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CLIMATOLOGIE MODÉLISATION DE L A VITESSE ÉOLIEN DU MAROC ORIENTAL

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CLIMATOLOGIE MODÉLISATION DE L A VITESSE ÉOLIEN DU MAROC ORIENTAL
54
e
La M é t é o r o l o g i e 8 série - n ° 5 - m a r s 1994
CLIMATOLOGIE
MODÉLISATION DE L A VITESSE
DU VENT ET C A L C U L DU POTENTIEL
ÉOLIEN DU MAROC ORIENTAL
Le cas d'Oujda-Angad
A. Sbai, A. Mouhdi, N. A d o u k et F. Paul
Université des sciences et technologies de Lille I
Laboratoire de climatologie et d'hydrologie
59655 Villeneuve d'Ascq Cedex
RÉSUMÉ
Nous présentons ici les résultats d'une étude sur les régimes des vents et
le potentiel éolien au Maroc oriental. Ce travail est basé sur les observations météorologiques journalières de la station d'Oujda-Angad pour la période 19741989, ainsi que sur des observations triquotidiennes plus anciennes de cette
station. La vitesse moyenne annuelle du vent à 10 m varie de 3,6 à 5,8 m/s tandis
que le potentiel éolien, estimé par la loi de Weibull, varie de 57 à
244 W/m .
2
ABSTRACT
This paper présents the results of a study dealing with the wind régime
and the potential of the wind resource of eastern Morocco for power génération.
It is based on the daily observations of thesynoptic station of Oujda-Angad. The
mean wind speed at 10 m varied between 3.6 and5.8 m/s and the potential of the
wind resource, estimated by WeibulPs distribution, varied from 57 to
244 W/m .
2
INTRODUCTION
D a n s cet article, n o u s p r é s e n t o n s les résultats d ' u n travail effectué sur le
r é g i m e des vents et le potentiel éolien du M a r o c oriental à partir des d o n n é e s de la
station m é t é o r o l o g i q u e d ' O u j d a - A n g a d (fig. 1). L e s o b s e r v a t i o n s de vent sont
effectuées à 6, 12 et 18 h U T C à 10 m au-dessus du sol. L e s principales caractéristiques étudiées sont la vitesse m o y e n n e du vent, la distribution statistique du vent et
les variations temporelles de la vitesse du vent. Le potentiel éolien est estimé à l'aide
du logiciel W A s P ( W i n d A t l a s A n a l y s i s and A p p l i c a t i o n P r o g r a m m e ) . L e s vitesses
du v e n t n ' o n t pas subi de correction en fonction de l ' e n v i r o n n e m e n t du site de la
station. S a n s reprendre intégralement l ' é t u d e à p r o p o s des r é g i m e s des v e n t s au
M a r o c oriental (Sbai et al., 1992), nous p o u v o n s n é a n m o i n s retrouver q u e l q u e s idées
essentielles sur certains aspects des variations et des r é g i m e s des v e n t s .
LES
CARACTÉRISTIQUES
DU VENT
La vitesse du vent
Variations à l'échelle annuelle
et mensuelle
L e M a r o c oriental est une des régions du M a r o c où la vitesse du vent est
i m p o r t a n t e . La vitesse m o y e n n e m e n s u e l l e du vent est calculée pour la période la
plus longue ( 1 9 4 7 - 1 9 8 9 ) à partir d ' o b s e r v a t i o n s effectuées à 6 h, 12 h et 18 h U T C .
L e s résultats sont p r é s e n t é s dans le tableau 1. La vitesse m o y e n n e annuelle est de
55
e
L a M é t é o r o l o g i e 8 série - n° 5 - m a r s 1994
3,9 m / s , avec des v a r i a t i o n s
interannuelles importantes : coefficient de v a r i a t i o n ( é c a r t - t y p e /
m o y e n n e ) = 0,24 ( 1 9 4 7 - 1 9 8 9 ) . L a
vitesse du vent à 6 h est la plus élevée
en a u t o m n e et en hiver ( n o v e m b r e février) et la plus faible en été (maioctobre). A 1 2 h, les vitesses du vent
les p l u s élevées s ' o b s e r v e n t en hiver
(décembre-février) et en été (juinjuillet). A 18 h, les vitesses les plus
é l e v é e s s ' o b s e r v e n t surtout en été.
y j j |
|
Montagnes
Plaines et plateaux
cours d'eau
Variations à long terme
valeurs moyennes
Variations saisonnières
Figure 1 - Grandes unités de relief du
Nord-Est du Maroc et localisation de la
station d'Oujda-Angad
L e M a r o c oriental est m a r q u é p a r u n e variabilité des vents importante (fig. 2).
L ' é c a r t entre la valeur m a x i m a l e (1969) et la valeur minim a l e ( 1 9 5 6 ) est de 3,3 m/s. C e p e n d a n t , a u c u n e t e n d a n c e à
long t e r m e ne se manifeste c o m m e le m o n t r e la figure 2. O n
observe des p é r i o d e s où les vents sont forts et des périodes
où les vents sont faibles, c o m m e c'est le cas de 1947 à
1958. Cette rupture dans la courbe d ' é v o l u t i o n pourrait
être liée à un c h a n g e m e n t de matériel de m e s u r e ou à un
d é p l a c e m e n t du p y l ô n e à partir de 1959.
moyennes mobiles quinquenales
Figure 2 - Evolution de la vitesse moyenne annuelle
du vent à Oujda (1947-1989)
L a vitesse du vent de c h a c u n des 12 m o i s fluctue d ' u n e année à l'autre, mais
de façon m o d é r é e , c o m m e l ' i n d i q u e n t les valeurs assez faibles des coefficients de
variation (tableau 1). La variabilité de la vitesse m o y e n n e m e n s u e l l e du vent est plus
importante en hiver et en a u t o m n e et dépasse a m p l e m e n t la variabilité de la vitesse
m o y e n n e annuelle. D e s différenciations saisonnières p e u v e n t être décelées : tendance à u n e légère d i m i n u t i o n de la vitesse du vent au p r i n t e m p s et en a u t o m n e .
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La M é t é o r o l o g i e 8 série - n° 5 - m a r s 1994
Tableau 1
Variations mensuelles de la vitesse du vent à Oujda
(Observations à 6 h, 12 h et 18 h UTC, 1947-1989)
J
F
3,9
4,3
Coef. Var.(*) 0,29
0,3
Moyenne
M
|
A
4,0
|
0,3
M
J
n
J
t
A
S
O
3,9
3,9
4,1
4,1
3,8
3,5
3,3
0,31
0,28
0,26
0,27
0,28
<X28~032
N
D
3,6
4,4
I 0,4
03
Année
3,9
0,24
(*) Le coefficient de variation est obtenu à partir de l'écart-type calculé sur les 43 moyennes mensuelles
Variations diurnes
L e s variations diurnes de la vitesse du vent ont été d é t e r m i n é e s à partir d e s
d o n n é e s horaires pour l ' a n n é e 1988 (fig. 3a et 3b). L ' a l l u r e des courbes est u n e
sinusoïde avec un m i n i m u m dans la matinée et au cours de la nuit
et un m a x i m u m en milieu d ' a p r è s - m i d i (fig. 3a). O n note une
r e s s e m b l a n c e entre l'allure de la courbe des m o y e n n e s annuelles
et celle d e s m o y e n n e s du m o i s de juillet, a v e c d e s valeurs plus
élevées l'après-midi pour le m o i s de juillet et plus faibles au cours
de la nuit. Par contre, la courbe de janvier est légèrement décalée
par rapport aux deux autres c o u r b e s . Ainsi, en hiver, les vitesses
m a x i m a l e s et m i n i m a l e s se produisent, respectivement, vers 11 h
et 2 0 h, tandis q u ' e n été, elles se produisent v e r s 4 h et 16 h.
L ' a m p l i t u d e m o y e n n e horaire est plus faible en hiver, 4,7 m/s,
q u ' e n été, 8,2 m/s. Le m ê m e p h é n o m è n e a été observé, m a i s plus
faiblement, dans le nord de la France (Paul, 1990) et au sud-ouest
du bas Michigan ( W e b e r , 1978). Les vents c a l m e s sont très
fréquents à 6 h. Par c o n t r e en fin d ' a p r è s - m i d i , ce sont les vents
forts et surtout en p r o v e n a n c e du nord qui d o m i n e n t (fig. 3b).
Figure 3a - Variations diurnes de la vitesse
du vent à Oujda en 1988
Figure 3b - Variation des
rythmes diurnes du vent à
Oujda en 1988
La direction du vent
L a rose d e s v e n t s (fig. 4) met en é v i d e n c e des variations plus importantes d a n s
le t e m p s . Les vents de nord constituent l'élément p r é d o m i n a n t de la circulation
a t m o s p h é r i q u e au niveau du sol. En hiver, c'est plus particulièrement de l'ouest que
soufflent les vents forts : 5 , 7 % des vents d ' o u e s t atteignent d e s vitesses supérieures
à 11 m/s. La fréquence des vents forts est également élevée d a n s le secteur ouest-sudouest : 4 , 3 % d e s v e n t s y dépassent 11 m/s. Enfin, les vents de sud sont les m o i n s
fréquents et donnent naissance à des vitesses faibles et m o d é r é e s : 3 , 2 % . N é a n m o i n s ,
on peut estimer que la circulation est très rapide à Oujda où les j o u r s de c a l m e ou de
vent très faible (< 2 m/s) ne représentent que 2 6 , 2 % des cas. D a n s toutes les
directions, les vitesses élevées sont très fréquentes. Ainsi, les vents assez forts (8-10
m/s) représentent 1 6 , 2 % des v e n t s d ' o u e s t .
57
La M é t é o r o l o g i e 8e série - n° 5 - m a r s 1994
La p r é p o n d é r a n c e des vents de nord, surtout en été, s ' e x plique essentiellement par l ' é t a b l i s s e m e n t , quasi quotidien, d ' u n
r é g i m e de brise de mer. E n effet, les régions intérieures du M a r o c
oriental sont surchauffées p e n d a n t les j o u r n é e s d ' é t é . D e basses
pressions relatives au sol y sont fréquentes c o m m e en t é m o i g n e n t
les violents tourbillons de poussière.
Il est facile de définir un r y t h m e saisonnier des vents a v e c
des périodes bien tranchées. En hiver, on note la p r é d o m i n a n c e des
vents d ' o u e s t et de sud-ouest. E n été, les vents de n o r d et de nordest d o m i n e n t . Mises à part les différences régionales (Sbai et al.,
1 9 9 2 ) , on o b s e r v e les c h a n g e m e n t s qui s ' é t a b l i s s e n t
p r o g r e s s i v e m e n t à Oujda d ' u n e saison à l ' a u t r e (fig. 5). Entre les
d e u x situations e x t r ê m e s d ' h i v e r et d ' é t é , se d é g a g e n t des r é g i m e s
intermédiaires. Ainsi, de m a r s à mai les vents d ' o u e s t cèdent la
place aux vents de nord-ouest. La transition entre l'été et l'hiver
est précisée par les roses des vents du b i m e s t r e o c t o b r e - n o v e m b r e
qui soulignent un retour progressif des vents d ' o u e s t et de sudouest et un a c c r o i s s e m e n t très net de la vitesse du vent.
EZ
2 - 4 m/s
ZZ
5-7
HZ]
8-10
l>11m/s
Figure 4 - Régime des vents à Oujda (1984-1989)
2 - 4 m/s
8 - 1 0
• H M 1
m/s
Figure 5 - Régimes mensuels
des vents à Oujda (valeurs à
6 h, 12 h et 18 h, 1974-1989)
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La M é t é o r o l o g i e 8 série - n° 5 - m a r s 1994
MODÉLISATION DE LA
VITESSE DU VENT
Distribution statistique
de la vitesse du vent
L ' a n a l y s e fréquentielle de la vitesse du vent met en é v i d e n c e les classes de
vitesse p r é d o m i n a n t e s . Par conséquent, et en fonction des caractéristiques des
éoliennes disponibles sur le m a r c h é , on peut choisir celles
qui fournissent le meilleur r e n d e m e n t .
On étudie la répartition de la vitesse du vent par
classes, la fréquence d ' o c c u r r e n c e étant e x p r i m é e directem e n t (en p o u r c e n t a g e ) ou de façon c u m u l é e , ce qui p e r m e t
de connaître la probabilité q u ' u n e valeur de vitesse ne soit
pas dépassée. L a figure 6 m o n t r e u n e p r é d o m i n a n c e de la
tranche de classes 2-7 m / s qui représente 7 9 , 4 % des cas
avec un m a x i m u m pour la classe 2-3 m/s ( 1 6 , 8 % ) . P r e s q u e
la moitié des valeurs sont inférieures ou égales à 4 m / s
(vents faibles). L e s v e n t s m o d é r é s (5-7 m/s) représentent
3 4 , 5 % des cas et les v e n t s assez forts et forts 1 5 , 5 % . Enfin,
les v e n t s violents et très violents ne représentent que 0 , 5 %
des cas.
Figure 6 - Distribution statistique de la vitesse du vent à Oujda
(valeurs mesurées à 6 h, 1 2 h et 1 8 h, 1974-1989)
et ajustement par une loi de Weibull
Ajustement
par la loi de Weibull
La distribution p(V) de la vitesse du vent peut être décrite par la loi de
W e i b u l l . C ' e s t un m o d è l e à d e u x p a r a m è t r e s :
- un p a r a m è t r e de forme k qui décrit la dispersion des d o n n é e s (il indique une
plus ou m o i n s g r a n d e dissymétrie de la distribution des vitesses du vent) ;
- un p a r a m è t r e d ' é c h e l l e c qui est lié à la vitesse m o y e n n e par la fonction
g a m m a (il caractérise, un p e u c o m m e la m o y e n n e , l'intensité du v e n t ) .
Cette loi est e x p r i m é e par la relation suivante :
k
k
p ( V ) = k/c (V/c) -' ex p [-(V/c) ]
L e s p a r a m è t r e s c et k p e u v e n t être d é t e r m i n é s p a r une régression linéaire
entre les fréquences c u m u l é e s et les classes de vitesse, l'équation de régression étant:
y = a + bx, a v e c k = b et c = ex p (-a/b)
F étant la fréquence c u m u l é e des o b s e r v a t i o n s pour lesquelles la vitesse du
v e n t est inférieure à V, on a y = ln (ln
1
)
et x = ln (V).
1 -F
V (la vitesse m o y e n n e théorique) est reliée aux p a r a m è t r e s k et c par :
V = c r (1 + 1/k), où r est la fonction g a m m a .
Les résultats présentés dans le tableau 2 montrent que k varie entre 1,49 et
2,16. Les faibles valeurs de k indiquent une g r a n d e dispersion des d o n n é e s : les
d o n n é e s tendent à être dispersées au-delà d ' u n e classe relativement large de vitesses
faibles. Pour les valeurs élevées de k, la majorité des d o n n é e s se c o n c e n t r e autour de
la vitesse m o y e n n e ; dans ce cas, et si cette m o y e n n e est faible, le vent ne pourra pas
être utilisé c o m m e s o u r c e d ' é n e r g i e é o l i e n n e .
L e s p a r a m è t r e s k et c sont utilisés pour tracer la c o u r b e de densité de
probabilité de la vitesse du vent. Cette courbe, c o m p a r é e à l ' h i s t o g r a m m e des
fréquences o b s e r v é e s (fig. 6), m o n t r e que l'ajustement est satisfaisant. L ' a p p l i c a t i o n
du test du K h i 2 confirme l ' a d é q u a t i o n de cet ajustement : la valeur calculée (9,13)
est inférieure à la valeur théorique lue d a n s la table du K h i 2 p o u r un n o m b r e de d e g r é s
de liberté de 8 et un risque d ' e r r e u r de 0 , 1 .
LE POTENTIEL
ÉOLIEN
3
L e potentiel éolien P est calculé en utilisant la formule suivante : P = 1/2 p V ,
a v e c P en W / m , où p est la densité de l'air (tableau 2).
2
D e s p a r a m è t r e s tels que les m o y e n n e s annuelles, m e n s u e l l e s et horaires du
potentiel éolien ont été calculées à 10 m et estimées à 3 0 m et 5 0 m à partir du logiciel
59
e
La M é t é o r o l o g i e 8 série - n° 5 - m a r s 1994
W a s P après estimation de la vitesse
du v e n t en fonction de la hauteur à
l'aide de la formule située dans l'encadré ci-dessous.
Tableau 2
Variations sur seize années de la vitesse annuelle du vent, des paramètres c et k
et du potentiel éolien
Année
Vit. vent Paramètres à 10 m
à 10 m '
c
k
Potentiel éolien en W/m
10m
30 m
2
50 m
La m o y e n n e annuelle du p o tentiel éolien (à 10 m ) est de 130
W / m , mais cet état m o y e n m a s q u e
plusieurs irrégularités. Ainsi, sur la
période d ' é t u d e 1 9 7 4 - 1 9 8 9 , o n peut
distinguer trois périodes (fig. 7) :
2
1974
3,6
4,2
2,14
57
99
131
1975
1976
1977
1978
3,9
3,7
3,7
4,0
4,5
4,1
4,2
4,6
1,74
1,79
2,16
1,93
89
65
57
83
151
109
98
143
193
141
130
186
1979
1980
1981
4,2
4,4
5,2
4,8
5,0
6,0
1,99
1,81
1,87
90
116
190
157
197
329
205
252
413
1982
1983
1984
5,8
5,8
5,2
6,8
6,8
6,0
2,07
2,10
1,89
244
239
187
423
418
322
524
520
400
1985
1986
1987
4,0
4,1
4,2
4,6
4,6
4,8
1,49
1,54
1,49
118
116
136
197
195
226
248
247
284
1988
4,3
4,9
1,63
122
1989
4,5
5,2
1,50
171
moyenne
4,41
3,52*
1,37*
130
* valeurs calculées pour toute la période 1974-1989
- la période 1 9 7 4 - 1 9 7 9 où les
valeurs d ' é n e r g i e éolienne sont très
faibles a v e c un m i n i m u m de 5 7
W / m en 1974 et 1977 ;
2
- l a période 1 9 8 0 - 1 9 8 4 c a r a c térisée par les valeurs les plus élev é e s qui, en 1982, ont atteint 2 4 4
W/m ;
2
- la période 1 9 8 5 - 1 9 8 9 a v e c
des valeurs qui oscillent autour de la
moyenne.
En ce qui c o n c e r n e les variations m e n s u e l l e s , les m o i s de n o v e m b r e , d é c e m b r e , j a n v i e r et février
206
260
présentent les valeurs les plus éle289
352
v é e s (195 W / m en d é c e m b r e ) . Cela
est dû aux fortes variations de la
222
280
vitesse du vent au cours de cette
période hivernale. L e s valeurs minimales se produisent en s e p t e m b r e et
en octobre, a v e c respectivement 81 et 8 9 W / m . Les autres
m o i s indiquent une certaine stabilité du potentiel éolien.
2
2
u.
u(z)
=—
k
où u(z)
z
k
u.
g
In
z
z
o
est la vitesse du vent à la hauteur z au-dessus du sol,
la longueur de rugosité,
la constante de Von Karman, considérée ici égale à 0,40
est appelée vitesse de frottement liée à la contrainte de
surface x par la relation :
j t j = pu,
2
L e potentiel éolien a u g m e n t e avec la hauteur aussi
bien à l'échelle m e n s u e l l e q u ' à l'échelle annuelle. A 5 0 m
les valeurs atteignent presque le double des valeurs calculées à 10 m, m a i s l'allure des c o u r b e s reste identique à celle
à 10 m.
A l'échelle horaire, notre choix s'est porté sur d e u x
m o i s à r e n d e m e n t contrasté en 1988 : s e p t e m b r e et j a n v i e r
(fig. 8a et 8b). En janvier ( m o i s à r e n d e m e n t élevé), la
m o y e n n e est de 174,6 W / m e t le coefficient de variation de
0,38. Les valeurs les plus élevées sont atteintes entre 9 h et
17 h a v e c un m a x i m u m à m i d i (280 W / m ) . La plus faible
valeur de la j o u r n é e est de 9 7 W / m à 18 h. En s e p t e m b r e
( m o i s à r e n d e m e n t faible), la m o y e n n e est de 59,7 W / m et
le coefficient de variation est de 1,21. Les valeurs sont en
général inférieures à la m o y e n n e à l'exception des valeurs
de l ' a p r è s - m i d i (14-18 h) qui d é p a s s e n t 100 W / m . L e s
d e u x v a l e u r s e x t r ê m e s de la j o u r n é e sont 2 0 5 W / m à 16 h
et 3 W / m à 2 2 h.
2
2
2
2
2
2
2
Figure 7 - Evolution de la vitesse moyenne annuelle du vent et
potentiel éolien à Oujda (1974-1989)
60
e
L a M é t é o r o l o g i e 8 série - n° 5 - m a r s 1994
Figure 8a - Variations horaires de la vitesse du vent
et du potentiel éolien Qanvier 1988)
CONCLUSION
Figure 8b - Variations horaires de la vitesse du vent
et du potentiel éolien (septembre 1988)
L ' é t u d e des caractéristiques du vent à Oujda révèle des v a l e u r s de vitesse et
de potentiel éolien intéressante, p o u v a n t favoriser une exploitation p o u r la p r o d u c tion d ' é n e r g i e .
2
Le potentiel éolien est en m o y e n n e de 130 W / m . Cette valeur varie en
fonction des a n n é e s et des m o i s . L e choix d ' u n e l o n g u e série n o u s a p e r m i s
d ' a n a l y s e r les variations sur seize ans de la vitesse du vent et du potentiel éolien. C e s
valeurs devraient être encore plus élevées à u n e altitude de 20 à 30 m (altitude idéale
p o u r les aérogénérateurs).
U n e étude p l u s c o m p l è t e du potentiel éolien au M a r o c serait d ' u n e g r a n d e
i m p o r t a n c e p o u r analyser les variations spatiales et localiser les sites favorables à
l'installation d ' é o l i e n n e s . Cette étude permettrait é g a l e m e n t de prolonger vers le sud
l'atlas éolien e u r o p é e n (Troen et L u n d t a n g , 1991).
Remerciements
BIBLIOGRAPHIE
L e s auteurs remercient v i v e m e n t le personnel de la station m é t é o r o l o g i q u e
d ' O u j d a - A n g a d de nous avoir facilité l ' a c c è s aux d o n n é e s , M. Gérard Petit-Renaud,
maître de conférences à l'université de Lille I, p o u r avoir m i s à notre disposition les
p r o g r a m m e s informatiques nécessaires au traitement des d o n n é e s du vent, et M .
Henri D e l a n n o y , professeur à l'université d ' A i x - e n - P r o v e n c e , p o u r avoir lu notre
article et apporté les observations nécessaires.
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community wind energy conférence, 6-10 june 1988, 187-190.
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