Des éoliennes plus robustes

Mohamed MACHMOUM et Mohammed El-Hadi ZAÏM, Professeurs à Polytech’Nantes, chercheurs à l’Ireena, Institut de recherche en électrotechnique et électronique de Nantes Atlantique (Université de Nantes, site de Saint-Nazaire)
Stator et rotor d’une génératrice d’éolienne lente. © M. E.-H. Zaïm et M. Machmoum / Ireena

Les éoliennes qui « fleurissent » dans nos campagnes et sur les littoraux ont une certaine fragilité. De plus, comme leur rotation est assujettie à l’irrégularité du vent, il n’est pas aisé de faire en sorte qu’elles injectent dans le réseau un courant électrique dont les caractéristiques respectent en permanence les normes requises ; les perturbations engendrées ont parfois des conséquences coûteuses, d’autres dispositifs du réseau pouvant alors être affectés. La réduction de ces défauts est l’un des thèmes de recherche de notre laboratoire. Elle s’inscrit dans l’optimisation des convertisseurs et dans celle de la gestion des réseaux intégrant de nouvelles sources d’énergie électrique.

La plupart des éoliennes actuelles ont un système mécanique multiplicateur qui fait tourner le rotor de la génératrice de courant (alternateur) environ 100 fois plus vite que l’hélice1. Ce multiplicateur permet d’utiliser une génératrice de taille modeste, mais il s’agit d’une pièce complexe et fragile, faisant l’objet d’avaries graves ; c’est notamment pourquoi nous travaillons sur le concept « d’éolienne lente », sans multiplicateur ou avec une faible multiplication.

Les équations régissant le champ électromagnétique à la source du signal électrique produit ont des paramètres liés notamment aux dimensions de différentes pièces, au nombre et à la position des aimants logés dans le stator, à l’espace séparant le stator et le rotor (entrefer) et à leurs « saillances » ou « dents » qui améliorent l’efficacité de la génératrice, etc. À l’aide d’un algorithme d’optimisation, nous avons déterminé pour ces paramètres un ensemble de valeurs adéquates en termes de résistance mécanique, de rendement électromécanique et de simplicité du système de commande (orientation des pales, modulation du champ électromagnétique, etc.). Nous travaillons à présent sur le système électronique qui permettra de délivrer un courant de 50 hertz stable et pourvu des autres caractéristiques exigées par le réseau. Ces avancées devraient aussi servir à la conception de convertisseurs hydroliens (qui utilisent non pas le vent mais les courants d’eau) dont la rentabilité nécessitera une grande robustesse compte tenu des coûts élevés des interventions sous-marines.

1. Cf. par exemple le site de Danish Wind Industry Association

DOSSIER
Le plein d'énergies

Par vents et par mers

Le meilleur des vagues

Hakim MOUSLIM, ingénieur de recherche au Laboratoire de mécanique des fluides de l’École centrale de Nantes (ECN/CNRS)

L’énergie des vagues récupérable chaque année sur Terre est estimée à 750 000 gigawatts-heures, soit près de 5 % des besoins mondiaux actuels en électricité.

On assiste aujourd’hui à un foisonnement de concepts technologiques visant à convertir cette énergie primaire hydromécanique en énergie électrique. La sélection des systèmes de production offshore les plus efficaces, en termes de rendements et de coûts, nécessite des outils informatisés pour modéliser les prototypes et prédire leurs comportements.

Notre laboratoire s’intéresse à ces technologies depuis les années 19801 ; il effectue notamment un travail de simulation assistée par ordinateur du comportement mécanique de différents convertisseurs d’énergie mus par un fluide (air ou eau). Ce travail a permis de développer un outil d’estimation de l’énergie mécanique transmise pendant une année à un système houlomoteur.

Les mouvements imprimés par la houle dépendent à la fois des « paramètres hydrodynamiques » de la structure houlomotrice (liés à la géométrie de sa surface mouillée et à la répartition de sa masse) et de « l’agitation » de la mer. La prise en compte de cette agitation repose sur une théorie qui représente les vagues comme une somme de plusieurs fonctions oscillatoires. Des relevés effectués au moyen de capteurs flottants permettent de valider cette représentation et fournissent à l’outil une agitation annuelle réaliste pour un site marin donné.

L’énergie électrique produite, quant à elle, dépend de paramètres supplémentaires, propres au système de conversion utilisé, tels que la raideur et la disposition des vérins hydrauliques qui absorbent l’énergie mécanique. Elle sera d’autant plus grande que les rendements de tous les « étages » de la conversion seront efficaces.

L’outil est depuis peu opérationnel pour aider à la maturation des technologies en cours de développement. Le travail se poursuit néanmoins pour accroître la fiabilité et la précision des simulations, car les phénomènes mis en jeu font l’objet de nombreuses approximations.

1. Cf. Une mer de watts, A. Clément, Têtes chercheuses n°1

Énergie mécanique accumulée E calculée en fonction de la variation v de la vitesse verticale du flotteur, qui dépend elle-même de la variation h de la hauteur de la mer avec le temps. © H. Mouslim / ECN

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