Brevet FR2407369A1 — publié le 19790525

La présente invention a pour objet un procédé et une installation de récupération et d'accumulation de énergie éolienne rendue disponible sur l'arbre d'un moteur éolien. Il est déjà connu de récupérer énergie éolienne,disponible sur l'arbre d'un moteur éolien,en utilisant énergie mécanique de rotation de l'arbre de ce moteur pour entratner,par exemple,une pompe de circuit hydraulique, ou un alternateur, si l'on désire récupérer énergie éolienne sous forme d'énergie électrique. Cependant, un inconvénient commun aux installations connues de ce type réside dans la difficulte qu'il y a d'accumuler énergie ainsi récupérée. Dans le cas d'une récupération sous forme d'énergie électrique, le stockage n'est possible qu'au moyen de batteries d'accumulateurs, qui sont des éléments onéreux, fragiles, lourds, encombrants et d'un rendement médiocre. Dans le cas d'une récupération sous forme d'énergie mécanique, le stockage peut s'effectuer par entrainement d'une pompe, par exemple pour relever une certaine quantité d'eau d'une certaine hauteur, afin de bénéficier de l'effet de chute pour entrainer une turbine,lorsque des besoins énergétiques existent, ce qui présup- pose la réalisation d'une infrastructure importante associée à l'éolienne. De plus, dans les installations connues de ce type, l'alternateur et la pompe sont directement entraînes par l'arbre du moteur éolien, ou par un axe solidaire en rotation de cet arbre. Leur entrainement n'est donc pas constant et varie avec la force du vent, qui est susceptible de sautes brusques et de grande amplitude. Ces variations brutales et conséquentes du régime de rotation étant préjudiciables au bon fonctionnement de la pompe ou de l'alternateur, on dispose généralement, sur l'axe entraîné par l'eolienne, un système de freinage propre à atténuer les variations de régime et à limiter la vitesse de rotation de l'ensemble en-dessous d'une valeur critique lorsque le vent est violent. Le freinage provoquant un échauffement parfois important, il est nécessaire de prévoir également un système de refroidissement, comportant un ventilateur ou un circuit de refroidissement avec radiateur, respectivement alimentés par l'alternateur ou la pompe dans le cas des exemples choisis. Les dispositifs ainsi modifiés ne sont cependant pas satisfaisants, car, dans le cas d'éoliennes de grandes dimensions, il est souvent prévu de mettre éolienne nen drapeau, lorsque le vent souffle avec une telle vitesse que le système de freinage se révèle incapable d'assurer sa fonction et que l'éolienne, subitement accélérée, est sur le point de s'emballer. Par contre, dans les cas où les systèmes de freinage et de refroidissement ont été correctement dimensionnés pour empêcher tout emballement de l'éolienne, on constate qu'ils consomment une partie non négligeable de l'énergie récupérée, ce qui diminue notablement le rendement de l'installation. Le but que l'on se propose d'atteindre est de remédier aux inconvénients précités, le problème à la base de l'invention consistant, en conséquence, à concevoir un procédé et une installation permettant une récupération et une accumulation aisée de l'énergie éolienne rendue disponible sur l'arbre d'un moteur éolien, et grâce auxquels les puissances consommées au freinage et lors du refroidissement, non seulement ne pénalisent pas le rendement de l'opération, mais constituent des puissances utiles au déroulement de l'opération, l'installation devant, en outre, être autonome et susceptible d'être disposée sur des sites non préparés. A cet effet, le procédé selon l'invention se caractérise en ce qu'il consiste à assurer un freinage continu de la rotation d'un élément solidaire en rotation de l'arbre du moteur éolien, pour favoriser la transformation d'énergie mécanique en énergie calorifique, à absorber l'énergie calorifique dissipée lors du freinage au moyen d'un fluide caloporteur ainsi réchauffé, puis stocké et susceptible, selon les besoins, d'entraîner un moteur thermique délivrant une énergie mécanique, éventuellement transformée en énergie électrique. Selon l'invention, le freinage peut être assuré aussi bien par laminage du fluide caloporteur, lequel s'échauffera par frottement visqueux, que par frottement de patins non entrainés en rotation, sur l'élément solidaire en rotation de l'arbre du moteur éolien, mais, de préférence, l'intensité du freinage est régulée en fonction de la vitesse du vent entrailnant le moteur éolien, de sorte que le freinage est assuré par laminage progressif du fluide caloporteur, puis par frottement entre patin et élément entraîné en rotation, avec une pression de contact croissante, lorsque la vitesse du vent augmente, jusqu'à une vitesse critique pour laquelle le freinage est tel que l'arbre du moteur éolien est immobilisé. Sur le plan de l'installation, l'invention se caractérise en ce qu'elle comprend au moins un dispositif de freinage, coopérant continument avec au moins un élément solidaire en rotation de l'arbre du moteur éolien, et transformant l'énergie mécanique de rotation disponible sur l'arbre du moteur éolien en énergie calorifique absorbée, dans au moins un évaporateur, par un fluide caloporteur d'un circuit bouclé sur l'évaporateur et comprenant,notamment,untaccumula- teur, un moteur thermique-, de type alternatif ou rotatif, susceptible d'entralner un alternateur ou une génératrice, et un condenseur. Avantageusement, le freinage s'effectue dans au moins une enceinte constituant simultanément un évaporateur et un accumulateur de fluide caloporteur. Dans une forme préférée de réalisation, chaque élément entrainé en rotation est constitué par un disque, et chaque dispositif de freinage comprend au moins un frein à disque muni d'un patin, dont l'écartement du disque et/ou dont la pression de contact sur le disque peuvent être commandés en fonction de la vitesse du vent entraînant le moteur éolien, pour freiner continûment la rotation de ce dernier, soit par laminage de fluide caloporteur entre patin et disque, soit par frottement du patin sur le disque, soit successivement par laminage puis par frottement. De plus, chaque frein à disque peut être actionné hydrauliquement, chaque patin étant solidaire d'un piston monté coulissant dans un cylindre alimenté en fluide hydraulique par une servo-valve commandée en fonction de l'intensité du vent. Pour des raisons de maintenance, il peut être préférable d'assurer le freinage par laminage du fluide caloporteur, plutôt que par frottement entre patin et disque, ce qui peut conduire à procéder trop fréquemment,pour l'utilisateur,au remplacement des patins ou de leur garniture de friction.Dans ces conditions, il est intéressant d'utiliser un fluide caloporteur visqueux, ce que l'on obtiendra par mélange de fluide frigorigène et d'huile, l'installation comprenant alors, sur le circuit de fluide caloporteur et en amont du moteur thermique, un séparateur d'huile et de fluide frigorigene, faisant simultanément office de déshumidificateur de la vapeur entraînant le moteur thermique, les condensats et l'huile recueillie étant mélangés au fluide retournant à l'évaporateur-accumulateur dans les turbulences d'une pompe de circulation disposée en aval du condenseur. L'invention sera mieux comprise à l'aide de l'exemple particulier de réalisation, qui sera à présent décrit, en référence à la figure unique en annexe. Sur cette figure, un moteur éolien ou éolienne 1, du type "panémone", c'est-à-dire constitué de trois pales 2 décalées à 1200 dans des plans verticaux et solidaires d'un arbre vertical 3, afin d'être sensible au vent quelle que soit sa direction, entraine en rotation un disque 4 disposé dans une enceinte étanche 5 traversée par l'arbre 3,et dans laquelle cet arbre 3 est monté tourillonnant, de façon en soi connue, au moyen de paliers.La plus grande partie du volume interne de l'enceinte 5 est occupée par un fluide caloporteur visqueux 6, obtenu, par exemple, en mélangeant une huile, avec ceux des dérivés fluorobromés du méthane qui sont miscibles en toutes proportions avec les huiles de graissage utilisées dans l'industrie du froid, en particulier le trichlorofluorométhane et le chloro-difluorobromométhane tels que ceux res- pectivement commercialisés sous la dénomination de Foraine î1" et de "Pyroforane 12B1", ce dernier présentant, en outre, d'excellentes qualités d'ininflammabilité, d'innocuité, de stabilité et d'agent extincteur. Dans 11enceinte 5, un dispositif de freinag comprenant deux freins à disque 7 et une channe de régulationK qui sera détaillée plus loin, est associé au disque 4. Chacun de ces freins à disque 7 comprend, de façon bien connue, deux patins de friction 8 portés, chacun, par un piston 9 monté coulissant dans un cylindre 10 alimenté en fluide hydraulique par une servo-valve 11 commandée en fonction de l'intensité du vent. Ceci est obtenu au moyen d'un tube de pitot 12, aligné face au vent par une girouette (non représentée), et mesurant la différence de pression entre pression dynamique et pression statique. Cette information est délivrée à un convertisseur pression - intensité électrique 13, lequel fournit à la bobine de commande 14 de la servo-valve 71 un signal électrique proportionnel à la vitesse du vent.La servo-valve 11, alimentée en fluide hydraulique sous pression, provenant du réservoir 15 et pressurisé par la pompe 16, alimente ainsi les freins à disque 7 proportionnellement à la vitesse du vent, le fluide hydraulique non dirigé vers les freins à disque 7 étant susceptible de retourner directement au réservoir 15. La caractéristique de la servo-valve est choisie de telle sorte que,par vent faible, le fluide caloporteur 6 situé dans l'enceinte 5 soit laminé entre le disque tournant 4 et les patins 8,et s'échauffe par frottement visqueux, l'écartement entre le disque 4 et ces patins 8 étant variable et étant commandé par la servo-valve 11. Si la vitesse du vent augmente, les patins 8 sont rapprochés du disque 4, de sorte qu'un film de fluide caloporteur de plus en plus mince soit laminé, afin dwaugmenter le freinage, sans cependant arrêter la rotation du disque 4, cette opération s'accompagnant d'un échauffement croissant du fluide caloporteur par frottement visqueux.Puis, pour des vitesses toujours croissantes du vent, les patins 8 viennent en contact du disque 4, avec une pression de contact commandée en fonction de la vitesse du vent par la servo-valve 11, et le freinage est assuré par frottement des patins 8 sur le disque 4, cette opération s'accompagnant d'une dissipation d'énergie calorifique croissant avec la pression de contact et absorbée par le fluide caloporteur. Le système de freinage et sa chaîne de régulation permettent ainsi d'assurer un freinage continu du disque 4, donc un échauffement permanent du fluide caloporteur. On remarque que la rotation du disque 4 n'est pas arrêtée par le freinage, sauf lorsque la vitesse du vent atteint une valeur critique pour l'éolienne, auquel cas la pression de contact des patins 8 sur le disque 4 assurera l'arrêt de la rotation de l'éolienne. Lorsque le vent est nul, un réservoir préssurisé 17 assure la mise en pression des cylindres de frein 10, de sorte que les patins 8 occupent une position correspondant un écartement initial du disque, choisi pour assurer un freinage par laminage dès la mise en rotation de éolienne 1, si le vent vient à souffler. Ceci permet d'éviter une mise en rotation trop rapide de l'éolienne 1, qu'il serait difficile de rattraper par la suite. Si le fluide frigorigène mélangé à l'huile pour constituer le fluide caloporteur est un chlorodifluorobromométhane, tel que le "Pyroforane 12B1" déjà nommé, on peut atteindre une température de 1400C et une pression de 40 bars dans l'enceinte 5,qui constitue simultanément l'évaporateur et l'accumulateur du fluide caloporteur d'un circuit comprenant, en outre, un séparateur 18 d'huile et de fluide frigorigène, faisant également office de déshumidificateur de la vapeur de fluide frigorigène, laquelle entrain un moteur thermique 19, à basse température, tel qu'une turbine,dont l'arbre entraine la pompe. 16 de pressurisation du circuit hydraulique d'alimentation de la servo-valve 11, ainsi qu'éventuellement un alterna teur ou une génératrice 20,si Si l'on désire récupérer de énergie sous forme électrique. A l'entrée de la turbine 19, on dispose un détendeur 21 permettant de réguler, par exemple à 20 bars, la pression d'alimentation de la turbine 18, à la sortie de laquelle le fluide frigorigène est mené au condenseur 22, ou sa température et sa pression sont respectivement d'environ 150C et 2 bars. Une pompe 23, entrainée, soit à partir de la turbine 19, soit à partir de l'alternateur 20, et disposée à la sortie du condenseur 22, assurera une réalimentation de l'enceinte 5, les condensats de fluide frigorigène et l'huile recueillie dans le séparateur 78 étant mélangés au fluide retournant à l'enceinte 3 dans les turbulences en aval de la pompe 23. En favorisant la transformation de l'énergie mécanique de rotation de l'arbre de l'éolienne 1 en énergie calorifique par un freinage continu, et en permettant l'utilisation directe de cette énergie calorifique pour réchauffer un fluide caloporteur,qui sera stocké et restera disponible pour entrainer un moteur thermique, le procédé et l'installation selon l'invention permettent une récupération et une accumulation aisée de l'énergie éolienne. De plus, l'installation est autonome et peut être disposée, telle que décrite, sur des sites non préparés, afin d'alimenter en énergie tout consommateur isolé. On pourrait, sans sortir du cadre de 1 'inven- tion, utiliser plusieurs enceintes 3 et plusieurs éoliennes 1, voire même plusieurs disques 4, disposés en série sur un ou plusieurs axes parallèles et entrainés par l'arbre de l'éolienne 1, avec autant de freins qu'il sera nécessaire, dans chaque enceinte 9. On pourrait également, bien que cela soit moins intéressant, aménager l'installation selon l'invention autour du dispositif de freinage d'une installation classique de grande dimension, afin de transformer une énergie usuellement consommée en énergie récupérée. REVENDICATIONS 1/ Procédé de récupération et d'accumulation de énergie éolienne rendue disponible sur l'arbre d'un moteur éolien, caractérisé en ce qu'il consiste à assurer un freinage continu de la rotation d'un élément solidaire en rotation de l'arbre du moteur éolien, pour favoriser la transformation d'énergie mécanique en énergie calorifique, à absorber l'énergie calorifique dissipée lors du freinage au moyen d'un fluide caloporteur ainsi réchauffé, puis stocké et susceptible, selon les besoins, d'entrainer un moteur thermique délivrant une énergie mécanique, éventuellement transformée en énergie électrique. 2/ Procédé selon la revendication 1 précédente, caractérisé en ce que le freinage est assuré par laminage du fluide caloporteur qui s'échauffe par frottement visqueux. 3/ Procédé selon la revendication 1 précédente, caractérisé en ce que le freinage est assuré par frottement d'au moins un patin, non entrainé en rotation, sur l'élément solidaire en rotation de l'arbre du moteur éolien. 4/ Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'intensité du freinage est régulée en fonction de la vitesse du vent entraînant le moteur éolien, de sorte que le freinage est assuré par laminage progressif du fluide caloporteur, puis par frottement entre. patin et élément entrainé en rotation, avec une pression de contact croissante, lorsque la vitesse du vent augmente, Jusqu'à une vitesse critique pour laquelle le freinage est tel que l'arbre du moteur éolien est immobilisé. 5/ Installation de récupération et d'accumulation de l'énergie éolienne rendue disponible sur l'arbre d'un moteur éolien, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un dispositif de freinage coopérant continûment avec au moins un élément solidaire en rotation de l'arbre du moteur éolien, et transformant l'énergie mécanique de rotation dispose nible sur l'arbre du moteur éolien en énergie calorifique absorbée dans au moins un évaporateur par un fluide caloporteur d'un circuit bouclé sur l'évaporateur et comprenant notamment un accumulateur, un moteur thermique, de type alternatif ou rotatif, susceptible d'entraîner un alternateur ou une génératrice, et un condenseur. 6/ Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que le freinage s'effectue dans au moins une enceinte constituant simultanément un évaporateur et un accumulateur de fluide caloporteur. 7/ Installation selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisée en ce que chaque élément entrainé en rotation est constitué par un disque, et en ce que chaque dispositif de freinage comprend au moins un frein à disque muni d'un patin dont l'écartement du disque et/ou dont la pression de contact sur le disque peuvent être commandés en fonction de la vitesse du vent entrainant le moteur éolien pour freiner continûment la rotation de ce dernier, soit par laminage de fluide caloporteur entre patin et disque, soit par frottement du patin sur le disque, soit successivement par laminage puis par frottement. 8/ Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que chaque frein à disque est actionné hydrauliquement, chaque patin étant solidaire d'un piston monté coulissant dans un cylindre alimenté en fluide hydraulique par une servo-valve commandée en fonction de l'intensité du vent. 9/ Installation selon l'une des revendications 5 å 8, caractérisée en ce que le fluide caloporteur est constituée d'un mélange de fluide frigorigène et d'huile, et en ce que le circuit de fluide caloporteur comprend, en amont du moteur athermique, un séparateur d'huile et de fluide frigorigène, faisant simultanément office de déshumidificateur de la vapeur entraînant le moteur athermique, les condensats et l'huile recueillie étant mélangés au fluide retournant à l'évaporateuraccumulateur dans les turbulences d'une pompe de circulation disposée en aval du condenseur.