Inspirés par les palmiers, des scientifiques développent des éoliennes résistantes aux ouragans | CU Boulder aujourd’hui

Image de bannière : Chercheurs du campus NREL Flatirons, posant devant le bipale SUMR-D en arrière-plan. De gauche à droite : Lucy Pao et Mandar Phadnis de CU Boulder, et Dan Zalkind (ancien étudiant diplômé de Pao’s) de NREL. (Crédit : Kelsey Simpkins/CU Boulder)

La technologie éolienne se développe, littéralement. Les éoliennes offshore d’aujourd’hui peuvent s’élever à plus de 490 pieds au-dessus du sol, leurs pales tournantes produisant jusqu’à 8 mégawatts (MW) chacune, soit environ assez pour alimenter 4 000 foyers aux États-Unis.

Mais leur taille croissante s’accompagne de défis. Au large de la côte est, où se trouvent des éoliennes offshore aux États-Unis, des ouragans atlantiques de plus en plus puissants présentent des risques pour les structures elles-mêmes et pour l’avenir de l’énergie éolienne. Pour rendre ces turbines plus résistantes aux ouragans, une équipe de chercheurs de CU Boulder s’inspire de la nature et fait tourner la turbine.

« Nous sommes très bio-inspirés par les palmiers, qui peuvent survivre à ces conditions d’ouragan », a déclaré Lucy Pao, titulaire de la chaire dotée Palmer au Département de génie électrique, informatique et énergétique.

Les éoliennes traditionnelles au vent font face au vent entrant, et pour éviter d’être soufflées dans la tour, leurs pales doivent être suffisamment rigides. Il faut beaucoup de matériel pour construire ces pales relativement épaisses et massives, ce qui fait grimper leur coût. Les aubes de turbine sur les rotors sous le vent, cependant, sont orientées à l’opposé du vent, il y a donc moins de risque qu’elles heurtent la tour lorsque les vents se lèvent. Cela signifie qu’ils peuvent être plus légers et plus flexibles, ce qui nécessite moins de matériel et donc moins d’argent à gagner. Ces pales sous le vent peuvent également se plier au lieu de se briser face à des vents forts, un peu comme les palmiers.

Au cours des six dernières années, en collaboration avec des collaborateurs de l’Université de Virginie, de l’Université du Texas à Dallas, de la Colorado School of Mines et du National Renewable Energy Laboratory, l’équipe de Pao a collaboré pour développer le SUMR (Segmented Ultralight Morphing Rotor) turbine, un rotor à deux pales sous le vent pour tester les performances de ce concept léger en action. Le 10 juin, lors de l’American Control Conference, les chercheurs de l’UC ont présenté les résultats d’une nouvelle étude portant sur quatre ans de données réelles issues des tests de leur démonstrateur de 53,38 kilowatts (SUMR-D) au campus Flatirons du National Renewable Energy Laboratory (NREL), juste au sud de Boulder, Colorado.

Ils ont constaté que leur éolienne fonctionnait de manière constante et efficace pendant les périodes de rafales de vent maximales, un résultat satisfaisant.

« Les pales sont fabriquées pour être légères et très flexibles, afin qu’elles puissent s’aligner avec les charges de vent. De cette façon, nous pouvons réduire le coût des lames et faire baisser le coût de l’énergie », a déclaré Mandar Phadnis, auteur principal de la nouvelle étude en Actes de la conférence américaine sur le contrôle 2022et étudiant diplômé en génie électrique, informatique et énergétique.

Ce travail innovant ne pouvait pas mieux tomber. Le changement climatique exige non seulement que nous développions rapidement des énergies renouvelables plus rentables et plus fiables, mais la hausse des températures mondiales est également susceptible d’intensifier les ouragans.

L’activité des ouragans cette année dans l’Atlantique devrait être supérieure à la moyenne, le Climate Prediction Center de la NOAA estimant jusqu’à six ouragans majeurs avec des vents de 111 mph ou plus du 1er juin au 30 novembre.


Lucy Pao et les éoliennes

En haut : Gros plan du démonstrateur de 53,38 kilowatts (SUMR-D) sur le campus Flatirons du National Renewable Energy Laboratory (NREL), juste au sud de Boulder, Colorado. En bas : Lucy Pao au campus NREL Flatirons, avec le SUMR-D directement à sa droite. (Crédit : Kelsey Simpkins/CU Boulder)

Le cerveau caché d’une turbine

L’un des éléments les plus délicats de la production d’énergie éolienne consiste à gérer pas assez ou trop de vent à la fois. Lorsque la vitesse du vent est trop faible, une éolienne ne peut pas produire une quantité d’énergie utile. Lorsque les rafales sont trop rapides, elles peuvent repousser les limites de la capacité d’une turbine, provoquant son arrêt pour éviter une surcharge du système.

L’incohérence de la vitesse du vent a tourmenté l’énergie éolienne depuis sa création; le temps perdu passé à arrêter le système conduit à moins d’énergie générée et à une production moins efficace.

La clé des contributions innovantes de Pao réside dans les améliorations apportées au contrôleur, la partie de la turbine qui détermine quand être plus ou moins agressif dans la production d’électricité.

« Nous aimons penser que le contrôleur est essentiellement le cerveau du système », a déclaré Pao, auteur principal de l’étude et membre du Renewable and Sustainable Energy Institute (RASEI).

Ce cerveau caché vise à produire une énergie éolienne efficace à faible coût et avec une faible usure. Le contrôleur de rétroaction le fait en utilisant des mesures de la performance du système, puis en s’ajustant pour mieux améliorer les performances, a déclaré Pao.

Le contrôleur de lacet s’assure que la turbine est orientée dans la bonne direction, le contrôleur de pas des pales détermine la direction des pales (en fonction de la vitesse du vent) et le contrôleur de couple du générateur décide de la puissance à tirer de la turbine et sur le réseau. Bien qu’il contrôle les composants physiques de la turbine, ces contrôleurs sont essentiellement un algorithme logiciel qui indique aux moteurs quoi faire.

Le groupe de Pao ne se contente pas de faire tourner la turbine pour réduire les dommages causés par les vents forts, mais travaille en coulisse sur son logiciel pour maximiser la capacité du système à continuer de fonctionner pendant les pics de vent.

« Notre travail tente de prédire la probabilité ou la probabilité que des rafales de vent de pointe se produisent, puis tente d’atténuer les pics de vitesse en agissant avant qu’ils ne se produisent », a déclaré Phadnis.

Le campus Flatirons de NREL était l’endroit idéal pour tester cela en action, car il est stratégiquement placé pour recevoir les vents forts qui traversent l’autoroute 93 et ​​sur la mesa, après avoir été canalisés à travers Eldorado Canyon directement à l’ouest.

Là, les chercheurs ont découvert que, même grâce à des tests expérimentaux approfondis, les vitesses de pointe du générateur étaient inférieures au seuil permettant à leur contrôleur opérationnel de maintenir la turbine en marche.

Dans une collaboration distincte, Pao et son groupe de recherche ont travaillé avec l’Université d’Oldenburg en Allemagne pour évaluer l’utilité des capteurs qui scannent devant la turbine pour mesurer le vent entrant et des contrôleurs avancés qui commandent à la turbine de réagir de manière proactive.

Développer l’énergie éolienne mondiale

Bien que les éoliennes sous le vent ou à deux pales comme le SUMR-D ne dominent pas l’industrie de l’énergie éolienne, en effectuant ces tests pluriannuels dans le monde réel, les chercheurs sont en mesure de mieux comprendre ce qui pourrait être possible, a déclaré Pao.

Les algorithmes de contrôle qu’ils ont développés pourraient également s’appliquer aux éoliennes traditionnelles à trois pales et au vent, qui dominent toujours les marchés terrestres et offshore.

Graphique d'éolienne

Différentes tailles d’éoliennes terrestres et offshort, comparées à des points de repère célèbres pour référence. (Crédit : Chao Qin et sumrwind.com)

« L’avantage de la configuration sous le vent, cependant, se manifeste vraiment lorsque vous arrivez à des turbines à grande échelle, et celles-ci sont principalement destinées à l’offshore », a déclaré Pao.

Le groupe de Pao aborde déjà ces grands sommets : avec leurs collaborateurs, ils ont conçu et modélisé (mais non testé expérimentalement) des turbines offshore à grande échelle de 25 MW et 50 MW SUMR (sous le vent).

En fin de compte, elle pense qu’une combinaison de contrôleurs améliorés, de matériaux plus légers et résilients et de configurations de turbines stratégiques pourrait permettre aux turbines offshore géantes de dépasser la concurrence. Ils sont non seulement plus rentables et économes en énergie, permettant une grande turbine au lieu de plusieurs plus petites (ce qui réduirait les coûts d’installation et de maintenance), et capables de capturer des vitesses de vent plus élevées plus haut du sol, mais ils pourraient également résister les conditions météorologiques plus sévères à venir.

« Les pales d’éoliennes sont généralement conçues pour durer au moins 20 ans, et nous voulons que nos nouvelles pales conceptuelles atteignent des durées de vie tout aussi longues », a déclaré Pao.

Cette étude a été financée par l’Advanced Research Projects Agency – Energy (ARPA-E) du Département américain de l’énergie et menée en partenariat avec le National Renewable Energy Laboratory (NREL).