Brevet FR2493415A1 — publié le 19820507

DESCRIPTION L'énergie éolienne compte parmi les énergies dites "douces", qui au cours de la prochaine décennie seront développées de manière à représenter, en 1990, 5 % de l'énergie totale produite en Frange. Nous désignerons par Eolienne, l'ensemble de la machine qui capte l'éner- gie du vent par un rotor et la transforme en énergie électrique, grâce à une génératrice d'électricité (dynamo, alternateur synchrone ou asynchrone) par l'intermédiaire d'une transmission de caractéristiques variables. Nous appellerons "R" le rendement d'une telle machine, "R" se déterminant comme suit : R = W/P W étant la puissance de la génératrice électrique et P la puissance développée par le vent sur la surface utile du rotor. DE 1946 à 1966, la France a construit plusieurs grandes éoliennes. Le CANADA et les ETATS-UNIS ont également expérimenté des machines de grande puissance. Actuellement, le programme français s'oriente vers des machines plus petites (de 5C à 100 kv) tandis que les Américains envisagent une série d'éoliennes de 200 kw. Quelle que soit la tendance des installations en cours ou projetées, il est bien évident que l'élément le plus important de l'éolienne est son rendement, c'est a dire la capacité du rotor à transformer au maximum l'énergie du vent en énergie mécanique IL s'avère donc primordial de rechercher un rotor, de prix minimum, donc facile à construire et absorbant toute l'énergie du vent qui lui est offerte. Les rotors français sont a pales (2 ou 3) et à axe horizontal, les Américains recherchent des rotors inédits et construisent actuellement des rotors à axe vertical dont le rendement est bien supérieur aux rotors à pales, sans toutefois atteindre le rendement qu'on peut espèrer de la TURBINE RABATEL, objet du présent brevet. La TURBINE RABATSL est à l'éolienne moderne, par rapport aux rotors actuels de tous genres, ce que le réacteur est à l'avion moderne par rapport à l'hélice d'autrefois. Suivant planche I, la TURBfl RABATEL est composée de tuyères radiales 1, solidaires d'un moyeu 2, par l'intermédiaire de bras de liaison 3 ; une ogive 4 et des dômes 5 complètent la liaison mécanique. Le diamètre D peut varier, suivant les puissances, de 1 jusqu'à 10 mètres. La construction est réalisée en tôle soudee et, pour les grands diamètres, tuyères, dômes, ogives, bras et moyeu sont démontables. A partir de D = 5 m environ, l'ogive est en tole sur carcasse tube. FONCTIONNEMENT Le courant d'air de diamètre D est divisé en 12 veines par l'ogive et les dômes. Dans chaque tuyère, chaque veine agit par une double action - Action F1 sur la paroi inclinée soulignée d'un trait fort sur la coupe A. - Action F2 sur la sortie de la tuyère, due à la réaction d'échappement. D'où le couple moteur dans le cas de 12 tuyères: C = 12 R (F1t 9 F2) F1t étant la composante tangentielle de Fl. AVANTAGES - Rendement R bien supérieur au rendement des systèmes actuels. Exemple: : L'éolienne construite depuis peu à CUESSANT, d'un diamètre de 18 ni, produit 100 kv pour un vent de 50 km/heure (soit 12,04 kg/m2 et 13,88 m/s). on a donc : R = = 0,239 @@ x 182 x 12,04 x 13,88 x 1 x 0,736 4 75 alors que, d'après les premiers calculs et par un vent de 50km/houre, on peut espèrer un rendement de 0,63 pour une TURBINE RABATEL D = 7m, W = 40 kw. - Facilités de construction et de montage ; il s'agit en effet de pièce ou ensemble de pièces de chaudronnerie courante. - Possibilité de poids relativement important permettant d'accuser les brusques variations de vent et facilitant ainsi la régulation : il suffit de choisir l'épaisseur de la tôle en conséquence. - Développement intéressant, par la construction g de série, d'ateliers de chaudronnerie traditionnelle (pour un même diamètre, les tuyères et les dômes sont tous identiques). - Apport primordial pour les éoliennes modernes et notamment pour les lignes génératrices éoliennes (Brevet RABATEL n 8000755 du 10/01/80). EXTENSION DE LA TURBINE RABATEL A D'AUTRES FLUIDES Le problème de rentabilisation énergétique des sites hydrauliques, dits de basse chute (de 5 à 20 m) est loin d'être résolu. Il constitue pourtant un énorme marché potentiel : environ 50.000 groupes hydro-électriques de 50 kw. Des essais sont en cours avec des turbines classiques, essais qui seront obligatoirement abandonnés à cause de l'investissement trop élevé par rapport au kilowatt produit. La TURBINE RABATEL apporte la solution à ce problème d'actualité. En effet, la TURBINE RABATEL fonctionne également à l'eau, elle trouve là une application idéale et permet d'arriver à l'investissement recherché, soit environ 5.000 fr. au kilowatt pour un prix de vente actuel au particulier de 0,18 Francs. La planche II représente la TURBINE RABATEL fonctionnant en hydraulique. Les vues du dessus et du milieu sont, en les mettant bout à bout par les conduites 11, une élévation de l'ensemble d'une installation hydro-électrique. La coupe E montre l'enveloppe de la turbine, celle-ci étant enlevée. La TURBINE RABATEL 6, est montée à l'intérieur d'une enveloppe en tale 7. Cette enveloppe permet, d'une part, la fixation sur une digue DG ou sur une conduite forcée oe ; elle supporte, d'autre pan, l'ensemble 8 des paliers dans les quels tourillonne un arbre solidaire de la turbine4 L'enveloppe 7 comprend également une botte à eau, au droit de la sortie des tuyères et dont on voit la forme dans la coupe E, le haut de la botte étant circulaire ou rectangulaire. L'eau entre dans la turbine arialement, comme l'indiquent les flèches et son action est identique à celle décrite précédemment pour l'air. La conception judicieuse de la TURBINE RABATEL permet d'absorber toute l'énergie de l'eau, qui ressort perperiîculairement à son arrivée et tombe par l'échappement EP de la botte à eau. Le rendement de la TURBINE RABATEL est donc très élevé, pour l'eau comme pour l'air. MONTAGE DE L'ENSEMBLE TURBINE-ENVELOPPE DANS LE CAS DE L'EAU - Cas d'une digue à réaliser, en terre ou en béton On noie dans la partie inférieure de la digue, une virole métallique possédant une grille côté entrée, une bride de fixation côté sortie, éventuellement une vanne papillon entre la digue et la bride. - Cas d'une digue existante On monte une conduite forcée CF, qui passe sur la digue et va chercher l'eau près du fond de la réserve, la turbine étant toujours montée c8té extérieur, au bas de la digue. L'ensemble fonctionnera par siphonnage et pour amorcer le siphon, il suffira de coller une plaque de fermeture sur l'échappement. On fera ensuite le vide dans l'ensemble conduite plus enveloppe, à l'aide d'un calionciterne possédant une pompe à vide. Ouand l'eau aura rempli la conduite et l'enveloppe, la plaque de fermeture partira toute seule et la turbine se mettra à tourner.Pour arrêter l'installation, il suffira de prévoir un robinet permettant de mettre à la pression atmosphérique la partie de la conduite se trouvant entre le coude du siphon et la surface de l'eau. TRANSMISSION DE PUISSANCE DE LA TURBINE RABATEL Qu'il s'agisse d'air ou d'eau, la liaison turbine alternateur sera une liaison hydraulique agencée conne représentée par la planche II Sur l'arbre de la turbine est monté, si nécessaire, (suivant caractéristiques de 10) un motomultiplicateur de vitesse 9. La sortie de 9 reçoit , en flasque-bride, une pompe hydraulique tO, à débit variable qui transmet la puissance à un moteur à cylindrée fixe 14, monté également en flasque bride à l'entrée de l'alternateur asynchrone 15, l'autre caté de l'alternateur recevant une dynamo tachymétrique. Entre 10 et 14, l'huile de la transmission circule dans des conduites 11 et 13, en passant par un réservoir de refroidissement d'huile 12 et des appareils de régulation montés à l'intérieur de 12. Cette transmission hydraulique a les avantages suivants - POSSIBILITE DE REGULATION - En effet, la TURBINE RABATEL ayant une géomètrie fixe (d'où son prix relativement très intéressant), il est indispensable de procéder à une régulation de manière à obtenir : Une vitesse constante de l'alternateur, tout au moins dans les limites hypo-hypersynchrones de la machine, car on utilisera un alternateur asynchrone pour adapter la fréquence à celle du réseau dans le cas d'une fourniture EDF. Un couple à l'arbre de l'alternateur ne dépassant pas la limite et le temps au-dela desquels le courant induit devient incompatible avec les caractéristiques des conducteurs et de leur isolement. - POSSIBILITE Dwl3LOIGNER LA TURBINE permettant de placer cette dernière à l'endroit le plus adéquat. FONCTIONNEMENT DE LA REGULATION Quand on atteint un seuil de puissance compatible avec les caractéristiques de l'alternateur asynchrone, ce dernier est couplé automatiquement sur le débit. La régulation de vitesse de 15 est réalisée par 16, qui fait varier le débit de 10 , Accroissement du débit quand 16 détecte la vitesse hypoendhrone de 15. Diminution du débit quand 16 détecte la vitesse hypersynchrone de 15. . Quand 15 est à la vitesse hypersynchrone et que le couple transmis par 14 dépasse la limite définie plus haut, un appareillage perfectionné, du type limiteur de pression, situé dans 12, permet de conserver à 14 un couple constant, quelle que soit la puissance transmise par l'air ou l'eau à la turbine et à partir de ce point, l'alternateur asynchrone travaille à sa puissance nominale. Ce système de transmission, turbine-alternateur, permet donc, en plus des avantages déjà cités, de râcupérer le maximum de l'énergie du fluide agissant sur la turbine : d'abord en puissance croissante, à partir du seuil compatible avec l'alternateur asynchrone, ensuite, à puissance constante, correspondant A la puissance nominale de cette machine. REMARQUES : - Il est bien évident que la TURBINE RABATEL pourra être utilisée très avantageusement en aoyennes et hautes chutes. Son application immédiate en basse chute parait la plus intéressante à priori ; le présent brevet couvre éga liement l'application de n'importe quel fluide, de n'importe quelles caractéristiques chimiques, mécaniques, physiques et dynamiques. - Pour une digue ou un barrage donné, on pourna installer 1, 2, 3, ... n groupes hydro-électriques d'égale puissance Vo. étant la puissance optiu permettant un rendement optimum avec l'utilisation de pièces et coMposants électriques et hydrauliques sur catalogue, donc de prix de revient optimum. L'addition des puissances Wo étant réalisée soit au niveau hydraulique, soit au niveau électrique, en parallèle comme en série. REVENDICATIONS 1) Turbine à géomètrie fixe comprenant : - as tuyères 1, un moyeu 2, des br?s 3, une ogive4, des dômes 5, le fluide m@teur étant divisé par l'ogive 4 et les dômes 5 (Il agit par action à l'entrée, résction à la sortie, des tuyères), caractérisée en ce que l'énergie mécanique récupérée, dans son application la plus générale, sur l'arbre de la turbine o est transformée en puissance à vitesse constante par l'alternateur 15, grâce à :: une enveloppe de turbine 7, un ensemble de paliers 8, un multiplicateur de vitesse 9, une transmission hydrostatique comprenant une pompe à débit variable 109 une tuyauterie 11 et 13, un réservoir hydraulique 12, un moteur hydraulique 14, une dynamo tachymètrique 16. 2) Turbine selon la revendication 1 Dans le cas particulier de fonctionnement sous potentiel hydraulique déjà existant, utilisation d'une conduite forcée fonctionnant par siphonnage. 3) Application de la turbine selon la revendication 1 à l'utilisation de l'ensemble de plusieurs groupes hydroélectriques classiques, pour un mSne potentiel, de manière à obtenir le meilleur prix d'investissement par kilowatt produit.