Brevet FR2509385A1 — publié le 19830114

2,509385 Procédé pour utiliser l'énergie éolienne en vue d'une production autonome d'électricité La présente invention concerne un procédé pour utiliser l'énergie éolienne en vue d'une production d'électricité à fréquence constante La difficulté principale à laquelle on a été confronté lorsque l'on utilise l'énergie éolienne pour la production d'électricité provient de l'extrême variabilité du vent, lequel peut difficilement s'adapter à un schéma de demande d'électricité qui suit une logique complètement différente. Divers types de systèmes d'accumulation ont été large- ment étudiés et expérimentés, même avec de bons résultats, mais ces résultats imposent souvent des contraintes considérables au système, qui devient souvent coûteux tant en ce qui concerne sa construction que son fonctionnement. Il serait possible d'utiliser l'énergie éolienne comme seule source d'électricité (couplage direct entre le rotor éolien, le générateur synchrone ou à induction et le réseau), mais ceci se traduirait par une utilisation maximale de l'énergie éolienne uniquement dans une plage de vitesse déterminée avec pour conséquence un faible rendement moyen du système On ne pourrait résoudre ce problème qu'en utilisant des dispositifs très compliqués (rotor avec pales mobiles, systèmes de commande compliqués, etc) ce qui se traduirait inévitablement par des coûts de construction et d'entretien élevés Si un rotor éolien du type à pales fixes (et de ce fait solide et fiable) est utilisé, une énergie supplémentaire doit être fournie pour main- tenir la vitesse du rotor éolien dans l'état permettant une utilisation maximale de l'énergie éolienne lorsque la vitesse du vent varie Un rotor éolien à pales fixes peut absorber l'énergie éolienne dans des conditions optimales à une vitesse angulaire qui dépend de la vitesse du vent Par conséquent, si des conditions optimales d'absorption d'énergie éolienne doivent être préservées, il est impossible de faire tourner à une vitesse constante un générateur électrique relié directement à l'arbre du rotor éolien Selon la demande de brevet français n 81 17330, cet apport d'énergie supplémentaire est assuré par une source force motrice, par exemple un moteur à combus- tion interne, dont l'alimentation est asservie à la nécessité de maintenir la vitesse angulaire requise. Le-procédé de la présente invention permet d'accoupler le rotor éolien à un moteur électrique à courant continu et à un générateur électrique dont la vitesse est maintenue constante. Cet accouplement est effectué à l'aide d'un dispositif de som- mation de vitesse angulaire Bien entendu, le procédé selon la présente invention peut être mis en oeuvre à l'aide d'un système interconnecté consistant en un ou plusieurs rotors éoliens, un ou plusieurs moteurs électriques auxiliaires à courant continu et un ou plusieurs générateurs électriques Plusieurs éléments électriques interconnectés permettent d'obtenir une meilleure modulation du système à des fins de rendement. On va maintenant décrire la présente invention en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 représente un mode de réalisation de l'invention; la figure 2 a est un graphique représentant la variation du couple en fonction de la vitesse angulaire; la figure 2 b est un graphique représentant la variation de la puissance en fonction de la vitesse du rotor éolien; la figure 3 est un graphique représentant la variation du couple en fonction de la vitesse angulaire; et la figure 4 est un graphique représentant également la variation du couple en fonction de la vitesse angulaire. En se référant à la figure 1, on voit que trois éléments (générateur 2, moteur électrique 4, rotor éolien 1) sont couplés mécaniquement par le différentiel 3 dont le croi- sillon est relié au générateur 2 et dont les deux arbres sont reliés l'un au moteur électrique 4 et l'autre au rotor éolien J. Grâce à cette disposition d'accouplement, le différentiel fonctionne comme un dispositif de sommation de vitesse angulaire de telle sorte qu'en faisant -varier de façon appropriée la vitesse de rotation du moteur 4, on peut compenser la variation de la vitesse de rotation du rotor 1 en transmettant au généra- teur 2 une puissance égale à la somme des deux puissances instantanées de 4 et 1 à une vitesse angulaire constante. La figure 2 montre la-variation du couple Z (figure 2 a) et de la puissance Y (figure 2 b) du rotor éolien (du type à pales fixes) lorsque la vitesse angulaire de ce dernier varie et cela pour diverses vitesses (Vl, V 2, V 3) de vent. La figure 2 b montre également la courbe qui joint les uns-aux autres tous les points de puissance maximale de rotor éolien. La figure 2 a montre la courbe analogue qui relie les unes aux autres toutes les valeurs de couple correspondant à la puissance maximale. Si on peut faire varier de façon appropriée la vitesse angulaire du rotor éolien lorsque la vitesse du vent varie, le rotor éolien peut alors fonctionner en permanence dans des conditions de puissance maximale. En choisissant de façon appropriée le moteur électrique et sa courbe caractéristique (couple en fonction de la vitesse angulaire), on peut obtenir une variation du couple (Z') en fonction de la vitesse angulaire (WI) qui soit du type repré- senté sur la figure 3 et qui soit parfaitement analogue à la courbe représentée sur la figure 2 a (sauf en ce qui concerne la direction de l'axe V' par rapport à la direction de l'axe W). On peut obtenir ce résultat par exemple avec un moteur à courant continu excité de façon indépendante et dans lequel on effectue une commande coordonnée à la fois de la tension d'induit et de l'excitation en fonction de la vitesse angulaire. Par conséquent, si on accouple un moteur électrique à l'aide du mécanisme de sommation de vitesse angulaire représenté sur la figure t à un rotor éolien et à un générateur électrique relié à un réseau dont la fréquence est fixe, on obtient les conditions illustrées sur la figure 4 o l'axe des abscisses représente, en partant de la gauche vers la-droite et en commen- çant à 0, la vitesse angulaire W du rotor éolien et, en partant de la droite vers la gauche et en partant de-0 ', la vitesse angulaire du moteur électrique auxiliaire L'axe Z se rapporte au couple du rotor éolien lorsque la vitesse angulaire de ce dernier varie, cela pour trois valeurs de la vitesse (Y 1, V 2, V 3) du vent, et l'axe Z' se rapporte au couple du moteur élec- trique lorsque la vitesse angulaire du moteur électrique varie. Le segment 00 ' représente la somme (constante) des deux vitesses angulaires qui est transmise au générateur au moyen du mécanisme de sommation. Les points indiqués sur la figure 4 par Pl, P 2, P 3 représentent des points de fonctionnement stables du système lorsque la vitesse du vent varie et, par suite de la corres- pondance entre la courbe caractéristique du moteur électrique choisi et la courbe de la figure 2 a qui relie-les uns aux autres les points o le couple du rotor éolien correspond à sa puis- sance maximale, l'effet est que lorsque le vent varie, le rotor éolien accouplé de cette façon au moteur électrique fonctionne en permanence à une puissance maximale. Si le système est relié à des appareils d'utilisation par un circuit qui n'est pas relié à d'autres générateurs, il se produit une disparition de l'effet de régulation du réseau sur la fréquence par suite du couple de synchronisation du générateur et, par conséquent, la somme des vitesses angulaires des deux moteurs (moteur éolien et moteur électrique), repré sentée sur la figure 4 par le segment 00 ' ne peut être maintenue constante que si l'on maintient constante la charge globale appliquée au générateur et on peut obtenir ce résultat en ayant -30 recours à un appareil d'utilisation non prioritaire et dont la mise en service peut par conséquent être modulée. L'électricité nécessaire pour entrainer le moteur électrique auxilaire à courant continu (moteur 4 de la figure 1) peut être prélevée au réseau ou bien être produite par ledit générateur 2 de la figure 1, redressée puis fournie au moteur auxiliaire. Dans une variante, on peut engendrer directement le courant continu en reliant une dynamo (en plus du générateur 2) au système conjointement avec un système de batterie tampon destiné à agir comme un système d'emmagasinage. Le courant électrique continu peut aussi être engendré à l'aide d'un autre moteur éolien classique à pales fixes relié à un système de batterie électrique et installé dans un ensemble muni d'un ou plusieurs autres moteurs éoliens munis du dispo- sitif de la présente invention Enfin, le courant continu peut etre obtenu à l'aide d'un générateur photovoltaique relié au système. REVENDICATIONS 1 Procédé pour utiliser l'énergie éolienne-en vue d'une production d'électricité à fréquence constante, caracté- risé par le fait que l'on accouple un rotor éolien ( 1) au moyen d'un mécanisme ( 3) de -sommation de vitesse angulaire à un moteur électrique auxiliaire ( 4) à courant continu et à un générateur ( 2) que l'on maintient à une vitesse angulaire constante, ledit mécanisme étantconstitué par un différentiel dont le croisillon est relié au générateur ( 2) et dont les deux axes sont reliés l'un au moteur électrique auxiliaire ( 4) et l'autre au rotor éolien ( 1). 2 Procédé pour utiliser l'énergie éolienne en vue d'une production d'électricité à fréquence constante suivant la revendication précédente, caractérisé par le fait que le moteur électrique auxiliaire ( 4) présente un couple qui est fonction de la vitesse angulaire et qui maintient le rotor éolien ( 1) à la vitesse représentant les conditions de puissance maximale. 3 Procédé pour utiliser l'énergie éolienne suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que le moteur élec- trique auxiliaire ( 4) à courant continu est du type à excitation indépendante, la tension d'induit et l'excitation étant toutes deux commandées d'une manière coordonnée en fonction de la vitesse angulaire. 4 Procédé pour utiliser l'énergie éolienne suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'alimentation en énergie du moteur électrique ( 4) à courant continu provient du réseau de distribution, est redressée puis fournie au moteur O Procédé pour utiliser l'énergie éolienne suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'alimentation en énergie du moteur électrique auxiliaire ( 4) à courant continu provient du générateur ( 2) lui-même, est redressée puis fournie au moteur. 6 Procédé pour utiliser l'énergie éolienne suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'alimentation en énergie du moteur électrique auxiliaire ( 4) à courant continu est fournie par une dynamo reliée au système. 7 Procédé pour utiliser l'énergie éolienne suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'alimentation en énergie du moteur électrique auxiliaire ( 4) à courant continu est fournie par un moteur éolien auxiliaire relié au système. 8 Procédé pour utiliser l'énergie éolienne suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'alimentation en énergie du moteur électrique auxiliaire ( 4) à courant continu est obtenue à partir-d'un système photovoltaique. 9 Procédé pour utiliser l'énergie éolienne suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'alimentation en énergie du moteur électrique auxiliaire ( 4) à courant continu est fournie par un système de batterie électrique tampon agissant comme un système d'accumu- lation. 10 Procédé pour utiliser l'énergie éolienne en vue d'une production d'électricité à fréquence constante suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'accouplement entre les éléments du système complet de rotor éolien/moteur électrique/générateur d'énergie électrique/générateur de courant continu est obtenu par l'uti- lisation d'une pluralité d'éléments du même type.