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Penon électronique (ePenon) pour la surveillance du rendement aérodynamique en temps réel d’une voile ou d’une pale d’éolienne.

L’INNOVATION

Le ePenon est un capteur de l’état de l’écoulement sur un profil aérodynamique et qui permet de monitorer l’état de cet écoulement (accroché ou décroché) en temps réel sur le profil. C’est une technologie issue de la course au large, qui s’avère très utile dans le secteur de l’éolien ainsi que la marine marchande à voile. En effet, mieux régler un profil aérodynamique permet d’augmenter le rendement, mais aussi de réduire la fatigue et donc les coûts de maintenance

Favoriser le recours aux énergies renouvelables passe par l’existence de moyens de production efficaces, durables, rentables, et dont la maintenance dans le temps se fait à coût maîtrisé.

Les éoliennes (off-shore et terrestres) doivent exploiter au mieux le vent disponible, non pour faire avancer un navire, mais pour produire de l’électricité. Le réglage de l’angle d’incidence des pales est un moyen d’optimiser leur rendement, mais celui-ci demeure à ce jour assez rudimentaire :

– Utilisation de simples abaques (incidence vs vitesse du vent).

– La vitesse du vent est mesurée en un point unique et ce point n’est pas forcément le meilleur pour appréhender l’écoulement réel des fluides le long de la pale.

– L’anémomètre est souvent placé à l’arrière du mât de l’éolienne, un positionnement où le flux d’air est perturbé par le mouvement des pales elles-mêmes.

– Au niveau des parcs, une autre technique de mesure consiste à placer l’anémomètre au sommet d’un mât météo, et à estimer la vitesse du vent au niveau de l’éolienne, en fonction de sa position relative vis à vis du mât. Dans ces deux cas, la mesure se révèle donc de piètre qualité.

– L’asservissement de la position des pales en fonction de la vitesse mesurée ne se fait pas en temps réel, ce qui laisse envisager un potentiel d’optimisation.

Ces limites montrent tout ce que la technologie du ePenon peut apporter à l’exploitation des éoliennes (off-shore et terrestre). En effet, en positionnant des ePenons directement sur les pales, on obtient en plusieurs points une information de l’écoulement réel de l’air le long de celles-ci, nettement plus précise que celle renvoyée par un anémomètre unique, au positionnement non optimal.

Ce diagnostic en temps réel du réglage des pales peut alors être utilisé pour plusieurs bénéfices :

– Diagnostic du profil aérodynamique des pales

– Optimisation du rendement aérodynamique : en vérifiant en permanence que l’angle d’incidence des pales soit bien réglé et en le corrigeant le cas échéant, on maximise la portance et on augmente la performance.

– Cette fonction peut être utilisée aussi bien pour le démarrage qu’en fonctionnement.

– A terme on peut envisager un contrôle actif et en temps réel du pitch (comme le fait un pilote automatique sur un bateau), pour gagner encore en efficacité.

 

Le caractère INNOVANT

En comparaison avec les technologies de mesure du vent existantes, le ePenon apporte une information différente, celle de l’état de l’écoulement sur le profil et non celle de la vitesse de l’écoulement. Cette différence est fondamentale. Le ePenon donne un accès direct temps réel à la vérification et à la correction du réglage de l’incidence de la pale

 Le ePenon propose une vraie mesure In Situ (en mer ou à terre), dynamique et en temps réel, de l’écoulement d’air le long des pales

 Aucun autre capteur ne permet d’avoir un diagnostic du réglage d’un profil. Ce réglage conditionne en grande partie le rendement aérodynamique du profil. Il permettra à terme l’asservissement de celui-ci, pour une productivité accrue des éoliennes.

Le système permet, basé sur la remontée de données, d’envisager la mesure d’autres caractéristiques comme la présence de givre, pour maximiser les périodes de fonctionnement.

En conclusion, le ePenon est un capteur complémentaire à l’anémométrie.

 

L’UTILITE de l’innovation

Apports du ePenon

– Surveiller en temps réel l’écoulement sur un profil aérodynamique (voile ou pale) pour permettre un réglage dynamique
– Permettre l’analyse les réglages d’une éolienne ou d’une voile de bateau pour mieux les designers. Cette connaissance pourra apporter des progrès au niveau du rendement, du comportement vibratoire et de l’aéro-acoustique de la pale.
– Améliorer la régulation automatique d’incidence des pales d’éolienne en fonction du comportement des ePenons pour augmenter le rendement ou réduire les phénomènes vibratoires.
– La mesure apportée par le ePenon est complémentaire de celle des autres capteurs embarqués (anémomètre et LIDAR)

 

L’impact ENVIRONNEMENTAL de l’innovation

Le ePenon entre dans une stratégie de diversification de Mer Agitée. Il s’agit de porter les développements effectués dans le monde du sport mécanique que représente la course au large vers le secteur industriel. La volonté de Mer Agitée est d’apporter son expérience du réglage des voiles et des profils aérodynamiques en général vers le secteur industriel. Le savoir-faire de Mer Agitée dans ce domaine est unique et les besoins dans l’industrie sont considérable. L’apport se porte sur le diagnostic, retour d’expérience et l’analyse des données.

Le projet ePenon s’inscrit résolument dans deux des dix solutions de la Nouvelle France Industrielle définies en mai 2015 par le ministre de l’Economie, de l’Industrie et du Numérique, M. Emmanuel Macron. En effet le projet participe à la fois à la dynamique des Objets Intelligents et à l’Economie de Données afin de fournir aux exploitants et aux constructeurs d’éoliennes une solution leur permettant d’améliorer le rendement et d’optimiser les coûts de maintenance des parcs éolien, ce qui à terme contribuera au renforcement de la filière.

Une étude cofinancée par l’ADEME pour qualifier aérodynamiquement le ePenon et quantifier les gains potentiels est menée par Mer Agitée en partenariat avec le LHEEA lab. (UMR6598), le CSTB de Nantes et EDF-EN Service. A l’heure actuelle compte tenue de notre expérience, nous prévoyons un gain de production électrique de l’ordre de 1 à 2% grâce au ePenon. Les enjeux sont donc considérables aux regards de la capacité mondial en éolien de 433GW ainsi que du nombre de bateaux à voile potentiellement intéressés.

L’efficience énergétique est donc l’objectif affiché du ePenon. L’enjeu est de faire mieux avec la même pale d’éolienne ou la même voile de bateau. Le projet ePenon s’articule autour d’un capteur mais l’ambition est de proposer aux industriels une meilleure stratégie de réglage de leurs outils de production. Nous sommes persuadés que l’efficience énergétique passe par l’appréhension des phénomènes physiques en temps réel. L’arrivée d’un nouveau capteur dans la chaine de valeur va contribuer à augmenter la qualité des informations (le fait quel soit concordantes, précises, complètes et toujours valides) de l’ensemble du système.

 

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