Une théorie centenaire remise en question par des chercheurs du MIT

Les ingénieurs du MIT ont développé un nouveau modèle mathématique révisant la théorie centenaire sur l’aérodynamique des rotors. Cette innovation pourrait transformer la conception et l’exploitation des éoliennes, améliorant significativement leur efficacité énergétique.

Des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont élaboré un modèle physique complet qui représente avec précision l’écoulement de l’air autour des rotors, même dans des conditions extrêmes. Cette avancée scientifique s’applique aux situations où les pales fonctionnent à des forces et des vitesses élevées, ou sont inclinées dans certaines directions.

Le professeur Michael Howland a déclaré : «Nous avons développé une nouvelle théorie pour l’aérodynamique des rotors». Il a ajouté que cette théorie peut être utilisée pour déterminer les forces, les vitesses d’écoulement et la puissance d’un rotor, qu’il s’agisse d’extraire de l’énergie du flux d’air, comme dans une éolienne, ou d’appliquer de l’énergie au flux, comme dans une hélice de navire ou d’avion.

L’impact potentiel de cette découverte est considérable. Les opérateurs de parcs éoliens pourraient optimiser en temps réel divers paramètres tels que l’orientation de chaque turbine, sa vitesse de rotation et l’angle de ses pales, maximisant ainsi la production d’énergie tout en maintenant les marges de sécurité.

Une révision de la théorie de la quantité de mouvement

La théorie de la quantité de mouvement, développée à la fin du XIXe siècle, a longtemps été utilisée pour modéliser l’interaction des rotors avec leur environnement fluide. Cependant, des limitations ont été observées dans certaines conditions.

Le professeur Howland a expliqué : «La théorie se dégrade de manière assez spectaculaire à des forces plus élevées correspondant à des vitesses de rotation des pales plus rapides ou à des angles de pale différents». Il a souligné que la théorie échoue non seulement à prédire la quantité, mais aussi la direction des changements de force de poussée à des vitesses de rotation plus élevées ou à des angles de pale différents.

Les ingénieurs ont dû recourir à des ajustements ad hoc basés sur des observations empiriques pour compenser ces lacunes. Le nouveau modèle du MIT, appelé modèle de quantité de mouvement unifié, offre une base théorique solide pour ces ajustements.

Implications pour l’industrie éolienne

Le modèle développé par l’équipe du MIT pourrait avoir des répercussions immédiates sur l’industrie éolienne. Il permet une optimisation plus précise de la disposition des turbines dans un parc éolien et de leur fonctionnement au jour le jour.

Le professeur Howland a souligné : «Notre théorie peut vous dire directement, sans aucune correction empirique, pour la première fois, comment vous devriez réellement faire fonctionner une éolienne pour maximiser sa puissance».

De plus, le nouveau modèle modifie légèrement le calcul de la limite de Betz, qui définit la quantité maximale d’énergie pouvant être théoriquement extraite du vent. Bien que la différence soit minime, elle ouvre de nouvelles possibilités pour l’optimisation des éoliennes.

Applications au-delà de l’éolien

Les applications de ce nouveau modèle s’étendent au-delà de l’industrie éolienne. Il peut être utilisé pour les hélices d’avions et de navires, ainsi que pour les turbines hydrocinétiques telles que les turbines marémotrices ou fluviales.

Le modèle est disponible sous forme d’un ensemble de formules mathématiques que les utilisateurs peuvent intégrer dans leurs propres logiciels, ou sous forme d’un package logiciel open-source téléchargeable gratuitement sur GitHub.

Cette recherche positionne le domaine de l’énergie éolienne pour progresser plus agressivement dans le développement de la capacité et de la fiabilité éoliennes nécessaires pour répondre au changement climatique.

Article : ‘“Unified momentum theory for rotor aerodynamics across operating regimes.”’ – Massachusetts Institute of Technology – Publication dans la revue Nature Communications