Les ingénieurs mécaniciens développent des moyens d'améliorer la productivité des parcs éoliens

Vous les avez probablement vues, peut-être lors de longs trajets en voiture: des éoliennes à énormes pales à roulement hypnotique, exploitant la puissance propre du vent pour la convertir en énergie électrique. Ce que vous ne savez peut-être pas, c’est que, compte tenu de l’explosion du nombre d’éoliennes utilisées alors que nous adoptons des sources d’énergie plus propres, ces parcs éoliens ne sont peut-être pas aussi productifs qu’ils le pourraient.

"Nous concevons des turbines pour leur utilisation personnelle, mais nous ne les utilisons presque plus seules", a déclaré le professeur de génie mécanique de l'Université de Santa Barbara, Paolo Luzzatto-Fegiz, dont la spécialité est la mécanique des fluides. Historiquement, a-t-il déclaré, les éoliennes étaient utilisées individuellement ou en petits groupes, mais à mesure que le monde évolue vers des technologies d'énergie plus vertes, on les trouve maintenant par groupes de centaines ou de milliers.

Le problème de ces grandes installations est que chaque machine, conçue pour extraire le plus d’énergie possible du vent qui approche, risque de ne pas "bien jouer" avec les autres, a expliqué Luzzatto-Fegiz. Selon la façon dont les turbines sont situées les unes par rapport aux autres et par rapport aux vents dominants, ceux qui ne se trouvent pas directement sur la trajectoire du vent pourraient être laissés pour extraire l’énergie d’un flux d’air considérablement réduit.

"Ces éoliennes sont maintenant très efficaces pour extraire l'énergie éolienne, mais elles forment également ces très grandes ombres de vent", a déclaré Luzzatto-Fegiz, auteur principal de "Modèles d'entraînement pour les parcs éoliens pleinement développés: effets de la stabilité atmosphérique et une limite idéale pour la performance d'un parc éolien ", publié dans le journal American Physical Society Examen physique des fluides. Semblable à la manière dont les structures peuvent atténuer le flux de lumière d’un côté à l’autre, l’énergie éolienne est également réduite car elle passe de l’avant de l’éolienne à l’arrière. Le résultat est que toutes les turbines d'un parc éolien ne sont pas à la hauteur de leur potentiel.

"Vous pouvez donc voir qu'il ne s'agit pas d'installer plus d'éoliennes sur votre terrain, car à un moment donné, vous obtiendrez ces rendements décroissants", a-t-il déclaré. "Il y a un point où, si vous continuez à ajouter des turbines, la quantité d'énergie que vous obtenez devient inférieure."

Toutefois, selon Luzzatto-Fegiz et son co-auteur Colm-cille P. Caulfield, professeur à l'Université de Cambridge au Royaume-Uni, il existe des moyens de contourner ce problème de la diminution des retours de vent. Et, ont-ils déclaré, ces améliorations pourraient entraîner des améliorations de plusieurs ordres de grandeur dans la production d'énergie des parcs éoliens.

Selon les chercheurs, l'objectif principal est de donner à toutes les turbines l'accès à un flux d'air à haute vitesse, à partir duquel elles peuvent extraire une plus grande quantité d'énergie. Étant donné que le vent au-dessus de la ferme est beaucoup plus rapide qu'entre les éoliennes, il peut être essentiel de mélanger le flux d'air dans le sillage des éoliennes pour que votre éolienne soit plus performante.

"Si vous pouviez en quelque sorte inventer un gadget qui permet à ces turbines de se mélanger très rapidement, vous pouvez potentiellement bénéficier de ces énormes améliorations", a déclaré Luzzatto-Fegiz.

Une autre solution potentielle est une version relativement nouvelle de l'éolienne, dans laquelle les pales tournent sur un axe vertical, comme les pales de batteur à œufs, par opposition à l'axe horizontal traditionnel.

"Celles-ci ne fonctionnent pas aussi bien d'ordinaire en elles-mêmes, mais il est significatif qu'elles puissent provoquer un mélange beaucoup plus fort dans leur sillage", a-t-il déclaré, "et les gens ont montré que si vous les mettez dans un arrangement où ils tournent dans des directions opposées l'un à l'autre, ils peuvent provoquer un très bon mélange. "

Les modèles développés par les chercheurs pourraient conduire à des parcs éoliens plus performants, qui dans certains cas pourraient ne pas nécessiter autant d'éoliennes qu'on le pensait auparavant, réduisant ainsi les coûts potentiels. Les modèles pourraient également donner lieu à des solutions personnalisées qui impliquent le terrain spécifique des sites de la ferme et les conditions météorologiques locales.

"Nous sommes vraiment ravis de pouvoir modéliser tout cela avec précision", a déclaré Luzzatto-Fegiz.

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Plus d'information:
Paolo Luzzatto-Fegiz et al, Modèle d’entraînement pour parcs éoliens pleinement développés: effets de la stabilité atmosphérique et limite idéale de la performance des parcs éoliens, Examen physique des fluides (2018). DOI: 10.1103 / PhysRevFluids.3.093802