Brevet FR2937094A1 — publié le 20100416

L'invention concerne le domaine de l'environnement et de l'énergie éolienne. L'invention concerne plus particulièrement le domaine de la détection d'impacts d'animaux volants sur des pales d'éolienne et de la prévision des conséquences d'une installation d'une éolienne ou d'un parc d'éoliennes sur la faune volante. Une éolienne est un dispositif qui utilise l'énergie éolienne. Aujourd'hui, la conscience générale dans les pays industrialisés et plus tard dans les autres pays plébiscite l'utilisation d'énergies renouvelables afin de préserver l'environnement. Dans ce contexte, l'intérêt pour les éoliennes s'est renforcé ces dernières années, et notamment en ce qui concerne la production d'électricité par des aérogénérateurs. En effet, on considère que l'électricité générée par une éolienne est plus � propre � que l'électricité générée par une centrale thermique. On considère encore que l'utilisation d'éoliennes présente moins de risques environnementaux ou sanitaires qu'une centrale nucléaire. Cependant, l'installation d'une éolienne ou d'un parc d'éoliennes n'est pas exempte de conséquences sur l'environnement. En effet, l'utilisation d'éoliennes est responsable d'une mortalité parfois importante chez les animaux volants (oiseaux et chiroptères). Notamment, certains parcs d'éoliennes provoquent des mortalités de plusieurs dizaines d'oiseaux et/ou de chauves-souris par éolienne et par an. Ceci est dû au fait que, lors de son fonctionnement, une éolienne constitue un obstacle en mouvement sur le chemin de ces animaux. Des solutions statistiques afin d'appréhender la mortalité de ces animaux dans un parc d'éoliennes existent. Une des solutions consiste en un comptage in situ au pied 30 d'éoliennes de cadavres d'animaux (avec une fréquence d'une recherche par semaine voire plusieurs semaines). Une règle de proportionnalité est ensuite réalisée en intégrant le taux de disparition des cadavres et le nombre de jours de prospection pour arriver à une estimation sur une période donnée. Cependant, dans ces solutions connues, la mortalité est appréhendée de manière très empirique avec des incertitudes très importantes liées à des protocoles non standards, à des biais observateurs, à des biais liés au milieu, etc., qui ne permettent pas de réaliser une approche mathématique rigoureuse et reproductible d'un parc à l'autre. Cela est démontré dans l'article � Relationships between bats and wind turbines in Pennsylvania and West Virginia � (ou encore � Relations entre les chauves-souris et les éoliennes en Pennsylvanie et en Virginie-Occidentale �), Edward B. Arnett et al., 2004, in Bat Conservation International. Dans cet article, les auteurs affirment que le taux de réussite dans la recherche de cadavres par des observateurs est compris entre 14 et 42 % suivant l'observateur et le milieu naturel à prospecter. Un objectif de l'invention est donc de proposer un système pour la détection et l'analyse d'impacts d'animaux sur une pale d'éolienne qui permet de surmonter au moins un des inconvénients ci-dessus mentionnés. Pour cela, l'invention propose le système de comptage et d'analyse d'impacts d'animaux sur au moins une pale d'une éolienne adapté pour être monté dans l'éolienne, le système comprenant : - au moins un capteur acoustique adapté pour être disposé à l'intérieur de la pale pour mesurer une onde acoustique créée par un impact d'un animal sur la pale correspondante et pour émettre un signal brut en réponse à la mesure de l'onde acoustique ; - un module d'acquisition des signaux relié au capteur ou à chaque capteur pour acquérir le signal brut et pour émettre ou non un signal temporel comprenant au moins une information relative à l'impact en fonction du signal brut acquis ; - un module de stockage des signaux temporels lié au module d'acquisition des signaux pour stocker le signal temporel ; le capteur étant un microphone adapté pour mesurer des ondes acoustiques en propagation aérienne et au moins un est disposé à l'intérieur de la pale au niveau de sa base. Un avantage d'un tel système est de permettre d'appréhender le phénomène de la mortalité des animaux induite par la présence d'une éolienne ou d'un parc d'éoliennes de manière plus rigoureuse et d'identifier les facteurs qui influent sur cette mortalité. Les caractéristiques optionnelles et non limitatives d'un tel système pour la détection et l'analyse d'impacts d'animaux sur au moins une pale d'éolienne sont : - le capteur est choisi parmi : un microphone de type condensateur omnidirectionnel, un microphone de type cardioïde électret ou un microphone de type cardioïde piézoélectrique ; - le module d'acquisition des signaux comprend en outre un filtre coupe-bas pour atténuer ou supprimer un bruit de fond comprenant des fréquences basses inférieures à 100 Hz contenues dans le signal brut et/ou un filtre coupe-haut pour atténuer ou supprimer des fréquences hautes contenues dans le signal brut correspondant entre autres à des impacts du type choc dur ; - le capteur comprend des moyens de fixation à la pale par collage, soudure, vissage, rivetage ou tout autre mode de fixation ; - les moyens de fixations sont un support comprenant un élément antivibratoire. L'invention propose également une éolienne comprenant au moins une pale, un moyeu et un mât, caractérisée en ce qu'elle comprend, en outre, un tel système de comptage et d'analyse d'impacts d'animaux sur la pale, au moins un capteur étant fixé au niveau de la base de la pale, le module d'acquisition des signaux et le module de stockage des signaux temporels étant positionnés soit dans le moyeu, soit dans la nacelle, soit dans le mât de l'éolienne. Enfin, l'invention propose un procédé de comptage et d'analyse d'impacts d'animaux sur au moins une pale d'une éolienne à mettre en oeuvre avec au moins une telle éolienne, comprenant les étapes suivantes : - le capteur mesure au moins une onde acoustique créée par un impact d'un animal sur la pale, et émet un signal brut en réponse à la mesure de l'onde ; - le module d'acquisition des signaux acquiert le signal brut et émet ou non un signal temporel comprenant au moins une information relative à l'impact en fonction du signal brut ; - le module de stockage des signaux temporels stocke le signal temporel ; - le signal temporel est analysé après récupération par une méthode d'analyse statistique. Les caractéristiques optionnelles et non limitatives d'un tel procédé pour de comptage et d'analyse d'impacts d'animaux sur au moins une pale d'éolienne sont : - le module d'acquisition des signaux émet un signal temporel lorsque le signal brut atteint et/ou dépasse une amplitude seuil et comprend au moins un signal caractéristique d'un impact d'animal sur la pale ; - le signal caractéristique est un signal impulsionnel caractérisé par une augmentation quasi spontanée de l'amplitude suivie d'une décroissance logarithmique/exponentielle ; - la méthode d'analyse, effectuée à partir de l'information comprise dans le signal temporel, consiste en au moins l'un parmi : le calcul d'une moyenne, le calcul d'un écart type, le calcul d'une médiane, une analyse de type x2, une analyse de la variance, une analyse factorielle des correspondances et une analyse en composante principale. D'autres caractéristiques, buts et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui suit, en référence aux dessins donnés à titre illustratif et non limitatif, parmi lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'une éolienne connue ; - la figure 2 est une vue schématique d'un système possible pour la détection et l'analyse d'impacts d'animaux sur une pale d'éolienne selon l'invention, - la figure 3 donne un exemple d'un signal brut obtenu par le système de la figure 2 représenté par son amplitude en fonction du temps ; - la figure 4 est un agrandissement d'une zone de la figure 3, dans laquelle apparaît un signal induit par un impact sur une pale d'éolienne. L'invention concerne un système 2, illustré de manière schématique sur la figure 2, de comptage et d'analyse d'impacts d'animaux sur au moins une pale 16 d'une éolienne 1 adapté pour être monté dans l'éolienne 1. Une éolienne de type aérogénérateur est illustrée sur la figure 1 et comprend un mât 11 vertical, une nacelle 13, un moyen d'orientation 12 pour faire pivoter la nacelle 13 autour de l'axe du mât Il, un moyeu 14 et un rotor 15 solidaire d'au moins une pale 16. Par exemple, les pales 16 sont au nombre de trois. Les pales 16 mises en mouvement par le vent font tourner un arbre autour de son axe pour générer de l'énergie électrique. Un frein 17 est prévu sur l'arbre pour empêcher les pales de se mettre en mouvement, notamment lorsque les conditions météorologiques sont défavorables ou en cas de danger. Le système 2 comprend au moins un capteur acoustique 21 adapté pour être disposé à l'intérieur de la pale 16 pour mesurer une onde acoustique créée par un impact d'un animal sur la pale 16 correspondante et pour émettre un signal brut en réponse à la mesure de l'onde acoustique. Le nombre de capteurs 21 est au moins égal au nombre de pales 16. Un capteur 21 au moins étant disposé à l'intérieur de chaque pale 16. Le capteur 21 est un microphone adapté pour mesurer des ondes acoustiques en propagation aérienne et disposé à l'intérieur de la pale 16. Au moins un capteur 21 est disposé au niveau de la base de chaque pale 16. La mesure des ondes acoustiques en propagation aérienne est avantageuse par rapport à une mesure des ondes acoustiques en propagation solidienne, c'est-à-dire des ondes acoustiques propagées par un solide (par exemple, mesures par laser Doppler ou accéléromètre). En effet, la propagation solidienne dépend fortement de la structure et de la géométrie de la pale 16. De plus la composition du matériau utilisé pour réaliser la pale 16 rend la nature de la propagation solidienne complexe et une modélisation de la propagation non généralisable à tous les types de pales 16. La mesure d'onde acoustique en propagation aérienne permet un traitement plus global des éoliennes. Également, l'utilisation des ondes acoustiques en propagation solidienne imposerait l'emploi de capteur de contact à mettre en contact avec les surfaces internes, ce qui constitue un inconvénient certain, puisqu'il faudra alors adapter le capteur à chaque type de pale. La disposition du capteur 21 à la base de la pale 16 permet de mieux mesurer l'onde acoustique créée et qui se propage à travers la pale 16. En effet, la pale 16, étant creuse, joue le rôle de caisse de résonance et une partie de l'onde acoustique créée par l'impact se dirige vers la base. Le capteur 21 comprend des moyens de fixation à la pale 16 par collage, soudure, vissage, rivetage ou tout autre mode de fixation. Le capteur 21 est soit un microphone de type condensateur omnidirectionnel, soit un microphone de type cardioïde électret ou soit un microphone de type cardioïde piézoélectrique. Ces moyens de fixation peuvent être réalisés directement sur le capteur 21. Ces moyens de fixation peuvent également être un support rigide ou articulé comprenant des pattes de fixation qui permettront de fixer l'ensemble par collage, soudure, vissage, rivetage ou tout autre mode de fixation. Ce support est fixé d'un côté au capteur 21, par collage, soudure, vissage, rivetage ou tout autre mode de fixation, et de l'autre à la pale 16. Le support peut comporter des éléments antivibratoires. Par exemple, le support est un support rigide fixé solidement à la structure de la pale existante ; le support étant équipé d'un dispositif de désolidarisation mécanique comportant une bague antivibratoire. Le système 2 comprend également un module 22 d'acquisition des signaux relié au capteur 21 ou à chaque capteur 21 pour acquérir le signal brut et pour émettre ou non un signal temporel comprenant au moins une information relative à l'impact en fonction du signal brut acquis. Le système 2 comprend, en outre, un module 23 de stockage des signaux temporels lié au module 22 d'acquisition des signaux pour stocker le signal temporel. Le module 22 d'acquisition des signaux comprend un filtre coupe-bas pour atténuer ou supprimer un bruit de fond comprenant des fréquences basses inférieures à 100 Hz contenu dans le signal brut. En variante, le filtre coupe-bas est un filtre dont la réponse en décibel est fonction de la fréquence avec une pente de 18 dB/octave jusqu'à une fréquence de coupure de 100 Hz, et un palier au-delà de la fréquence de coupure 100 Hz. La fréquence de coupure est réglable en position fréquentielle. Le bruit de fond est généré entre autres par le fonctionnement de l'éolienne. Il peut être relativement intense (l'amplitude de l'onde correspondante peut être aussi grande que l'amplitude d'une onde créée par un impact). Le module 22 d'acquisition des signaux peut aussi comprendre un filtre coupe-haut pour atténuer ou supprimer des fréquences hautes contenues dans le signal brut correspondant entre autres à des impacts du type choc dur. Les impacts du type choc dur sont caractérisés par l'émission d'onde acoustique haute fréquence. Ces impacts peuvent être provoqués de manière non limitative par une pierre, un caillou, une branche d'arbre, la grêle, etc. Contrairement à ces impacts de type dur, les impacts provoqués par des animaux tels qu'oiseaux ou chauves-souris sont de type mou et sont caractérisés par l'émission d'une onde acoustique basse fréquence. Les fréquences présentes dans une telle onde sont comprises dans une plage plus large que les fréquences basses caractéristiques du bruit de fond. En effet, le bruit de fond est caractérisé par des fréquences très basses. Le module 22 d'acquisition des signaux et le module 23 de stockage des signaux temporels peuvent être, séparément, positionnés soit dans le moyeu 14, soit dans la nacelle 13, soit dans le mât 11 de l'éolienne 1. Afin d'installer le système 2 dans une éolienne 1, il est prévu un berceau métallique. Le berceau peut incorporer un ordinateur d'acquisition et des unités associées à cette fonction. Les dimensions du berceau peuvent être de 40 x 40 x 10 cm (longueur x hauteur x profondeur). Les dimensions peuvent également être plus réduites. Un avantage de ce système 2 est l'indépendance des mesures effectuées par chacun des capteurs 21 grâce à leur positionnement et à leur nature. C'est-à-dire que chaque capteur 21 ne mesure que les impacts occasionnés sur la pale 16 à l'intérieur de laquelle il est fixé. Un autre avantage de ce système 2 est l'indépendance des mesures effectuées par chacun des capteurs 21 par rapport aux ondes acoustiques pouvant provenir de l'environnement extérieur à l'éolienne 1. C'est-à-dire que les capteurs 21 ne mesurent que les ondes acoustiques en rapport avec l'éolienne 1, par exemple son fonctionnement, une sollicitation sur sa structure, etc. Une onde acoustique créée par un élément à l'extérieur et hors de l'éolienne ne sera pas mesurée par les capteurs 21. L'invention concerne également un procédé de comptage et d'analyse d'impacts d'animaux sur au moins une pale 16 de l'éolienne 1 équipée du système 2. Ce procédé comprend les étapes suivantes : - le capteur 21 mesure l'onde acoustique créée par l'impact d'un animal sur la pale 16, et émet un signal brut en réponse à la mesure de l'onde ; - le module 22 d'acquisition des signaux acquiert le signal brut et émet ou non un signal temporel comprenant au moins une information relative à l'impact en fonction du signal brut dont la forme générale est illustrée sur la figure 3 ; - le module 23 de stockage des signaux temporels stocke le signal temporel ; - le signal temporel est analysé après récupération par une méthode d'analyse statistique. La figure 3 provient d'une simulation d'impacts de type mou occasionnés par des billes thermoplastiques relativement souples, d'un diamètre d'environ 17 mm pour un poids d'environ 2,6 g et une dureté de 35 SHORE. La dureté de ces billes étant basse, celles-ci provoque un impact de type mou sur la pale 16. Le poids des billes est inférieur au poids des espèces les plus touchées par les éoliennes qui sont les passereaux et les chauves- souris. Si le capteur 21 peut mesurer des ondes créées par de telles billes, il peut également mesurer des ondes créées par ces passereaux et chauves-souris. Par exemple, un rouge-gorge (Erithacus rubecula) pèse entre environ 16 g et 22 g et un troglodyte mignon (Nannus troglodytes), un des plus petits oiseaux d'Europe, environ 8 g. Également, une pipistrelle commune (Pipistrellus pipistrellus), la plus petite chauve-souris d'Europe, ne pèse qu'entre environ 3,5 g et 8 g. Le module 22 d'acquisition des signaux émet un signal temporel lorsque le signal brut atteint et/ou dépasse une amplitude seuil et comprend au moins un signal caractéristique d'un impact d'animal sur la pale 16. L'information relative à l'impact peut être l'heure de l'impact, le jour de l'impact, le parc auquel appartient l'éolienne, un identifiant de l'éolienne, un identifiant de la pale impactée, la vitesse du vent, la direction du vent, etc. Le signal caractéristique est un signal impulsionnel caractérisé par une augmentation quasi spontanée de l'amplitude suivie d'une décroissance logarithmique/exponentielle comme illustré sur la figure 4 qui provient de la même simulation qui a servi à obtenir le signal brut de la figure 3. La méthode d'analyse, effectuée à partir de l'information ou des informations comprises dans le signal temporel, consiste en au moins l'un parmi : le calcul d'une moyenne, le calcul d'un écart type, le calcul d'une médiane, une analyse de type x2, une analyse de la variance, une analyse factorielle des correspondances et une analyse en composante principale. L'analyse peut être effectuée de manière automatisée par un appareil adapté. La méthode d'analyse a, partiellement, pour but d'identifier les facteurs pertinents pour l'étude de la mortalité des oiseaux et/ou des chiroptères et de déterminer des corrélations entre les différents paramètres et/ou facteurs pour prédire l'impact d'une éolienne et/ou d'un parc d'éoliennes futur à installer. Un des facteurs peut, par exemple, être le type de paysage, la structure du parc d'éoliennes (en ligne ou en grappe), les cycles saisonniers, le cycle journalier, etc. La liaison entre le capteur 21 ou les capteurs 21 et le module 22 d'acquisition des signaux peut être réalisée par un peigne de connexion, connu de l'homme du métier, permettant la connexion entre deux éléments qui tournent l'un par rapport à l'autre. Cette liaison peut également être réalisée sans-fil. La liaison entre le module 22 d'acquisition des signaux et le module 23 de stockage des signaux temporels peut être filaire ou sans-fil. L'émission des signaux temporels par le module 22 d'acquisition des signaux au module 23 de stockage des signaux temporels peut être réalisée par paquets de signaux. C'est-à-dire, de manière discontinue. Le module 22 d'acquisition des signaux peut être analogique. Par exemple, le module 22 d'acquisition des signaux peut être un système analogique du type CompactRlO de National Instruments ou 01dB. Le module 23 de stockage des signaux temporels peut être un serveur, une base de données, un disque dur, une disquette, un CD- ROM, un DVD ou tout autre moyen de stockage de données. Ces données peuvent être récupérées soit par collecte du module 23 de stockage des signaux temporels, soit à distance, en utilisant une fréquence choisie, par modem ou autre système de communication à distance. Le système 2 peut être alimenté par batteries ou directement à partir de sources disponibles dans l'éolienne 1. Un avantage de ce procédé est qu'il permet d'analyser les impacts d'animaux sur les pales 16 d'une éolienne 1 afin, d'une part, d'identifier les facteurs auxquels ces impacts sont corrélés, et d'autre part d'adapter le fonctionnement des parcs d'éoliennes, la disposition des éoliennes à l'intérieur de ces parcs pour réduire le nombre des impacts. Un autre avantage de ce procédé est qu'il permet d'avoir une approche prédictive de l'impact des parcs en projet. Les résultats obtenus peuvent être, par exemple, le pourcentage de chance P d'avoir une mortalité d'un niveau X sur l'année ou à une période de l'année. La description a été faite sur une éolienne du type aérogénérateur. Cependant, l'invention n'est pas limitée à ce type d'éolienne. L'homme du métier saura adapter l'invention à tout type d'éolienne comprenant des pales pouvant jouer le rôle de guide d'onde, par exemple une éolienne du type Darrieus. Dans toute la description, les termes � une onde � et � un signal � doivent être compris comme incluant le singulier et le pluriel. Revendications1. Système (2) de comptage et d'analyse d'impacts d'animaux sur au moins une pale (16) d'une éolienne (1) adapté pour être monté dans l'éolienne (1), le système comprenant : - au moins un capteur acoustique (21) adapté pour être disposé à l'intérieur de la pale (16) pour mesurer une onde acoustique créée par un impact d'un animal sur la pale (16) correspondante et pour émettre un signal brut en réponse à la mesure de l'onde acoustique ; - un module (22) d'acquisition des signaux relié au capteur (21) ou à chaque capteur (21) pour acquérir le signal brut et pour émettre ou non un signal temporel comprenant au moins une information relative à l'impact en fonction du signal brut acquis ; - un module (23) de stockage des signaux temporels lié au module (22) d'acquisition des signaux pour stocker le signal temporel ; le capteur (21) étant un microphone adapté pour mesurer des ondes acoustiques en propagation aérienne et au moins un est disposé à l'intérieur de la pale (16) au niveau de sa base. 2. Système (2) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur (21) est choisi parmi : un microphone de type condensateur omnidirectionnel, un microphone de type cardioïde électret ou un microphone de type cardioïde piézoélectrique. 3. Système (2) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le module (22) d'acquisition des signaux comprend en outre un filtre coupe-bas pour atténuer ou supprimer un bruit de fond comprenant des fréquences basses inférieures à 100Hz contenues dans le signal brut et/ou un filtre coupe-haut pour atténuer ou supprimer des fréquences hautes contenues dans le signal brut correspondant entre autres à des impacts du type choc dur. 4. Système (2) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le capteur (21) comprend des moyens de fixation à la pale (16) par collage, soudure, vissage, rivetage ou tout autre mode de fixation. 10 5. Système (2) selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de fixations sont un support comprenant un élément antivibratoire. 15 6. Éolienne (1) comprenant au moins une pale (16), un moyeu (14) et un mât (11), caractérisée en ce qu'elle comprend, en outre, un système (2) de comptage et d'analyse d'impacts d'animaux sur la pale (16) selon l'une des revendications 1 à 5, au moins un capteur (21) étant fixé au niveau de la base de la 20 pale (16), le module (22) d'acquisition des signaux et le module (23) de stockage des signaux temporels étant positionnés soit dans le moyeu (14), soit dans la nacelle (13), soit dans le mât (11) de l'éolienne (1). 25 7. Procédé de comptage et d'analyse d'impacts d'animaux sur au moins une pale (16) d'une éolienne (1) à mettre en oeuvre avec au moins une éolienne (1) selon la revendication 6, comprenant les étapes suivantes :5- le capteur (21) mesure au moins une onde acoustique créée par un impact d'un animal sur la pale (16), et émet un signal brut en réponse à la mesure de l'onde ; - le module (22) d'acquisition des signaux acquiert le signal brut et émet ou non un signal temporel comprenant au moins une information relative à l'impact en fonction du signal brut ; - le module (23) de stockage des signaux temporels stocke le signal temporel ; - le signal temporel est analysé après récupération par une méthode d'analyse statistique. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le module (22) d'acquisition des signaux émet un signal temporel lorsque le signal brut atteint et/ou dépasse une amplitude seuil et comprend au moins un signal caractéristique d'un impact d'animal sur la pale (16). 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le signal caractéristique est un signal impulsionnel caractérisé par une augmentation quasi spontanée de l'amplitude suivie d'une décroissance logarithmique/exponentielle. 10. Procédé selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que la méthode d'analyse, effectuée à partir de l'information comprise dans le signal temporel, consiste en au moins l'un parmi : le calcul d'une moyenne, le calcul d'un écart type, le calcul d'une médiane, une analyse de type x2, une analyse de la variance, une analyse factorielle des correspondances et une analyse en composante principale.