INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
Depuis le début des années 1990, l'énergie éolienne a connu un regain d'intérêt, en particulier dans l'Union Européenne où le taux de croissance annuel est d'environ 20 %. Cette croissance est attribuée à la possibilité inhérente de production d'électricité sans émissions de carbone. Afin de soutenir cette croissance, le rendement des éoliennes et des fermes d’éoliennes doit continuer à être amélioré. La perspective d'augmentation de production d'énergie éolienne nécessite le développement d'outils de production efficaces, et d'outils de contrôle avancé pour améliorer les performances des machines. Les éoliennes sont conçues pour produire de l'électricité à un prix aussi bas que possible.
Les fermes d’éoliennes sont sujettes à un phénomène communément appelé « effet de sillage », lorsque les perturbations créées par les turbines situées en amont du parc éolien créent des conditions de production d’électricité sous-optimales pour les autres turbines. En effet, en aval de l’éolienne un sillage tourbillonnaire se forme, et dans ce sillage la vitesse moyenne du vent est diminuée, car l’éolienne a capté une partie de l’énergie cinétique du vent et l’intensité de turbulence est augmentée.
Une stratégie commune pour maximiser la production d’énergie d’une éolienne consiste à orienter son rotor afin que celui-ci soit face au vent. L’angle entre le rotor et la direction du vent, appelé angle de lacet (« yaw » en anglais), est alors de 0°. La illustre schématiquement et de manière non limitative l’angle de lacet. La est une vue de dessus d’une éolienne. L’éolienne comprend des pales 1 et une nacelle 2, orientées selon une direction AA. Le vent est représenté par la flèche U, ayant une direction DD. L’angle γ entre la direction AA et la direction DD est l’angle de lacet. Lorsque la turbine de l’éolienne est alignée avec la direction du vent, cet angle γ est nul.
Dans les parcs éoliens, cependant, appliquer cette stratégie (angle de lacet nul) à toutes les turbines, selon une méthode dite « gloutonne », rend le parc sujet à ce qu’on appelle l’effet de sillage : lorsqu’une éolienne extrait de l’énergie du vent, la vitesse du vent en aval diminue et sa turbulence augmente. Cela conduit à des conditions sous-optimales pour la production d’énergie des turbines situées en aval, les pertes en production totale pouvant atteindre les 40% en mer. Un certain nombre d’actionneurs contrôlables peuvent être utilisés pour réduire cet effet : la capture de puissance peut être influencée en contrôlant l’orientation des pales ou le couple du générateur, le sillage d’une turbine peut être dévié sous les turbines en aval en inclinant le plan du rotor, ou sur le côté en modifiant le lacet, une technique connue sous le nom anglais de « wake steering » (direction de sillage).
Pour corriger ce problème, une stratégie consiste à utiliser les actionneurs de lacet (« yaw » en anglais) pour désaligner les turbines par rapport à la direction du vent incident : cela permet une redirection des sillages pour limiter l’impact sur les turbines en aval. Trouver les angles de lacet optimaux (qui maximisent la puissance électrique totale de la ferme d’éoliennes) est un problème complexe.
Pour ce problème complexe, des approches traditionnelles de contrôle peuvent être envisagées : elles utilisent un modèle de propagation du vent dans un parc éolien, et optimisent les angles de lacet par rapport à cette approximation. Divers modèles utilisant des approximations analytiques ou des calculs numériques ont été proposés, mais de tels modèles manquent cependant de précision et ignorent la dynamique du vent turbulent et la propagation du sillage, conduisant à une mauvaise estimation des effets de sillage dans les parcs éoliens. Il existe des modélisations de plus haute-fidélité, qui tiennent compte de l’advection, de la déviation, des méandres et de la fusion du sillage, mais elles sont très coûteuses en temps et en ressources de calcul, ce qui décourage leur utilisation pour une optimisation en temps réel.
Il est possible de s’affranchir de ces contraintes en utilisant des méthodes sans modèle. L’apprentissage par renforcement (RL pour « reinforcement learning » en anglais) en est un exemple : ses méthodes apprennent par essai-erreur, et déduisent les actions optimales uniquement en observant les réponses d’un système aux changements en entrée. Cette approche d’apprentissage en ligne est particulièrement intéressante en raison des incertitudes de modélisation, qui rendent nécessaire d’oublier sur le terrain certains comportements sous-optimaux appris en modélisation. Mais la combinaison avec une approche décentralisée n’est pas évidente : les algorithmes décentralisés limitent l’observabilité du problème pour chaque turbine, rendant leur environnement non stationnaire. Pendant ce temps, les dynamiques de propagation du vent empêchent l’observation de l’impact d’un contrôleur jusqu’à ce que le sillage se soit propagé en aval, et rend l’affectation de la variation de puissance au bon contrôleur plus difficile en raison de l’effet cumulé des multiples sillages.
Des méthodes d’apprentissage par renforcement ont été également utilisées pour le contrôle de la production automatique via contrôle du lacet pour un parc éolien : le document « S. Vijayshankar, P. Stanfel, J. King, E. Spyrou, and K. Johnson, Deep reinforcement learning for automatic generation control of wind farms, in 2021 American Control Conference (ACC), pp. 1796±1802, 2021 » utilise l’algorithme d’apprentissage profond centralisé Deep Deterministic Policy Gradient (DDPG) avec le facteur d’induction axial comme variable de contrôle. Dans le document « H. Dong, J. Zhang, and X. Zhao, Intelligent wind farm control via deep reinforcement learning and high-fidelity simulations, Applied Energy, vol. 292, no. C, 2021 », le DDPG est combiné à un apprentissage supervisé hors ligne, ce qui entraîne une augmentation significative de la puissance de sortie évaluée dans des simulations de parcs éoliens de haute-fidélité. Ces méthodes centralisées voient cependant la dimension de leur problème croître avec le nombre de turbines, ce qui soulève la question de l’extensibilité à de plus grandes fermes d’éoliennes. En particulier, dans ce deuxième document (DONG et al., 2021), les auteurs exploitent une symétrie spécifique à l’agencement des turbines dans leur cas d’usage pour réduire la dimension du problème, mais cela ne se transfère pas à d’autres agencements de ferme.
La représente une turbomachine 1 de type turboréacteur à double flux constituant un exemple de turbomachine selon l’invention. La turbomachine 1 s’étend selon un axe principal X. La turbomachine 1 comporte, d’amont en aval dans le sens de la circulation du flux d’air représenté par la flèche F, une soufflante 2, un compresseur basse pression 3, un compresseur haute pression 4, une chambre de combustion 5, une turbine haute pression 6 et une turbine basse pression 7. Le passage d’un flux d’entrée d’air F dans la soufflante 2 se divise en un flux primaire F1 (dit flux d’air froid) et un flux secondaire F2 (dit flux d’air chaud) dans la turbomachine 1.
Les turbines basse pression 6 et haute pression 7 comportent chacune une pluralité d’aubes 8, dites mobiles, montées notamment sur un disque lié à un arbre d’entraînement de la turbomachine 1.
Les turbines basse pression et haute pression 7 peuvent comprendre un ou plusieurs distributeurs. Chaque distributeur peut comprendre des aubes, dites fixes.
La illustre un exemple de l’aube 8 mobile destinée à être assemblée dans la turbomachine 1.
Bien que la description qui suit concerne une aube 8 mobile (par exemple des turbines haute pression et/ou basse pression), elle peut s’appliquer aux aubes de distributeur.
Cette aube 8 comprend un corps 80 réalisé dans un alliage métallique. Le corps 80 comprend une pale 84.
Le corps 80 peut comprendre aussi un pied 82 dans le cas des aubes mobiles, tel qu’illustré sur la . En variante (non illustrée sur les figures), le corps 80 peut comprendre des plateformes de fixation reliées à la pale 84, par exemple dans le cas des aubes des distributeurs. Ces plateformes de fixation sont configurées pour s’attacher chacune à un organe de la turbomachine (tel qu’un carter de turbomachine).
La pale 84 (et notamment l’aube 8) s’étend suivant un axe d’allongement A. Cet axe A est sensiblement perpendiculaire à l’axe X. La pale 84 comprend un intrados 842 et un extrados 844 reliés entre eux par un bord d’attaque 846 et un bord de fuite 848 de la pale 84.
Sur l’exemple de la , la pale 84 est à profil aérodynamique, c’est-à-dire que la pale 84 présente un profil incurvé d’épaisseur variable entre son bord d’attaque 846 et son bord de fuite 848.
La représente une plateforme 86 reliant la pale 84 au pied 82, de façon monobloc (c’est-à-dire venue de matière).
Tel que décrit dans ce qui précède, afin de mieux résister à un environnement de fonctionnement de température extrême, le corps d’aube 8 peut comprendre au moins un des éléments suivants : - un ou plusieurs circuits de ventilation 88 formés par exemple à l’intérieur du corps d’aube, - des orifices de passage d’air 89 sur l’aube qui sont par exemples traversants et formés sur la pale 84 (tel que sur le bord de fuite 848 sur la ), - au moins un système barrière thermique 9 recouvrant au moins une partie du corps d’aube 8.
Le ou les circuits internes de ventilation 88 peuvent être reliés aux orifices de passage d’air 89.
Le système barrière thermique 9 peut recouvrir l’ensemble ou une partie de la pale 84 et/ou de la plateforme 86 et/ou du pied 82 (dans le cas des aubes mobiles) et/ou au moins une des plateformes de fixation (dans le cas des aubes de distributeur).
De préférence, les orifices de passage d’air 89 sont dans une ou plusieurs zones de l’aube 8 qui sont dépourvues du revêtement 9 de barrière thermique.
Le système barrière thermique 9 recouvrant le corps d’aube peut être tout type de matériau sensible à l’eau.
A titre d’exemple non limitatif ( ), le système barrière thermique 9 comprend : - une couche de liaison 92, - une couche d’alumine (Al 2 O 3 ) 94, et - un revêtement céramique 96.
Selon l’invention, ce procédé comprend les étapes suivantes : la fourniture des composants respectifs et iv) le mélange des composants.
L’étape iv) du procédé de préparation selon l’invention est réalisée en mélangeant l’ensemble des composants inclus dans la composition (méth)acrylique MC1. Dans un mode de réalisation, on prend soin de préparer d’abord le sirop (méth)acrylique liquide puis d’introduire, dans ce sirop (méth)acrylique le cas échéant, l’activateur ou l’accélérateur de polymérisation, l’initiateur de polymérisation étant introduit en dernier.
Optionnellement, le mélange est réalisé par agitation, et pendant une durée comprise entre 1 minute et 36 heures, avantageusement entre 2 minutes et 24 heures, plus avantageusement entre 3 minutes et 24 heures et préférentiellement entre 4 minutes et 24 heures.
La composition (méth)acrylique MC1 comprenant les composés a1) à a2) ou les autres composants éventuellement ajoutés a une viscosité comprise entre 10 mPa*s et 10 000 mPa*s à 23 °C.
De préférence, la viscosité de la composition (méth)acrylique MC1 comprenant les composés a1) à a2) à 23 °C est dans une plage allant de 50 mPa*s à 10 000 mPa*s, plus préférablement de 50 mPa*s à 9 000 mPa*s, encore plus préférablement de 50 mPa*s à 8 000 mPa*s, encore plus préférablement de 50 mPa*s à 7 500 mPa*s, encore plus préférablement entre 50 mPa*s et 7 000 mPa*s, avantageusement entre 50 mPa*s et 6 000 mPa*s et plus avantageusement entre 50 mPa*s et 5 000 mPa*s.
Le procédé de préparation de la composition (méth)acrylique MC1 selon l’un quelconque des modes de réalisation peut éventuellement comprendre en outre une étape de filtration du sirop (méth)acrylique liquide ayant un contenu recyclé d’au moins 1 % en poids. L’étape de filtration est de préférence effectuée avant le mélange avec l’initiateur de polymérisation.
Dans un mode de réalisation, le matériau de renforcement est un substrat fibreux.
Dans un autre mode de réalisation, le matériau de renforcement est une charge minérale.
La présente invention concerne, selon un aspect supplémentaire, une pièce moulée MP1 comprenant un matériau composite polymérique (méth)acrylique MPCM1.
Dans un premier mode de réalisation préféré, le matériau composite polymérique (méth)acrylique MPCM1 est un matériau composite polymérique (méth)acrylique renforcé par des fibres.
Dans un deuxième mode de réalisation préféré, le matériau composite polymérique (méth)acrylique MPCM1 est un matériau composite polymérique (méth)acrylique renforcé par des particules.
- l’étape (d) d’usinage est précédée d’une étape (i) de retrait partiel de ladite au moins une couche d’hydrofuge ;
- le retrait partiel et/ou total de ladite couche d’hydrofuge est réalisé manuellement, par un outil de découpe et/ou par chauffage à une température de sublimation prédéfinie du matériau hydrofuge ;
- l’usinage comprend les sous-étapes de : (d 1 ) une immersion d’au moins une partie de l’aube dans un récipient d’eau, et (d 2 ) un usinage de l’aube par électroérosion pour former les orifices de passage d’air ;
- le dépôt de ladite au moins une couche hydrofuge comprend les sous étapes de : (c 1 ) une immersion d’au moins une partie de l’aube dans un bain contenant un matériau hydrofuge sous forme liquide, (c 4 ) un séchage de l’aube pour former ladite couche hydrofuge ;
- le procédé comprend, avant la sous-étape (c 4 ), une sous-étape (c 2 ) de mise sous vide de l’aube comportant de ladite couche hydrofuge ;
- le procédé comprend, avant la sous-étape (c 4 ) ou avant la sous-étape (c 2 ), une sous-étape (c 3 ) de répétition de la sous-étape (c 1 ) ou des sous-étapes (c 1 ) et (c 2 ).
La est une demi vue schématique en coupe axiale d’une turbomachine d’aéronef,
La est une vue schématique en perspective d’une aube de la turbomachine de la ,
La est vue schématique en perspective de l’aube de la recouverte d’une couche provisoire hydrofuge selon un mode de réalisation de l’invention,
La est vue schématique en perspective de l’aube de la recouverte d’une couche provisoire hydrofuge selon un autre mode de réalisation de l’invention,
La est vue schématique partielle et en coupe axiale de l’aube de la ou , dans laquelle est représentée schématiquement et en agrandie un exemple d’un système barrière thermique recouvrant au moins une partie du corps de l’aube de la ou ,
La est un diagramme des étapes du procédé de fabrication de l’aube de la .
Dans la description qui suit, l’invention s’applique à une aube pour une turbomachine, en particulier d’aéronef. Par exemple, la turbomachine peut être un turboréacteur ( ), un turbopropulseur ou un turbomoteur (non illustrés).
3) Détermination d’une récompense pour chaque éolienne
4) Application d’une méthode d’apprentissage par renforcement pour chaque éolienne
5) Contrôle de chaque éolienne
Les étapes 2 à 4 peuvent être mises en œuvre par des moyens informatiques, notamment un ordinateur, un processeur ou un calculateur. Les étapes sont détaillées dans la suite de la description. Les étapes sont réalisées en parallèle pour chaque éolienne, ainsi le procédé est décentralisé. De plus, le procédé ne met en œuvre aucun modèle physique, et s’appuie sur les données réelles mesurées au sein de la ferme, ce qui le rend compétitif en temps de calcul, en représentativité et en précision. Ces étapes sont réalisées en continu en temps réel ; les étapes sont répétées à chaque pas de temps.
La illustre, schématiquement et de manière non limitative, les étapes du procédé du contrôle de ferme d’éoliennes selon un mode de réalisation de l’invention. On acquiert (ACQ) les puissances produites par toutes les éoliennes de la ferme d’éoliennes, la vitesse et la direction du vent, et les angles de lacet des éoliennes (γ). On détermine, pour chaque éolienne de la ferme d’éoliennes, un délai de propagation (DEL) du sillage de l’éolienne en fonction de la vitesse et la direction du vent et du positionnement des éoliennes. On détermine, pour chaque éolienne, une récompense (REC) représentant l’impact d’un contrôle de l’éolienne sur la somme des puissances produites en prenant en compte le délai de propagation. On applique pour chaque éolienne, une méthode d’apprentissage par renforcement (RL) pour déterminer un angle de lacet de l’éolienne cible (ou un point de fonctionnement cible), à partir d’un angle de lacet antérieur (γ) (ou point de fonctionnement antérieur) et de la récompense déterminée. On contrôle (CON) chaque éolienne en appliquant l’angle de lacet cible (ou le point de fonctionnement cible) à l’éolienne.
Lors de cette étape, on acquiert, par des moyens de mesure ou d’estimation : La puissance électrique produite par chaque éolienne, La vitesse du vent, notamment la vitesse du vent non perturbé mesurée à l’entrée de la ferme d’éoliennes, La direction du vent, notamment la direction du vent à l’entrée de la ferme d’éoliennes, et L’angle de lacet de chaque éolienne.
Selon un mode de réalisation, la vitesse et la direction du vent peuvent être mesurées, notamment au moyen d’un capteur LiDAR (acronyme de l'expression en langue anglaise « light detection and ranging » pouvant être traduite par télédétection par Laser), d’un anénomètre, ou par des mesures au moyen d’un système de contrôle et d’acquisition de données en temps réel SCADA (de l’anglais : « Supervisory Control And Data Acquisition »), ou par tout capteur analogue. Un système de contrôle et d’acquisition de données en temps réel SCADA est un système de télégestion à grande échelle permettant de traiter en temps réel un grand nombre de télémesures et de contrôler à distance des installations techniques. C'est une technologie industrielle dans le domaine de l'instrumentation, dont les implémentations peuvent être considérées comme des structures d'instrumentation incluant une couche de type intergiciel (de l’anglais « middleware »). On peut déduire de ces mesures la vitesse du vent non perturbé à l’entrée de la ferme d’éoliennes, l’entrée de la ferme d’éoliennes étant définie en fonction de la direction du vent.
Conformément à une mise en œuvre, la puissance électrique produite par chaque éolienne peut être mesurée par le système de contrôle et d’acquisition de données en temps réel SCADA, ou par des mesures de courant et de tension délivrés par chaque éolienne.
Selon un aspect de l’invention, l’angle de lacet de chaque éolienne acquis peut être l’angle de lacet contrôlé à un instant antérieur. Alternativement, l’angle de lacet peut être mesuré par un capteur, notamment un capteur angulaire.
Lors de cette étape, pour chaque éolienne, on détermine un délai de propagation du sillage formé par l’éolienne, en fonction de la vitesse et la direction du vent (acquises à l’étape 1), et en fonction de l’implémentation des éoliennes au sein de la ferme d’éoliennes. L’effet de sillage correspond aux perturbations et turbulences formées par une éolienne dans le flux de vent. Le sillage formé par une éolienne impacte les éoliennes en aval de cette éolienne dans la direction du vent. L’implémentation des éoliennes correspond à l’agencement des éoliennes au sein de la ferme. En d’autres termes, l’implémentation des éoliennes correspond à la position relative des éoliennes au sein de la ferme d’éoliennes. L’implémentation des éoliennes et la vitesse et la direction du vent permettent de déterminer les éoliennes en amont et en aval de chaque éolienne. Cette étape permet de prendre en compte le temps de propagation du sillage dans les problèmes d’optimisation des parcs éoliens.
Selon un mode de réalisation de l’invention, on peut approximer le délai de propagation du sillage pour chaque éolienne au moyen de l’hypothèse de turbulence figée (de l’anglais « Turbulence (or Taylor) Frozen Hypothesis » ou « frozen wake ») de Taylor. Par exemple, le délai de propagation de la turbine en amont i à une turbine en aval j peut être déterminé au moyen de la formule suivante :
avec la distance entre les turbines i et j selon l’axe de la direction du vent, et la vitesse du vent non perturbé mesurée à l’entrée de la ferme d’éoliennes (obtenu à l’étape 1.
Selon une mise en œuvre de ce mode de réalisation de l’invention, la formule de délai de propagation peut comprendre un coefficient multiplicateur supérieur à 1.
En variante, la formule du délai de propagation peut prendre en compte des zones d’induction en amont du rotor, qui permet de relaxer l’hypothèse de turbulence figée avec une durée plus réaliste prenant en compte les décélérations associées.
Tel que décrit en référence aux figures 2 à 4, le corps 80 de l’étape (a) comprend donc la pale 84 présentant l’intrados 842 et l’extrados 844 reliés entre eux par son bord d’attaque 846 et son bord de fuite 848. Le corps 80 peut comprendre le pied 82 en référence à l’aube de la . En variante, le corps 80 peut comprendre des plateformes de fixation par exemple dans le cas des aubes des distributeurs.
La illustre toutes les étapes du procédé de fabrication de l’aube 8 destinée à être assemblée dans la turbomachine 1. Les étapes préférentielles du procédé sont représentées en pointillée sur la .
L’étape (c) de dépôt de la ou des couches d’hydrofuge 90 peut comprendre les sous étapes suivantes de : (c 1 ) une immersion d’au moins une partie de l’aube 8 dans un bain contenant un matériau hydrofuge sous forme liquide, (c 4 ) un séchage de l’aube 8 pour former la couche d’hydrofuge 90 sur au moins une partie du système barrière thermique 9 (tel qu’illustré sur les figures 3 et 4).
L’étape (c 4 ) peut être réalisée avec un temps de séchage compris entre 30 minutes et 1 heure.
A titre d’exemple, pour une couche d’hydrofuge à base de cire de paraffine, l’étape (c 1 ) est réalisée en immergeant la ou les zones à protéger (par exemple toute la pale et la plateforme en référence à la ) dans un bain de cire de type paraffine. Ce bain de cire est composé à 100% en volume de cire et à une température de 60°C. Puis, le temps de séchage est d’environ 1 heure à température ambiante.
L’étape (c) peut comprend également une sous étape (c 2 ) de mise sous vide de l’aube 8 comportant de la couche d’hydrofuge 90. Cette sous-étape (c 2 ) est réalisée avant la sous étape (c 4 ), notamment dans une chambre sous vide. Par exemple, la sous étape (c 2 ) est réalisée avec une pression prédéterminée d’environ 10 mbar. Cette sous étape (c 2 ) permet de faciliter le dépôt de matériau hydrofuge à l’intérieur des orifices de passage d’air 89.
L’étape (c) peut comprend aussi une sous-étape (c 3 ) de répétition de la sous-étape (c 1 ) seule ou des sous étapes (c 1 ) et (c 2 ). Cette sous étape (c 3 ) est avant la sous étape (c 4 ) de retrait total de la couche d’hydrofuge 90 ou avant la sous étape (c 2 ) de mise sous vide. Afin d’obtenir la quatrième épaisseur E 90 suffisante pour former une barrière d’étanchéité à l’eau, au moins une des sous étapes (c 1 ) et (c 2 ) sont réitérées une ou plusieurs fois.
Le procédé de fabrication peut comprendre en outre une étape (d) d’usinage de la pale 84 par exemple pour réaliser (ou ré-usiner) des orifices de passage d’air 89. Cette étape (d) est réalisée avant l’étape (e).
L’étape (d) peut comprendre les sous étapes suivantes : (d 1 ) une immersion d’au moins une partie de l’aube 8 dans un récipient d’eau, et (d 2 ) un usinage de l’aube 8 par électroérosion (EDM) pour former notamment les orifices de passage d’air 89.
Une étape (i) de retrait partiel de la couche d’’hydrofuge 90 peut être réalisée avant l’étape (d), notamment en retirant la couche d’hydrofuge 90 située au niveau des orifices de passage d’air 89 ( ). Cette étape (i) permet de faciliter la création de décharge électrique pour l’usinage par EDM.
A titre d’exemple, le retrait partiel et/ou total de la couche d’hydrofuge 90 peut être réalisé par au moins une des méthodes suivantes : - manuellement par opérateur, - un outil de découpe, - chauffage à une température de sublimation prédéfinie du matériau hydrofuge.
Par exemple, pour une couche d’hydrofuge à base de cire de paraffine, la température de sublimation est d’environ 600°C pour retirer la couche d’hydrofuge 90 sans endommager le système de barrière thermique 9.
Avantageusement, le matériau hydrofuge est choisi avec une température de sublimation inférieure à environ 800°C.