Brandon Ennis, responsable technique de l'éolien offshore chez Sandia National Laboratories, a eu une idée radicalement nouvelle pour les éoliennes offshore :au lieu d'une tour haute et peu maniable avec des pales au sommet, il a imaginé une turbine sans tour avec des pales tendues comme un arc.

Cette conception permettrait au générateur massif qui crée de l'électricité à partir de pales en rotation d'être placé plus près de l'eau, plutôt qu'au sommet d'une tour à 500 pieds au-dessus. Cela rend la turbine moins lourde et réduit la taille et le coût de la plate-forme flottante nécessaire pour la maintenir à flot. Sandia a déposé une demande de brevet pour le design en 2020.

Cependant, avant de pouvoir concrétiser son idée, l'équipe devait créer un logiciel capable de modéliser la réponse de la turbine et de la plate-forme flottante à différentes conditions de vent et de mer afin de déterminer la conception optimale de l'ensemble du système.

Désormais, l'équipe de Sandia dispose d'un outil de conception fonctionnel, ou "planche à dessin", et peut commencer à concevoir et à optimiser son système d'éolienne flottante plus léger.

"Pour concevoir notre système d'éolienne flottante, nous avions besoin d'un outil de conception capable de simuler le vent, les vagues, l'élasticité des pales, le mouvement de la plate-forme et les contrôleurs", a déclaré Ennis. "Il existe quelques outils qui peuvent faire une partie de ce dont nous avons besoin, mais sans toute la dynamique couplée bidirectionnelle pertinente pour la conception et l'optimisation de ce type d'éolienne. C'était une entreprise importante, mais c'était essentiel. t être une industrie éolienne flottante à axe vertical sans un outil fiable comme celui-ci."

Éoliennes plus légères et moins chères pour l'éolien offshore

Une grande partie du vent offshore des États-Unis souffle sur des eaux de plus de 200 pieds de profondeur. À ces profondeurs, il serait très coûteux de construire les structures de support rigides généralement utilisées par les éoliennes. Cependant, les éoliennes qui peuvent flotter au-dessus du fond marin pourraient jouer un rôle important dans la diversification de nos sources d'énergie renouvelable et l'amélioration de la stabilité du réseau alors que les villes et les États se rapprochent de leurs objectifs de zéro émission nette, a déclaré Ryan Coe, un ingénieur mécanique dans le groupe hydraulique de Sandia.

"La forte demande d'électricité sur les côtes est l'une des raisons pour lesquelles l'éolien offshore semble attrayant ; les gens ont tendance à vivre loin de l'endroit où le vent terrestre est le plus fort et il n'y a pas assez d'espace dans les villes pour les panneaux solaires", a déclaré Coe. "En outre, l'éolien offshore fournit de l'énergie à différents moments de la journée que l'éolien solaire et terrestre."

Cependant, l'éolien offshore flottant présente ses propres défis, a ajouté Ennis. Surtout, il est très coûteux de soutenir les éoliennes et de les entretenir lorsqu'elles sont en mer. L'objectif d'un programme du ministère de l'Énergie Advanced Research Project Agency-Energy est d'optimiser la conception des éoliennes flottantes, des plates-formes et des systèmes de contrôle afin de maximiser la puissance de sortie tout en minimisant les coûts, a-t-il déclaré.

"Pour nous, la question est de savoir comment supprimer la masse et les coûts du système tout en maximisant la capture d'énergie, d'où notre conception innovante, sans tour et à axe vertical", a déclaré Ennis.

La plupart des éoliennes d'aujourd'hui sont basées sur une haute tour avec trois pales faisant tourner un arbre horizontal qui fait tourner un générateur derrière les pales dans la nacelle de la turbine, la boîte au sommet de la turbine qui contient le rotor et d'autres composants importants. Mais ce n'est pas la seule façon de concevoir une éolienne, a déclaré Ennis. Certaines turbines ont deux pales ou plus supportées par un arbre vertical avec un générateur sous les pales. Cette conception, appelée éolienne à axe vertical Darrieus, a un centre de gravité plus bas et peut peser moins qu'une éolienne traditionnelle, a déclaré Ennis, mais l'un de ses principaux défis est qu'il est difficile de protéger l'éolienne des vents extrêmes. /P>

Pour les éoliennes traditionnelles à axe horizontal, les pales peuvent tourner à l'opposé des vents intenses et dommageables, mais la conception Darrieus capte le vent de toutes les directions. La conception Sandia remplace la tour verticale centrale par des haubans tendus, a déclaré Ennis. Ces fils peuvent être raccourcis ou allongés pour s'adapter aux conditions de vent changeantes afin de maximiser la capture d'énergie tout en contrôlant la tension. De plus, le remplacement de l'arbre par des câbles réduit encore plus le poids de la turbine, permettant à la plate-forme flottante d'être encore plus petite et moins chère.

Développement et validation de l'outil de conception

Kevin Moore, ingénieur en mécanique du groupe éolien de Sandia, et le reste de l'équipe se sont appuyés sur les travaux antérieurs de l'ingénieur de Sandia, Brian Owens, pour développer l'outil de conception d'éoliennes à axe vertical. Coe et Michael Devin, un autre ingénieur en mécanique du groupe éolien, y ont également travaillé. L'équipe a travaillé sur l'intégration d'algorithmes physiques tout en améliorant la précision et la vitesse des algorithmes.

Moore a également dirigé les efforts de validation de l'outil de conception à l'aide des données d'une éolienne terrestre à axe vertical de 34 mètres de diamètre construite par Sandia dans les années 80.

"Tout en travaillant sur l'effort de validation, il a été étonnant de voir la qualité de conception et l'innovation des concepteurs hérités", a déclaré Moore. "C'est un privilège de se tenir sur les épaules de géants tout en tirant parti des ressources informatiques modernes."

L'une des raisons pour lesquelles l'équipe de Sandia valide l'outil de conception est qu'il peut éventuellement être utilisé pour certifier les conceptions d'éoliennes à axe vertical selon les normes de conception pertinentes, a déclaré Ennis.

"À l'heure actuelle, si une entreprise souhaite certifier une éolienne à axe vertical, il n'y a pas d'outil de conception fiable, il y a donc beaucoup d'incertitude dans ce processus", a déclaré Ennis. "Pour nous, être en mesure de fournir un outil de conception fiable signifie que les organismes de certification seraient plus disposés à approuver les conceptions d'éoliennes à axe vertical, ce qui est nécessaire pour le financement et leur déploiement final."

Développer une conception de turbine optimisée

Maintenant, l'équipe peut commencer à concevoir le système d'éolienne flottante à axe vertical. L'outil de conception peut être utilisé pour modéliser et optimiser n'importe quelle éolienne à axe vertical, qu'elle ait une tour traditionnelle ou des haubans tendus, a déclaré Ennis. L'équipe utilise un processus appelé co-conception de contrôle pour trouver la conception et le contrôle de système d'éolienne à axe vertical flottant le plus rentable.

"Nous concevons l'ensemble du système, la turbine et la plate-forme et leur contrôle, simultanément pour réduire le coût actualisé de l'énergie, pas seulement le coût de la turbine elle-même", a déclaré Ennis. "Normalement, une entreprise concevra la turbine, une autre société conçoit la plate-forme flottante pour cette conception de turbine fixe, puis une troisième société l'installe avec d'autres systèmes pour créer une centrale éolienne offshore ; et vous obtenez ce que vous obtenez à la fin en termes de coût."

L'équipe espère avoir une conception optimisée du système d'éolienne flottante à axe vertical d'ici la fin de l'année, a déclaré Ennis, mais le projet n'aurait pas été possible sans leur nouveau logiciel spécialisé.

"Il s'agit d'un outil soigné en termes de manière dont il intègre toutes ces différentes capacités", a déclaré Coe. "Nous avons pu lier des outils développés pour modéliser l'aérodynamique et la dynamique structurelle des éoliennes à axe vertical - des domaines dans lesquels Sandia a toujours été un leader - et les combiner avec l'hydrodynamique et les rendre plus adaptés à l'optimisation de la conception." + Explorer plus loin

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