Brevet FR2393171A1 — publié le 19781229

La présente invention concerne un procédé pour ilexploi- tation avec un rendement éleve des vents naturels. On sait que l'énergie des vents naturels est caractéri sée par une faible concentration et par un caractère extrêmement variable dans le temps. L'énergie fournie par le vent est proportionnelle au cube de la vitesse du vent et ce fait signifie que, en supposant que l'énergie d'un vent d'une vitesse de 16,500 km a l'heure soit 1, l'énergie d'un vent ayant une vitesse de 165 km à l'heure est égale à 1000 Dans la production de l'énergie électrique éolienne, le caractère variable de l'énergie disponible constitue un facteur défavorable à deux points de vue, à savoir 1) avec le système simple utilisé actuellement, les rendements de captage d'énergie éolienne sont relativement élevés, de l1ordre de 40%-45%, mais ceci uniquement dans une plage voisine d'une certaine vitesse du vent, vitesse qui est appelée vitesse de référence, tandis que les rendements tombent rapidement, spécialement pour des vitesses de vent plus élevées; 2) l'énergie électrique qui est ainsi produite a les propriétés d'une "énergie de surplus" qui est une energie devant être exploitée quand elle est disponible plutôt que lorsqu'elle est necessaire. Ce type d'énergie est d'un intérêt commercial faible en ce sens qu'une énergie de surplus est offerte aux usagers à un prix qui est inférieur à celui d'une energie qui est disponible au moment voulu, Actuellement, les "générateurs éoliens" les plus courants sont ceux du type à vitesse constante et a fréquence constante (VCFC).Dans les plus efficaces de ces générateurs, pour des vitesses voisines de la "vitesse de référence, on peut obtenir, à partir d'une énergie éolienne supposée être 100, une énergie maximale de 40-45 sous la forme d'une énergie mécanique mesurée sur l'axe du rotor, l'énergie électrique équivalente étant de l'ordre de 34-39. Toutefois, comme il existe des périodes de fonctionnement dans lesquelles les conditions sont parfois tres éloignées des conditions optimales, le rendement global mesuré sur des periodes de temps prolongées diminue considérablement, d'environ un tiers, de sorte que les valeurs indiquées ci-dessus et relatives respectivement à l'énergie mécanique mesurée sur l'axe du rotor et à l'énergie électrique pouvant être obtenue deviennent 26,7-30 d'une part et 22,7-26 d'autre part. Pour pallier un tel inconvénient, on a construit quelques générateurs du type dit WFC qui est l'abréviation de "vitesse variable et fréquence constante" Dans ces générateurs, la partie électrique est assez compliquée étant donné que le courant primaire est produit à une fréquence variable et doit donc être transformé en courant continu pour faire fonctionner un générateur de courant alternatif capable de fournir un courant à la fréquence du secteur, toutes ces transformations étant cause de pertes. En résumé, il semble que l'augmentation du rendement de ces générateurs, en ce qui concerne l'énergie électrique produite, n'est que de 10% supérieur au rendement des générateurs VCFC mentionnés précédemment. Des études sont bien entendu en cours dans le monde entier pour tenter d'obtenir des résultats plus satisfaisants.En Italie, par exemple, on envisage la construction d'un petii prototype de générateur d'énergie dans lequel la présence d'une boite de changement de vitesses automatique entre le rotor et le générateur électrique (ayant une vitesse de rotation constantes doit permettre de travailler dans des conditions voisines des conditions optimales pour plusieurs valeurs de vitesse du vent. Il est de même connu que le rendement dans la production d'une énergie pouvant etre obtenue à laide du vent au moyen d'un rotor à aubes est toujours fonction du rapport 11lambda" qui, pendant le fonctionnement, existe entre la vitesse péripherique des aubes qui esttu R (oùutest la vitesse angulaire et R est le ravon du rotor) et la vitesse V du vent. Pour chaque rotor il existe une valeur de ce rapport lambda pour laquelle le rendement est maximum Par exemple, d'après les informations données dans la littérature technique, on sait qu'un rotor horizontal à quatre lobes donne la possibilité d'atteindre un rendement en énergie voisin de 458 pour un # = 9. Le rendement atteint -des valeurs supérieures à 40- pour des valeurs de lambda comprises entre 6 et 12 mais il diminue rapidement en dehors de cette plage et atteint 35% pour 1 = 14, 27% pour k = 16 et environ 20% pour A = 17. Pour que la poussée du vent puisse être utilisée au mieux, il est impératif que la valeur de k soit maintenue en permanence au voisinage de la valeur optimale. Un objet de la présente invention est la réalisation d'un système qui permet de maintenir la valeur de X constant ment au voisinage de la valeur optimale, quelle que soit la vitesse du vent, par exemple dans la plage complète de lO km/h à 100 km/h. On obtient ce résultat en réglant continuellement, en fonction de la vitesse du vent, à la fois le couple qui s'oppose à la rotation du rotor (couple résistant) et la quantité d'énergie mécanique obtenue à l'aide du système. De plus, l'énergie mécanique que l'on obtient est utilisée pour actionner des pompes alternatives qui pompenttde l'eau. Cette eau sous pression est utilisée directement pour actionner une turbine hydraulique qui est accouplée à un alternateur. L'eau en excedant est envoyée à un réservoir surélevé à partir duquel, inversement, de l'eau sous pression est prélevée dans le cas où la demande en énergie électrique dépasse l'énergie que l'on peut obtenir directement. Le système peut être constitué par exemple, par une pompe alternative, de préférence du type à double effet, dont la course du piston, lequel est mu par un rotor à aubes entraîné en rotation par la poussée du vent, peut être modifiée en fonction de la vitesse de rotation du rotor. La figure unique du dessin annexé montre schématiquement, à titre illustratif et non limitatif, un mode de réalisation du système concerne. Un volant 1 est relié au moyen d'un système de bielle approprié au rotor à aubes et comporte une rainure radiale de guidage 2 à l'intérieur de laquelle un coulisseau 3 peut coulisser radialement. Sur le coulisseau 3 est articulée la tête 4 de la bielle 5 et cette dernière est elle-même articu lée à la tige 6 du piston 7 qui effectue un mouvement de vaet-vient à l'intérieur du cylindre 8. Le coulisseau 3 et, de ce fait, la tête 4 de la bielle 5 peut être déplacé du centre du volant (qui correspond à une course nulle du piston) jusqu'à la périphérie (qui correspond à la course maximale du piston) On règle le déplacement en fonction de la vitesse de rotation du rotor qui est elle-même fonction de la vitesse du vent. Comme décrit antérieurement, pour obtenir un rendement élevé, il faut que le rapport entre la vitesse périphérique du rotor et la vitesse du vent ne subisse pas de variations importantes. On a également précisé que l'énergie fournie par le vent est proportionnelle à la puissance 3, c'est-àdire au cube, de la vitesse du vent. Pour maintenir la vitesse périphérique du rotor à une vitesse à peu près proportionnelle à la vitesse du vent et, de ce fait, le rapport lambda à peu près constant, il devient nécessaire d'absorber les variations d'énergie qui se produisent quand la vitesse du vent varie. Le système qui est réalisé selon la présente invention et qui a été décrit ci-dessus permet d'obtenir ce résultat. En fait, quand la vitesse du vent augmente, la vitesse de rotation du rotor tend à augmenter Jusqu'à un degré qui dépasse ce qui serait nécessaire pour maintenir constant le Urapport lambda". Toutefois, le dispositif de régulation entre en action et fait se déplacer le curseur en direction de la périphérie du volant de sorte que la course du piston est augmentée avec, pour conséquence, un accroissement du débit, et, de ce fait, la puissance absorbée se trouve accrue en proportion. Il serait également possible d'intercaler entre le rotor et le volant une boîte de changement de vitesse de construction connue en tant qu'adjuvant de l'action de régulation obtenue par variation de la position de la tête de la bielle. Comme indiqué dans l'exposé qui précède, le dispositif de réglage décrit est donné à titre d'un-exemple non limitatif de la manière selon laquelle le système faisant l'objet de la présente invention peut être conçu; le système peut être réalisé à l'aide de tout autre dispositif de pompage qui permet de modifier le débit, et de ce fait l'énergie absorbée, en fonction de la vitesse de rotation du rotor entraîné par le vent. En supposant, à titre a'exemple, que l'on utilise un rotor à quatre lobes qui entraîne une pompe alternative du type mentionné ci-dessus et que les vitesses du vent varient dans la plage de 10 km/h à 100 km/h, il serait possible 1) de travailler, avec la vitesse la plus faible du vent, à une vitesse de rotation n telle que A = 6 pour une course A de 1 cm du piston; 2) de travailler, avec la vitesse de 100 km/h du'vent, à une vitesse de rotation égale à 20 n qui correspond à A = 12 et une course A du piston de 50 cm; ; 3) de travailler1 aux valeurs intermédiaires de la vitesse du vent, avec des valeurs de A comprises entre 6 et 12 et des courses de piston comprises entre 1 cm et 50 cm Quelle que soit la situation, il serait donc possible de travailler jans des conditions permettant d'obtenir des rendements, en ce qui concerne l'énergie disponible sur l'axe du rotor, qui sont très voisins du maximum. I1 est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des variantes ou des modifications peuvent y être apportées dans le cadre de la présente invention, laquelle est définie par les revendications ci-annexées. REVENDICATIONS 1. Procédé pour exploiter avec un rendement élevé l'énergie éolienne, caractérisé par ie fait que le rapport entre la vitesse périphérique des aubes d'un rotor à aubes et la vitesse du vent entraînant ce rotor est maintenu presque constant et au voisinage de sa valeur optimale grâce au fait qu'un volant accouplé d'une manière connue en soi audit rotor actionne une ou plusieurs pompes alternatives dont on fait varier la course du piston en fonction du nombre de tours dudit rotor par unité de temps. 2, Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la ou les pompes alternatives sont du type à double effet. 3. Procédé suivant les revendications 1 et 2, caractéri sé par le fait que l'on obtient la variation de la longueur de la course de chaque piston en fonction du nombre de tours du rotor par unité de temps en ménageant dans le volant fixé audit rotor une rainure de guidage~dans laquelle un coulisseau peut se déplacer radialement, on articule la tête d'une bielle audit coulisseau, on relie ladite bielle au piston de ladite pompe alternative de manière que le coulisseau et, de ce fait, la tête de ia bielle puissent être déplacés du centre dudit volant (correspondant à une course minimale du piston) jusqu'à la périphérie (correspondant à la course maximale du piston) de ce dernier, et vice versa, le déplacement étant ajusté en fonction du nombre de tours du rotor par unité de temps. 4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'on utilise directement l'eau pompée par la pompe alternative pour actionner une turbine hydraulique accouplée à un alternateur à vitesse constante et que l'on envoie l'eau en excédant à un réservoir surélevé à partir duquel de l'eau sous pression est prélevée dans le cas ou la demande en électricité dépasse à un certain moment l'énergie disponible à ce moment. 5, Dispositif de pompe comprenant une ou plusieurs pompes alternatives1 caractérisé par le fait qu'elle est conçue pour que l'on puisse modifier le débit et, de ce fait, la puissance absorbé en fonction du nombre de tours par unité de temps d'un rotor entraîné par le vent,