Le houlogénérateur SEAREV

Le principe du houlogénérateur SEAREV a été élaboré au Laboratoire de Mécanique des Fluides (LMF) de l’École Centrale de Nantes. Une collaboration a été mise en place depuis 2004 avec le labora-toire SATIE de l’École Normale Supérieure de Cachan, afin d’étudier une solution de conversion élec-tromécanique composée d’une génératrice électrique en entraînement direct associée à un conver-tisseur électronique en lieu et place d’une solution oléopneumatique prévue initialement [Ruellan07]. Le SEAREV est classé dans la catégorie des systèmes à corps mus par la houle (type C). Il est consti-tué d’un flotteur clos mis en mouvement par la houle. A l’intérieur de celui-ci, un volant pendulaire (à masse excentrée), oscille par rapport au flotteur. Dans la version tout-électrique (de type C5), une génératrice électrique (type machine synchrone à aimants par exemple) en entraînement direct, per-met de convertir l’énergie mécanique du volant pendulaire en énergie électrique et amortit alors le mouvement relatif entre le flotteur et le volant pendulaire (cf Fig.2.1).

FIGURE1.54: Schéma de principe du système SEAREV dans sa version tout-électrique

Ce système possède certaines caractéristiques originales qui le distinguent des autres houlogéné-rateurs :

- Toutes les parties mobiles, tous les composants technologiques et autres parties vulnérables à l’environnement marin sont maintenues à l’abri du flotteur. Cette caractéristique est un avan-tage certain face à des systèmes où les liaisons entre les différents corps mobiles (axes, glis-sières, etc.) sont exposées à la mer (corrosion, biofouling, etc.).

- Le volant pendulaire pivote librement autour de son axe de rotation. Aucune butée mécanique ne limite l’excursion du mouvement. L’immunité du système face aux forts état de mer s’en

trouve améliorée. Cette caractéristique permet aussi de limiter la puissance convertie à une cer-taine valeur lorsque la vitesse de rotation devient importante en diminuant le couple d’amor-tissement et de laisser ainsi la roue prendre encore plus de vitesse sans risque de détérioration. Cette faculté n’est pas envisageable dans les systèmes à translation (pilonnants par exemple) pour lesquels des moyens de limitation de la course sont mis en œuvre (ressorts, amortisseurs etc.).

- C’est un système à référence interne qui permet donc l’utilisation d’ancrages souples (non ten-dus). Les variations du niveau de la mer dues aux marées n’ont donc aucun effet sur le fonc-tionnement du système.

- Le concept permet l’utilisation d’une génératrice électrique tournante en entrainement direct. Associée à un convertisseur électronique de puissance, cette chaîne de conversion permet un contrôle quasi-instantané du couple d’amortissement. La mise en œuvre d’un contrôle évolué de l’amortissement est donc beaucoup plus simple qu’avec une chaîne oléopneumatique. Une des stratégies de pilotage de l’amortissement consiste alors à générer un couple récupératif de type frottement visqueux, via la génératrice électrique et son convertisseur statique ainsi qu’un contrôle vectoriel. Le couple résistant est alors proportionnel à la vitesse de rotation, avec, en outre, une possibilité d’écrêtage de la puissance mécanique convertie.

A l’heure actuelle, seul un prototype à l’échelle 1/12èmea permis de mettre en œuvre une conver-sion électromécanique de l’énergie, les autres maquettes, réalisées à plus petite échelle, étant des-tinées à des études de tenues à la mer et d’ancrage. La géométrie d’un système à l’échelle 1 n’est encore pas totalement figée mais on peut raisonnablement donner les ordres de grandeurs suivants : des dimensions de 30 m sur 10 m, un déplacement d’environ 2000 tonnes (200 tonnes pour la coque du flotteur, 300 tonnes pour la roue pendulaire, le reste étant du ballast composé essentiellement d’eau de mer) qui permettraient de produire une puissance moyenne (sur un état de mer) maximale d’environ 600 kW. La puissance moyenne annuelle dépend elle très fortement du niveau de ressource houlomotrice du site d’implantation en mer. Dans une telle chaîne de conversion électrique, la puis-sance instantanée peut être écrêtée à une valeur de consigne (appelée puispuis-sance d’écrêtage) grâce à un contrôle instantané du couple d’amortissement. Sa valeur finale résultera d’un compromis entre le coût de la chaîne de conversion (directement lié à la puissance crête) et la productivité énergétique (qui augmente avec la puissance d’écrêtage).

Travaux de recherche au LMF

L’objectif n’est de donner qu’un aperçu très rapide de quelques problématiques scientifiques qui peuvent graviter autour d’un système multi-physique comme le SEAREV.

Les travaux de thèse d’Aurélien Babarit [Babarit05a] ont porté sur la modélisation hydrodyna-mique et mécanique du SEAREV. À partir de cette modélisation, une étude du contrôle par Latching est menée. La latching consiste à bloquer le mouvement mécanique productif, ici la pendulation de la roue interne, quand la vitesse s’annule puis de le relâcher au bout d’un temps qui doit être ju-dicieusement déterminé. La production d’énergie se fait entre deux instants de latching (blocage) selon une loi d’amortissement pré-définie (ici visqueuse). Ces travaux montrent que la puissance

moyenne (l’énergie) récupérée peut dans certains cas être significativement augmentée [Babarit06]. Le contrôle optimal par latching nécessite cependant une prédiction de la houle incidente et une chaîne de conversion qui permettent le blocage de la roue pendulaire.

Des optimisations de forme ont aussi été entreprises pour déterminer la meilleure forme de la surface mouillée du flotteur ainsi que la géométrie interne du système (masse, taille, position de la roue pendulaire), et trouver les solutions offrant la meilleure productivité pour le déplacement (poids total) le plus faible possible. Ces deux objectifs étant contradictoires, les résultats obtenus sont mul-tiples et peuvent être présentés sous la forme d’un front de Pareto qui représente l’ensemble des meilleurs compromis vis-à-vis de ces deux objectifs (cf Fig.1.55).

FIGURE1.55: Exemple de résultats d’optimisation de la forme externe et de la géométrie interne du SEAREV selon deux objectifs contradictoires : déplacement total et énergie produite annuellement sur un site présentant une puissance linéique moyenne de 20 kW/m [Babarit05a]

Travaux de recherche à SATIE sur la version tout-électrique

La thèse de Marie Ruellan [Ruellan07] s’est déroulée au SATIE et a porté sur le pré-dimensionnement d’une génératrice électrique en entrainement direct pour la conversion tout-électrique de l’énergie produite parSEAREV. Elle a ainsi permis de proposer une solution alternative à celle d’une conver-sion plus classique de type oléo-pneumatique, et de montrer l’influence que pouvaient avoir les modes de contrôle de la récupération d’énergie (amortissement visqueux, visqueux avec écretage ou contrôle par latching) du houlogénérateur sur la récupération d’énergie et sur le dimensionnement de la chaîne électrique.

Le dimensionnement de la génératrice électrique a été formalisé sous la forme d’un problème d’optimisation ayant pour objectif de minimiser le cout de ses parties actives ainsi que les pertes sur cycle de fonctionnement. Nous présentons un exemple de résultat, tiré de ces travaux, sur la figure 1.56.

FIGURE1.56: Front de Pareto d’une optimisation bi-objectif du dimensionnement de la génératrice électrique : minimisation du cout des parties actives et des pertes de fonctionnement sur cycle. Le cycle de fonctionnement correspondant à un état de mer de référence (Hs= 3m;Tp= 9s) avec un

amortissement de type visqueux (β = 3 M N.m.s⁻¹)

1.3.6 Problématiques scientifiques des houlogénérateurs directs à chaîne