ECOLE CENTRALE DE LYON - Doctorant – Optimisation des performances d’une éolienne à axe vertical par une approche système incluant l’aérodynamique, la conversion électromécanique et l’électronique de puissance

Présentation de l’Ecole / du département / du laboratoire

Créée en 1857, l’École Centrale de Lyon figure parmi le top 10 des écoles d'ingénieurs en France. Elle forme plus de 3 000 élèves de 50 nationalités différentes sur ses campus d'Écully et de Saint-Étienne (ENISE, école interne) : ingénieurs généralistes, ingénieurs de spécialités, masters et doctorants. Avec le Groupe des Écoles Centrale, elle dispose de 3 implantations à l’international. La formation dispensée bénéficie de l’excellence de la recherche des 6 laboratoires labellisés CNRS présents sur ses campus, des 2 laboratoires à l’international, des 6 réseaux de recherche internationaux et des 10 laboratoires communs avec des entreprises. Sa recherche d’excellence et son enseignement de très haut niveau lui permettent de nouer des accords de doubles diplômes avec des universités prestigieuses et des partenariats de pointe avec de nombreuses entreprises. Autour des thématiques de sobriété, d’énergie, d’environnement et de décarbonation, Centrale Lyon entend répondre aux

problématiques des acteurs socio-économiques sur les grandes transitions.

Les grands challenges technologiques de la lutte contre le réchauffement climatique sont de concevoir des solutions de production d’électricité et de

stockage saisonnier de l’énergie durables, sures, efficaces et économiques. Dans ce contexte, le projet EOLOHC financé par l’institut Carnot Ingénierie@Lyon rassemble les compétences de 4 laboratoires lyonnais (LMFA, Ampère, CETHIL, LAGEPP). Ce projet vise à associer des solutions de production d’énergie décentralisées, ici en particulier les petites éoliennes à axe vertical, à une production d’hydrogène qui peut être stockée sur des temps longs grâce à des liquides organiques porteurs d’hydrogène (LOHC) pour être utilisée ultérieurement. Dans le cadre du projet EOLOHC, les laboratoires Ampère et LMFA collaborent sur la modélisation l’optimisation globale du sous-système éolien, incluant les performances aérodynamiques, la conversion électrique et le contrôle commande, à partir de scénarios de vents annuels.

La production éolienne actuelle repose principalement sur le développement de sites de production concentrée (champs éoliens) intégrant des machines de fortes puissance (et donc de grandes dimensions) qui suscitent une forte résistance des populations. Dans le contexte d’une production locale avec des machines de plus faible puissance (et donc de petites dimensions), les éoliennes à axe vertical (ou VAWT pour Vertical Axis Wind Turbine) sont une alternative intéressante aux éoliennes classiques à axe horizontal. Bien que leurs performances soient à priori moins bonnes que celles des éoliennes à axe horizontal, elles présentent néanmoins des avantages quant à leur intégration à petite échelle en environnement urbain. Notamment, ces éoliennes ne nécessitent pas d’être orientées face au vent, conservent de bonnes performances en présence d’écoulement turbulents et peuvent continuer de produire par vent fort.

Le projet s’intéresse à la modélisation et l’optimisation de la production électrique d’une petite éolienne à axe vertical. Le sujet de ces travaux de thèse étant multidisciplinaire, un travail important de bibliographie devra être réalisé sur les aspects de performances aérodynamiques des éoliennes à axe vertical, de conversion d’énergie, de contrôle commande, ainsi que sur les méthodes d’apprentissage pour la modélisation de systèmes physiques.

Un modèle dynamique des performances aérodynamiques d’une petite éolienne verticale soumis à un scénario de vent (annuel) sera alors développé. A partir de l’étude bibliographique, un ensemble de paramètres d’intérêt d’une éolienne à axe vertical sera défini. L’espace des paramètres choisi sera alors étudié expérimentalement en fabricant un ensemble d’éoliennes à échelle réduite, qui seront testées en soufflerie sur une gamme de vitesse de vent permettant la remise à l’échelle grâce à des lois de similitude. Cette base de données expérimentale viendra par la suite alimenter une méthode d’apprentissage supervisée ou non (à définir à partir de l’étude bibliographique) permettant une optimisation automatique de l’éolienne et de sa chaîne de conversion mécanoélectrique (voir paragraphe suivant) pour un scénario de vent choisi.

Parallèlement, un modèle dynamique de la conversion électromécanique sera développé afin de permettre une optimisation du choix (voire du design) de la génératrice associée à son convertisseur d’électronique de puissance et son contrôle commande à partir de scénarios de puissance mécanique délivrable par l’éolienne. Cette modélisation reposera elle aussi sur l’utilisation de méthodes d’apprentissage, mais alimentée ici par une base de données numérique. Cette base de données sera construite à partir de l’utilisation de modèles, dans un premier temps extensifs de type circuits électriques associés à des algorithmes de contrôle commande. Suivant les temps de calcul obtenus, des techniques de compression de modèles seront utilisées afin de pouvoir générer assez de données en un temps acceptable pour un apprentissage au sein de l’espace des solutions engendrées. 

Ces deux modèles seront alors mis en œuvre dans un modèle dynamique global, permettant une optimisation d’ensemble de l’éolienne soumise à un scénario de vent choisi. L’enjeu est d’être en mesure d’avoir une méthodologie et un outil d’optimisation au niveau système qui soit assez versatile pour envisager à terme des optimisations plus complexes (tel que l’association de plusieurs éoliennes) 

Diplômes : Master ou équivalent

Expérience : Aucune

Connaissances requises : Candidat de niveau Master ou équivalent issu d’une formation généraliste ou axée sur la production d’énergie avec un

caractère multidisciplinaire incluant des aspects de mécanique des fluides (aérodynamisme) et de conversion d’énergie électrique (conversion

électromécanique, électronique de puissance et contrôle commande).

Le candidat a un intérêt pour la modélisation, la conception, ainsi que le travail expérimental.

Calendrier du recrutement : jusqu’au 01/10/2024

Date de prise de poste : Novembre 2024 au plus tôt