Brevet FR2488658A1 — publié le 19820219

-- 2488658 La présente invention appartient au domaine des turbines à vent. Elle se rapporte à une centrale éolienne comportant plusieurs turbines vertica- les et qui a pour objet de transformer l'énergie éolienne en d'autres for- mes d'énergie: mécanique, électrique, hydraulique, par exemple. Ces der- nières formes d'énergie présentent l'avantage d'être directement utilisa- bles et pour certaines stockables. Ces centrales éoliennes, dont les dimen- sions peuvent être très variables, depuis les petites installations jus- qu'aux grandes centrales, sont destinées à couvrir aussi bien les besoins locaux que les besoins de production d'énergie électrique au niveau d'une région. Art antérieur L'énergie éolienne représente l'une des grandes sources d'énergie renouvelable, disponible à la surface de la terre; cependant il convient de reconnaître que sa maîtrise par l'homme n'a pas été jusqu'à présent une véritable réussite dans le domaine des fortes puissances, en dehors, il est vrai, de son utilisation pendant des siècles pour la propulsion des navires. Par ailleurs, pendant la période de développement industriel, elle s'est vue progressivement abandonnée au profit des sources d'énergie sta- bles: énergies hydrauliques et thermiques. Le trait dominant de l'énergie éolienne consiste en son caractère fantasque, en effet son énergie cinétique peut facilement varier d'un fac- teur supérieur à 100 entre la petite brise et le coup de vent, ce qui ex- plique les nombreux échecs dans les tentatives d'utilisation du vent. Il existe actuellement deux grandes familles d'éoliennes, celles du type hélice ou moulin à axe horizontal, et celles du type turbine à axe vertical. Les premières présentent un certain nombre d'inconvénients et de limitations qui proviennent de la formule même de l'hélice et de la grande variabilité de la vitesse du vent, par exemple: limitation de vitesse périphérique et nombreux phénomènes vibratoires, mauvaise résistance aux rafales et tempêtes, impossibilité de capter le maximum d'énergie lorsque le vent souffle en tempête. Les secondes ont été peu développées et n'ont pas encore conduit à des turbines de puissance importante. Elles présentent souvent comme défaut l'impossibilité de capter le maximum d'énergie pendant les périodes de vent vionent. - 2- 2488658 Exposé général de l'invention La présente invention a pour objet une centrale éolienne comportant un certain nombre d'équipements et dispositifs assurant des fonctions spéci- fiques - les équipements récepteurs de l'énergie éolienne, constitués par des turbines orientables dans la direction du vent et munies de rotors par- tiellement carénés, à axes verticaux ou peu inclinés par rapport à la verti- cale. les rotors sont équipés d'aubes mobiles disposées verticalement et de section courbe; leur orientation par rapport à la direction du vent entrant, est commandée par un dispositif de variation d'incidence complété par un mécanisme d'inversion de courbure. Ce dispositif de variation d'inci- dence a pour effet d'augmenter le plus possible la phase de travail positif dans le vent. - Les équipements transformant l'énergie des turbines en d'autres formes d'énergie, par exemple génératrices -électriques, pompes hydrauliques à moyenne ou haute pression, pompes à eau. - Les équipements auxiliaires régulateurs dynamiques, freins d'immobilisation des rotors de turbines, liaisons mécaniques des turbines, multiplicateurs de vitesse, 25. embrayages, dispositif d'orientation des turbines. - Les équipements constituant les stockages d'énergies batterie d'accumulateurs électriques, réservoirs hydrauliques sous pression. - Le dispositif de régulation assurant l'adaptation de la produc- tion d'énergie en fonction de la vitesse du vent. Une centrale éolienne, conforme à l'invention, présente un certain nombre d'avantages particuliers qui sont les suivants faible inertie des turbines, 35. rendement intéressant pour une large gamme de vitesses du vent, possibilité de réalisation de turbines de grandes dimensions, résistance aux rafales et tempêtes, production maximale d'énergie pendant les périodes de vent violent, 40. possibilité de stockage d'importantes quantités d'énergie, - 3 - 2488658 modularité de la construction, simplicité des structures support. Enoncé des figures: La figure I est une vue schématique partielle, en élévation, d'un groupe de turbines o ne sont pas représentés les carénages et la structure support. La figure 2 est une vue en coupe suivant AA des turbines. La figure 3 est une vue en coupe d'un rotor de turbine. Exposé détaillé de l'invention Une centrale éolienne conforme à l'invention est caractérisée,au niveau des équipements récepteurs de l'énergie du vent,par des groupes de turbines à air dont les axes sont disposés verticalement ou peu inclinés par rapport à la verticale. - Les turbines sont munies de carénages I qui ont pour but d'une part, de guider le vent vers les aubes qui doivent le recevoir, et d'autre part de masquer la partie du mouvement de rotation qui se situe à contrevent. La partie avant du carénage est constituée par un bec 2, orientable, destiné à régler l'admission du vent. Principede rotation Pendant un tour de rotation du rotor, le cycle de mouvement d'une aube comporte trois phases successives: - travail positif dans le vent, retour à contrevent avec trainée minimale, inversion de courbure. Turbines à aubes rigides Chaque turbine comprend un rotor 3 à plusieurs pales équipées d'aubes rigides 4 disposées parallèlement à l'axe du rotor. Ces aubes de section transversale courbe sont orientées par rapport au vent, pendant la rotation du rotor, à l'aide d'un dispositif à variation cyclique d'incidence avec came centrale 5 et système de tringlerie 6 assurant la commande d'orien- tation des aubes; le profil de la came centrale est lui-mâme à géométrie variable dans la partie correspondant à la phase de rotation active des pales, et se trouve commandé par le dispositif de régulation. Ces deux dispositifs permettent d'améliorer le rendement de la turbine pendant la phase de rotation active et également de réduire la trainée pendant la phase de rotation à con- trevent. Le dispositif de variation cyclique est complété par un mécanisme d'inversion de courbure 7 agissant par retournement des aubes après la phase de rotation à contrevent, de façon à rétablir l'incidence initiale par rapport au vent entrant. Turbines à aubes souples - 4 - 2488658 Suivant cette autre caractéristique de l'invention, chaque turbine comprend un rotor à plusieurs pales équipées d'aubes souples disposées paral- lèlement à l'axe du rotor; une aube, constituée de plusieurs éléments verti- caux liés entre eux, forme un ensemble de section transversale courbe et dé- formable. Les aubes restent orientées par rapport au vent pendant la rotation du rotor à l'aide-d'un dispositif à variation cyclique d'incidence, avec came centrale et système de tringlerie assurant la commande d'orientation des aubes. Le profil de la came centrale est luimême à géométrie variable dans la partie correspondant à la phase de rotation active des pales, et se trouve commandé par le dispositif de régulation. Le dispositif de variation cyclique est complété par un mécanisme d'inversion de courbure agissant sur l'élément central de l'aube souple. - Chaque turbine comporte également un régulateur dynamique 8 15. un frein d'immobilisation 9 une transmission mécanique 10 la reliant à l'une des tur- bines voisines. - Un certain nombre de turbines sont ainsi reliées mécaniquement entre elles pour former un groupe, ce qui permet de réduire le nombre des ar- bres de sortie destinés à la production d'énergietout en augmentant la puis- sance unitaire. - Un dispositif auxiliaire constitué par un mécanisme d'orientation Il permet d'orienter dans le vent chaque groupe de turbines par déplacement en rotation du chassis support 17 Au niveau de la production d'énergie, une centrale éolienne conforme à l'invention comprend - un multiplicateur de vitesse 12 qui reçoit l'énergie produite par le groupe de turbines et la transmet directement à une génératrice élec- trique auxiliaire 13 et, par l'intermédiaire des embrayages 14, aux pompes hydrauliques moyenne et haute pression 15, 16; ces deux pompes sont du type à débit variable. Dans une première variante, la production totale d'énergie est assurée de façon entièrement électrique, les pompes hydrauliques 15 et 16 étant remplacées par des génératrices électriques. 35. Dans une deuxième variante, les pompes hydrauliques moyenne et haute pression 15, 16 sont remplacées par des pompes à eau. Les équipements constituant les stockages des énergies produites par la centrale éolienne conforme à l'invention, comprennent dans la version de base: - pour l'énergie électrique auxiliaire: des batteries d'accumulateurs, - pour l'énergie hydraulique des réservoirs de stockage haute pres- sion de grand volume constituant des accumulateurs hydrauliques. Ce type de réservoir permet de réaliser des stockages correspondant à plusieurs heures de pleine production. Cette énergie hydraulique haute pression peut, à son tour, être utilisée pour entraîner de façon classique par l'intermédiaire de moteurs ou de turbines hydrauliques, toutes sortes d'équipements mécaniques, électriques, hydrauliques ou de climatisation, par exemple:.génératrices électriques, pompes à eau, pompes à chaleur. - Dans le cas de la première variante de production, l'énergie électri- que peut être stockée dans des batteries d'accumulateurs ou bien, pour d'autres usages, transformée en chaleur, ou encore utilisée pour l'électro- lyse de l'eau. - Dans le cas de la deuxième variante de production, le pompage de l'eau prélevée dans un bassin ou dans un cours d'eau permet d'alimenter un bassin de stockage situé à une altitude plus élevée. Un dispositif de régulation mesure en permanence la direction et la vitesse du vent, ainsi que la vitesse de rotation des turbines. Il commande les embrayages 14, le débit des pompnes hydrauliques et la variation de géomé- trie du profil de la came 5, de façon à adapter la production d'énergie à celle qui est reçue au niveau des turbines; ainsi la production d'énergie reste maximale tout en évitant les phénomènes d'emballement des turbines. Ce dispositif de régulation commande, en outre, les becs orientables 2 situés en avant des carénages et les mécanismes d'orientation vers le vent. Il de chaque groupe de turbines. Il doit être entendu que la description qui précède est donnée à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les organes et équipements décrits par d'autres équivalents.- Les centrales éoliennes conformes à celle décrite dans l'invention peu- vent être utilisées de façon intensive dans les pays régulièrement ventés, pour les besoins énergétiques communautaires, industriels et régionaux. Leur réalisation modulaire et les grandes dimensions réalisables pour les turbi- nes, permettent de couvrir toute une gamme de puissances allant de celle qui apparaît nécessaire au niveau d'un village à celles actuellement produites par les centrales hydrauliques ou thermiques. - 6 - REVENDICATIONS 1.- Centrale éolienne comportant une ou plusieurs turbines dont le ou les axes de rotation sont disposés verticalement ou peu inclinés par rap- port à-la verticale, chaque turbine étant caractérisée en ce qu'elle com- prend: - un rotor (3) à plusieurs pales munies d'aubes (4), orientables, disposées parallèlement à l'axe, et dont l'incidence par rapport à la di- rection du vent entrant est modifiée au cours de la rotation-du rotor par un dispositif de variation cyclique avec came centrale (5) à géométrie variable, et système de tringlerie (6). Chaque aube de section courbe est réalisée soit par une structure rigide, soit par une structure souple et déformable dans le sens transversal. - Un mécanisme d'inversion de courbure (7) agissant sur les aubes après la phase de rotation à contrevent. - Des carénages (1) permettant de guider le vent vers les aubes ac- tives, de masquer la partie du mouvement de rotation du rotor située à contrevent et de régler l'admission du vent par un bec orientable (2). - Un régulateur dynamique (8), - Un frein d'immobilisation (9), -Une transmission mécanique (10) la reliant à l'une des turbines voisines, dans le cas de plusieurs turbines. 2.- Centrale éolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'ensemble de la turbine ou du groupe de turbines est rendu orientable dans le vent par un mécanisme (11) d'orientation du chassis support (17). 3.- Centrale éolienne selon les revendications 1 et 2 caractérisée en ce que l'énergie mécanique produite est utilisée pour actionner des génératrices électriques par l'intermédiaire ou non d'un multiplicateur de vitesse (12) et d'embrayages (14). 4.- Centrale éolienne selon les revendications l et 2 caractérisée en ce que l'énergie mécanique produite est utilisée pour actionner des pompes à eau par l'intermédiaire ou non d'un multiplicateur-de vitesse (12) et d'embrayages (14). 5.- Centrale éolienne selon les revendications 1 et 2 caractérisée en ce que l'énergie mécanique produite est utilisée par l'intermédiaire d'un dispositif multiplicateur de vitesse (12) et d'embrayages (14) pour actionner - une ou plusieurs génératrices électriques (13) - - une ou plusieurs pompes hydrauliques moyenne pression (15) -7 - une ou plusieurs pompes hydrauliques haute pression (16). 6.- Centrale éolienne selon l'ensemble des revendications 1, 2, 5 caractérisée en ce que un dispositif de régulation mesurant la direction et la vitesse du vent, ainsi que la vitesse de rotation des turbines, com- mande: les embrayages, le débit des pompes hydrauliques, la variation géo- métrique du profil de la came agissant sur l'incidence des aubes orienta- bles, les becs orientables situés en avant des carénages et le mécanisme d'orientation vers le vent de la turbine ou du groupe des turbines. 7.- Centrale éolienne selon l'ensemble des revendications 1, 2, 5, 6, caractérisée en ce que les énergies électriques et hydrauliques pro- duites sont stockées en vue d'une utilisation ultérieure, les moyens de stockage étant pour l'énergie électrique des batteries d'accumulateurs et pour l'énergie hydraulique des réservoirs accumulateurs à haute pression.