Des chercheurs du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) et des laboratoires nationaux Sandia cherchent des moyens de maximiser les avantages des rotors à grande échelle et leur potentiel d'augmentation de la production d'énergie. Leur travail dans le cadre du projet Big Adaptive Rotor (BAR) du DOE vise à créer la prochaine génération d'éoliennes terrestres avec des rotors de 206 mètres, ce qui augmentera les facteurs de capacité de 10 % ou plus par rapport à une turbine terrestre typique.

Pour mettre cela en perspective, un rotor de cette ampleur mesurerait plus de 225 mètres, ou environ la longueur de deux terrains de football. Mais pourquoi le surdimensionnement des rotors de turbine est-il important ?

Les dernières décennies ont vu des réductions substantielles du coût de l'énergie éolienne en grande partie en raison de l'augmentation de la taille du rotor. L'augmentation de la taille du rotor sur la même puissance nominale de la machine conduit à des turbines à faible puissance spécifique qui peuvent réduire le coût de l'énergie éolienne en créant une plus grande surface balayée qui aide les centrales éoliennes à capter l'énergie éolienne de manière plus cohérente, ainsi que d'accéder à des vitesses de vent plus élevées à des hauteurs élevées. Mais la longueur et le poids de ces lames créent la science, ingénierie, logistique, et les défis de fabrication qui empêchent actuellement la mise à l'échelle des turbines jusqu'à des tailles conformes à l'adage, plus c'est mieux.

"L'objectif global de BAR est de permettre à grande échelle, turbines de faible puissance spécifique pour application terrestre, " a déclaré Nick Johnson, ingénieur de recherche NREL et chercheur principal sur le projet BAR. "Pour que cela se produise, nous devons surmonter la fabrication, transport, et les défis logistiques avec de nouvelles solutions. Un domaine dans lequel nous pouvons aider à activer cette technologie est de résoudre les difficultés scientifiques et techniques liées à la conception et à l'exploitation de grandes pales minces et flexibles, les défis liés à la dynamique des pales, la modélisation, matériaux, Chargement en cours, et des contrôles."

Ces obstacles scientifiques et techniques sont au cœur d'une récente étude du NREL et de Sandia. Les chercheurs de BAR fournissent des évaluations d'analyse qualitative des concepts de rotor sur la base de mesures de performance et des défis scientifiques et techniques liés à chaque concept.

Par exemple, Les stratégies de réduction de poids peuvent réduire à la fois la fatigue et la charge extrême sur les aubes de turbine, ce qui entraîne des charges d'aube et des coûts de maintenance plus élevés. Des concepts tels que les commandes aérodynamiques distribuées permettent de réduire le poids en réduisant les charges ultimes et de fatigue sur plus longtemps, lames plus souples, mais introduire des contrôles, fabrication, et les problèmes de fiabilité. Une analyse détaillée des avantages et des inconvénients aide les chercheurs à comprendre ces compromis et à identifier les seuils de rentabilité pour différentes technologies.

Pour aider à clarifier et à mieux articuler les obstacles scientifiques et techniques auxquels sont confrontés les concepts potentiels de turbines, les chercheurs utilisent les modèles de conception de turbine OpenFAST du NREL et le modèle de conception et d'ingénierie de système intégré à la centrale éolienne (WISDEM) pour modéliser les performances de la turbine et les interactions au niveau du système de turbine.

Alors que les propriétaires-exploitants de parcs éoliens recherchent des revenus plus importants grâce à une meilleure réduction de la puissance, les machines à faible puissance spécifique continueront de gagner en popularité en raison de leur capacité à produire plus d'électricité sur plus d'heures et seront distribuables lorsque l'énergie est le plus nécessaire. Grâce à la mise en lumière des défis scientifiques et techniques sous-jacents pour les rotors de turbine plus grands, Les chercheurs de BAR contribuent à rendre possible dès aujourd'hui les éoliennes terrestres géantes de demain.