sont ainsi installés à 5 mètres de haut et à une distance de 90 mètres du mât de l'éolienne. La médiane de la hauteur verticale du faisceau radar fait dans le cas illustré un angle d'environ 19° avec l'horizontale (cf. schéma). L'image analogique de chaque radar fait l'objet d'une conversion digitale (convertisseur analogique digital) qui donne une image informatique. Une zone de garde torique (appelée zone de garde externe) centrée sur la turbine de l'éolienne et de rayon intérieur supérieur au rayon des pâles est créée sur l'image numérique de chaque radar. Cette zone de garde torique a une épaisseur variable selon les besoins (10 mètres dans le cas illustré). Dans l'espace, la zone de garde créée par les deux images radars correspond donc à deux cylindres tronqués et partiellement superposés, entourant la sphère balayée par les pales des éoliennes. Ces cylindres � enrobent � ainsi quasi-intégralement la sphère balayée par les pâles. La sensibilité des radars est calibrée afin de ne détecter que des cibles importantes (gros oiseaux type aigles, vautours, milans, cigognes...) et éviter ainsi les échos parasites (pluie, brouillard, neige, insectes..). La fonction � trait � peut être mise en oeuvre sur l'image analogique ou sur l'image numérique afin de même de ne faire apparaitre que les véritables cibles en déplacement. Une image numérique en conditions normales (absence d'oiseau et d'écho) de chacune des deux zones de garde externes est prise et enregistrée. Elle constitue une image de référence appelée Refl . Les images numérisées données par les radars sont ensuite analysées simultanément mais de manière indépendante, de manière à éviter de recourir à une � fusion � des deux images, par un logiciel de détection de mouvement qui réagit au changement d'état de l'image de référence Refl. Le logiciel ne réagit pas si une cible apparaît sur l'image informatique à l'extérieur de la zone de garde externe ou dans le cercle intérieur de la zone de garde externe (afin de ne pas être sensible aux mouvements du rotor). Par contre, si une cible est détectée à l'intérieur du tore de la zone de garde externe, un signal d'arrêt est envoyé à l'éolienne. Afin de s'assurer que les cibles sont bien des oiseaux en déplacement, la fonction � trail � peut être activée. Elle donne ainsi une trace plus facilement perceptible qu'un simple point par le logiciel de détection de mouvement. Système de détection d'oiseaux et d'arrêt automatisé d'éolienne industrielle Henri-Pierre Roche û Décembre 2008 Page 3 sur 6 Le schéma ci-dessous indique l'itinéraire des informations pour chaque radar. Radar • Eolienne II. Gestion de l'arrêt des éoliennes La gestion de l'arrêt de l'éolienne peut ensuite suivre deux options : 1 : L'arrêt de l'éolienne dure 10 minutes, soit le temps suffisant pour un oiseau de sortir de la zone de garde externe. Le redémarrage du système est automatique. 2 : Dès l'arrêt complet du rotor (la vitesse d'arrêt étant connue et fournie par le constructeur), le logiciel de détection de mouvement crée automatiquement une image de référence (appelée Ref2) de la sphère balayée par les pâles, correspondant à une nouvelle zone de garde pour chacun des deux radars qui est appelée � zone de garde interne �. Si une cible en déplacement est détectée dans cette zone de garde interne, par changement d'état de la nouvelle image de référence (Ref2), le signal d'arrêt est maintenu. Au bout d'une période déterminée (par exemple, 10 minutes) sans détection de mouvements dans les zones de garde interne et externe, un signal de redémarrage est envoyé à l'éolienne. Le schéma page suivante illustre, au niveau de l'image digitale de chaque radar, l'enchaînement des détections. Système de détection d'oiseaux et d'arrêt automatisé d'éolienne industrielle Henri-Pierre Roche ù Décembre 2008 Page 4 sur 6 • Image analogique Convertisseur analogique digital Image digitale Paramétrage sensibilité Paramétrage zone de garde et sensibilité de détection Logiciel de détection de mouvement Signal Marche - Arrêt Etat 3 : cible détectée dans la zone de garde interne Action : Maintien de l'arrêt de l'éolienneEtat 2 : cible détectée dans la zone de garde externe Actions : 1 : Arrêt de l'éolienne 2 : Création d'une image de référence dans la zone de garde interne Etat 4 : cible sort des zones de garde internes et externes Actions : 1 : Redémarrage de l'éolienne 2 : Retour à l'Etat 1 Système de détection d'oiseaux et d'arrêt automatisé d'éolienne industrielle Henri-Pierre Roche ù Décembre 2008 Page 5 sur 6 III. Optimisation du système Sur ce système de base, des optimisations peuvent être apportées. Ces optimisations interviennent par ajout d'éléments de mesure complémentaires, modifications des caractéristiques des antennes d'émission et de réception ou traitement informatique dynamique de la zone de garde. III.A. Ajout d'éléments de mesure complémentaires - Programmation du système suivant différents paramètres : jour/nuit, heures, saisons, conditions météorologiques (vent, pluie...) en fonction des probabilités d'occurrence des oiseaux. - Utilisation d'une caméra vidéo se déclenchant lors du signal d'arrêt et permettant un enregistrement photo ou vidéo de l'oiseau traversant la zone de risque pour contrôle ultérieur. III.B. Modifications des caractéristiques des antennes d'émission et de réception - Augmentation de la hauteur verticale du faisceau radar permettant ainsi de rapprocher les radars de l'éolienne (réduction des longueurs et des coûts de câblage). Le système perd cependant en précision de détection. - Augmentation de la fréquence de récurrence (vitesse de rotation du radar) pour augmenter la précision sur courte et très courte portée. - Remplacement de l'antenne émettrice rotative par plusieurs antennes émettrices fixes et jumelées dont l'addition des angles horizontaux permet de couvrir l'ensemble de la zone de garde afin de limiter les coûts d'entretien liés à l'usure mécanique du système rotatif. Ce système nécessite cependant une � fusion � informatique des images obtenues par chaque antenne émettrice. - Synchronisation en décalée des impulsions émises par les deux radars (ou par les antennes émettrices fixes) afin d'éviter les échos parasites de réflexion. - Emission d'ondes polarisées permettant d'affiner la qualité du signal reçu et de réduire les échos parasites et les interférences entre les radars (chaque antenne émettrice ou radar émet dans une polarisation dédiée). III.C. Traitement informatique dynamique de la zone de garde S'il est possible de connaître la position dans l'espace du rotor (en fonction de la direction du vent par exemple), on peut faire évoluer la zone de garde interne automatiquement en fonction de cette position et au plus près du rotor. IV. Adaptation du système Le système est adaptable à tous les types d'éoliennes et à toutes les conditions de relief dès lors que l'on peut jouer sur les distances des radars à l'éolienne et la hauteur d'installation des radars. L'important est que la zone de garde externe � enrobe � correctement la sphère balayée par le rotor. Le système est aussi adaptable à toutes les espèces, à leurs périodes de présence (migrateurs, nicheurs) et aux conditions de risque en jouant sur la programmation de l'activité du système, suivant les périodes et les conditions climatiques. Le réglage de la sensibilité du système, au niveau du radar ou du détecteur de mouvement permet aussi de sélectionner les espèces en fonction de leurs dimensions. Système de détection d'oiseaux et d'arrêt automatisé d'éolienne industrielle Henri-Pierre Roche ù Décembre 2008 Page 6 sur 6 Revendications1. Décembre 2008 Henri-Pierre ROCHE Système de détection d'oiseaux et d'arrêt automatisé d'éolienne industrielle "Windpower Stop and go system for birds protection" Le système présenté utilise des éléments largement diffusés et utilisés. Ces éléments sont les suivants : - radar à impulsion en bande X - conversion digitale d'images analogiques - logiciel de détection de mouvement par comparaison avec une image de référence L'innovation, consiste dans la conjonction de plusieurs éléments : - l'utilisation de longueurs de pulsation courtes (variables suivant la distance radar-éolienne) et permettant de détecter des objets entre le radar et l'éolienne, - l'utilisation de deux radars disposés de manière opposée dans l'axe de symétrie horizontale de l'éolienne, - l'installation de ces deux radars en hauteur et dans un axe incliné permettant de balayer l'espace aérien pertinent (les zones de garde internes et externes) et sans écho de sol dans les zones de garde, - le couplage à un logiciel de détection de mouvement comportant, sur une même image digitale, deux zones de garde distinctes et de dimensions variables au choix de l'utilisateur mais contigües et dont une est créée automatiquement après arrêt de l'éolienne (zone de garde interne), - la relation de dépendance entre la détection d'un objet dans la zone de garde externe, l'arrêt de l'éolienne et l'activation de la zone de garde interne, - le traitement simultané des images provenant des deux radars mais sans avoir besoin de fusionner ces images, - le fait que la projection dans l'espace des zones de garde externe, définies en deux dimensions, corresponde à deux cylindres tronqués se superposant partiellement qui permettent d'enrober presque entièrement la sphère balayée par le rotor de l'éolienne. L'innovation consiste de même dans la destination de ce système, à savoir l'arrêt automatique d'une éolienne industrielle en cas de proximité d'un objet volant dont les dimensions peuvent être présélectionnées. L'innovation consiste enfin à ce que ce système soit fixe, permanent et programmable suivant les probabilités d'occurrence des espèces à protéger. Les revendications sont : - l'exclusivité d'exploitation commerciale du système et de ses dispositions techniques dans le cadre de sa destination Système de détection d'oiseaux et d'arrêt automatisé d 'éolienne industrielle Henri-Pierre Roche û Décembre 2008