Brevet FR2415782A1 — publié le 19790824

L'invention concerne les dispositifs qui convertissent l'énergie eolienne en énergie thermique. Lorsque l'énergie éolienne doit être convertie en énergie thermique utilisable pour le chauffage par exemple, les dispositifs connus utilisent les conversions suivantes : l'énergie du vent qui se manifeste par des effets aérodynamiques actionne une éolienne qui produit de l'énergie mecanique avec un rendement qui dépend essentiellement du dispositif eolien: l'énergie mécanique est ensuite convertie en énergie électrique, généralement par une machine tournante, avec une perte importante dûe au mauvais rendement de la génératrice. La perte d'énergie perdue se manifeste par un dégagement calorifique non utilisable ayant essentiellement pour siege la machine tournante.Enfin 1 'é- nergie thermique apparaît par effet joule dans des résistances électriques. D'autre part, comme il n'existe pas actuellement de solution economiquement satisfaisante pour stocker une grande quantité d'énergie electrique, ce procéde exclu la possibilité d'utiliser l'énergie thermique pendant les périodesoul'éo- lienne ne fonctionne pas. L'invention propose un procédé et des dispositifs qui transforment l'énergie éolienne en énergie thermique avec un rendement tres éleve et qui permettent un stockage de cette derniere, un autre avantage qui caracterise l'inven- tion est d'être particulierement bien adaptée dans le cas de l'utilisation d'une éolienne type Darrieus. Dans l'invention, l'éolienne entraîne en rotation un frein hydraulique qui convertit directement l'énergie mécanique en énergie calorifique, l'énergie mécanique est dégradée en énergie thermique par le jeu des frottements engendres au niveau d'aubes en rotation et qui se manifestent au sein d'un liquide mis en mouvement par les dites aubes. Ce liquide participe au freinage et il est le siège d'un dégagement calorifique qui élève sa température, l'énergie thermique ainsi créée est transférée dans un accumulateur constitue essentiellement par un grand volume d'eau enfermé dans une enceinte calorifugée. Dans l'invention, le frein est choisi pour que la puissance mécanique adsorbée soit sensiblement en relation avec le cube de la vitesse de rotation pour être adaptée à la loi aérodynamique qui prevoit que la puissance délivrée par une eolienne croît selon cette fonction, cette caractéristique évite que l'éolienne entre en survitesse pour des vents forts. Un frein hydraulique preféré par l'invention est constitué par un rotor pourvu de pales sensiblement radiales, tournant dans un corps circulaire excentré par rapport à l'axe de rotation et dont les extremites sont en contact avec les faces terminales du corps de manière à déterminer en cours de rotation une otanchéité entre chaque face des pales.La forme et la disposition des éléments qui constituent le frein compris dans l'invention s'apparentes à ceux presents dans une pompe à anneau liquide. Le volume libre interne au corps est partiellement rempli de liquide, en quantite suffisante pour que la rotation produise un anneau liquide comme dans la pompe à laquelle le frein s'apparente. Le liquide entrainé par le rotor, est plaqué progressivement, à mesure que la vitesse de rotation augmente contre la paroi interne du corps.La carène liquide en mouvement détermine entre chaque pale des espaces qui varient de volume au cours d'une rotation ; les différences de pression consécutives à ces variations ont pour effet d'engendrer des écoulements violents qui produisent une agitation intense du fluide dont les frottements internes adsorbent l'énergie mécanique pour la convertir en energie calorifique. Dans le cas du couplage avec une éolienne du type Darrieus qui necessite un lancement du rotor aérien avant que ce dernier devienne moteur, 1 'i nven- tion prévoit la suppression de l'action du frein afin de diminuer la puissance nécessaire pour l'opération de lancement.Un procédé compris dans l'invention assure cette fonction,il consiste à n'introduire le fluide dans frein hydraulique que lorsque l'éolienne est arrivée à la vitesse ou une puissance motrice apparait. Dans l'invention, l'introduction du fluide est obtenue par le jeu d'une petite pompe centrifuge accouplée au frein et qui élève, pour la vitesse de rotation requise, le fluide contenu dans un réservoir situé sous le frein vers le corps de ce dernier. Lorsque l'éolienne n'est plus motrice, la vitesse de rotation diminue et le liquide redescend par gravité vers le reservoir. L'invention utilise, pour le fluide qui participe au freinage, un liquide chimiquement stable et qui reste liquide dans une large plage de température notamment à froid lorsqu'il gèle et que l'éolienne ne tourne pas, un liquide préféré est, par l'invention, constitué par un fluide silicone. Dans l'invention, pour limiter les effets climatiques et eviter les déperditions de chaleur, le frein est fortement calorifuge par des moyens connus, laine de verre ou vermiculite par exemple. Le transfert calorifique entre le liquide frein, siège du dégagement thermique et l'eau de l'accumulateur, est obtenu, dans l'invention par un échangeur de température qui réalise le contact theo mique interne entre les deux liquides en évitant leur mélange.Un procedé prévu par l'invention consiste à utiliser le fluide du frein comme liquide caloporteur, l'échangeur etant immergé dans l'eau de l'accumulateur , la circulation duliquide dans l'échangeur est engendrée par la différence de pression qui apparaît dans le frein entre la partie centrale et la périphérie des aubes dans le cas de simples freins hydrauliques, tels que ceux utilisés dans l'industrie, ou par la différence de pression créée dans l'anneau liquide lorsque le dispositif utilise le rotor analogue à la pompe à anneau liquide comme decrit précédemment. L'avantage présenté par ce procédé propre à l'invention est d'accroître le transfert calorifique dans l'échangeur à mesure que la puissance augmente, la pression, et par suite le débit du fluide étant proportionnel à la vitesse de rotation. L'invention prévoit un système de régulation qui assure la dissipation de l'énergie calorifique dans l'atmosphère lorsque l'accumulateur est arrivé a sa température limite ; ce système comporte une vanne thermostatique commandée par la température de l'eau contenue dans l'accumulateur qui dérive la circulation du fluide de l'échangeur situé dans l'accumulateur vers un autre échangeur extérieur destiné à dissiper les calories excedentaires dans l'atmos phère. Cet échangeur peut être constitué par un radiateur à ailettes par exemple L'exemple suivant est destiné à illustrer l'invention, il presente un ensemble réalisant la conversion de l'énergie eolienne en énergie thermique puis l'accumulation de cette dernière.Il est bien entendu que cet exemple ne limite pas l'invention dont les dispositions peuvent être utilisées en combinaisons ou selon des modes de réalisation différents. L'éolienne utilisée dans l'exemple est une eolienne à axe vertical du type Darrieus. Le rotor aérien, non représenté sur le dessin annexé entraîne en rotation l'arbre 1 sur lequel est couple un moyeu pourvu d'ailettes radiales 2 et une roue 3, de pompe centrifuge. Le moyeu pourvu d'ailettes tourne dans un corps 4 dont la paroi intérieure cylindrique est excentrée par rapport à l'axe de rotation, les faces du moyeu et des ailettes sont en ajustement glissant avec les extrémités du corps cylindrique. La roue centrifuge est enfermée dans un corps de pompe 5 solidaire de 4. La pompe centrifuge est alimentée par une canalisation 6 qui la relie à un reservoir 7 destiné à contenir le fluide qui sera utilisé pour le freinage. Le refoulement de la pompe s'effectue vers 4 par la canalisation 8. La pompe centrifuge est prévue pour qu'à partir de la vitesse ou l'éolienne devient motrice, le liquide soit introduit dans 4 afin de créer progressivement un anneau liquide sous l'effet des ailettes 2. Les variations de volume entre les ailettes créent des différences de pression qui engendrent des écoulements violents. L'énergie adsorbée par ces écoulements se manifeste par un dégagement calorifique qui élève la température du fluide. Des canalisations 9 et 10 debouchant dans 4 à des distances radiales différentes permettent, par le gradient de pression créé par la rotation du fluide, une circulation de ce dernier au travers d'un échangeur Il , situé dans un accumulateur de chaleur. Dans l'exemple, l'accumulateur est réalisé par un grand volume d'eau enfermé dans un reservoir 12 fortement isolé thermiquement. Pour limiter la déperdititon de chaleur, l'ensemble du corps 4 est calorifugé. Au cours du fonctionnement explicité précédemment, la circulation du fluide s'opère selon les flèches A. Lorsque l'accumulateur est arrivé à sa température maximum, une vanne thermostatique 13 dérive la circulation du fluide vers un échangeur 14 destiné à dissiper les calories dans l'air ambiant, le sens de la circulation est alors celui indiqué par les flèches B. La vanne thermostatique est commandée par des moyens connus, une sonde à dilatation de cire 15 par exemple. Lorsque le vent cesse, l'éolienne s'arrête et le liquide contenu dans le corps du frein s'écoule par gravité vers le réservoir 7 au travers de la pompe centri fugée. Le dispositif est alors prêt à une mise en marche selon le processus décrit au début de cet exposé. REVENDICATIONS 1 Dispositif destine à convertir l'énergie produite par une éolienne en énergie thermique et à stocker cette dernière dans un accumulateur de chaleur caractérisé par le fait que l'accumulateur de chaleur est constitué par un vol-u me d'eau contenu dans une enceinte calorifugée. 2 Dispositif selon revendication 1 caractérisé par le fait que l'energie mécanique produite par l'éolienne est convertie en énergie thermique par un dis positif constitue essentiellement par un frein hydraulique. 3 Dispositif selon revendication 2 caractérisé par le fait que la puis sance mécanique absorbée par le frein est sensiblement en relation avec le cube de la vitesse de rotation de l'éolienne. 4 Dispositif selon revendication 2 caractérise par le fait que le frein hydraulique est constitué par un rotor pourvu de pales sensiblement radiales, tournant dans un corps excentré par rapport à l'axe de rotation à la maniere d'une pompe à anneau liquide et dont le volume libre est partiellement rempli par un liquide. 5 Dispositif selon revendication 2 caractérisé par le fait que le liqui de est introduit dans le frein hydraulique lorsque l'éolienne est arrivée à la vitesse ou une puissance motrice apparaît. 6 Dispositif selon revendication 5 caractérisé par le fait que le liqui de est introduit dans le frein hydraulique par une pompe centrifuge accouplée au frein et qui élève, à une vitesse de rotation requise, le fluide contenu dans un réservoir situé sous le frein, dans le corps de ce dernier. 7 Dispositif selon revendication 2 caractérisé par le fait que le liqui de de frein utilisé est de l'huile silicone. 8 Dispositif selon revendication 2 caractérisé par le fait que le corps du frein hydraulique est calorifugé. 9 Dispositif selon revendication 1 et 2 caractérisé par le fait que le transfert calorifique entre le frein et le volume d'eau contenu dans l'enceinte calorifugée est réalise par un échangeur, immergé dans cette dernière, et parcou ru par le liquide utilisé dans le frein. 10 Dispositif selon revendication 3 caractérisé par le fait que la circu lation du liquide utilisé dans le frein, au travers de l'échangeur, est engen drée par la différence de pression qui apparaît entre la partie centrale et la périphérie des aubes du rotor du frein. 11 Dispositif selon revendication 9 caracterise par le fait que la cir culation du liquide utilise dans le frein, au travers de l'échangeur, est engen drée par la différence de pression créée dans l'anneau liquide lorsque le frein est prévu selon la revendication 4. 12 Dispositif selon revendication 1 et 2 caractérise par le fait que i'é- nergie thermique convertie à partir de l'énergie produite par l'éolienne est dis sipee dans l'atmosphère lorsque l'accumulateur atteint une température limite. 13 Dispositif selon revendication 12 caractérisé par le fait que l'énergie est dissipée dans l'atmosphère par un echangeur refroidi par l'air dans lequel est dérive la circulation du fluide du frein après passage dans l'échangeur si tué dans l'accumulateur. 14 Dispositif selon revendication 13 caractérisé par le fait que la déri vation de la circulation du fluide est obtenue par une vanne thenaostatique cor- mandée par la température de l'accumulateur.