Les éoliennes à axe vertical redéfinies par l'apprentissage automatique

• Des chercheurs de l'EPFL ont développé des profils de pas optimaux pour les éoliennes à axe vertical en utilisant un algorithme d'apprentissage génétique.
• Les nouveaux profils de pas ont permis d'augmenter l'efficacité de la turbine de 200% et de réduire les vibrations menaçant la structure de 77%.
• Les éoliennes à axe vertical présentent des avantages par rapport aux éoliennes à axe horizontal traditionnelles, notamment une réduction du bruit et une meilleure intégration dans l'environnement naturel.

Des chercheurs de l'EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) ont utilisé un algorithme d'apprentissage génétique pour identifier les profils de pas optimaux des pales des éoliennes à axe vertical. Les éoliennes à axe vertical, avec leur fort potentiel énergétique, étaient jusqu'à présent vulnérables aux fortes rafales de vent.

L'article explicatif en libre accès a été publié dans Nature Communications.

Lorsque vous considérez l'éolienne industrielle d'aujourd'hui, vous imaginez probablement le design de la hélice, techniquement appelée éolienne à axe horizontal (HAWT). Mais les toutes premières éoliennes, développées au Moyen-Orient vers le 8ème siècle pour moudre des grains, étaient des éoliennes à axe vertical (VAWT), tournant perpendiculairement au vent, plutôt que parallèlement.

En raison de leur vitesse de rotation plus lente, les VAWTs sont moins bruyantes que les HAWTs et ont une plus grande densité d'énergie éolienne, ce qui signifie qu'ils nécessitent moins d'espace pour une production similaire sur terre et en mer. Les pales sont aussi plus respectueuses de la faune : puisqu'elles tournent latéralement, au lieu de trancher de haut en bas, elles sont plus faciles à éviter pour les oiseaux.

Avec ces avantages, pourquoi les VAWTs sont-elles largement absentes du marché actuel de l'énergie éolienne ? Comme l'explique SÉbastien Le Fouest, chercheur du Laboratoire de Diagnostics des Écoulements Instables de l'École d'ingénierie (UNFOLD), cela vient d'un problème d'ingénierie - le contrôle du flux d'air - qu'il pense pouvoir résoudre avec une combinaison de technologie de capteurs et d'apprentissage automatique. Dans l'article récemment publié dans Nature Communications, Le Fouest et la responsable d'UNFOLD, Karen Mulleners, décrivent deux profils de pas optimaux pour les pales de VAWT, qui permettent une augmentation de 200 % de l'efficacité de l'éolienne et une réduction de 77 % des vibrations menaçant la structure.

Image de la pale expérimentale VAWT de l'EPFL Crédit photo : © UNFOLD EPFL CC BY SA. Cliquez sur le lien du communiqué de presse pour plus d'images.

Le Fouest a souligné : « Notre étude représente, à notre connaissance, la première application expérimentale d'un algorithme d'apprentissage génétique pour déterminer le meilleur pas d'une pale VAWT.»

Transformer un talon d'Achille en avantage

 Le Fouest a expliqué que tandis que la capacité éolienne installée en Europe augmente de 19 gigawatts par an, ce chiffre devrait atteindre les 30 GW pour atteindre les objectifs de l'ONU en 2050 en matière d'émissions de carbone.

« Les obstacles pour y parvenir ne sont pas financiers, mais sociaux et législatifs - il y a très peu d'acceptation du public pour les éoliennes en raison de leur taille et de leur bruit,» a-t-il déclaré.

Malgré leurs avantages à cet égard, les VAWTs souffrent d'un inconvénient sérieux : elles ne fonctionnent bien qu'avec un flux d'air modéré et continu. L'axe vertical de rotation signifie que les pales changent constamment d'orientation par rapport au vent. Une forte rafale augmente l'angle entre le flux d'air et la pale, formant un vortex dans un phénomène appelé décrochage dynamique. Ces vortex créent des charges structurelles transitoires que les pales ne peuvent pas supporter.

Pour contrer ce manque de résistance aux rafales, les chercheurs ont monté des capteurs sur un arbre de pale d'actionnement pour mesurer les forces aériennes qui agissent sur celui-ci. En inclinant la pale d'avant en arrière à différents angles, vitesses et amplitudes, ils ont généré des séries de ‘profils de pas’. Ensuite, ils ont utilisé un ordinateur pour exécuter un algorithme génétique, qui a réalisé plus de 3500 itérations expérimentales. Comme dans un processus évolutif, l'algorithme a sélectionné les profils de pas les plus efficaces et robustes, et a recombiné leurs caractéristiques pour générer de nouvelles et meilleures ‘descendances’.

Cette approche a permis aux chercheurs non seulement d'identifier deux séries de profils de pas contribuant à une efficacité et une robustesse de l'éolienne considérablement améliorées, mais aussi de transformer le plus gros point faible des VAWTs en un atout.

« Le décrochage dynamique - le même phénomène qui détruit les éoliennes - à une plus petite échelle peut en réalité propulser la pale vers l'avant. Ici, nous utilisons vraiment le décrochage dynamique à notre avantage en redirigeant le pas de la pale vers l'avant pour produire de l'énergie,» a expliqué Le Fouest. « La plupart des éoliennes inclinent la force générée par les pales vers le haut, ce qui n'aide pas à la rotation. Modifier cet angle forme non seulement un vortex plus petit - il le pousse en même temps exactement au bon moment, ce qui entraîne une deuxième région de production de puissance en aval.»

L'article de Nature Communications représente le travail de thèse de Le Fouest au sein du laboratoire UNFOLD. Maintenant, il a reçu une subvention BRIDGE de la part du Fonds national suisse de la recherche et d'Innosuisse pour construire une VAWT de preuve de concept. L'objectif est de l'installer en extérieur, pour la tester en temps réel face à des conditions réelles.

« Nous espérons que cette méthode de contrôle du flux d'air peut amener la technologie VAWT efficace et fiable à maturité pour qu'elle puisse enfin être commercialisée,» a déclaré Le Fouest.

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On espère vraiment que ce développement aura la capacité de remplacer bon nombre de ces dangereuses et laides HAWTs bruyantes. Alors que le vent est une source d'énergie notoirement intermittente, l'industrie a une grande dynamique qui absorbe d'énormes quantités d'argent des contribuables et des consommateurs. Éliminer des plans de captation de loyers comme les éoliennes pourrait constituer un exemple de l'impact dévastateur sur une économie et ses citoyens causé par des schémas de captation de loyers imposés politiquement.

Ce serait formidable si les développeurs pouvaient affirmer que la technologie peut se maintenir économiquement seule. Mais le communiqué de presse ne contient pas de tels commentaires. La réalité est que ces éoliennes ne peuvent que compléter un peu lorsque le vent souffle.

Par Brian Westenhaus via New Energy and Fuel

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