Des éoliennes plus robustes
Stator et rotor d’une génératrice d’éolienne lente. © M. E.-H. Zaïm et M. Machmoum / IreenaLes 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
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