Rotors intelligents au service de l'efficacité énergétique et de la durabilité de la ressource éolienne – SMARTEOLE

Ces technologies de contrôle développées dans le cadre du projet s’appliqueront donc à plusieurs échelles, aux niveaux de la pale, de l’éolienne et de la ferme éolienne, et feront l’objet de travaux de recherche fondamentale en laboratoire jusqu’à la démonstration à échelle réelle.
Deux types d’expérimentation sont programmés :
- des essais à échelle réelle sur une ferme éolienne de Maia Eolis sur la base de stratégies de contrôle développées par IFPEN et Maia Eolis avec les capteurs d’Avent Lidar Technology.
- des essais en souffleries dans les installations des laboratoires LHEEA et PRISME, avec des tests de stratégies de contrôle développées par LAAS-CNRS et ¨PRISME.

Les développements s’appuieront sur l'expertise des partenaires dans les domaines de l'éolien et du lidar, et de leurs compétences en métrologie, mécanique des fluides et automatique.

Un an après le démarrage du projet, les premiers résultats sont déjà prometteurs quant à l’efficacité du contrôle d’écoulement par actionneurs plasmas et jets pulsés visant à moduler la portance aérodynamique sur un profil de pale testé en soufflerie (PRISME et LHEEA). Le développement des outils de contrôle en boucle fermée sont en cours (LAAS et PRISME). Les autres parties du projet se situant à l’échelle réelle, cette première année a été consacrée à la mise en place de la première campagne d’essais de terrain, consistant à l’instrumentation massive de deux éoliennes par des capteurs de forces et d’inclinaison, d’un lidar nacelle, de deux lidars « profilers » et d’un lidar scannant (Maia Eolis et Avent Lidar Technology).
La connexion entre le lidar-nacelle, permettant la mesure anticipée du vent incident, et le boitier de contrôle développé par IFPEN est maintenant opérationnelle. La campagne de mesures a démarré en novembre 2015 et durera 6 mois.

Le projet faisant appel à des technologies plus ou moins matures, les perspectives d’applications ont des temps caractéristiques de finalisation assez variés. Le contrôle d’écoulement en boucle fermée et appliqué au bord de fuite des pales fera l’objet d’une preuve de concept à l’échelle du laboratoire et devra, dans un projet ultérieur, être validé à l’échelle d’une vraie éolienne. Le contrôle de calage de pale assisté par Lidar, et son bénéfice par rapport à un contrôle réactif plutôt qu’anticipatif, devrait être validé sur une éolienne réelle dans le cadre de ce projet. La réduction des fluctuations de charges aérodynamiques par le biais du contrôle sera alors une réalité à exploiter. Des scénarios de contrôles de parcs éoliens seront testés à échelle réelle afin d’améliorer la production globale et de réduire la fatigue structurelle dues aux interactions de sillages. Ils devront ensuite être formalisés, validés et implémentés dans les stratégies de management de parcs éoliens.

Deux articles ont été publiés à l’EWEA Conference 2015 et à l’ ISNPEDADM 2015 sur le contrôle d’écoulement sur un profil de pale d’éolienne grâce à des actionneurs plasma. IL est prévu de communiquer massivement sur le projet lors du congrès européen Torque 2016 par l’intermédiaire de 5 propositions de communications sur le contrôle d’écoulement par actionneurs plasma et jets pulsés, sur le contrôle de calage de pale assisté par Lidar et sur la mesure de sillage d’éoliennes par l’intermédiaire d’un Lidar scannant.

L’ambition du projet est d’améliorer l’efficacité de la production d’énergie éolienne en proposant des solutions de contrôle innovantes, avec des degrés de maturité pouvant être différents, à l’échelle de la pale d’éolienne, de l’éolienne elle-même et d’une ferme éolienne. Un consortium de 3 laboratoires de recherche (LML, PRISME, LAAS), de 2 entreprises (Maia Eolis and Avent Lidar Technology) et d’un EPIC (IFPEn) s’est constitué pour relever ce défi. Il couvre les champs disciplinaires de la métrologie, la mécanique des fluides et l’automatique, allant de la recherche fondamentale au développement expérimental. Le projet contribuera au développement du concept de « rotor intelligent » (smart rotor) pour améliorer les conditions de fonctionnement des éoliennes. Celui-ci consiste à intégrer la vision anticipée du vent incident, ainsi que des actionneurs et capteurs distribués à toutes les échelles, afin de réduire en temps réel les fluctuations de charges ressenties par les pales d’éoliennes. Pour atteindre cet objectif, trois niveaux d’action sont prévus dans le projet: à l’échelle de la pale, de l’éolienne et de la ferme éolienne. En fonction du niveau de maturité de la solution de contrôle envisagée, deux types d’expérimentation sont programmés : mesures de terrain sur une ferme éoliennes de ME, avec tests des stratégies de contrôle développées par IFPEn, et mesures en soufflerie dans les installations de LML et PRISME, avec test des stratégies de contrôle développées par le LAAS et PRISME.
- à l’échelle de la pale: L’objectif est de contrôler la performance aérodynamique de la pale en modifiant la distribution de pression, donc la circulation, avec des actionneurs fluidiques ou plasma distribués autour du profil.. Le potentiel innovant du contrôle de circulation en boucle fermée à réduire les fluctuations de charges aérodynamiques pour des applications en éolien sera démontré à échelle du laboratoire.
- à l’échelle de l’éolienne: La stratégie de contrôle de circulation sera testée en soufflerie sur des pales mises en rotation grâce à un banc rotor éolien existant. A échelle réelle, de nouvelles stratégies de contrôle « feed-forward » du calage des pales seront développées en intégrant une nouvelle entrée, la mesure anticipée du vent incident par l’intermédiaire de systèmes de mesures LIDAR montés sur nacelle. Les stratégies innovantes seront comparées aux stratégies actuelles implantées sur les éoliennes opérées par ME.
-à l’échelle de la ferme éolienne: De nouvelles stratégies de production distribuée selon les éoliennes seront proposées en adéquation avec les conditions de vent incident (interactions de sillages, par exemple). Durant les campagnes d’essais à échelle réelle, la performance de chaque éolienne sera pilotée en temps réel grâce à des stratégies de contrôle global développées pour optimiser la production totale de la ferme éolienne. La pertinence des stratégies sera évaluée par l’intermédiaire de la détermination de la production instantanée sur un site-test.