Brevet FR2384964A1 — publié le 19781020

La présente deuxieme demande divisionnaire concerne une centrale électrique éolienne, comprenant au moins une roue éolienne couplée avec au moins un générateur électrique. Dans de telles installations, une des principales difficultés a surmonter -réside dans la maniere de réaliser le couplage précité. Il est connu, dans le cas des centraleséoliennes, d'utiliser un variateur Recanique de vitesse, mais un tel appareil, d'ailleurs fragile et coûteux, ne permet encore qu'un fonctionnement dans une plage relativement réduite de la vitesse du vent. On est obligé, du coté des hautes vitesses, d'assurer la protection de l'hélice par l'adoption de pales pas variable, ce qui n'assure d'ailleurs pas totalement la protection du genérateur contre l'emballement. Ceci est particulierement regrettable, etant donné que la puissance développée est, en premiere approximation, proportionnelle au cube de cette vitesse. L'impossibilite pratique de coupler plusieurs capteurs a un même générateur oblige a réaliser des capteurs de grande puissance unitaire qui, particulierement dans le cas des génératrices éoliennes, affectent l'environnement esthétique, ou conduit à réaliser des générateurs d'énergie de faible puissance unitaire présentant des colts d'investissement relatifs supérieurs. Le but de l'invention suivant la présente deuxième demande divisionnaire est de réaliser une centrale électrique éolienne dans laquelle le couplage entre roue et générateur permette d'éviter les inconvénients précités. Suivant l'invention, la centrale éLectriqueéolienne comprend au moins une roue éolienne couplée avec au moins un générateur dlenergie électrique, et elle est caracterisée en ce que les moyens de couplage comprennent un émetteur à pompe hydraulique volumétrique rotative calé sur l'arbre- de chaque roue, au moins un rêcep- tueur a moteur hydraulique volumétrique rotatif calé sur chaque générateur d'énergie, un circuit hydraulique pour liquide auxiliaire reliant l'ensemble des émetteurs a l'ensemble des récepteurs, un dispositif dissipateur de l'énergie du fluide auxiliaire monté en dérivation sur le circuit hydraulique, des moyens pour contrôler le débit de fluide auxiliaire admis dans chacun des dispositifs dissipateurs en dérivation, des moyens de régulation pour régler la circulation du liquide auxiliaire en fonction des variations aléatoires de l'énergie du fluide naturel et des moyens de sécurité pour mettre hors service au moins une partie du système quand certaines grandeurs critiques dépassent des valeurs prédéterminées. La liaison hydraulique ainsi prévue par l'invention entre roues et générateurs apporte une souplesse de fonctionnement bien supérieure à celle obtenue avec une liaison mécanique. Les vibrations et divers -coups de fonctionnement sont au moins partielle ment absorbés par une certaine compressibilité du liquide. L'étouffement des -coups peut aussi résulter dans une certaine mesure de l'élasticité de l'enveloppe du circuit hydraulique. L'invention permet également de relier un meme générateur de forte puissance unitaire a plusieurs roues de faible puissance, ce qui permet en général une économie d'investissement. Dans le cas des centrales éoliennes, il est alors possible d'utiliser, pour un même alternateur, plusieurs roues de diamètre relativement faible, ce qui apporte des avantages techniques importants et améliore l'esthétique des sites. Les anomalies importantes de fonctionnement, qui surviennent notamment lors du décrochage d'un alternateur, et qui peuvent entrainer l'emballement de la roue et de l'alternateur, sont prises en compte par le dissipateur de l'énergie hydraulique du liquide auxiliaire, monté en dérivation sur le circuit hydraulique. Le récepteur cesse alors d'etre alimenté en liquide, et la résistance hydraulique du dissipateur, qui peut fonctionner par exemple par laminage, empêche l'emballement de la roue. L'énergie dissipée sous forme de chaleur est évacuée par un échangeur thermique, de préférence vers un réseau d'utilisation industrielle ou domestique. De préférence, le systeme selon l'invention comprend un réfrigérant du liquide auxiliaire situé sur la partie basse pression du circuit hydraulique servant au retour du fluide des récepteurs vers les émetteurs. Ce refrigerant comporte un echan- geur pour évacuer la chaleur également vers un réseau d'utilisation industrielle ou domestique. On récupère ainsi les déperditions dlénergie inhérentes à tout système de transmission et qui, dans un système mécanique, sont normalement perdues. Or, sur les installations d'une certaine puissance, ces déperditions peuvent prendre, en valeur absolue, une importance notable, par exemple plusieurs dizaines de kilowatts sur une installation moyenne de quelques centaines de kilowatts. Dans le cas où le système comprend un seul générateur d'énergie électrique, les récepteurs, s'il y en a plus d'un, sont calés sur l'arbre du générateur et le système comprend autant de circuits hydrauliques distincts qu'il existe de récepteurs. Chacun de ces circuits comprend un ou plusieurs émetteurs. De préférence, les. émetteurs sont d'un type connu à pistons axiaux. On saint que ces'machines sont réversibles, de sorte que les récepteurs sont du mêmetype. Sur ces machines, la relation entre le débit de liquide auxiliaire et la vitesse de rotation dépend de l'inclinaison des pistons sur l'axe de rotation. Cette inclinaison est réglable et peut correspondre, lorsque l'angle d'inclinaison est nul, à un débit-nul. On peut ainsi faire varier à volonté le rapport des vitesses-respectives de l'émetteur et du récepteur. Suivant une réalisation avantageuse de l'invention, les moyens pour contrler le débit de liquide auxiliaire admis dans le dissipateur d'énergie relié au circuit comprennent un dispositif à clapets tarés pour s'ouvrir automatiquement, quand la position des moyens de réglage d'au moins un récepteur, c'est-à- dire de l'inclinaison des pistons, correspond à un débit nul du liquide auxiliaire dans le récepteur, quelle que soit sa vitesse, si l'ensemble des autres récepteurs ne peut pas absorber la totalité du débit fourni par les émetteurs. Le fluide auxiliaire ne trouve plus d'issue que par les clapets- et passe dans le dissipateur d'énergie où il subit une perte de charge absorbant toute son énergie hydraulique. En cas de décrochage du générateur, on évite la tendance à l'emballement de tous les organes liés entre eux mécaniquement ou hydrauliquement : roue, émetteur, récepteur et générateur. Suivant une réalisation préférée de l'invention, une dynamo tachymétrique est calée sur l'arbre du générateur et son signal de sortie est appliqué à un frein électrique disposé pour agir sur cet arbre quand la vitesse de rotation de ce dernier dépasse une valeur prédéterminée. On dispose ainsi d'une protection sypplémentaire, à temps de réponse très court, contre les mises en survitesse du générateur. Suivant une réalisation preférée de la centrale éolienne, les moyens de régulation comprennent un manomètre branché sur le circuit hydraulique et émettant un signal appliqué à une entrée de signal d'un organe de régulation muni d'une entrée d'affichage de valeur de consigne. Le signal d'action de cet organe de régulation est appliqué à un étage de commande des moyens de réglage du récepteur, pour maintenir constante la pression dans le circuit hydraulique en augmentant le débit de liquide auxiliaire dans le récepteur, quand la pression précitée tend à augmenter. Quand la vitesse du vent augmente, de façon durable ou suivant une rafale passagère, la roue éolienne se trouve accélérée et tend, par l'intermédiaire de l'émetteur, à augmenter le débit du liquide auxiliaire, donc à accélérer le générateur. Mais ce dernier, accroché au réseau, tourne à vitesse constante, de sorte que l'augmentation de vitesse du vent a pour effet de tendre à augmenter la pression dans le circuit auxiliaire. Les moyens de régulation décrits ci-dessus ont alors pour effet de permettre un débit plus élevé dans le récepteur, a vitesse de rotation constante. On utilise donc pleinement le surcroît de puissance apporté par l'augmentation de vitesse du vent, sans accroître fortement les contraintes sur l'éolienne. Si la vitesse du vent augmente de façon telle que les moyens de réglage du récepteur atteignent leur fin de course, des moyens sont prévus pour mettre automatiquement ces moyens de réglage en position de débit nul, le liquide auxiliaire étant alors dérivé dans le dissipateur d'énergie et le générateur n'étant plus soumis à aucune action motrice hydraulique. De préférence, les moyens de sécurité comprennent une sonde de température sur le générateur, une dynamo tachymétrique calée sur son arbre, et un wattmètre branché sur sa sortie vers le réseau. Ces détecteurs émettent un signal de sortie appliqué à un étage de déclenchement à seuil et à temporisation dont la sortie est reliée, par l1intermédiaire d'un étage inverseur, à l'étage de commande des organes de réglage du récepteur, pour mettre ces moyens en position de débit nul du fluide auxiliaire quand les grandeurs mesurées par ces détecteurs dépassent des valeurs predéterminées pendant un temps prédéterminé. On protège ainsi efficacement le générateur contre les incidents liés à ces grandeurs, en évitant les fausses manoeuvres liées à des dépassements fugitifs. Suivant une réalisation avantageuse de la centrale éolienne, les moyens de sécurité comprennent encore un frein électrique calé sur l'arbre de chacune des roues, l'entrée de commande de ce frein étant reliée à un anémomètre placé à proximité de la roue correspondante. En cas de vent particulièrement fort, interdisant toute exploitation, on évite ainsi que la roue ne prenne une vitesse excessive, dangereuse- pour sa tenue. De préférence, l'anémomètre agit par l'intermédiaire d'un dispositif de temporisation, pour que les rafales passgeres restent sans effet. Les moyens de sécurité peuvent encore avantageusement comporter une dynamo tachymétrique calée sur l'arbre de chaque roue et reliée au frein correspondant. Suivant une variante de réalisation, les pales des roues Sont à pas variable, et l'anémometre est relié au dispositif de commande de variation du pas pour provoquer la mise en drapeau des pales quand la vitesse du vent dépasse une valeur prédéterminée. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront encore de la description détaillée qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif, la figure unique est une vue schématique en élévation d'une centrale électrique éolienne conforme à l'invention. En référence à cette figure, deux roues éoliennes 201a, 201b sont montées sur des pylônes respectifs 263a, 263b par l'intermédiaire de dispositifs orientables d'un type connu Sur l'arbre 202a, 202b de chacune des roues est calé un émetteur 203a, 203b du même genre que ceux décrits plus haut. De chaque émetteur part une paire de tuyauteries, respectivement 204a, 205a et 204b, 205b. Ces deux paires de tuyauteries sont montées en parallèle et réunies en une paire unique 204c,205c aboutissant à un récepteur 206 qui est avantageusement du même type que les émetteurs et calé sur l'arbre d'un alternateur 208. Des clapets anti-retour 213 sont placés sur les deux premières paires de tuyauteries de manière à empêcher une circulation directe entre les deux émetteurs 203a, 203bu En un point d'unie des deux tuyauteries 204c, 205c, est branché un manomètre 264 muni d'un dispositif de transmission dont le signal est appliqué à une entrée de signal d'un organe de régulation 265 muni par ailleurs d'une entrée 266 d'affichage de valeur de consigne.Le signal d'action de l'organe de régulation 265 est appliqué à une entrée 267 d'un étage de commande 268 des moyens de réglage du récepteur 206, et la disposition des moyens de régulation précités est telle que ces moyens tendent à augmenter le débit de liquide auxiliaire dans le récepteur 206, en augmentant l'angle O de ses pistons, quand la pression tend à augmenter dans le circuit hydraulique. Des moyens de sécurité comprennent une sonde thermique 269 appliquée en un point convenable de l'alternateur 208, un wattmètre 246 branché sur la sortie de l'alternateur vers le réseau, et une dynamo tachymétrique 238 calée sur l'arbre de l'alternateur. Ces trois détecteurs sont reliés à un étage de déclenchement 271 à seuil et à temporisation dont la sortie est reliée, par llinter- médiaire d'un inverseur 272, à l'étage de commande 268 des moyens de réglage du récepteur 206. D'autre part, l'étage de commande 268 comporte des moyens sensibles à la venue en position de débit maximum des moyens de réglage du récepteur 206 pour placer alors automatiquement ces moyens de réglage en position de débit nul. Sur l'arbre de l'alternateur 208 est également calé un frein électrique 239 dont l'entrée de commande est reliée à la dynamo tachymétrique 238. Sur l'arbre de chacune des roues 201a, 201b est calé un frein électrique 273a, 273 dont l'entrée de commande est dédoublée et reliée d'une part à un anémomètre 274a, 274b disposé au voisinage de la roue correspondante par l'intermédiaire d'un dispositif de temporisation 275a, 275b, et d'autre part à une dynamo tachymetrique 276a, 276b calée sur l'arbre de chacune des roues. L'installation comprend encore un réfrigérant de liquide auxiliaire monté sur la paire de tuyauteries 204c, 205c et un dissipateur d'énergie monté en dérivation sur ces deux tuyauteries. Pour plus de clarté, ces éléments ne sont pas représentés, mais on pourra se reporter, pour leur description détaillée, à la premiere demande divisionnaire de la demande de brevet français no 76 14151 au nom des Demanderesses. En fonctionnement normal, les roues 201a, 201b animées par le vent mettent en rotation respectivement les émetteurs 203a, 203b. I1 en résulte des débits de liquide auxiliaire respectivement dans les paires de tuyauteries 2Q4a, 205a et 20-4b, 205b, débits qui se réunissentdans la paire unique 204c, 205c pour mettre en rotation le récepteur 206 et l'alternateur 208. Les clapets anti-retour 213 obligent le liquide auxiliaire à circuler entre chacun des émetteurs et lue récepteur, et non directement entre les deux émetteurs. Si la vitesse du vent augmente, la rotation des roues s'accélère et le débit de liquide auxiliaire tend à augmenter mais il en serait empêché par la vitesse constante du récepteur 206 calé sur l'alternateur 208 accroché au réseau. I1 en résulte une augmentation de la pression dans le circuit hydraulique qui, par l'intermédiaire de l'organe de régulation 265 et de l'étage de commande 268, place les moyens de réglage du récepteur 206 en position de débit supérieur pour maintenir la pression constante. Le surplus d'énergie disponible du fait de l'augmentation de vitesse du vent est donc absorbé et converti. Si la vitesse du vent augmente jusqu'à ce que les moyens de réglage du récepteur 206 viennent en fin de course, alors l'étage de commande 268 place automatiquement ces moyens de réglage en position de débit nul, supprimant toute action motrice du liquide auxiliaire sur le récepteur 206 et évitant le décrochage et l'emballement de l'alternateur. Le liquide auxiliaire est alors dérivé sur le dissipateur d'énergie. En cas d'incidents liés à une élévation anormale de la température de l'alternateur, à une survitesse, ou à une puissance électrique excessive, les détecteurs respectifs 269, 238 et 246 provoquent, par l'intermediaire de l'étage de déclenchement 271 à seuil et à temporisation, le même effet de mise en position de débit nul des moyens de réglage du récepteur 206. Toutefois, l'effet de temporisation évite les actions intempestives sur des dépassements fugitifs. Le branchement du frein électrique 239 sur la dynamo tachy trique 238 améliore également les conditions de régulation de la vitesse de l'alternateur. En cas de vent fort persistant, les roues peuvent être frei nées, pour éviter toute survitesse dangereuse pour leur tenue, par l'action des anémomètres 274a, 274b reliés aux freins 273a, 273b. Ces anémomètres sont disposés au voisinage de la roue à laquelle ils sont reliés, pour tenir compte des conditions locales précises du vent. Dans une variante de réalisation non représentée, les pales des roues sont à pas variable et les anémomètres sont reliés aux dispositifs respectifs de commande de la variation du pas, pour mettre les pales en drapeau en cas de vent excessif. Les dispositifs de temporisation 275 a, 275b permettent d'éviter toute action intempestive des anémomètres en cas de rafale passagère. Les dynamos tachymétriques 276a, 276b agissant égalementsur les freins 273a, 273b permettent d'éviter les survitesses liées à d'autres causes, telles qu'une rupture du circuit hydraulique. D'autre part, les freins 273a, 273b permettent de freiner les roues en toutes circonstances, par exemple au moyen d'une télécommande poules mettre en service. Un type de centrale éolienne tel que celui décrit permet d'obtenir un rendement énergétique remarquable du fait de la liberté donnée au capteur de fonctionner sur une plage étendue de vitesses de rotation, ces vitesses étant essentiellement fonction de la vitesse elle-meme très variable du vent. L'amélioration du rendement tient également au fait que l'énergie apportée par plusieurs roues peut être rassemblée sur un même circuit hydraulique susceptible d'absorber un supplément de puissance important. Enfin, la plus grande partie des pertes de transmission est récu pérée par réfrigération du liquide auxiliaire. D'autre part, la souplesse de fonctionnement d'un tel système et sa faible vulnérabilité aux à-coups et aux rafales de vent permettent d'obtenir une puissance supérieure d'une roue de caractéristiques géométriques déterminées, par rapport à la puissance obtenue en utilisant des variateurs mécaniques qui sont en outre nettement plus coûteux et fragiles. Enfin, la possibilité de monter un nombre important de roues de petites dimensions sur un meme alternateur de grande puissance évite de déparer les sites et évite également les problèmes posés par les structures de grandes dimensions. REVENDICATIONS 1.- Centrale électrique éolienne comprenant au moins une roue éolienne couplée avec au moins un générateur d'énergie électrique par l'intermédiaire d'un émetteur à pompe hydraulique volumétrique rotative calé sur l'arbre de chaque roue et d'au moins un récepteur à moteur hydraulique volumétrique rotatif calé sur chaque générateur d'énergie, un circuit hydraulique pour liquide auxiliaire reliant l'ensemble des émetteurs à l'ensemble des récepteurs, un dispositif dissipateur de l'énergie du fluide auxiliaire étant monté en dérivation sur le circuit hydraulique, et des moyens étant prévus pour contrer le débit de fluide auxiliaire admis dans chacun des dispositifs dissipateurs eg dérivation, cette centrale comprenant encore un régulateur de la pression dans le circuit hydraulique pour agir sur des moyens de réglage en augmentant le débit de liquide auxiliaire quand cette pression tend à augmenter et des moyens de sécurité, caractérisé en ce que ce régulateur comprend des moyens pour mettre automatiquement ces moyens de réglage en position de débit nul du liquide auxiliaire quand lesdits moyens de reglage atteignent la position de débit maximum du fluide auxiliaire. 2.- Centrale électrique éolienne conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de sécurité comprennent un étage de déclenchement à seuil et à temporisation dont les entrées sont reliées à un détecteur de température du générateur, à un détecteur de vitesse du générateur et à un détecteur de la puissance électrique produite par le générateur, et dont le signal de sortie est appliqué, par l'intermédiaire d'un étage inverseur, aux moyens de réglage du débit de liquide dans le récepteur pour mettre ces moyens en position de débit nul du fluide auxiliaire quand les grandeurs mesurées par les détecteurs précitésdépassent des valeurs prédéterminées pendant un temps prédéterminé. 3.- Centrale électrique éolienne conforme à l'une des reven dications-1 ou 2, caractérisée en ce que les moyens de sécurité comprennent un frein électrique calé sur l'arbre de chacune des roues, l'entrée de commande de ce frein étant reliée à un anemomètre placé à proximité de la roue correspondante. 40~Centrale électrique éolienne conforme à la revendication 3,caractérisée en ce que l'anémomètre est relié au frein correspondant par l'intermédiaire d'un dispositif de temporisation. 5.- Centrale électrique éolienne conforme à la revendication 3, caractérisée en ce que les roues comprennent un dispositif de de commande de l'inclinaison des pales, ce dispositif étant relié à l'anémomètre. 6.-Centrale électrique éolienne conforme à l'une des revendications 3 à 5; caractérisée en ce que les moyens de sécurité comprennent une dynamo tachymétrique calée sur l'arbre de chaque roue et reliée au frein correspondant. 7.~Centrale électrique éolienne conforme à 1'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les moyens pour contrer le débit de liquide auxiliaire admis dans le dissipateur d'énergie comprennent un dispositif à clapets tarés pour s'ouvrir automatiquement quand la position des moyens de réglage des récepteurs reliés à ce dissipateur est telle que la totalité du débit de liquide auxiliaire fourni par les émetteurs ne puissent pas s1 écouler par les récepteurs. 8.- Centrale électrique éolienne conforme à l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les moyens de s & u- rité comprennent une dynamo tachymétrique calée sur l'arbre du générateur, dont le signal de sortie est appliqué à un dispositif de commande d'un frein électrique disposé pour agir sur ledit arbre, quand la vitesse de l'arbre dépasse une valeur prédéterminée.