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Des scanners à laser augmenteront-ils le rendement des éoliennes ?

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Les changements de vents provoquent des contraintes mécaniques parfois importantes sur les éoliennes. On pourrait limiter la fatigue des matériaux si l'on savait anticiper les sautes du vent. C'est maintenant possible grâce à un Lidar fonctionnant à la manière d'un scanner. Par ailleurs, ce nouveau système améliore la rentabilité des installations, une bonne nouvelle pour cette quatrième journée mondiale de l'énergie éolienne.

Fixé au sommet de la nacelle, un radar Lidar avait déjà été utilisé auparavant par la même équipe pour étudier le champ de vents devant l'éolienne. La nouvelle version du dispositif peut prendre des mesures dans toutes les directions. © SWE

Les pales des éoliennes peuvent effectuer des rotations sur elles-mêmes afin de s'adapter aux conditions de vents. Cette caractéristique est essentielle car elle permet de gérer la vitesse de rotation du rotor afin de la maintenir dans un intervalle précis. Or, tous les changements brutaux de vent nécessitant de nouveaux réglages ne sont détectés qu'au moment même où ils affectent les installations. Pendant un cours laps de temps, les pales, et parfois la nacelle, sont donc mal orientées, causant ainsi des stress mécaniques sur les structures et une baisse de rentabilité. En 20 ans, une éolienne subirait jusqu'à un milliard de changements de charge.

Il existe une solution pour diminuer ces contraintes et optimiser au mieux la production électrique : l'anticipation. Il faudrait parvenir à prévoir les caractéristiques des flux d’air faisant fonctionner les éoliennes. Les réglages de l'angle d'attaque des pales et de l'orientation de la nacelle pourraient ainsi être effectués au moment opportun. Les technologies requises existent et font notamment appel à l'utilisation d'appareils Lidar, acronyme de light detection and ranging, exploités dans le cas présent comme des systèmes de radars optiques. 

Le radar optique (utilisant la technologie Lidar) développé par l'équipe du SWE a été fixé sur la nacelle d'une éolienne à deux pales Cart 2 sur le site de test du US National Wind Technology Center (NWTC), à Boulder aux États-Unis. © SWE

Un Lidar embarqué sur la nacelle

L'appareil envoie des impulsions laser et analyse la lumière réfléchie par les aérosols présents dans l'air. La vitesse des vents peut alors être calculée grâce à l'effet Doppler, c'est-à-dire en étudiant le décalage de fréquence de la lumière réfléchie par rapport à celle émise. Ce système est cependant limité. Les faisceaux ne peuvent être envoyés que dans une seule direction. De plus, les radars actuels sont généralement fixés sur le mât de l'éolienne ou au sol. Le dispositif ne fournit donc des informations que sur une infime partie du champ de vent.

Ces limitations n'ont plus de raison d'être. Une équipe de chercheurs du département Stiftungslehrstuhle Windenergie (SWE) de l'université de Stuttgart (en Allemagne) a développé, en collaboration avec le National Renewable Energy Laboratory (NREL) situé à Boulder (aux États-Unis), un nouveau module « scanner » se fixant sur le nacelle, la partie mobile de l'éolienne s'orientant face au vent, et qui envoie les rayons du Lidar dans toutes les directions. Il permet ainsi de connaître l'intégralité du champ de vent sur une certaine distance. Tous les changements de force ou de direction des flux d'air peuvent donc être anticipés.

Le système est testé avec succès depuis février 2012 aux États-Unis sur un aérogénérateur à deux pales de type Cart 2. Le rotor est capable de garder une vitesse de rotation quasiment constante grâce aux ajustements anticipés de l'orientation des pales. Parvenir à diminuer les contraintes mécaniques s'appliquant sur les éoliennes est important d'un point de vue économique. Le matériel « vieillit » en effet beaucoup mieux et peut être efficace plus longtemps. Comme le précise le bulletin électronique de l'ambassade de France en Allemagne, des données récoltées grâce au Lidar permettraient également d'optimiser les dimensions des nouvelles installations, notamment en vue de réduire la quantité de matériaux utilisés et donc les coûts de fabrication.

Ces informations sont les bienvenues en cette date. Le 15 juin correspond en effet depuis 2009 à la Journée mondiale pour les énergies éoliennes. Cet événement est organisé par le Global Wind Energy Council (GWEC) et l'European Wind Energy Association (EWEA). De très nombreuses manifestations en rapport avec le vent sont organisées un peu partout dans le monde (dont 18 en France). Vous pouvez les retrouver sur le site globalwindday.org.

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