Energies renouvelables

Eoliennes à tout vent

Un nouvel anémomètre à laser CO2 permet une utilisation optimale des turbines éoliennes dans toutes les conditions météorologiques. Cette innovation est une retombée technologique inattendue des recherches en physique des plasmas menées dans le cadre du programme Fusion nucléaire.

Leader mondial dans le secteur de l'énergie éolienne, l'Union européenne dispose d'une capacité opérationnelle plus grande que toute autre région. Plus de 90% des grandes et moyennes turbines installées dans le monde sont produites en Europe, et plus de la moitié d'entre elles proviennent du Danemark.

La technologie des turbines éoliennes évolue rapidement. La majorité de celles qui sont construites aujourd'hui sont deux fois plus légères qu'il y a cinq ans, leur production moyenne a quadruplé et leurs émissions sonores fortement réduites. Les modèles de dernière génération sont constitués de générateurs de 1 à 1,5 MW et des rotors d'un diamètre de 50 à 66 m.

Les utilisateurs n'en exigent pas moins des unités encore plus souples et plus performantes. Les turbines éoliennes actuelles ont besoin d'une vitesse de vent spécifique pour fonctionner de façon optimale. A mesure que la vitesse s'écarte de cette valeur idéale, la production d'énergie diminue. Une des manières de remédier à ce problème consiste à faire varier l'angle des pales de la turbine et la vitesse du rotor, de façon à accroître l'efficacité par vents trop faibles ou trop forts.

Savoir où mesurer

Pour y parvenir, il est toutefois nécessaire de connaître à tout moment - et de préférence prévoir - la vitesse et la direction du vent. Les tests effectués au département Energie éolienne et Physique atmosphérique du Laboratoire national Risø, au Danemark, ont montré que le meilleur endroit pour prendre ces mesures se situe à une distance de la turbine équivalente à environ trois fois le diamètre des pales - 150 m à 200 m pour les unités modernes - et à la même hauteur que le rotor. Ainsi, les données ne sont pas influencées par le mouvement des pales et il existe un délai de temps suffisant pour modifier l'angle des pales.

Les chercheurs du Risø ont montré qu'il est possible d'effectuer ce type de mesure continue en utilisant un anémomètre laser basé sur l'effet Doppler. Le département d'Optique et de dynamique des fluides avait déjà conçu un tel instrument basé sur la percussion lumineuse - qui consiste à combiner un faisceau lumineux avec un faisceau de référence pour mesurer de très petites variations Doppler. Cette technique de pointe a été développée par le Risø, en collaboration avec l'institut allemand Max Plank de Physique des plasmas, dans le cadre du programme européen de recherche sur la fusion thermonucléaire. Elle a été utilisée pour mesurer la turbulence du plasma et déterminer le niveau de stabilité gazeuse nécessaire pour produire de l'énergie par fusion.

Adaptable et peu coûteux

Deux chercheurs du Risø, Lars Lading et Sten Frandsen, ont eu l'idée d'adapter l'anémomètre à laser aux turbines éoliennes. "De nombreuses propriétés des lasers CO2 sont appropriées pour l'équipement des moteurs éoliens", fait remarquer Lars Lading. Grâce à leur grande longueur d'onde, les lasers CO2 sont moins altérés par le brouillard, la pluie et la neige que les anémomètres à lumière visible. De plus, comme leur longueur d'onde correspond à la répartition spatiale des aérosols réfléchissants qui abondent dans l'atmosphère, les éléments optiques de l'anémomètre à laser ne doivent pas être particulièrement sophistiqués. "Cet aspect est important car, si l'on veut que toutes les nouvelles éoliennes soient équipées de ce dispositif, celui-ci ne doit pas être trop coûteux", souligne encore Lars Lading.

Le développement de ce projet a commencé par une collaboration entre Risø, le fabricant de turbines éoliennes NEG Micom et le consultant VEA Engineering. Les partenaires ont fabriqué un prototype d'anémomètre à laser CO2 pouvant être logé dans une boîte de 10 à 15 cm de diamètre et de 50 cm de long. Grâce à ses dimensions, l'instrument n'altère pas sensiblement les propriétés aérodynamiques ou les paramètres structurels de la turbine éolienne, tout en étant suffisamment robuste pour résister aux mauvaises conditions.

Les deux entreprises se sont également associées pour déposer une demande de brevet sur le système laser. Le département d'Optique et de Dynamique des fluides a contribué au financement du projet préliminaire et les partenaires espèrent pouvoir poursuivre ce projet sous les auspices de l'UE.

Contact:
Jens-Peter Lynov
Fax: +45-46774565
E-mail: jens-peter.lynov@risoe.dk