Brevet FR2289769A1 — publié le 19760528

La présente invention concerne une éolienne à axe vertical avec dispositif de régulation pour récupération d'énergie électrique. Les éoliennes connues depuis fort longtemps, se font à axe horizontal et ont pour principaux inconvénients - leur aspect généralement inesthétique, - des difficultés de régulation pour la récupération d'énergie électri que, - le manque de puissance par vent faible. Le dispositif suivant l'invention,vise à obtenir les résultats suivants - possibilité de généralisation sans inconvénient esthétique, même au niveau du pavillon, - récupération d'une puissance non négligeable par vent faible, de l'ordre de 3 m/s, - possibilité d'incorporation dans un pavillon, d'un appareil capable de satisfaire à la totalité des besoins en électricité et en chauffage, - réalisation d'usines de production électrique de grande puissance. Les moyens mis en oeuvre comprennent plusieurs dispositifs que nous énumérons ci-dessous, afin de clarifier les explications ultérieures - éolienne à axe vertical comprenant plusieurs pales à orientation varias ble en marche, - utilisation d'une pale particulière constituée d'une aile à laquelle on adjoint un système hypersustentateur, - orientation de 1 1éolienne par une girouette pilote conitiandant un mo teur électrique de positionnement, - utilisation d'un convergent pour augmenter la vitesse du vent au ni veau du rotor, - régulation de la puissance de 1 1éolienne par rotation par rapport à la direction du vent, - régulation de la vitesse de rotation du rotor en fonction de la vites se du vent, - transmission du mouvement de rotation de éolienne aux génératrices par deux coupleurs hydrauliques à remplissage variable, montés en série permettant de maintenir stable la vitesse de sortie, - montage à la suite des coupleurs, et sur le même axe d'une génératrice à courant continu et d'un alternateur, - possibilité d'utiliser la génératrice à courant continu en moteur à courant continu, - utilisation d'une série d'accumulateurs électriques. Ces accumulateurs seront raccordés par un combinateur à deux séries de bornes. L'une des séries de bornes mettra les accumulateurs en contact avec le circuit induit de la génératrice à courant continu; 1 autre série de bornes mettra les accumulateurs en contact avec l'inducteur de la génératrice. La génératrice et le moteur étant le même appareil fonc tionnant alternativement dans 1 l'une ou l'autre des deux configarations. Les accumulateurs seront répartis par le combinateur en deux groupes fournissant des tensions adéquat aux deux types de circuit. Le com binateur commandé par une horloge, assurera une rotation continue des accumulateurs entre ces deux positions. Les dispositifs énumérés ci-dessus ainsi que les équipements de régulation décrits par la suite sont cumulés pour aboutir au résultat cherché. Cependant, étant donné leur originalité propre, chacun de ces dispositifs et des équipements de régulation peut être utilisé, seul ou conjugué, pour l:ex ploitation d'une éolienne d1un autre type tout en restant dans le cadre de la présente invention. Afin de fournir une explication claire du fonctionnement de 11 ensemble, nous allons procéder par les étapes suivantes - 11 éolienne proprement dite, - la transmission du mouvement, - ltaccumulation et la production énergie électrique, - la régulation. éolienne proprement dite comporte un cadre en profilé (a)- fig. 1 établi autour dtun axe (b). L'ensemble repose sur un support (c) par linter- médiaire de galets de roulement (d). Le mouvement de rotation est transmis à l'axe horizontal (e) par llintermédiaire d1un système d'engrenage classique tel que (f), (g) et (h). Lteffort du vent s'exerce sur les pales (i). Chaque pale comporte un axe (m) libre dans deux alésages de support (j) qui sont solidaires du bâti (a). Sur la figure, ltéchelle n1est pas respectée, nous avons intentionnellement disproportionné les mécanismes. Les plateaux (1) et (k) sont fixes. Le plateau (k) comporte un engrenage conique (n). L'axe (m) est surmonté dtun oXgwe- nage conique (p). Les engrenages (n) et (p) sont reliés par un axe (o) avec deux engrenages. Les engrenages de l'axe (o) combinés à (n) et (p) sont tels que lorsque le bâti fait un tour la pale (i) fait un demi-tour. I1 en résulte qutau cours dtune rotation du-bati chaque pale prend successivement les différentes positions indiquées sur la figure 2. Vr est la vitesse relative du vent par rapport à la pale. Chaque pale est une aile à laquelle le vent imprime deux efforts Cx et Cz. La résultante de ces deux efforts (R) a une projection Cr sur la direction de la vitesse ins tantanée de la pale. C'est cet effort qui entraîne la pale. LJintérAet de la ro- station de la pale réside dans le mainti-ert de Cr toujours dans le même sens de rotation sauf au vosinage du point 0 où Cr est obligatoirement négatif. Cependant dans la position (0) l'effort Cr est à son mininnul. Ce système présente les caractéristiques essentielles suivantes - pour une vitesse de vent donné Vo il existe une vitesse de rotation du rotor wo pour laquelle la puissance fournie est maximum.La relation wo = f (Vo) est linéaire. - Lorsque l'on dépasse la vitesse qtimum wo la puissance fournie diminue très rapidement. - Sur la figure 2 on appelll'angle formé par la vitesse du vent Vo et l'axe oy de référence de la rotation des pales. Quelle que soit la vitesse du vent la puissance est maxi pour o( = 0. Si &alpha; augmente, la puissance diminue et devient négative, ce qui freine le rotor. La puis sance slannule pour 90 et wo = 0. Il est évident que nous avons intérêt à disposer de réactions Cz maximum aux incidences faibles et Cx maxi aux incidences élevées. C'est la raison pour laquelle nous-incorporons les systèmes hypersustentateurs. Dans le cadre de la présente invention, tous les ystèmes hypersustentateurs peuvent être utilisés. A titre d'exemple de réalisation, nous avons retenu le système de A. FAVRE qui présente un intérêt particulier. Le système de FAVRE est connu depuis 1938 ; cependant, l'adaptation particulière que nous en faisons dans ce qui suit entre dans le cadre de la présente invention. Le système hypersustentateur de FAVRE consistait à mettre une courroie mobile sur une partie de I'extrados de l'aile. Dans le système que nous utilisons, l'aile se trouve en position inversée à chaque tour du bâti. Aussi, il est nécessaire que l'aile soit parfaitement symétrique. Dans ce but, nous utilisons une aile dont l'enveloppe complète est constituée d'une toile mobile (r). Cette toile est maintenue en forme par les éléments suivants : fig. 3, 4 et 5. - un rouleau d'entraînement (s), - un rouleau tendeur (t) dont la tension est assurée par des ressorts agissant à chaque extrémité sur l'aie du rouleau, - un ensemble de rouleaux accouplés (u) dont les différents écartements sont prévus pour donner à l'sile une forme aérodynamique Chaque couple de rouleaux (u) est maintenu par un support (v). Le support (v) est mobile, perpendiculairement à l'axe de l'aile dans une lumière pratiquée dans chaque plaque d'extrémité (w). Les plaques (w) constituent llar- mature de l'aile. Les d t axes d'entraînement (spi) sont solidaires de ces pla- ques.Ces dispositions permettent une déformation de l'aile sous l'effort du vent et améliorent la répartition des efforts Cx et Cz dans les différentes positions de l'aile par rapport au vent. La mise en rotation de la toile est assurée par un moteur électrique (x). L'alimentation du moteur (x) est assurée par des balais tournant avec l'aile et prenant le courant sur une plaque solidaire du bâti (a) à contacts répartis sur deux cercles concentriques suivant la figure 6. La répartition de ces contacts constitue des réhostats qui assurent une variation de la vitesse de la courroie en fonction de la position de l'aile ainsi que l'inversion du sens de rotation. Un dispositif complémentaire à inertie (y) figure 1, calé sur l'axe (b) assure parallèlement une variation de la vitesse de la courroie en fonction de la vitesse de rotation du bâti.En effet, ce dispositif comporte un réhostat sur lequel le contacteur matérialisé par une masselotte se déplace en fonction de la vitesse de rotation. Le positionnement de l'éolienne par rapport à la direction du vent est assuré par une girouette pilote suivant la figure 7. Le plateau (M) est solidaire du plateau (1). Par les engrenages (n), (p) et l'axe (o) la position des axes ox et oy de la figure 3 est solidaire de l'ensemble (1) et (k). Le bras (C) est solidaire de l'axe de la girouette. Lorsque le vent fait tourner la girouette dans un sens ou dans l'autre, le bras (C) vient pousser l'un des contacts (B). Ces contacts mettent en marche dans un sens ou dans l'autre le moteur qui entraîne la vis sans fin (E) et fait tourner les plateaux (1) et (k) et par conséquent les axes de référence ox et oy. La réduction de puissance se fait par l'action du vérin à double effet (F) figure 12. En effet, ce vérin décale l'un par rapport à l'autre les plateaux (1) et (k); il crée donc un angle variable entre la vitesse du vent et les axes de référence ox et oy. Le convergent destiné à accélérer la vitesse du vent se réalisera de deux façons, suivant la puissance de ltéolienne. Pour les petites éoliennes individuelles, l'e rotor sera incorporé dans la toiture suivant figure 9. Dans ce cas, la seconde partie de toiture couvrant 1 éolienne sera largement débordante et 1 lton profite ainsi de la forme naturel- le de la toiture inférieure pour créer un convergent. Pour les grosses installations, le convergent sera réalisé par deux flasques verticaux profilés suivant les figures 10 et 11. Dans ce cas, Irenselp ble des deux flasques doit être entraîné en rotation en même temps que le plateau (i) des figures 1 et 2. La transmission du mouvement est assurée par un dispositif représenté schématiquement sur la figure 8. Le mouvement arrive par l'axe (L) qui est entraîné par le rotor au moyen d'une série d'engrenages. Le mouvement de (L) est transmis à l'axe (H) par l'intermédiaire d'un coupleur hydraulique à rem plissage variable (cl). La vitesse de rotation de (H) sera donc différente de celle de (L). LTaxe tH) transmet son mouvement à l'axe (S) par l'intermédiaire d1un deuxième coupleur hydraulique à remplissage variable. La vitesse de rotation de (S) sera donc également différente de celle de (H).Sur le meme axe (S) on trouve d1une part une génératrice à courant continu (G) et un alternateur (A). a cascade des deux coupleurs hydrauliques et leur régulation permet de maintenir la vitesse de rotation de (S) constante. Ainsi, la génératrice fournira un courant continu de tension constante, et 11 alternateur fournira un courant alternatif de tension et fréquence constantes. L'alternateur est destiné à fournir le courant vers l'alimentation du réseau d'utilisation, tandis que la génératrice fournie un courant destiné au stockage. Lorsque le couple fourni par arbre (S) est insuffisant compte tenu de la puissance absorbée par lXalternateur, la génératrice est permutée en moteur alimenté par les accumulateurs. Dans ce eas, énergie fournie à l'alternateur provient des accumulateurs. Les accumulateurs ou groupes d'accumulateurs seront répartis en deux secteurs par un combinateur commandé par horloge comme il est dit précédemment. Chaque secteur comportera plusieurs groupes d'accumulateurs raccordés suivant un schéma mixte parallèle et série en fonction de la puissance et de la destination propre de l'éolienne. Un réhostat r2 sur le circuit inducteur, commandé directement par ltqntensité I prise sur le réseau au moyen d1un solénoide,permettra de diminuer la force électro-motrice de la génératrice, donc la puissance fournie aux accumulateurs lorsque la puissance fournie au réseau augmentera. Un réhostatrl sur le circuit induit permettra de faire varier la puissance fournie au moteur électrique par les accumulateurs. Le combinateur pourra autre réalisé soit par un arbre à came commandant une série de ruais, soit par un plateau tournant avec répartition de contact permettant les changements de positions des groupes d'accumulateurs. La régulation de 11 ensemble comprend trois aspects particuliers : - régulation de la vitesse de rotation du rotor de lJéolienne, - régulation de la vitesse de rotation de 11 alternateur, - régulation de la puissance. Nous avons vu précédemment que la vitesse optimum du rotor est une fonction linéaire de la vitesse du vent. Il suffit de placer entre lesux grandeurs un régulateur établissant cette fonction linéaire. La grandeur variable sera la vitesse du vent prise par un anémomètre, la grandeur régulée sera la vitesse de rotation de l'arbre (L) prise par un tachimètre (T1) sur le coupleur Ct. Ce genre de régulateur est actuellement utilisé couramment en chauffage pour réguler la température de départ d'eau chaude en fonction de la température extérieure par action sur une vanne à trois voies. La régulation de la vitesse constante de l'alternateur steffectuera au moyen du deuxième coupleur hydraulique à remplissage variable C2.Un tachimètre T3 controlera la vitesse de rotation de 11 arbre (s) et agira soit en remplissage, soit en vidage du coupleur C2. En ce qui concerne la régulation de puissance, il y a lieu d'enrisager deux cas : - entrainement des génératrices par 11 éolienne avec charge des accumula teurs, - entrairiement de l'alternateur par le moteur à courant continu avec dé charge des accumulateurs. L'étant de la puissance disponible par rapport à la puissance fournie est représenté par la vitesse de rotation de 11 arbre intermédiaire (H). Cette vitesse est prise au tachimètre T2 sur le coupleur C2. Lorsque les deux génératrices sont entraSnées par 11 éolienne, une variation de T2 entraxe par commande électrique une variation du réhostat r2 qui modifie la force électromotrice fournie sur la charge des accumulateurs. Le réhostat r2 pourra donc être influencé simul ténement par T2 et par I.Lorsque l'on a T2 / T3 l'éolienne ne fournie plus de puissance et 12 alternateur est entratné. uniquement par le moteur à courant continu, le coupleur C2 se vide complètement. Dans ce cas, la variation d'intensité I prise sur le réseau entraîne en cascade une variation du réhostat rl qui modifie l'intensité d'alimentation du moteur puis une variation du réhostat r2 qui modifie l'intensité d'excitation du moteur. Si T2 remonte, dès que T2 > T3 le coupleur C2 se remplit. Il existe un régime intermédiare pour lequel on a T2 > T3 avec une puissance disponible insuffisante par rapport à la puissance prise par l'alternateur. Dans ce cas, ltalternateur est entraîné à la fois par l'éolienne et par le moteur à courant continu. Dans cette configuration T2 agit nonplus sur r2 mais sur rl. Cette action en réduisant l'intensité fournie au moteur, réduit la puissance fournie par le moteur lorsque la puissance de éolienne augmente. Il arrive donc un moment où la force contre électromotrice du moteur devient supérieure à la tension (U) fournie aux bornes par les accumulateurs, le courant s'inverse et appareil fonctionne en génératrice à courant continu en charge sur les accumulateurs.L'inversion du courant entraîne, par un relais, le passage de l'action T2 sur rl à l'action T2 sur r2. Lorsque T2 diminue, le phénomène inverse se produit. Par vent fort, il est possible que la puissance disponible dépasse la somme des puissances prises sur le réseau et sur la charge des accumulateurs. Ce cas est détecté lorsque r2 est au minimum, 'est-à-dire que la force électromotrice de la génératrice est maximum. Si dans ce cas T2 augmente encore la commande de T2 agira sur le vérin (F) qui, par augmentation de l'angle diminuera la puissance fournie par ltéolienne. L'énergie perdue par le glissement des coupleurs hydrauliques élève la température de l'huile. Cette énergie est récupérée sous forme de chaleur par deux circuits d'huile réchauffant un réservoir d'eau (T). Cette eau chaude pourra être utilisée en hiver au chauffage des locaux. Les résultats que l'on peut attendre de tels appareils sont les suivants: 10 - Pour l'installation particulière de pavillon un rotor de 6 m de diamètre et de 1,5 m de haut figure 9 placé dans une région rela tivement défavorisée telle que la Touraine aura les caractéristi ques suivantes : .puissance nominale avec un vent de 10,5 m/s : 12 KW .production annuelle : 20 500 KWH 20 - Usine de puissance moyenne dont l'encombrement serait d'environ 60 mètres de diamètre et 60 mètres de haut figures 10 et 11. .puissance nominale : 28 000 KW par un vent de is m/s .production annuelle suivant ltemplacement - Touraine ............... 9,5 millions de KWH - Perpignan ............ 24 " - Cap de la Heve ...,... 34,6 " n Ces résultats théoriques ne tiennent pas compte du rendement de la transmission. Cependant, compte tenu de la récupération sous forme dteau chaude d'une grande partie des pertes, on peut estimer que ce rendement sera largement supérieur à 0,9. REVENDICATIONS 1 - Equipement de récupération de l'énergie du vent caractérisé par le fait qu'il comporte : une éolienne à axe vertical ; un système de transforma- tion du mouvement de ltéôlienne en mouvement de rotation à vitesse cons tante ; un équipement de stockage. 2 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que ltéblienne comporte des pales dont l'orientation est variable au cours d'une rotation du rotor. 3 - Dispositif selon la revendication 2 caractérisé par le fait que l'orien- tation des pales est assurée à partir d'ur plateau fixe par un arbre et deux jeux d'engrenages coniques. 4 - Dispositif selon la revendication 2 caractérisé par le fait que l'axe de référence de la rotation des pales est orienté par rapport au vent au moyen d'une girouette pilote. 5 - Dispositif selon la revendication 4 caractérisé par le fait que la gi rouette pilote en tournant enclanche un contact électrique dans un sens ou dans 1 'autre. Ce contact électrique commande la rotation dans un sens ou dans l'autre des axes de référence par entraineient du plateau mention né en 3. 6 - Dispositif selon la revendication 4 caractérisé par le fait que la réduc tion de puissance se fait en décalant l'axe de référence de la rotation des pales par rapport à la direction du vent. 7 - Dispositif selon la revendication 6 caractérisé par le fait que le déca lage s'effectue au moyen d'un cylindre à piston à double effet qui décale entre eux deux plateaux ou deux bras ayant le même axe. 8 - Dispositif selon la revendication 4 caractérisé par le fait que les oscil lations de la girouette sont réduites par un amortisseur hydraulique clas sique. 9 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les pales de I'éalienne ont la forme d'une aile équipée d'un système hypersustenta teur. 10 - Dispositif selon la revendication 9 caractérisé par le fait que l'on uti lise un système hypersustentateur inspiré de celui de A. FAVRE dans lequel l'enveloppe complète de toile est constituée d'une toile mobile en rota tion. 11 - Dispositif selon la revendication 10 caractérisé par le fait que llenve loppe est maintenue par un rouleau entraîneur, un rouleau tendeur et une série de rouleaux intermédiaires donnant à l'aile son profil aérodynamique. 12 - Dispositif selon la revendication 9 caractérisé par le fait que le profil de l'aile est modifiable en marche. 13 - Dispositif selon les revendications il et 12 caractérisé par le fait que le profil se modifie par déplacement des rouleaux intermédiaires qui sont mo biles dans un sens perpendiculaire au plan de l'aile. 14 - Dispositif selon la revendication Il caractérisé par le fait que le rou lenu entraîneur est actionné par un acteur dont la vitesse vaie en fonc tion de la position de l'aile et de la vitesse du rotor. 15 - Dispositif selon la revendication 14 caractérisé par le fait que le o- teur prend son alimentation par des balais solidaires de l'aile sur une plaque solidaire du bâti du rotor. 16 - Dispositif selon la revendication 15 caractérisé par le fait que la pla que d'alimentation est divisée en quatre secteurs dont chacun constitue un réhostat avec inversion de sens du courant tous les 900. 17 - Dispositif selon les revendications 14 et 11 caractérisé par le fait que l'alimentation du moteur du rouleau d' entrainement passe par un réhostat à inertie enté sur l'axe du rotor. 18 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que la vi- tesse du vent au niveau de I'éôlienne est augmentée par utilisation d'un convergent. 19 - Dispositif selon la revendication 19 caractérisé par le fait que le con vergent est constitué par la forme de la toiture tronquée d'un pavillon à laquelle on superpose une deuxième partie de toiture largement débor dante par rapport au sonnet de la toiture inférieure. 20 - Dispositif selon la revendication 18 caractérisé par le fait que le con vergent est constitué de deux flasques profilés situés de part et d'autre du rotor et s 'orientent par le rêrre système de commande que le rotor. 21 - Dispositif selon la revendication t caractérisé par le fait que la trans formation du iouveient de 1 'éolienne en mouvement de rotation à vitesse constante est assurée par utilisation de deux coupleurs hvdrauliques à reiplissage variable montés en série. 22 - Dispositif selon la revendication 21 caractérisé par le fait que le pre rieur coupleur est utilisé pour établir par rerplissage variable une re lation entre la grandeur génératrice de la puissance e la vitesse de ro tation optimum de l'arbre primaire. 23 - Dispositif selon la revendication 22 caractérisé par le fait que la grandeur génératrice de la puissance sera la vitesse du vent prise par un anémomètre ou une prise de pression dynastique. 24 - Dispositif selon la revendication 21 caractérisé par le fait que la vi tesse de rotation de l'arbre final sera régulée par remplissage variable du second coupleur au moyen d'une prise tachinètrique sur l'arbre final. 25 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le stoc kage sera réalisé par le montage sur un même axe d'une génératrice à cou rant continu et d'un alternateur. 26 - Dispositif selon les revendications 2 et 21 caractérisé par le fait que la puissance dirigée vers l'accumulation est régulée parallèlement par l'intensité débitée à l'alternateur et par la vitesse de rotation de l'ar bre intermédiaire entre les deux coupleurs. 27 - Dispositif selon les revendications 21 et 25 caractérisé par le fait que la puissance fournie à ltalternateur provient soit des accumulateurs soit de ensemble accumulateurs et arbre primaire en utilisant la géné ratrice à courant continu comme moteur à courant continu. 28 - Dispositif selon la revendication 25 caractérisé par le fait que l'ac- cumulation se compose de deux ensembles d'accumulateurs dont les élé mentis ou groupe d'éléments de chacun seront raccordés selon des dispo sitifs mixtes parallèles et séries, l'un des groupes étant raccordé à l'induit et l'autre à l'inducteur de la génératrice ou du moteur à cou rant continu. 29 - Dispositif selon la revendication 28 caractérisé par le fait que les élé ments ou groupes d'éléments passeront successivement d'un ensemble à l'au tre au moyen d'un combinateur commandé par une horloge. 30 - Dispositif selon la revendication 28 caractérisé par le fait que les en sembles d'accumulateurs seront raccordés à l'induit et à l'inducteur par deux réhostats. 31 - Dispositif selon les reveldications 27 et 30 caractérisé par le fait que les réhostats seront commandés simultanément par l'intensité débitée sur le réseau et par la vitesse de rotation de l'arbre intermédiaire entre les coupleurs. 32 - Dispositif selon la revendication 21 caractérisé par le fait que l'ensem- ble des deux coupleurs peut être remplacé en solution variante par un en semble comprenant une pompe entrainée par le rotor de ltéôlienne et une turbine entraînée par le fluide pulsé par la pompe ; laquelle turbine en traînera l'arbre final.