Brevet FR2490287A1 — publié le 19820319

Appareil et procédé pour produire de l'énergie élec- trique en utilisant l'énergie éolienne. La présente invention concerne l'exploitation de l'énergie éolienne pour la production d'énergie électrique à fréquence constante. La principale difficulté que l'on rencontrechaque fois que l'on veut exploiter l'énergie éolienne pour produire de l'énergie électrique, provient de l'extrême variabilité du vent, lequel est mal adapté pour répondre à une demande d'énergie qui suit des tendances tout à fait différentes. On a suggéré et essayé divers systèmes d'accumulation avec des résultats assez bons, mais ces systèmes sont sujets à des conditions qui sont souvent très restrictives et très coûteuses à la fois du point de vue de leur construction et de leur utilisation pratique. Selon la présente invention, on obtient un appareil produisant de l'énergie électrique par utilisation de l'énergie éolienne, cet appareil comprenant un rotor entraîné par le vent (que l'on appellera plus simplement rotor éolien) et une source de force motrice qui sont reliés tous deux à un générateur électrique par l'intermédiaire d'un différentiel de manière quependant l'utilisation, le générateur tourne à une vitesse sensiblement constante. La présente invention fournit également un procédé pour produire de l'énergie électrique à une fréquence constante en utilisant l'énergie éolienne, procédé dans lequel un rotor éolien est couplé à une source de force motrice ainsi qu'à un générateur électrique que l'on maintient à une vitesse constante au moyen d'un mécanisme faisant la somme des vitesses angulaires et comprenant un différentiel dont le porte- satellitezest relié au générateur et dont les deux demi-arbres sont reliés l'un à la force motrice et l'autre au rotor d'éolienne. En utilisant l'appareil de la présente invention, il est possible d'engendrer de l'énergie avec des caractéristiques plus uniformes et on peut affirmer que, dans certaines limites, la contribution du rotor éolien à l'énergie totale produite tend à soulager la tâche de la source de force motrice auxi- liaire (qui est autre qu'un rotor éolien). L'énergie électrique produite par l'appareil comprenant la source de force motrice, le rotor éolien et l'alternateur, peut être fournie à un réseau d'usagers en parallèle avec un réseau électrique de forte puissance réglé sur une fréquence constante, ou bien elle peut alimenter un réseau local auquel sont branchés d'autres générateurs. Dans le premier cas, les caractéristiques électriques et mécaniques de-l'appareil doivent être telles qu'il soit possible d'avoir un couplage stable qui. n'applique pas au réseau des charges réactives.En utilisant l'énergie éolienne uniquement comme source d'énergie (c'est-à-dire par couplage direct d'un rotor éolien avec un générateur synchrone ou un générateur à induction puis au réseau) on pourrait obtenir ce résultat, mais il ne serait pas possible d'exploiter au maximum l'énergie éolienne dans une plage de vitesse prédéterminée et, de ce fait, le rendement moyen global du système serait faible. On pourrait penser qu'il serait pos- sible de résoudre un tel problème simplement en utilisant dés dispositifs tels que des rotors à pâles mobiles ou des systèmes de régulation compliqués; toutefois, de tels dispositifs ont des prix de revient et d'exploitation élevés.La présente invention, au contraire, permet d'utiliser, entre autre, des rotors éoliens du type à pâles fixes- qui sont robustes et fiables. La source de force motrice peut être n'importe quelle source de force motrice selon les sources de force motrice disponibles localement. Lorsque l'appareil de la présente invention est relié à un réseau de forte puissance, il est préférable d'utiliser comme générateur, un générateur synchrone. Dans ce cas, un réseau qui, du point de vue électrique, se comporte comme un générateur de tension idéale à une fréquence constante, est capable d'absorber toute l'énergie produite; l'interaction entre les champs tournants du stator et du rotor entraînent un couple de synchro- nisation qui exige comme condition nécessaire pour maintenir un état stable, que la vitesse angulaire de l'axe mécanique du générateur synchrone soit égale à une valeur bien déterminée (vitesse de synchronisme). La caractéristique du couple de synchronisation est habituellement telle qu'elle assure la stabilité d'un tel état stable une fois qu'il a été atteint sur une connexion parallèle. Si l'appareil doit alimenter des usagers fortement dispersés (par exemple des ateliers, des immeubles ou des fermes) par l'intermédiaire d'un réseau local non branché à d'autres alter- nateurs, on peut utiliser d'autres types de générateurs élec- triques, c'est-à-dire des générateurs qui ne sont pas des géné- rateurs synchrones. Ainsi, par exemple, on peut utiliser des générateurs à induction. De toute façon, la production d'énergie électrique a une fréquence constante, lorsque l'énergie doit être fournie à un réseau isolé, exige que l'on utilise un dispositif supplémentaire de régulation de fréquence et que l'on dispose d'installationsélectriquesde faible priorité (par exemple des installations de pompage d'eau) pour être modulée si besoin est. On va maintenant décrire à titre d'exemple la présente invention en se référant aux dessins annexés, sur lesquels la figure 1 est une représentation schématique d'un appareil selon la présente invention; la figure 5 est une représentation schématique d'un dispositif d'asservissement destiné à être utilisé dans la présente invention; et les figures 2A, 2B, 3A, 3B, 4A, 4B et 4C sont des graphiques qui sont expliqués dans la description ci-dessous. En se référant à la figure 1, on voit que l'accouplement mécanique des trois éléments constitutifs, à savoir un générateur synchrone 2, une source de force motrice 4 et un rotor éolien 1 est obtenu grâce à l'utilisation d'un différentiel 3 dont le porte-satellite5engrène avec un pignon conique présent sur l'arbre d'entrée du générateur 2. Les deux satellites du différentiel 3 sont montés Fous sur le porte-satellites, tandis que les deux pignons solaires du différentiel 3 sont montés de façon rigide sur les demi-arbres respectifs dont l'un est relié à la source de force motrice 4 et dont l'autre est relié au rotor éolien 1. Dans un tel accouplement, le différentiel 3 agit comme un dispositif qui fait la somme des vitesses angu- laires de sorte que, en modifiant de façon appropriée la vitesse de rotation de la source de force motrice 4, on peut tenir compte des variations de la vitesse de rotation du rotor éolien 1 en transférant au générateur synchrone 2 un entraînement égal à la somme des entraînements instantanés engendrés par la source 4 de force motrice et le rotor éolien 1, à une vitesse angulaire constante. Les figures 2A et 2B montrent respectivement la variation du couple Z et la puissance Y engendrées par le rotor éolien (du type à pâles fixes) en fonction de fa vitesse du vent et,, par conséquent, de la vitesse angulaire W du rotor. Sur la figure 2B, on a tracé en plus une droite qui relie les points de puissance maximale du rotor éolien. Les figures 3A et 3B montrent respectivement la variation des mêmesparamètres, c'est-à-dire le couple Z et la puissance Y, pour untype particulier de source de force motrice(notamment un moteur à combustion interne) en fonction de la vitesse angu- laire X du moteur pour différentes valeurs de l'énergie fournie au moteur. En raison de la largeur de la partie de la courbe carac- téristique qui peut être exploitée dans le cas d'un moteur à combustion interne, il est possible, pour chaque vitesse de vent déterminée, de régler l'appareil lui-même sur une condition d'état stable de sorte que la vitesse angulaire correspond à une puissance mécanique maximale à l'arbre du rotor éolien. On peut obtenir ce résultat en asservissant l'énergie fournie à la source de force motrice 4 de manière que la vitesse angulaire X de celle-ci atteigne, dans n'importe quel cas donné, la valeur qui correspond à la valeur recherchée pourla vitesse angulaire W du rotor. Plus particulièrement, en sachant que dans le cas d'un branchement à un réseau électrique à fréquence fixe, il doit exister, pour chaque fonctionnement dans des conditions stables de l'appareil, une constante k (o k = X+W), il est possible d'obtenir les caractéristiques de fonctionnement voultmsd'un dispositif d'asservissement pour la régulation de la source de force motrice 4. Pour chaque valeur de la vitesse du vent, il existe une valeur bien déterminée de W (par exemple W *) à laquelle correspond la puissance maximale Y pouvant être obtenue à partir du rotor éolien (figure 4B). Dans ces condi- tions, un couple donné Z est engendré par l'arbre du rotor éolien (figure 4A). L'équilibre établi par le différentiel assure la géné- ration par la source de force juotrice 4 d'un couple égal à Z*. Si une famille particulière de courbes caractéristiques existe dans le cas o, par exemple, la source de force motrice 4 est un moteur diesel, il est possible, en règle générale, de trouver parmi ces courbes une courbe pour laquelle correspond une certaine valeur (par exemplea. ) du débit de l'écoulement (vitesse du moteur) pour laquelle le couple produit est égal à Z, c'est-à-dire à laquelle la vitesse angulaire de la source de force motrice est X (o X= K-W) (figure 4B). Il est ainsi possible de tracer, point par point, un diagramme tel que celui représenté sur la figure 4C o, pour une plage particulière, correspond, pour chaque valeur de X égal à X, une valeurOC ,=C* du débit d'alimentation (vitesse du moteur) de la source de force motrice (caractéristique de fonc- tionnement du dispositif d'asservissement). Un mode de réalisation du dispositif d'asservissement utilisé dans la présente invention est représenté sur la figure 5 pour le cas o la source de force motrice 4 est un moteur diesel. Ce dispositif consiste en un tachymètre 5, un injecteur 6 de carburant et un dispositif 7 de commande d'injecteur. Si on désire exploiter la plage de vent la plus large possible, depuis le vent le plus faible jusqu'au vent le plus violent, il est nécessaire, dans le premier des deux cas décrits ici, d'utiliser une source de force motrice ayant une puissance de sortie comparable à la puissance de sortie maximale du rotor éolien et, dans ce cas, avec des brises assez fortes, la puis- sance produite par la source 4 de force motrice prédominerait sur celle produite par le rotor éolien 1. Ceci est loin d'être ce qui est souhaitable, car la production de l'énergie électrique est obtenue avec les meilleurs rendements par des stations électriques de plus grande taille. Toutefois, en ajustant de façon appropriée la plage d'exploitation (en laissant "tourner fou" le rotor éolien dans le cas de brises très faibles et en mettant "en drapeau" le rotor éolien dans le cas de coupsde vent 249v287 très violent5) il est possible d'obtenir une exploitation moyen- ne des deux sources d'énergie avec un pourcentage de 30% au moins en ce qui concerne la source 4 de force motrice et avec le complément en ce qui concerne le rotor éolien 1. Ceci se traduirait par une génération d'énergie moyenne égale à trois fois celle engendrée par la source de force motrice et les économies de source classique d'énergie sont évidentes. Si l'appareil est branché au réseau local, le rotor éolien et la source de force motrice doivent avoir une puissance nominale de sortie comparable à la puissance maximale requise par le réseau local. Le dispositif d'asservissement permet d'utiliser l'énergie provenant de la source de force motrice avec un degré plus ou moins grand selon l'énergie produite par le rotor éolien. Un équilibre d'énergie entre l'énergie produite et l'énergie absorbée (une condition qui est essentielle pour maintenir toute condition d'état stable) peut être obtenu, com- me on l'a souligné ci-dessus, en modulant la demande des utili- sateurs à faible priorité à l'aide d'un dispositif de régulation supplémentaire qui maintient constante la vitesse angulaire du générateur électrique. Il est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des variantes ou des modifications peuvent y être apportées dans le cadre de la présente invention. 249Z287 REVENDICATIONS 1. Appareil pour produire de l'énergie électrique en utilisant l'énergie éolienne, caractérisé par le fait qu'il comprend un rotor éolien (1) et une source de force motrice (4) tous deux reliés à un générateur électrique (2) par l'in- termédiaire d'un différentiel (3) de sorte que,pendant l'uti- lisation, le générateur tourne à une vitesse sensiblement constante. 2. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la source de force motrice est un moteur à combus- tion interne. 3. Appareil suivant la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen pour déterminer la vitesse du moteur et un moyen pour faire varier l'admission de combustible du moteur en fonction de ladite vitesse déterminée. 4. Procédé pour produire de l'énergie électrique à une fréquence constante en utilisant l'énergie éolienne, carac- térisé par le fait que l'on couple un rotor éolien (1) à une source de force motrice (4) et à un générateur électrique (2) qui est maintenu à une vitesse constante au moyen d'un méca- nisme faisant la somme des vitesses angulaires et comprenant un différentiel (3) dont le porte-satellitesest relié au géné- rateur et dont les demi-arbres sont reliés, un à la source de force motrice et l'autre au rotor éolien. 5. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que pour obtenir une commande entre la vitesse de rotation du rotor éolien et la vitesse de rotation de la source de force motrice, on utilise un dispositif de mesure de vitesse relié à la moitié d'arbre de la source de force motrice et au contrôle d'alimentation de cette source de force motrice, grâce à quoi on peut régler l'alimentation en fonction de la vitesse du rotor éolien de manière que le rotor éolien fonctionne avec un rendement maximal.