Le monde a besoin de plus d’énergie éolienne. Mais quiconque conçoit de nouvelles éoliennes ou cherche à tirer davantage de puissance de celles qui existent déjà se heurte à un obstacle de taille pour tester de nouvelles approches. C’est que l’atmosphère est un milieu difficile pour une expérience contrôlée.
- En mettant les souffleries sous pression, les chercheurs ont pu simuler les conditions de terrain des parcs éoliens et identifier des moyens d’obtenir plus de puissance des parcs existants.
- Grâce à cette approche, les chercheurs ont déterminé comment l’alignement de l’éolienne et sa vitesse en bout de pale par rapport au vent influencent la puissance qu’elle génère, offrant de nouvelles pistes pour augmenter la production des parcs éoliens existants.
- Les chercheurs estiment que l’optimisation de l’alignement de l’éolienne par rapport au vent, des angles de calage des pales, qui contrôlent l’angle d’attaque du profil aérodynamique, et de la vitesse en bout de pale par rapport au vent pourrait générer des dizaines de milliers de dollars de revenus supplémentaires par éolienne et par an.
Certains chercheurs utilisent des souffleries pour mener des essais, mais les éoliennes à échelle réduite placées dans les souffleries classiques peuvent différer largement des conditions de terrain. (Les éoliennes sont les plus grandes machines tournantes jamais construites.) Le problème freine non seulement le développement de meilleures éoliennes, mais aussi notre compréhension de questions fondamentales, comme la puissance à attendre d’une éolienne lorsque le vent change de direction.
Dans un nouvel article en accès libre publié dans PNAS Nexus, les chercheurs ont comblé l’écart entre les expériences sur le terrain et en laboratoire en utilisant une soufflerie dotée d’une forte pressurisation pour simuler la physique de l’écoulement dans l’atmosphère. Avec cette approche, les chercheurs ont déterminé comment l’alignement de l’éolienne et sa vitesse en bout de pale par rapport au vent influencent la puissance qu’elle génère, offrant de nouvelles perspectives pour tirer plus de puissance des parcs éoliens existants.
Ils ont également utilisé cette approche pour valider un modèle peu gourmand en calcul que les ingénieurs peuvent employer pour tester différentes conceptions d’éoliennes et différentes stratégies de contrôle de parc éolien.
Au total, les chercheurs estiment que l’optimisation de l’alignement de l’éolienne par rapport au vent, des angles de calage des pales, qui contrôlent l’angle d’attaque du profil aérodynamique, et de la vitesse en bout de pale par rapport au vent pourrait générer des dizaines de milliers de dollars de revenus supplémentaires par éolienne et par an.
« L’impact immédiat de cette étude est que nous avons désormais à la fois amélioré et validé les modèles qui entrent dans les protocoles de contrôle des éoliennes des parcs existants », déclare Michael Howland, professeur titulaire de la chaire Jeffrey Cheah Career Development du MIT. « L’impact plus important, à moyen terme, avec un potentiel bien plus grand, est ce nouveau paradigme expérimental qui permet de prototyper rapidement, de valider des modèles de simulation et de tester des hypothèses sur de meilleures conceptions et stratégies de contrôle bien plus vite qu’il n’était possible auparavant. »
Des réponses dans le vent
Michael Howland a passé des années à développer des modèles pour simuler les performances des parcs éoliens et à mettre au point de nouvelles techniques pour augmenter leur production. En 2022, il a montré que la prise en compte du sillage de chaque éolienne lors du contrôle de l’ensemble du parc pouvait augmenter sensiblement la production.
Mais ce travail a d’abord exigé de son équipe de recherche une longue expérience de terrain qui a temporairement réduit la production d’un vrai parc éolien, en désalignant volontairement les éoliennes par rapport au vent pendant des mois afin de mieux comprendre leur comportement en situation de désalignement.
« L’énergie éolienne est un problème particulièrement difficile à étudier expérimentalement », explique Michael Howland. « Nous voulons tester l’effet d’un changement donné de manière isolée, mais les parcs éoliens fonctionnent dans des environnements chaotiques et turbulents où la météo évolue en permanence. Les éoliennes doivent réagir à des conditions météorologiques que nous ne maîtrisons pas, ce qui complique l’identification de l’impact du changement imposé que nous étudions. Ce domaine se situe à une intersection unique entre l’écoulement environnemental, la mécanique, l’aérodynamique et la météorologie. »
La difficulté de mener des expériences dans de vrais parcs éoliens laisse les chercheurs et les ingénieurs incertains de la manière dont les changements d’alignement entre le vent et l’éolienne, ou des facteurs comme la vitesse en bout de pale par rapport au vent, modifient la puissance produite.
De fait, selon les chercheurs, de nombreux modèles prédictifs utilisés reposent sur l’hypothèse que les éoliennes sont toujours parfaitement perpendiculaires au vent. C’est rarement le cas dans le monde réel, même avec les éoliennes modernes qui ajustent progressivement leur angle en réponse aux changements rapides de direction du vent.
« Les gens débattent depuis longtemps pour savoir quels modèles sont les meilleurs pour comprendre la production de ces parcs éoliens, mais si vous n’avez rien à quoi les comparer, il est très difficile de faire progresser le domaine », dit Marcus Hultmark. « Cet article tente de faire les deux. »
Le laboratoire de recherche de Marcus Hultmark à Princeton a été pionnier dans l’étude d’éoliennes à échelle réduite en soufflerie pressurisée qui, comme l’ont montré des études antérieures, reproduisent mieux les éoliennes à grande échelle dans l’atmosphère, car la pression rend l’air plus dense, ce qui accroît l’inertie dans l’environnement de laboratoire à échelle réduite. Pour cette nouvelle étude, les chercheurs ont utilisé une éolienne de 15 centimètres de diamètre sous des pressions variables allant jusqu’à 240 atmosphères.
« En pressurisant la chambre, nous testons une éolienne qui, toutes choses égales par ailleurs, fait 15 à 20 mètres de diamètre, avec la possibilité d’aller jusqu’à 35 mètres de diamètre », explique l’auteur principal John Kurelek. « C’est parce que nous augmentons la densité d’un facteur de 100 à 220. »
John Kurelek a transmis à Michael Howland les dimensions de la soufflerie et de l’installation de l’éolienne, qui s’en est servi pour calculer l’aérodynamique, les forces et la production de puissance à l’aide d’un modèle unifié d’éolienne nouvellement développé, lequel s’appuie sur des travaux antérieurs ayant abouti à une théorie aérodynamique plus générale des éoliennes. Le nouveau modèle permet aux chercheurs de simuler les performances d’une éolienne dans différentes conditions de fonctionnement sans recourir aux corrections empiriques qui ont historiquement été utilisées dans les modèles d’énergie éolienne.
Les chercheurs ont ensuite mené une série d’expériences dans la soufflerie sur plusieurs semaines, testant les performances de l’éolienne à différents alignements par rapport au vent et avec différentes stratégies de contrôle, afin d’isoler l’effet de chaque facteur sur les performances.
Ils ont constaté que la production pouvait être sensiblement augmentée en ajustant la vitesse en bout de pale de l’éolienne en fonction de son angle de désalignement par rapport au vent — une stratégie de contrôle rarement employée aujourd’hui dans les parcs éoliens, mais qui pourrait offrir un moyen d’améliorer les performances à un coût additionnel minime.
« Le principal résultat des expériences a clairement montré que de nouveaux maximums de puissance peuvent être atteints lorsque l’éolienne se désaligne par rapport au vent, uniquement par des changements de la vitesse en bout de pale », dit John Kurelek.
Passer à l’échelle
L’étude a servi à valider le modèle de Howland, suffisamment rapide pour être exécuté par les ingénieurs qui conçoivent et exploitent des éoliennes dans le monde entier sur des ordinateurs portables ordinaires.
« Ce que nous voulons vraiment savoir, c’est : si les éoliennes fonctionnent toujours avec un certain degré de désalignement par rapport au vent, comment devons-nous les contrôler pour obtenir la production maximale possible ? », explique Michael Howland. « Notre modèle unifié de quantité de mouvement avait permis, il y a quelques années, de prédire comment réaliser ce contrôle, et c’est la première fois que nous parvenons à valider expérimentalement ce modèle. »
Michael Howland précise que la validation des modèles ne représente qu’une partie de l’impact potentiel de l’article.
« Cette étude montre aussi l’énorme possibilité de réaliser ces expériences contrôlées à haut débit dans les installations pressurisées avec lesquelles travaillent Marcus et John, ce qui nous permet d’obtenir la bonne physique de manière rapide et peu coûteuse », dit Michael Howland. « Aujourd’hui, il existe un écart considérable entre les modèles théoriques et de simulation idéalisés et les essais à grande échelle dans des environnements de terrain extrêmement complexes. Rien ne comble cet écart, sinon ces expériences sous pression. J’espère que cela pourra permettre d’étudier un très grand nombre de questions non résolues sur l’énergie éolienne dans des environnements contrôlés. »
Article : “Full dynamic similarity experiments and predictive modeling of wind turbine aerodynamics across control strategies” – Journal : PNAS Nexus – DOI : Lien vers l’étude
Signent cet article aux côtés de Howland : le premier auteur John Kurelek, professeur assistant à l’Université Queen’s ; les doctorants du MIT Ilan Upfal et Kirby Heck ; le postdoctorant de l’Université Queen’s Supun Pieris ; le chercheur de l’Université Penn State Alexander Piqué ; et le professeur de l’Université Princeton Marcus Hultmark.
Source : MIT
