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La mécatronique au cœur des éoliennes

Publié le

Contrôle du vent, de la vitesse de rotation, de la température… La mécatronique améliore non seulement le fonctionnement des éoliennes, mais aussi leur conception et leur maintenance.

La mécatronique au cœur des éoliennes © Les systèmes intelligents embarqués sur les éoliennes permettent de réaliser une maintenance préventive. Le temps d’intervention des techniciens sur site est réduit.

quand arrive la dépression, les éoliennes doivent s’adapter aux nouvelles conditions. Leur nacelle pivote pour rester face au vent. Leurs pales tournent sur elles-mêmes pour modifier leur prise au vent, afin que la vitesse de rotation ne soit pas excessive. Et dès qu’un comportement anormal est détecté, elles s’arrêtent… Tous ces mouvements et opérations sont réalisés automatiquement, grâce aux différents éléments mécatroniques qui sont installés au sein de ces immenses machines. Elles contiennent pas moins de 400 capteurs.

L’un des principaux enjeux de la filière éolienne consiste à réduire les coûts de production de l’électricité, afin de rivaliser avec les énergies fossiles et le nucléaire. Les constructeurs cherchent donc à augmenter les performances et la fiabilité des machines pour optimiser leur maintenance et leur durée de vie. C’est le rôle de la mécatronique, alliance de mécanique, d’électronique et d’informatique. Elle permet, par exemple, de mesurer les variations de la vitesse du vent avant qu’il n’atteigne l’éolienne, grâce aux capteurs laser de type Lidar (light detection and ranging). Et ainsi de procéder préventivement aux réglages adéquats.

Toujours dans un objectif de réduire les coûts, les turbines se sont allégées au fil des années. Le contrôle des divers mécanismes n’en est devenu que plus crucial. La nacelle, cœur névralgique de l’éolienne, accueille plusieurs éléments : la génératrice qui produit l’électricité, mais aussi le système pitch (les moteurs actionnant les pales) et le système yaw (le moteur orientant la nacelle). Ces différents moteurs reçoivent les instructions de l’ordinateur, placé au pied de l’éolienne et facilement accessible, qui traite toutes les informations fournies par les nombreux capteurs. À chaque instant, ce centre de commande suit la vitesse et le sens du vent, l’orientation de la nacelle, l’incidence des pales, et envoie les ordres pour actionner les moteurs.

Des structures intelligentes mais complexes

« Il s’agit de fournir une électricité de qualité et d’assurer le bon fonctionnement du variateur », explique David Saint-André, le responsable industrie des éoliennes du fabricant Poma. Des capteurs mesurent la qualité du courant électrique grâce au calcul du cosinus phi, qui représente la valeur du déphasage angulaire entre la tension et l’intensité du courant dans un circuit alternatif. Une éolienne comprend 2 000 à 3 000 composants, qui subissent l’assaut des éléments mais doivent conserver leurs capacités. Avec l’augmentation de la taille des pales – le diamètre maximum est passé de 100 à 113 mètres et atteindra 130 mètres sur les nouvelles générations –, les efforts subis en cas de rafales de vent sont toujours plus importants. La surveillance est d’autant plus indispensable. Quand un capteur détecte une anomalie, comme une hausse anormale de la température, les pales sont orientées face au vent, puis un frein est actionné afin d’arrêter totalement la rotation.

Dans le même temps, l’ordinateur envoie un message aux techniciens de maintenance. Grâce à ces informations, ceux-ci vont pouvoir décider de la marche à suivre. Par exemple, arrêter préventivement l’éolienne pour une cause bénigne, puis la redémarrer en prévoyant le déclenchement d’une maintenance ultérieure. « En tant que turbinier, nous avons l’ambition de proposer les éoliennes les plus disponibles possible, précise Frédéric Petit, le directeur du développement de Siemens Wind Power France. Quand l’équipe de surveillance reçoit une alarme, qui n’a pas été automatiquement gérée par la turbine, elle peut juger de l’importance du défaut en s’aidant du modèle numérique de l’éolienne et de tous les éléments d’informations fournis par les différents systèmes mécatroniques. Dans 85 % des cas, les techniciens pourront décider un redémarrage à distance. » Et si l’envoi d’une équipe sur site se révèle indispensable, la cause exacte du dysfonctionnement a pu être identifiée dans la majorité des cas. Les techniciens savent donc exactement quelle intervention ils doivent effectuer en arrivant. Ce qui réduit le temps d’intervention.

D’autres aléas peuvent être résolus automatiquement. C’est le cas du givre qui se dépose sur les pales. Sa détection n’est pas assurée de manière directe, mais par l’apparition d’un balourd (déséquilibre) au niveau des pales. Le centre de commande va alors actionner un système de chauffage intégré dans les pales.

La mécatronique ne se limite pas au fonctionnement et à la surveillance. Elle sert également à parfaire la conception des machines à venir. Chez Siemens, les informations issues de 12 000 éoliennes installées sont remontées vers le centre de contrôle mondial de Brande, au Danemark. Quelque 160 personnes travaillent à la création de nouveaux modèles, en utilisant ces données pour les transformer en intelligence. Le constructeur a une approche d’ingénierie hybride, qui combine les tests physiques et la simulation virtuelle. Les tests, complétés par les informations recueillies sur les éoliennes déjà en production, vont nourrir la simulation. L’ingénierie au niveau du système est en voie de redéfinition afin d’incorporer la mécatronique. Mais la grande complexité des structures mécatroniques nécessite de créer des outils d’ingénierie pour réduire les risques et les coûts imprévus. La gestion de cette complexité exige d’innover en profondeur. Les constructeurs doivent mettre en place de nouvelles approches et méthodologies qui prennent en compte très en amont l’interaction entre les différents sous-systèmes pour poursuivre l’innovation. 

L’Ensam planche sur les usages de demain

« Grâce à la mécatronique, nous pouvons simuler en amont le comportement d’une machine, explique Éric Savattero, le directeur du campus des Arts et Métiers ParisTech (Ensam). Nous pouvons aussi concevoir des matériaux qui intègrent des capteurs. Auparavant, un matériau devait répondre uniquement à des critères de résistance mécanique. Aujourd’hui, nous pouvons connaître l’état de fatigue de la pièce, à l’aide d’éléments de micro, voire de nanomécatronique. » Il est possible de dimensionner les pièces au plus juste et de gagner en légèreté. L’Ensam travaille surtout sur les polymères. Les capteurs sont intégrés entre deux couches de composite. La technologie est maîtrisée et les premières applications industrielles ont commencé. Airbus utilise ainsi un moteur doté de ce type de solution sur l’un de ses A 380. « C’est une voie de progrès, assure Éric Savattero. Nous nous dirigeons vers des structures dites intelligentes. » Dans la santé aussi, la mécatronique est en plein essor. On sera bientôt en mesure de réaliser des prothèses qui pourront remplacer un muscle et dont le comportement sera dicté par des éléments de mécatronique. 

 

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