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ASAPe

En cours

Add-on Systèmes pour l’Amélioration des Performances des éoliennes

Coordinateurs du projet

  • LHEEA Cenrale Nantes / CNRS

Contexte

L’augmentation de la durée de vie des éoliennes est l’un des principaux sujets d’investigation auxquels sont confrontés les exploitants de parcs éoliens. Une cause de vieillissement prématuré souvent mis en avant est l’accumulation des charges imposées par les forts cisaillements en amont du rotor dus à un mauvais fonctionnement de l’éolienne ou/et à l’atmosphère dans lequel elle évolue.

Le vent est très variable en espace et en temps (turbulence, rafale …) alors que les pales des éoliennes sont de plus en plus longues. Afin de limiter l’influence de ces perturbations sur l’éolienne, une des solutions envisagée aujourd’hui est ce que l’on appelle le « retroffiting » ou l’intégration de systèmes d‘ajustement communément appelés « ADD-ON ». Cela consiste à modifier a posteriori la surface aérodynamique de la pale pour en améliorer les performances et la durée de vie .

Ruptures scientifiques et innovation

Systèmes actifs pour l’adaptation dynamique de l’aérodynamique des pales.

Le projet ASAPe propose le développement d’une série de système d’ADD-ON original, robuste et simple, composé de capteurs Epenon et/ou pression sans fil ainsi que d’actionneurs fluidiques de type jet pulsé, capable d’adapter dynamiquement l’aérodynamique des pales d’éolienne et ainsi de diminuer les charges aérodynamiques.
Ce système sera amené progressivement à maturité à l’aide d’essais sur un profil de pale bidimensionnel dans la soufflerie aérodynamique du LHEEA (rafale à l’échelle intermédiaire) et dans la soufflerie Jules Verne du CSTB (vent fluctuant à l’échelle 1). A l’échelle 1, un profil de pale réel sera fourni par les industriels signataires des lettres de soutien (VALOREM et EDF-EN service). Un travail prospectif sera également réalisé dans le projet ASAPe pour préparer des essais sur site (choix du site, de l’éolienne, de la position et de la stratégie de contrôle …).

Impact technique et économique attendu

Nouveaux systèmes add-ons actifs qui peuvent être utilisés sur les pales des éoliennes.

Démonstrateur

Démonstrateur du fonctionnement Add-on en soufflerie à l’échelle réduite (Janvier 2020) et à l’échelle 1 (Janvier 2021).
Ce projet ASAPe va être réalisé grâce aux équipements acquis dans le cadre du projet ROTOR-OPTIM.

Résultats

La soufflerie aréodynamique a été équipée d’un chopper dans le cadre du projet WEAMEC ROTOR OPTIM. Elle est capable de produire une fluctuation de vitesse large et rapide qui contient également de la turbulence.  Les études menées dans le cadre d’ASAPE ont permis de faire varier l’intensité, l’étendue spatiale et la durée d’une rafale à l’aide de respectivement la position de l’obstacle (profil de pale 2D) dans la veine d’essai, du blocage et de la fréquence de rotation du système.
Grâce aux essais en soufflerie à l’échelle réduite et à l’échelle 1, des ePenons à l’échelle 1 sont actuellement installés sur des pales existantes dans le cadre du projet ePARADISE.

Une première boucle d’asservissement a été simulée sur la base d’expérience en soufflerie à l’échelle réduite. Elle utilise les capteurs globaux (balance aérodynamique), des actionneurs locaux et le “chopper” pour perturber l’écoulement.  Un démonstrateur de contrôle de l’écoulement en boucle fermée a pu ainsi être mis en œuvre  avec le développement de plusieurs loi de commande (sans modèle, modèle super-twisting). Le contrôle  permet le suivi d’une consigne de portance hors rafale qui est robuste au passage d’une rafale reproduite en soufflerie  le “chopper” développé dans le projet ROTOR OPTIM. Un résumé de ce premier résultat encourageant a été soumis pour la conférence TORQUE 2022.

Les capteurs ePenons ont pu être testés à l’échelle 1 dans la soufflerie du CSTB. La maquette, fabriquée à partir du scan de pale, a tout d’abord été caractérisée, puis les capteurs ePenons ont été ajoutés. Les essais statiques (changement d’angle d’incidence statiques) mettent en évidence que le signal du capteur est corrélé avec la position du point de décollement de l’écoulement sur le profil.
De plus, il est mis en évidence qu’un seul capteur de type e-penon sur le bord de fuite du tronçon de pale 2D est nécessaire, au lieu de 78 capteurs de pression autour de la corde.

Les essais à l’échelle 1 dans la soufflerie du CSTB ont permis de mesurer et de mettre en évidence un phénomène de décollement instable.

Des capteurs aérodynamique ePenon ont été installés sur le site de Saint-Hilaire de Chaléons (Pays-de-Loire, France) dans le cadre du projet ePARADISE en Avril 2021.

Characterization of flow behind chopper blade:

I. Neunaber, C. Braud, A. Soulier, S. Aubrun Wind Energy Science Conference, 2019, Cork, Irland.

Main findings are gust scaling parameters:

  • downstream position
  • blade width
  • rotational frequency

Ability eTellTale to detect flow features:

A. Soulier, C. Braud, D. Voisin, B. Podvin, et al Wind Energy Science Conference, 2019, Cork, Irland.
Detection methods : instantaneous / stochastic or Epenon. Epenon able to detext stall/reattachment dynamics (similar as using detailed measurements)

Wireless pressure sensors (CSTB)

Field measurements (eParadise project) - ASAPe : Full scale 2D blade section

A la suite du projet ASAPe, et en s’appuyant sur ses résultats, dEUX nouveaux projets ont émergés :

  • Projet ePARADISE (Évaluation des Perturbations AéRodynamiques sur les pales pour l’Amélioration de la Durabilité et de l’Impact Sonore des Éoliennes)

> Plus d’informations

  • Projet MOMENTA

> Plus d’informations

Publications et conférences avec actes

  • I. Neunaber & C. Braud, First characterization of a new perturbation system for gust generation: the chopper Wind Energ. Sci., 5, 759–773, 2020
  • Soulier, A., Braud, C., Voisin, D., and Podvin, B.: Low-Reynolds-number investigations on the ability of the strip of e-TellTale sensor to detect the flow features over wind turbine blade section: flow stall and reattachment dynamics, Wind Energ. Sci., 6, 409–426, https://doi.org/10.5194/wes-6-409-2021, 2021
  • I. Neunaber & C. Braud, Aerodynamic behavior of an airfoil under extreme wind conditions, Journal of Physics: Conference Series, Volume 1618-The Science of Making Torque from Wind (TORQUE 2020), 22 September 2020
  • I. Neunaber, F. Danbon, A. Soulier, D. Voisin, E. Guilmineau, P.  Delpech, S. Courtine,C. Taymans & C. Braud. Wind tunnel study on natural instability of the normal force on a full‐scale wind turbine blade section at Reynolds number 4.7 · 10. Wind Energy. 25. 2022. 10.1002/we.2732.
  • A. Soulier, C. Braud , D. Voisin, F. Danbon, High-Reynolds-number investigations on the ability of the full-scale e-TellTale sensor to detect flow separation on a wind turbine blade section. Wind Energy Science. 7. 2022. 1043-1052. 10.5194/wes-7-1043-2022.
  • I. Neunaber, E. Guilmineau, F. Danbon, P. Delpech, S. Courtine, D. Lenoir, A. Soulier, D. Voisin, C. Taymans, C. Braud, Observation of a natural spatio-temporal bi-stability on a full scale blade section at pre-stall angles of incidence, Short communication in Wind Energy,  en préparation.
  • I. Neunaber, A. Soulier, D. Voisin, F. Danbon, F. Delpech, D. Lenoir, C. Taymans, C. Braud, Testing aerodynamic sensors on a full-scale wind turbine blade, WES, en préparation.
  • R. Mishra, I. Neunaber, E. Guilmineau, C. Braud, « Adapting turbulent inflows to bypass low Reynolds number effects on 2d blade sections » abstract submitted to the international conference TORQUE 2022.
  • L. Michel, I. Neunaber, R. Mishra, C. Braud, F. Plestan, X. Boucher, JP. Barbot, C. Join, M. Fliess « model-free control of the dynamic lift on a wind turbine blade section based on an active flow control device » abstract
    submitted to the international conference TORQUE 2022.

Communications orales

Organisation d’un mini-symposium lors de Wind Energy Science Conference, 2019 :  « Active Flow Control on Blades »

14 participants: Seimens-Gamesa, TUDelft, Forwind, DLR, DTU, ECN.TNO, Univ. Waterloo, IRPHE(FR), AIST (J), Scalian(FR), Mer Agitée(FR), LAAS(FR), LHEEA(FR), Orléans(FR).

Dont 2 communications orales dans ce mini-symposium:

Organisation d’un minisymposium lors de Wind Energy Science Conference, 2021 sur les “Smart Blade technologies”

avec IWES, FORWIND, AIST, TU-Delft et DLR: ~10 participants de laboratoire internationnaux (IWES, TU-Delft, DLR, ForWind, AIST etc …)

Dont 3 communications orales dans ce mini-symposium:

  • C. Braud, I. Neunaber, F. Danbon, P. Delpech, D. Lenoir, E. Mornet, Y. Queveau, A. Soulier, D. Voisin, C. Taymans Wind tunnel full scale aerodynamic sensors assessment prior to field tests – Wind Energy Science Conference, On-line to dueCOVID-19, organisation : Forwind – Hannover, May 2021.
    Conference, On-line to due COVID-19, organisation : Forwind – Hannover, May 2021.
  • A. Soulier, D. Voisin, I. Neunaber, C. Braud, F. Danbon, P. Delpech, E. Mornet, Y. Queveau Flow separation detection performance of the e-Telltale evaluation at full scale –  Wind Energy Science Conference, On-line to dueCOVID-19, organisation : Forwind – Hannover, May 2021.
  •  I. Neunaber, C. Braud, E. Guilmineau, F. Danbon, P. Delpech, A. Soulier, D. Voisin, C. Taymans High Reynolds number blade aerodynamics : 3D flow separation dynamics –  Wind Energy Science Conference, On-line to due COVID-19, organisation : Forwind – Hannover, May 2021.