Brevet FR2286956A1 — publié le 19760430

Le problème le relus impérieux qui. se pose quant i @exploitation de l'énergie du vent réside dans les variations incessantes qui le caractérisent et surtout danq ses carences parfois prolongées. Que ce soit pour faire fonctionner une pompe ou une dynamo ou toute autre chose,une éolienne ne dispense jamais avec exactitude dans le temps et en quantité l'énergie que l'on souhaite obtenir.De plus de tels appareils consommateurs d'énergie sont conçus pour être entrainés à une certaine vitesse,la quelle est très souvent sinon constante,pour le moins comprise entre un seuil minimum et un seuil maximum, Par vent léger la puissance est insuffisante pour entraîner l'éolienne et son appareil récepteur. Par vent trop fort,on fait en sorte que ltéo- lienne se mette"en drapeau"d'elle même par construction,pour ne pas endommager l'appareil récepteur qui tournerait alors beaucoup trop vite. Dans les deux cas il y a gaspillage de l'énergie disponible par son inutilisation,ce qui est d'autant plus déplorable et contradictoire que quand le vent cesse on n'a plus d'énergie et ce pendant un temps indéterminé,alors que l'on en a tout autant besoin. L'invention vise à éliminer au mieux ces inconvénients. Elle permet notamment de tirer le meilleur parti possible de la force du vent en dépit de ses variations et à tous ses régimes et de transformer l'énergie reçue en vue de sa temporisation (ou mise en attente) et de son utilisation ultérieure bien adaptée au besoin. L'invention est composée de deux dispositifs d'ensemble Â et B (voir figures 1 , 2 et 3), dont les fonctions et les performances sont étroitement liées par construction. Le dispositif A est un variateur automatique de vitesse dont l'arbre d'entrée ( m ) est relié à l'arbre moteur de l'éolienne et l'arbre de sortie ( n ) est relié au dispositif B. Ce variateur de vitesse est conçu de manière à obtenir une gamme de multiplication(ou de démultiplication) très étendue et très progressive de la vitesse de rotation initiale de l'arbre de l'éolienne. Le dispositif B est un appareil conçu pour recevoir de l'énergie cinétique à puissance variable,transformer cette énergie cinétique en énergie potentielle, la temporiser et la restituer par intermittence et selon le cas soit en puissance constante,soit en puissance variable adaptée au besoin. Suivant l'une des réalisations de l'invention,le--variateur automatique de vitesse A est constitué par deux troncs de cône identiques ( c ) et ( d ) dont les axes sont fixés parallélement et de maniere à ce que la petite base de l'un soit dans le même plan que la grande base de l'autre et inversement.( fig. 1 ). L'axe de l'un des troncs de cône,par exemple ( c ) constitue l'arbre d'entrée du variateur ; il est relié en ( m ) à l'arbre de l'éolienne. t'aie de l'autre (d ) constitue l'arbre de sortie et est relié en ( n ) au dispositif B.Un organe de transmission ( e ),chaine, courroie ou autre,relie les deux troncs de cône extérieurement,transmettant le mouvement de rotation de ( c ) à ( d ) d'une manière plus ou moins multipliée ou démul tipliée selon sa position latérale. Cette position latérale est commandée automatique. ment par un mécanisme électro-pneumatique ou autre selon un programme établi. Elle varie entre les deux plans des bases des troncs de cane et toujours parallélement 2 ceux-ci. Suivant une réalisation de l'invention,le dispositif B transforme l'énergie cinétique recue en énergie potentielle par élévation de niveau d'une certaine masse, laquelle énergie sera restituée ultérieurement par la chute de la dite masse jusqu'à son niveau d'origine. Selon une réalisation particulière , illustrée par la figure 1,la dite masse est constituée par un liouide,par exemple de l'eau. L'ensemble B est constitué alors de deux bacs à eau ( f ) et ( g ),l'un en bas du dispositif@et l'autre en haut. Ces deux bacs sont reliés par un conduit vertical ( h ) lequel comporte a' sa partie supérieure une vanne (i ) et à sa partie inférieure yne turbine hydraulieue ( j ) et par exemple une dynamo ou un alternateur ( k ). Une cubaine à godets ( 1 ) actionnée toujours dans le même sens par l'arbre de sortie (n ) du régulateur A ,puise l'eau du bac ( f ) pour ia déverser en haut de course dans le bac ( g ).Le niveau maximum (p1) de ( f ) correspond au niveau minimum (q1) de ( g ) et le niveau minimum (p2) de ( f ) correspond au niveau maximum (a2) de ( g ). Lorsque l'eau atteint dans le bac supérieur ( g ) le niveau maximum (q2),la vanne ( i ) s'ouvre automatiouement au moyen d'un mécanisme à flotteur ( r ) et l'eau accumulée en ( g ) retombe en ( f ) par le conduit ( h ) faisant fonctionner par sa chute la turbine ( j ) et la dynamo ( k !. La puissance de la chute est constante pendant toute la durée de vidange du bac ( g ) ;elle est fonction de la hauteur de chute d'une part et du débit d'autre part,c'est à dire du diamètre du conduit. Il est à noter que pendant tout le temps que dure la chute de l'eau de ( g ) vers ( f ) l'élévation d'eau de ( f ) vers ( g )par la chaine à godets se poursuit sans discontinuer,pour autant @@e le vent souffle et que l'éolienne tourne évidemment. Les calculs de construction doivent être élaborés de façon très circo@specte de ma @ière à tirer parti au maximum des possibilités de l'éolienne qu'il s'agit d'éguiper: L'ensemble des données suivantes: hauteur d'élévation,capacité et nombre de godets, sera déterminé par la puissance maximale escomptable, laquelle est fonction de la vitesse de rotation maximum de l'arbre de sortie ( n ) du variateur à plein régime de l'éolienne, selon les pointes de vitesse maximum nossibles du vent au site considéré. T.s construction du variateur sera quant P elle conditionnée par cette vitesse de rotation maximale désirée à la sortie,mais par rapport à la vitesse correspondante de l'arbre de l'@olienne,la démultiplication à partir de ce maximum étant conçue de manière à ce que l'on ait une plage la plus étendue possible de charges applicables à l'arbre de l'éolienne : A charge minimale,c'est à dire l'organe de transmission (e) étant en position extrême droite,l'éolienne doit pouvoir démarrer au moindre souffle de vent,faisant monter la chaine à godets d'une vitesse à peine perceptible. La conception des bacs de rétention et du dispositif de chut d'eau (diamètre du con duit,puissance de la turbine,ete.) sera par contre fonction de l'utilisation de l'é- nergie produite, c'est à dire surtout de la puissance désirée et de la fréquence d'u- tilisation de l'énergie emmagasinée. Cette construction peut entre réduite à un strict minimum lorsoue la transformation désirée de l'énergie est provisoire et qu'il ne s'agit que de normaliser la puissance obtenue en vue de la production intermittente de courant électriaue,par exemple pour fabriquer de l'hydrogène par électrolyse,l'hydrogène étant dans ce cas le mode de stockage final de l'énergie produite par li éolienne. Il est à noter enfin en ce qui concerne le variateur de vitesse que la program- mation de sa commande automatique est établie expérimentalement sur toute la gamme de vitesses du vent, de façon que l'éolienne fournisse toujours la puissance maximum à l'arbre. Suivant une autre réalisation particulière de l'invention,la transformation d'énergie par élévation de masse est obtenue par l'élévation alternée de deux masses solides identiques,comme indiqué sur la figure 2. Le mouvement vertical de ces deux masses ( x ) et ( y ) est guidé par un poteau ( c ). Les deux masses sont reliées individuellement par des systèmes de transmission,d'une part à l'arbre ( n ) du variateur de vitesse,lequel fournit la force motrice comme précédemment, et d'autre part à un appareil récepteur d'énergie,une dynamo ( e ) par exemple,à laquelle l'é- nergie potentielle est restituée.Le mouvement de rotation du variateur fait monter alternativement les masses ( x ) et ( y ) le long du poteau ( c ),depuis le niveau inférieur ( f ) jusqu'au niveau supérieur ( g ),et ce plus ou moins rapidement selon la puissance fournie par l'éolienne. lorsque la masse montante atteint le niveau (g) un contacteur électrique ( p ) transmet l'ordre de permutation de la force motrice à l'autre masse. Cette permutation s'effectue instantanément au moyen d'un système automatique ( h ) d'embrayage et de débrayage simultanés à double effet commandé par servo-mécanisme électro-pneumati@ue ou autre.Ainsi à l'instant meme où l'une des masses termine son ascencion,l'autre la commence sans qu'il y ait la moindre inter- ruption dans la transmission de la force motrice produite. L'énergie potentielle ainsi acculée par élévation de la masse va être alors restituée en puissance constante par la chute de celle-ci vers son point de départ entrainant la dynamo ( e ) ou autre organe de réception. Dès la fin de la course descendante de la masse en question, le système de trans mission ( i ),assez semblable au précédent et commandé par le contacteur électrique (q ),va découpler automatiquement l'organe de réception pour le counler à l'autre masse en vue de sa chute ultérieure ,et ainsi de site. Sur la figure 2,le système fonctionne à un régime moyen étant donnée la position du variateur. L'organe de transmission ( h ) relie l'arbre ( n ? du variateur à la masse ( x ) laquelle vient tout juste d'amorcer sa phase montante. L'organe de transmission ( i ) relie quant N lui la dynamo ( e ) à la masse ( v 5 laquelle se treuve déjà au milieu de sa course de chute. L'appareil doit être conçu et taré de manière ale la vitesse ascencionnelle ma@imum des masses reste inférieure à leur vitesse de chute, de manière à ce qu'il y ait toujours une masse prête à monter avant que l'au tre ne soit arrivée en haut de course. Suivant une autre réalisation toute différente de l'invention,le dispositif B transforme l'énergie cinéti@ue recue en énergie notentielle par élévation de pression d'un fluide gazeux dans un réservoir, l'énergie accumulée étant ultérieurement restituée par utilisation de la détente de ce gaz. Il s'agira ici de l'air comprimé puisque l'application en est la plus pratique. Suivant une réalisation particulière de ce principe, illustrée sur la figure 3, le dispositif B étant ici le seul à être représenté comprend essentiellement un compresseur ( c1 ) acti@nné par l'arbre de sortie ( n ) du variateur A nor renrésenté, et dont les deux phases aspiration ( i ) et refoulement ( j ) sont reliées indirectement N un réservoir principal de stockage d'air comprimé ( s Dans le cas de cette réalisation,le variateur de vitesse ne sert qu'à maintenir la vitesse de rotetion du comnresseur le plus voisine possible de sa constante pour laquelle il a été onstruit et à laquelle il travaille avec le meilleur rendement. Le variateur A est donc programmé en conséquense. Le principe de base du système consiste à faire travailler le compresseur ( ci ! en circuit fermé en faisant varier automatiquement et simultanément la pression d'air aussi bien à l'aspiration qu'au refoulement en fonction des variations de la puissance dis@onible à l'arbre. Le raisonpement est le suivant : Si par exemple le compresseur est construit selon un rapport de compression de 5 , il fournira beaucoup plus de travail donc nécessitera plus de puissance nour comprimer de l'air de 10 Kg/cm2 à 50 Kg/cm2 @ue de 3 @ 15 Kg/cm2.En conséquense,si on fait varier artificiellement la pression simultanément n l'aspiration et au refoulement du compresseur en fonction de la force du vent auquel l'éolienne est soumise,c'est b dire en fonction de la puissance disponible à l'arbre de sortie ( n ) du variateur, on peut par là même transformer l'énergie cinétique reçue en produisant de l'air comprimé dans de bonnes conditions de rendement,indépendamment des fluctuations de la puissance du vent. Le compresseur ( c1 ) est relié pour ce faire à divers réservoirs intermédiaires. ( Pour une meilleure interprétation ultérieure du croquis,les réservoirs où la nres- sion est maintenue constante sont représentés par des cercles,et ceux où la pression est variable sont représentés par des figures oblongues,). Soit x le rannont de compression du comPresseur ( cl ), y la pression maximum prévue au refoulement de celui-ci et z le rapport de la pression maximum à la pres- sion minimum, z ayant nécessairement la meme valeur à chacune des deux phases. La pression au refoulement,c'est N dire dans le réservoir ( g ) va varier artificiellement et automatiquement selon un programme établi,depuis un minimum y/z jusqu'à un maximum y , et l'on a y/z # P(g) # y . A chaque instant la pression à l'aspi ration,c'est à dire dans le réservoir ( f ) devra nécessairement avoir la valeur de celle de ( g ) divisée par le rapport de compression x , soit P(f) = P(g) et l'on aura y/xz # P(f) # y/x.Pour ce faire, les réservoirs ( f ) et ( g ) sont reliés par l'intermédiaire des vannes à contrôle automatique programmé { v1)( v2 ! ( v3 )et( v4 ),à deux autres réservoirs ( d ) et ( e ) dans lesquels les pressions seront maintenues aux valeurs constantes du maximum àu refoulement et du minimum à l'aspiration,à savoir P(d) = y et P(e) = x . Le contrôle permanent est assuré par un dispositif électronique ( k ) fonctionnant selon les les variations de puis- sance du vent et modifiant à souhait en conséquense les pressions en ( e ) et ( f ) seconde après seconde si besoin est.Ainsi à chaque instant si le vent augmente sa vitesse, les vannes ( v1 ) et ( v2 )pourront s1 ouvrir pendant un temps plus ou moins long pour nue les pressions en ( f ) et ( g ) atteignent leur valeur désirée. De même si ces pression doivent baisser lors d'une chute de vent,les vannes ( v3 )et ( v4 ) s'ouvrent à leur tour pendant un temps déterminé,pour que l'excès de pression en ( f ) et ( g ) puisse s'échapper vers ( e ). Les pressions P(d) et P(e) étant constantes,ainsi aune le rapport P(g)= #, les vannes ( vi ) et ( v2 ) d'une part seront toujours ouvertes simultanément et rendant le même temps ,ainsi que les vannes ( v7 ) et ( v4 ) d'autre part, condition que le rapport de leur ouverture respective soit adéquat,de m & e que le rapport de volume des réservoirs ( f ) et ( g y @@@que fois que la pression du réservoir ( e ) va excéder quelque peu sa valeur la vanne ( v5 ) va s'ouvrir automatiquement,mettant en marche la turbine à air com- primé ( tl ) et le compresseur de servitude ( c2 ),l'ensemble étant conçu par construction nour que ( c2 ) refoule dans le réservoir ( d ) et à la pression y,l'air qu'il aspire à la pression atmosphérique.La vanne ( v6 ) quant N elle,fixée sur le réservoir ( d ) a pour r81e de laisser évacuer vers le réservoir de stockage Princi- pal ( s ) la quantité d'air excédentaire en ( d ) chaque fois que la pression P(d) dépasse quelque peu la valeur y Avant chaque mise en service de l'appareil,les réservoirs ( d Y et ( e ) devront autre amorcés,c'est à dire gonflés à leur pression de service. Après un temps de fonctionnement plus ou moins long selon la nuissance du vent et la capacité de stockage du réservoir ( s ),celui-ci va voir peu à peu sa pression augmenter et tendre vers son maximum v .Il conviendra alors d'utiliser l'énergie potentielle contenue dans ce réservoir sous forme d'air comprimé, Cette énergie sera restituée sous forme d'énergie cinétique à la puissance désirée su moyen de la vanne ( v7 ) et de la turbine à air comprimé ( t2 ). En cas de non utilisation de cette réserve d'air comprimé en temps volllu,la soupape de sécurité ( v8 ) s'ouvrirait pour laisser s'échapper l'excès de pression,chaque fois que celle-ci dépasserait la valeur y ,afin de ne pas endommager le bon fonctionnement de tout le système. L'invention peut étendre considérablement le champ d'application et d'exploi tation rationnelle de l'énergie gratuite du vent. Elle peut être appliquée sous l'une ou l'autre de ses formes de réalisation,à quelque utilisation que ce soit,individuellement pour une seule éolienne aussi bien que pour des installations de batteries d'éoliennes,et même dans la réalisation de gigantesques centrales éolomotri@es. Toutefois les différentes formes de réalisition de l'invention s'appliqueront de préférence dans certains cas d'utilisation que dans d'autres. Par exemple le système à deux masses solides sera de beaucou@ le plus pratique pour une petite installation individuelle , alors que le système hydraulique sera plus souple d'emploi pour de arandes puissances,c'est à dire pour de grandes installations de batteries d'éoliennes. Le système à compression d'air conviendra mieux quart à lui, surtout dans le ces de moyennes ou de grandes installations, d'une nart chanue fois aue cette forme de stockage d'énergie s'avèrera plus adéquate à l'utilisation envisagée, et d'autre part lorsque l'on voudra réunir l'énergie produite par plusieurs installations implantées assez loin les unes des autres. R E V E N D I C A T I O N S i ) Dispositif permettant d'obtenir le maximum de puissance à l'arbre d'une machine à vent (ou éolienne),quelle cue soit la vitesse du vent en s'adaptant instantanément à ses variations par augmentation ou diminution de la charge appliquée à l'arbre,et de transformer au fure et à mesure de sa récention,l'énergie mécanique fournie en puissance variable par la machine en énergie potentielle,stockée temporairement avant d'être utilisée à la puissance désirée. Ce dispositif est caractérisé par le fait qu'il comporte d'une part un variateur automatique de vitesse adapté à l'arbre moteur de l'éolienne, et d'autre part un appareil raccordé à l'arbre de sortie du variateur , destiné à transformer, temporiser et restituer par intermittence l'énergie reçue selon la puissance désirée à l'utilisation. 2 ) Dispositif selon la revendication 1,caractérisé par le fait que le variateur automatique de vitesse est constitué de deux troncs de cône identiques vivotant autour de leur axe respectif. Les deux axes sont fixés parallélement de manière que la petite base de l'un soit dans le même plan que la grande base de l'autre et inversement. L'un des axes constitue l'arbre d'entrée et l'autre l'arbre de sortie du variateur. Un organe de transmission formant une courbe fermée souple,relie les deux troncs de cône extérieurement, transmettant le mouvement de rotation de l'arbre d'en- trée N l'arbre de sortie d'une manière plus ou moins multipliée ou démultipliée selon sa position latérale variant entre les deux plans des bases des troncs de cône et toujours parallélement à ceux-ci.La position latérale de l'organe de transmission est commandée automatiquement par un servo-mécanisme selon un programme établi. 3 ) Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que la programmation du variateur de vitesse est effectuée de manière à ce qu'il serve à faire varier la charge exercée sur l'arbre de la machine à vent,dans le cas où cette charge de réception est directement pronortionnelle à la vitesse de rotation. 4 ) Dispositif selon les revendications i , 2 et 7 caractérisé par le fait nue l'é- nergie mécanique reçue est transformée en énergie potentielle par élévation de niveau d'une masse constante de matière liquide ou solide, laquelle énergie potentielle est restituée ultérieurement var la chute de la dite masse jusqu'à son niveau d'origine. 5 ) Dispositif selon les revendications i , 2 , 3 et 4 caractérisé nar le fait que lton utilise un liquide , enlevé d'un récipient inférieur vers un récinient supérieur au moyen d'une chaine sans fin (à godets nar exemple) ou de tout autre annareil si- milaire élevant toujours la meme masse constante de linuide. L'énergie notentielle est restituée à la demande nar la chute du liquide du réservoir supérieur vers le réservoir inférieur, chute entrainant une machine laauelle fournit la force motrice désirée. 6 ) Dispositif selon les revendications 1 , 2 , 3 et 4 caractérisé nar le fait que l'on utilise deux masses solides identiques en mouvement alterné d'élévation et de chute le long d'un guide vertical,avec système de permutation instantanée de la force motrice du variateur de l'une B l'autre des deux masses. Lors de la chute d'une masse,l'énergie qui a servi à l'élever est restituée par la mise en mouvement d'une machine consommatrice d'énergie correspondant au besoin. 7 ) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la restituticn de l'énergie potentielle accumulée s'effectue automatiquement lorsque cette énergie potentielle atteint un niveau quantitatif maximum prédéterminé. 8 ) Dispositif selon les revendications 5 et 7,caractérisé par le fait que l'auto- matisme de la restitution de l'énergie est obterni par un servo-mécanisme,actionné par la position haute et la position basse d'un flotteur dans le réservoir supérieur, lequel servo-mécanisme commande l'ouverture et la fermeture d'une vanne située b la base de ce réservoir supérieur,ce qui a pour effet de contr8ler la chute du liquide, soit la vidange puis le remplissage d nouveau du dit réservoir. 9 ) Dispositif eelon les revendications 6 et 7,caractérieé par le fait que l'automatisme de la restitution de l'énergie par mouvement alterné d'élévation et de chute des deux masses est obtenu par l'action de servo-mécanismes sur les commandes de permutation,action déclenchée par un ensemble de contacteurs électriques,disposés en des endroits déterminés de part et d'autre du guide vertical,ces contacteura étant sollicités aux passages des masses le long du guide vertical L'ensemble du disposai tif est réalisé d'après calculs de manière à ce que la chute des masses soit de vi teaso supérieure N leur vitesse maximum d'élévation, c'est-à-dire de manière à ce qu'il y ait toujours l'une des deux masses prOte à monter avant que l'autre n'ait atteint la position haute, jo ) Dispositif selon les revendications 1 et 2,caractérisé par le fait que l'éner- gie mécanique relie est transformée en énergie potentielle par élévation de la pres- sion d'air dans un réservoir su noyen d'un compresseur,l'énergie accumulée étant ul-- térieurement restituée par utilisation de la détente de cet air comprimé. Le rôle du variateur de vitesse est de maintenir la vitesse de rotation du comme presseur auquel il est couplé au voisinage de sa vitesse d'utilisation normale. Le fonctionnement automatique du variateur est donc programmé en conséquense. Le principe de base du système consiste à faire varier simultanément et instan tar.ment les pressions d'air N la fois b l'aspiration et au refoulement du compres- sour selon les variations de puissance du vent de manière qu'à chaque instant le compresseur fournisse le travail équivallent b la puissance fournie . Pour cela le compresseur travaille en circuit fermé : Il est relié à la fois du côté aspiration et du côté refoulement et par l'intermédiaire de deux "réservoirs-tampons" soumis à d'incessantes variations de pressions, à deux autres réservoirs étant eux soumis à des pressions constantes, l'un à une pression au moins égale à la pression maximum de refoulement prévue, l'autre à une pression au plus égale à la pression maximum d'aspiration prévue. Dans les daux "réservoirs-tampons" l'air est tantôt admis et comprimé à partir du "réservoir haute pression",tantôt évacué et détendu vers le "réservoir basse prossion", cela au moyen de quatre vannes actionnées deux par deux par un servo-mécanisme programmé en fonction des variations de vitesse du vent. Chaque fois que la pros@ion d'air du "réservoir basse pression" dépasse la valeur prescrite, une varn@ automatique s'ouvre aussi longtemps que nécessaire,la détente de l'air excédentaire ontraïnant un compresseur annexe par l'action d'une turbine, lequel compresseur débite dans le "réservoir haute pression" et à la dite haute pression maximum prévue, de l'air frais ambiant aspiré à la pression atmo@phérique. Enfin chaque fois que la pression d'air du "réservoir haute pression" dépasse la valeur prescrite,une vanne automatique s'ouvre aussi longtemps que nécessaire,la pression d'air excédentaire étant détendre dans un grand réservoir de stockage prin cipal,dans l@quel est temporisée finalement l'énergie produite par la machine à vent et transformée par l'invention. La pression de sto@kage d'air comprimé peut s'élever dans ce grand réservoir jusqu'à celle du "réservoir haute pression". L'énergie ainsi acc@@ulés est restituée ultérieurement à partir du réservoir de . stock@ge, par la mise en oeuvre selon les beseins, d'une turbine ou d'un mot@ur à air compri@é.