Brevet FR2542822A1 — publié le 19840921

DISPOSITIF DE REGULATION D'UNE EOLIENNE COMPORTANT UN PANNEAU DE COMMANDE D'EFFACEMENT BASCULANT SOUS LA COMMANDE D'UN PANNEAU AUXILIAIRE. t1 invention se rapporte aux dispositifs de régulation destinés à limiter, les efforts, l'emballement et la puissance d'une éolienne et, plus particulièrement, d'une éolienne à pales fixes. L'invention se propose en effet de permettre la réalisation à bon marché d'une éolienne destinée à la production compétitive d'électricité de chauffage, problème qui n est pas résolu actuellement. Cette réalisation est basée sur l'utilisation, comme capteur, d'une hélice comportant un nombre de pales intermédiaire entre celui des hélices dites "lentes" et des hélices dites "rapides", à savoir entre 8 et 12 pales. La construction de la roue doit être très simple et les pales ne seront donc ni éclipsables, ni orientables individuellement, ni déformables, ni profilées pour provoquer un décrochage aérodynamique. I1 n'est pas question non plus de munir la roue d'un frein ou d'un absorbeur d'énergie continu.Seul l'effacement d'ensemble de la roue en cas de vent trop rapide peut donc être envisagé en pratique. Psr ailleurs, les capteurs-hélices à axe horizontal, que l'on utilisera ici, doivent évidemment être normalement orientés pour faire toujours face au vent. La solution habituelle consiste alors à utiliser un gourvernail articulé qui provoque l'effacement d'ensemble, à partir d'une certaine vitesse du vent. Dans cette solution, l'effacement commence à se manifester bien avant la vitesse limite, ce qui conduit à une perte de rendement. L'invention se propose d'utiliser une hélice aval d'axe horizontal sans gouvernail et de lui associer un dispositif de régulation de construction simple qui permette d'exploiter complètement les vents les plus fréquents de (vitesse inférieure à 12 ou 13 m/sec) et de mettre l'hélice en drapeau pour les vents qui dépassent un tel seuil de vitesse, tout en maintenant le plan de l'hélice parfaitement perpendiculaire à la direction du vent en fonctionnement normal. Suivant l'invention, un tel dispositif est principalement caractérisé en ce qu'il comporte un axe horizontal d'orientation essentiellement parallèle au plan de l'hélice et solidaire de l'arbre de celle-ci ; un panneau principal, situé au vent de l'hélice, monté basculant autour dudit axe horizontal, qui partage sa surface en deux moitiés avantageusement sensiblement égales, entre une position sensiblement horizontale et une position sensiblement verticale définies par des butées, ledit panneau principal étant muni, sur sa moitié située au vent lorsqu'il est en position horizontale, de moyens jouant le rôle d'un contrepoids et avantageusement d'un déflecteur, sur la partie supérieure de ladite moitié ; un panneau auxiliaire porté par un bras fixé au panneau principal avantageusement sur le dessus de celuici, de manière que ledit panneau auxiliaire soit en position essentiellement verticale lorsque le panneau principal est en position horizontale, ledit panneau auxiliaire étant déporté vers ledit axe d'orientation de façon à ne pas se trouver derrière le panneau principal lorsque celui-ci est en position verticale, l'agencement étant tel que, pour un vent inférieur à une première vitesse prédéterminée, le panneau principal est stabilisé en position horizontale par l'effet du contrepoids et de la poussée du vent sur le déflecteur tandis que, lorsque cette première vitesse est dépassée, la poussée du vent sur le panneau auxiliaire soit suffisante pour faire basculer le panneau principal en position verticale, dans laquelle la poussée que le vent exerce sur le panneau principal est elle-même suffisante pour effacer l'hélice. Le dispositif de régulation, objet de l'invention, peut facilement être utilisé pour effectuer une mise en drapeau volontaire de l'hélice, indépendante de la régulation automatique par la vitesse du vent. A cet effet, suivant une particularité de l'invention, ledit axe horizontal est constitué par un tube qui sert de moyen de guidage à un câble fixé au panneau principal, de manière telle qu'une traction exercée sur ce cable ait pour effet de relever ledit panneau principal en position verticale. La traction sur le câble peut être exercée, soit manuellement, soit, suivant une autre particularité de lBinvention, au moyen d'un dispositif limiteur de vitesse, agencé pour coopérer avec l'arbre de l'hélice et exercer une traction sur ledit câble de commande de relevage dès que la vitesse dudit arbre dépasse un seuil prédéterminé. Les diverses particularités, ainsi que les avantages de l'invention, apparattront clairement à la lumière de la description ci-après. Au dessin annexé La figure 1 représente schématiquement, vu en éléva tion, un aérogénérateur muni d'un dispositif conforme à un mode d'exécution préféré de l'invention, avec son hélice en position effacée ; La figure 2 représente schématiquement le même aérogé nérateur, vu de profil avec l'hélice face au vent La figure 3 montre la partie essentielle du dispositif de régulation et d'orientation de l'hélice, en vue latérale, lorsque l'hélice est face au vent La figure 4 montre le meme dispositif, déflecteur enlevé, vu de bout alors que %8hélice est face au vent, et La figure 5 est une vue de dessus du dispositif alors que l'hélice est face au vent. Les mêmes numéros de référence désignent des éléments homologues aux diverses figures Aux figures 1 et 2, on a représenté un aerogénérateur comportant une hélice ayant, à titre d'exemple, dix pales 1 fixées sur un moyeu 2 soudé sur un arbre 3 Cet arbre est supporté par des paliers à roulement 4-5 montés sur une plateforme 6 qui supporte un multiplicateur 7 et un alternateur 8. Cette plateforme est fixée au sommet d'un mât tournant 9. Celui-ci est muni d'une couronne de haubannage 90 et d'un pied 91 monté sur roulements. Autour d'un axe tubulaire horizontal 10 sensiblement parallèle au plan de l'hélice peut basculer, sur deux roulements étanches 101-102, un panneau 103. Ce panneau est représenté plus en détail, en position horizontale, vu latéralement à la figure 3 (où la direction du vent est indiquée par une flèche) et en bout, face au vent, à la figure 4. A la figure 5, il est vu de dessus, et la direction du vent est également indiquée par une flèche. L'axe 10 est fixé à la plate-forme et solidarisé au mat 9, auquel le relient deux jambes de force 104a et 104b. Comme le montre la figure 5, les deux parties du panneau définies par l'axe de basculement ont de préférence des surfaces égales, mais la moitié avant, c'est-à-dire celle qui est au vent à la figure 3, est équipée d'un contrepoids 1030 ou moyen équivalent. Elle est en outre munie, sur sa face supérieure, d'un déflecteur 1031. Le panneau 103 a une surface égale environ au 1/30ème de celle balayée par l'hélice. Comme le montre la figure 1, il est à l'extérieur de cette surface et au vent de celle-ci à une distance suffisante pour qu'il soit à l'abri de ses turbulences. Au dessus du panneau 103 lorsqu'il est en position horizontale, est monté un panneau auxiliaire 105, porté par la portion terminale 1051 d'une tige 1050 inclinée par rapport à l'horizontale et située dans un plan vertical parallèle à l'arbre 10 et voisin de celui-ci. La -tige 1050 est fixée à une traverse d'armature horizontale 1052 elle-même fixée au panneau 103 par deux tubes carrés 1053-1054. On voit (figures 3 à 5) que le panneau auxiliaire 105, lorsque le panneau principal 103 est en position horitontale, est lui-même en position essentiellement verticale, avec toutefois, une double incidence par rapport au vent. A l'autre extremité de l'axe 10 est monté basculant un panneau d'équilibrage 106, ce panneau coopère avec une butée, non figurée, qui le maintient normalement en position verticale. La surface de sa partie inférieure située au dessous de l'axe est nettement plus importante que celle de sa partie supérieure. Tant que la vitesse du vent reste inférieure à 12 m/sec par exemple, le panneau principal 103 reste à l'horizontale. La poussée du vent sur l'ensemble de la structure 10-104-103105 est équilibrée, à vautre extrémité de l'axe 10, par le panneau 106. Le panneau 103 est stabilisé par le contrepoids et par la composante verticale de la poussée du vent sur le déflecteur 1031. L'hélice est normale au vent et tourne. Le panneau auxiliaire, soumis à la poussée du vent, exerce un moment de basculement M, croissant en fonction de la vitesse du vent sur le panneau principal (dans le sens dextrorsum, figure 3), tandis que le déflecteur exerce un moment antagoniste m1 également croissant et le contrepoids, un moment antagoniste constant m2. L'agencement est tel que, pour un vent de vitesse supérieure à 12 m/sec par exemple M > ml + m2, Si bien que la structure 103-105 bascule alors jusqu'à une position verticale du panneau 103. La poussée du vent qui s'exerce sur le panneau 105 en position verticale est alors suffisante pour faire tourner l'axe 10 et le mât 9 qui est en solidaire, Jusqu'à une position (représentée à la figure 1) où l'hélice est plus ou moins complètement effacée, d'où un ralentissement pouvant aller jusqu'à l'arrêt L'axe horizontal 10 pourra être légèrement incliné dans le plan horizontal par rapport au plan de l'hélice, ceci afin de faire varier l'angle dBeffacement, donc la vitesse de l'hélice en position effacée. On notera que, lorsque le panneau principal est en position verticale, le panneau auxiliaire n'est pas masqué par le panneau principal par rapport au vent (grâce à son déport, visible à la figure 1). Tant que la vitesse du vent reste supérieure à environ ll m/sec par exemple, l'effacement persistera. En effet, le panneau auxiliaire, alors en position essentiellement horizontale, possède cependant une premiere inclinaison, visible à la figure 3, telle que la poussée du vent comporte une composante verticale, dirigée vers le bas, et cette dernière sera suffisante pour maintenir le bras 1050 à l'horizontale, donc le panneau 103 relevé. En deçà de cette vitesse de 11 m/sec, le panneau principal est ramené, du fait de son montage en porte-å-faux, en position horizontale, ce qui permet au couple d'auto-orientation de l'hélice de-la ramener face au vent. S'il se produit que, emporté par son élan, l'hélice s'efface de plus de 900 (position de contre-orientation), ayant ainsi tendance à se mettre à tourner en sens inverse, l'orientation du panneau auxiliaire est alors telle (seconde incli nuaison; visible à la figure 3) que la poussée du vent sur lui ait une composante dirigée vers le bas, ce qui a pour effet de maintenir le panneau principal relevé : dans cette position, la poussée du vent sur le panneau principal ramène l'hélice dans sa position normale. Lorsque le panneau principal est à l'horizontale, l'hélice peut aussi avoir tendance à se déplacer en contre-orientation, sous l'effet de changements brefs de la direction du vent. Dans ce cas, le moment engendré par la poussée du vent sur la- structure du dispositif d'effacement et, en particulier, sur l'arrière non aérodynamique du déflecteur, a pour effet de renvoyer l'hélice en position normale. En effet, dans cette orientation, le panneau d'équilibrage 106 bascule sous la poussée du vent et n'offre alors pas de résistance au retour à la position normale. On notera que des butées, 1032-1033, équipées de dispositifs d'amortissement, limitent le basculement du panneau princi- pal à proximité des positions horizontale et verticale. En définitive, le dispositif de régulation et d'orientation que l'on vient de décrire, de construction robuste, fiable et peu onéreuse, met l'hélice en drapeau lorsque le vent atteint par exemple, environ 12/13 m/sec. et la laisse reprendre sa position normale par exemple, aux environs de 10/11 m/sec. En dessous de cette vitesse, et contrairement aux dispositifs d'effacement progressif utilisant la poussée du vent, il conserve normalement un plan de l'hélice parfaitement perpendiculaire à la direction du vent, donc maintient la pleine puissance de 1'aérogénérateur. Avantageusement, le dispositif de régulation que l'on vient de décrire est associé à un limiteur de vitesse, lequel est de préférence du type décrit dans la demande de brevet déposée le même jour par la Demanderesse pour : "Dispositif à force centrifuge limiteur de la vitesse de rotation de l'arbre du capteur d'une éolienne, et moyens d'arrêt et de blocage dudit capteur associés à un tel dispositif" Le limiteur, dès que la vitesse de'rotation de l'arbre 3 dépasse un seuil pré-détermine, exerce une traction sur un câble. Ce cable a été représenté en 15 au dessin ; il est guidé, à partir du limiteur monté sur la plateforme 6, à l'intérieur de l'arbre 10, qui est tubulaire et aboutit, après guidage sur des poulies 156, 157, à un point de fixation 158 sur le panneau 103, de telle façon que la traction exercée sur le cable relève le panneau, provoquant ainsi l'effacement. On voit que la structure du dispositif régulateur se prête particúlièrement bien à sa coopération avec un tel limiteur de vitesse. Il va de soi que l'invention n'est pas limitée aux modes d'exécution préférés qui ont été décrits et représentés. Revendications de brevet 1. Dispositif de régulation d'une hélice d'éolienne, du type à pas fixe et auto-orientable sans gouvernail, dont l'arbre (3), sensiblement horizontal, est monté orientable sur un axe vertical d'orientation (9), caractérisé en ce qusil comporte un axe horizontal (10) essentiellement parallèle au plan de l'hélice et solidaire dudit arbre (3) ; un panneau principal, situé au vent de l'hélice (103), monté basculant autour dudit axe horizontal (10), qui partage sa surface en deux moitiés avantageusement sensiblement égales, entre une position sensiblement horizontale et une position sensiblement verticale définies par des butées (1032-1033), ledit panneau principal (103) étant muni, sur sa moitié située au vent lorsqu'il est en position horizontale, d'un moyen jouant le rôle d'un contrepoids (1030) et, avantageusement, d'un déflecteur sur la partie supérieure de ladite moitié (1031) t un panneau auxiliaire (105) porté par un bras (1050-1051) fixé au panneau principal (103) de préférence sur le dessus de celui-ci, de manière que ledit panneau auxiliaire soit en position essentiellement verticale lorsque le panneau principal est en position horizontale, ledit panneau auxiliaire étant déporté vers ledit axe d'orientation (9) de façon à ne pas se trouver derrière le panneau principal (103) lorsque celui-ci est en position verticale, l'agencement étant tel que, pour un vent inférieur à une première vitesse prédéterminée, le panneau principal est stabilisé en position horizontale par l'effet du contrepoids et de la poussée du vent sur le déflecteur tandis que, lorsque cette première vitesse est dépassée, la poussée du vent sur le panneau auxiliaire soit suffisante pour faire basculer le panneau principal en position verticale, dans laquelle la poussée que le vent exerce sur le panneau principal est elle-même suffisante pour effacer l'hélice. 2. Dispositif de régulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le panneau auxiliaire (105) est fixé de manière à se trouver, lorsque le panneau principal (103) est en position verticale, en position essentiellement horizontale avec une première incidence telle que la poussée que le vent exerce sur lui maintienne le panneau principal en position verticale tant que le vent reste supérieur à une seconde vitesse prédéterminée plus faible que la première. 3. Dispositif de régulation selon la revendication 2, caractérisé en ce que le panneau auxiliaire (105) présente, lorsqu'il est en position essentiellement horizontale, une seconde incidence telle que, si l'hélice a tendance à se mettre en contre-orientation en s'effaçant de plus de 900, la poussée du vent sur ledit panneau auxiliaire ait pour effet de maintenir le panneau principal (103) en position verticale. 4. Dispositif de régulation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par un panneau d'équilibrage (106), monté basculant sur ledit axe horizontal (10) en un point situé, par rapport au panneau principal (103), de l'autre côté dudit axe vertical d'orientation (9) et agencé pour équilibrer la poussée du vent sur l'ensemble constitué par le panneau principal (103) et le panneau auxiliaire (105), lorsque le panneau principal est en position horizontale, ledit panneau d'équilibrage coopérant avec une butée qui le maintient normalement en position verticale. 5. Dispositif de régulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit axe horizontal (10) est légèrement incliné par rapport au plan de l'hélice. 6. Dispositif de régulation selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit axe horizontal (10) est constitué par un tube qui sert de moyen de guidage à un câble (15) fixé au panneau principal (103), de manière telle qu'une traction exercée sur ce câble ait pour effet de relever ledit panneau principal (103) en position verticale. 7. Dispositif de régulation selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il est associé à un dispositif limiteur de vitesse, agencé pour coopérer avec l'arbre (3) de l'hélice et exercer une traction sur ledit câble (15) de commande de relevage dès que la vitesse dudit arbre (3) dépasse un seuil prédéterminé.