Brevet FR2481756A1 — publié le 19811106

La présente invention concerne un ensemble de dispositifs permettant aux pales d'un aérogénérateur à axe vertical de subir sans détérioration les efforts violents d'un vent de tempête, de ralentir le rotor dans les limites de vitesse prédéterminées, de régulariser la vitesse de l'arbre récepteur en agissant sur lui directement et de pouvoir ainsi entrainer des récepteurs inhabituels et envisager des utilisations nouvelles de lténergie éolienne. L'utilisation de l'énergie éolienne par'l'homme remonte à plusieurs millénaires. Bien entendu, en fonction de l'évolution des technologies, de l'utilisation de combustibles minéraux et autres, l'inté- rêt pour les capteurs éoliens avait considérablement diminue. Etant donné le coût actuel du pétrole, un regain dtintérêt se manifeste depuis quelques années pour l'utilisation des ressources dites naturelles et, parmi celles-ci, le vent qui, dans des sites ehoisis et à l'aide de matériels adaptés, peut apporter une énergie non négligeable. Le rendement des aérogénérateurs modernes nécessite néanmoins, pour des puissances acceptables, des dimensions de rotor importantes qui entrainent des contraintes mécaniques élevées sous l'action de vents violents et irréguliers. Il y a actuellement deux familles d'aérogénérateurs à pales rapides, ceux qui possèdent l'arbre du rotor dans un plan horizontal et un dispositif d'orientation dans le vent, et ceux dont l'arbre du rotor est dans un plan vertical. et qui ne nécessitent aucun dispositif d'orientation.Les premiers existent sur le marché en quantité et possèdent différents types de protection et de régulation plus ou moins efficaces, les seconds qui intéressent directement l'in- vention sont essentiellement développés Ouire-Atlantique, bien que la création soit française et présentée aux alentours de 1925 par Monsieur DANRIEUS. L'un des avantages de ces derniers est d'avoir un rotor à pales fixes transmettant directement le couple moteur à la partie inférieure du support. Mais, hélas, ce type d'appareil comporte également des inconvénients ; parmi ceux-ci, la faiblesse du rotor dont les pales fixes offrent une grande surface au vent, ce qui entraine, dans la plupart des cas, leur destruction par vents de tempêté. Le surdimensionnement, l1u- tilisation et l'association de matériaux élaborés plus résistants, ne font qutaugmenter le prix de revient de l'appareil sans donner l'assu- rance d'une parfaite tenue aux vents violents. Les dispositifs décrits ci-après protègent efficacement le rotor contre un emballement excessif par vent fort et contre les efforts violents dus à un vent de tempête et, ceci, automatiquement, sans aucune in tervention extérieure. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description qui suit, donnée à titre d'exemple et faite en se réfèrant aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un aérogénérateur à axe vertical montrant les positions relatives des éléments le composant. Le rotor il composé de 6 supports 12 et de 3 pales verticales 13 tourne sur un pylone support 23. C'est à l'extrêmité 14 de chaque pale que se montent les différentes variantes des dispositifs de régulation et de protection. L'une d'entre elles néanmoins, par l'intermédiaire de masses d'inertie 17 fixées dans les bras supports 12, agit par-force centrifuge, soit sur l'incidence de la pale elle-meme, soit sur les mâchoires 16 de freins à disques 15, soit sur les deux à la fois. Sur l'exemple, le rotor est lancé par un ensemble de 3 rotors de SAVONIUS 19 et, en plus d'un contrôle de vitesse sur l'arbre 21, il y a un contrôle par anémomètre extérieur 20. Les récepteurs quels qu'ils soient s'adaptent en 22. t la figure 2 représente la position normale, en vue de dessus, des 3 pales par rapport à l'axe du rotor. Dans ce cas, l'angle entre la pale et son support est de 900. - la figure 3 montre les pales dont les bords d'attaque s'orientent vers 11axe du rotor. Cette position crée des turbulences aérodynamiques faisant chuter la vitesse de rotation qui reste ainsi dans des limites admissibles. Fig. 3a et 6. - la figure 4 représente les pales munies de volets en position de freinage, étudiées plus en détail sur les figures 4a et 6e. - la figure 5 représente la position des pales lorsque le vent dépasse une valeur imposée. Dans cette situation extrême, plus explicite sur la figure 5a, elles se mettent indépendamment les unes des autres dans la direction du vent après déverrouillage de leur arbre support 64 et offrent ainsi une moindre résistance à celui-ci. L'explication du principe est donnée avec plus de détails dans l'examen des figures 6. - la figure 6 schématise 5 variantes possibles de dispositifs ralentisseurs automatiques, figures 6a, 6b, 6c, 6d et 6e. Sur trois d'entre elles 6b, 6c et 6d, clest la masse des pales elles-mêmes, de par la position excentrée de leurs arbres supports 64 sur lesquels elles sont verrouillées par le dispositif réglable à ressort 68, qui crée par force centrifuge un mouvement de rotation vers l'extérieur du bord de fuite autour de l'arbre 65. Sur la variante 6a, c'est une masse d'inertie additionnelle M qui coulisse dans le bras support 63 et qui agit en C par l'intermédiaire dune biellette et qui s'ajoute à la masse des pales 62. Dans certains cas particuliers, liés aux caractéristiques de l'aérogénérateur, cette masse M peut également solliciter le piston d'un cylindre hydraulique actionnant les mâchoires d'un frein agissant sur un disque solidaire du support figure 7. Quant à la variante 6e, elle présente l'avantage de supprimer la pièce intermédiaire 61 commune aux variantes précédentes. La pale 62 est verrouillée directement sur le support de pale 63 ; c'est la masse additionnelle Ml qui, par force centrifuge, fait sortir le volet 69 habituellement plaqué sur le bord de fuite par le ressort de rappel 71 autour de l'axe de rotation 70. Il est à noter que, quelles que soient les variantes précitées concernant la régulation de la vitesse du rotor, le système de proteetion lui, est indépendant et est toujours basé sur le mtme principe de vsrrouillage à ressort réglable 68. Ce système permet, contrairement à tout autre limiteur de couple, de remettre automatiquement les pales en position de travail dès que le rotor est débloqué et qu'il est à nouveau relancé par un dispositif de lancement, ici le rotor'de SAVONIUS 19 de la figure 1. - la figure 7 représente 2 vues schématiques en profil'et dessus dlun bras support de pale. Un éclaté précise la position du maitre cylindre 73, du frein à disque 72 à commande hydraulique, du disque 71 fixé sur le support de l'aérogénérateur. Elle représente également un exemple dé l'association possible entre les dispositifs 6a et 6e destinés à la régulation et le verrouillage 7.68 permettant la mise en drapeau. En effet, il est possible suivant : la puissance, c'est-à-dire les dimensions du rotor, les conditions climatiques du site d'implantation, les utilisations de l'énergie éolienne disponible, e les possibilités de surveillance et d'entretien, de. choisir les dispositifs les mieux adaptés ou leurs associations. Le but de l'invention est de rendre sflr et efficace ce type de générateur qui, de par sa conception, est plus simple que ses homologues à axes horizontaux, pour un rendement sensiblement équivalent, ctest-à-dire de nécessiter un court de construction nettement moins important. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative Gon- cernant la régulation du rotor et sa protectionS l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. REVENDICATIONS 1 - Aérogénérateur à axe vertical (Fif. 1) caractérisé en ce qu'il est muni de dispositifs (Fig. 6) de régulation automatique par effet centrifuge, montés aux extrêmités de pales (14) et supports de pales (12). L'effet centrifuge se manifeste soit sur le poids des pales elles-mêmes (6b), (6c) et (6d) et est con tr81é par des ressorts de rappel ou équivalents (67), sur la masse additionnelle M (6a) en association avec la masse des pales avec également une possibilité de réglage des ressorts de rappel (67 > , sur la masse M1 (6e) entrainant la sortie d'un volet (69) faisant office de frein aérodynamique, lui aussi plaqué en position normale par un réssort (71) autour de l'axe (70). 2 - Aérogénérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la protection du rotor est indépendante du système de régulation et automatique également. Elle est due à un système de déverrouillage de l'axe support des pales (64) fig. 6. Lorsque le couple produit par l'effet du vent sur les pales est plus élevé que le couple de rappel dû à l'effort du ressort (68) sur la clavette demi-ronde ou la bille, il entraine sa sortir de la rainure de blocage -de l'arbre (fig. 5a), l'arbre devient libre sur son palier et la pale dont il est solidaire également. 3 - Aérogénérateur selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les différents dispositifs de régulation et protection, bien qu'indépendants les uns des autres, ne fonctionnent que par la position particulière de l'arbre (64) par rapport au centre de gravité des pales. En fonction du profil symétrique choisi ici pour la construction de la pale de notre exemple, l'axe (64) est exactement à 30 % du bord d'attaque de la corde de la pale alors que le centre de gravité et le centre de poussée sont en arrière à plus de 40 % du bord d'attaque. De même, l'axe de rotation (65), de par sa position décalée, favorise l'action de régulation des dispositifs comportant la plaque support (61). 4 - Aérogénérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la régulation (Fig. 6) est basée : sur la variation d'incidence des pales (62) dont le bord de fuite s'éloigne du centre de rotation du rotor en tournant solidairement avec la pièce (61) autour de l'axe (65) sous l'action de la force centrifuge. Le tout maintenu, bien entendu, par les dispositifs de rappel (67) et, dans certains cas, par le choix de la valeur de la masse M (fig. 6a), su sur le ralentissement dû aux turbulences provoquées par le volet (69 de la (fig. 6e) tournant autour de I'axe (71) sous l'action de la force centrifuge sur M1. Volet tenu en position normale rentré par un ressort (71). lorsque la vitesse de rotation du rotor reste dans la plage admissible. ou sur le freinage à l'aide d'un frein sur le moyeu de rotor (fig. 7) commandé par l'action de la masse M coulissant dans les bras supports de pales sous l'action de la force centrifuge, ou sur l'association éventuelle des variantes précitées comme, par exemple, la fig. (7) comprenant frein, variation d'incidence (6a) et sortie d'un volet (6a). 5 - Aérogénérateur selon la revendication 2, caracérisé par le fait que la protection du rotor est basée sur l'effacement des pales dans le lit du vent lorsque celui-ci est considéré comme trop violent ou qu'il y a risque de détérioration du rotor,' Le système appliqué est celui du déverrouillage de l'arbre (68) des pales pour un couple donné (fig. 5) et (fig. 5a). Son intérêt réside également dans le fait que les pales reprennent automatiquement leur position de travail (fig. 2) lorsque le vent est redevenu normal, le rotor est relancé à l'aide du rotor auxiliaire (19) et de (fig. 1).L'anémomètre (20) est à l'origine du signal de frei- nage complet avec arrêt en cas de tempête ou tout simplement lorsque la vitesse du vent dépasse le seuil retenu pour son exploitation C'est éga lement lui qui débloque le frein géneral et commande la remise en fonctionnement associé au rotor (19). 6 - Aérogénérateur selon les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que le choix ou l'association de ces dispositifs ou de dispositifs si milaires, est lié aux dimensions du rotor, aux conditions climatiques, aux utilisations souhaitées de l'énergie éolienne, aux possibilités et fréquences des visites d'entretien. 7 - Aérogénérateur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que, même en cas d'absence de freinage de ensemble déclenché par l'ané- momètre (20) ou tout autre système, le rotor se met dans une position telle qu?il présente une résistance moindre au vent de par l'orientation libre de ses pales par effet de girouette, et résiste aux efforts violents d'un vent de tempête.