Brevet FR2738300A1 — publié le 19970307

L'invention est relative à la construction de centrales électriques éoliennes A ce jour, il n'a pas été possible de construire des centrales électriques éoliennes d'une puissance et d'une productivité comparables à celles des centrales électriques thermiques ou nucléaires Certains constructeurs ont fabriqué des prototypes d'aerogénérateurs de grande puissance en augmentant le diamètre des rotors au maximum des possibilités techniques : par exemple les societés Boang , Dornier , Kaman et Hamilton Standardt ont fabriqué des aerogénérateurs dont le rotor atteignait 78, 90, 100 et même 120 mètres de diamètre ; ces très grands aerogénérateurs se sont averés d'une exploitation et d'une maintenance difficile .De ce fait on utilise de preférence des aerogénérateurs de faible puissance , en en multipliant le nombre,ce qui présente l'inconvénient de consommer beaucoup d'espace Des ingénieurs spécialistes de l'énergie du vent , notemment P. Thomas aux USA, H. Honnef en Allemagne , L. Romani et A. Argand en France , ont imaginé des aerogénérateurs de grande puissance multirotors . Parmi les formules connues, la plus simple est celle du birotor Selon le projet d'aerogénérateur birotor publié par A. Argand, ancien directeur de la division Energie du Vent d'EDF , les deux rotors de 90 mètres et plus , à pas fixe , étaient fixés dans le même plan et à la même hauteur sous le vent d'une traverse pivotante horizontale , portée par un pylône en béton armé . On observe que cette architecture présente plusieurs inconvénients car, d'une part l'envergure générale de 200 mètres et plus devient réellement excessive, et d'autre part le seul moyen de sauvegarde contre l'emballement consiste à freiner mécaniquement les deux rotors à pas fixe, opération qui peut générer des vibrations dangereuses. L'invention porte principalement sur des moyens destinés à améliorer cette formule afin de la rendre plus compétitive et plus saure . Les perfectionnements concernent particulièrement l'architecture générale d'un aerogénérateur birotor , et un mode de réalisation des rotors, des deux groupes électromécaniques et du support L'invention concerne aussi un procedé de pilotage , automatique ou télécommandé, de cet aerogénérateur birotor , destiné à en rendre l'exploitation sûre par tous les régimes de vent L'invention concerne également un mode d'organisation préféren iel mais non limitatif d'une centrale électrique éolienne d'une puissance comparable à celle d'une centrale thermique ou nucléaire Selon une caracteristique de l'invention relative à l'architecture générale d'un aerogénérateur birotor , les deux rotors sont fixés dans deux plans parallèles, de part et d'autre de la structure porteuse pivotante . Selon cette disposition non usuelle, l'un des rotors est au vent et l'autre sous le vent . L'architecture générale a un point de symétrie axial vertical qui coïncide exactement avec le centre de gravité des masses pivotantes D'autre part, le point d'application de la résultante des poussées horizontales du vent sur les rotors et sur la structure pivotantre coïncide également sensiblement avec l'axe de pivotement Ainsi, selon cette architecture , il suffit d'une légère dissymétrie de traînée d'un rotor par rapport à l'autre pour provoquer un angle de pivotement de l'ensemble des deux rotors par rapport à la direction du vent .Cette caracteristique est particulièrement importante car , outre l'amortissement naturel des rafales, elle autorise l'utilisation de rotors à pas fixe , dont le plan de rotation pourra être effacé en position neutre , par exemple en déployant un volet aerofrein fixé sur la nacelle du rotor sous le vent .On pourra également piloter l'ensemble en faisant varier la traînée d'un rotor par rapport à l'autre, par le moyen connu de volets articulés en bout de pale ou par des spoilers d'un type spécial fixés sur l'extrados des pales des rotors,et qui font l'objet d'une des revendications du brevet Selon une autre caracteristique de l'invention , autorisée par l'architecture du birotor , les deux rotors peuvent avoir des diamètres supérieurs à leur entr'axe ; par conséquent le rotor au vent masque partiellement le rotor sous le vent , par exemple du tiers , de la moitié ou des trois-quarts du rayon .Ceci entraine nécessairement la perte d'une fraction de la puissance des deux rotors, notamment celui sous le vent , mais permet de réduire considérablement , pour une même surface balayée, l'envergure de la structure pivotante , son rayon de giration , samasse et bien évidemment son coût Selon une autre caracteristique de l'invention , on peut donner une direction oblique à la structure pivotante par rapport aux plans de rotation des rotors .On conserve l'équilibre général avec l'avantage supplémentaire de pouvoir écarter les plans de rotation des deux rotors des turbulences genérées par les membrures de la structure pivotante Selon une autre caracteristique de l'invention , le support de l'aerogénérateur birotor sera agencé comme une grue pivotante dont la structure portant les nacelles et les rotors constitue les deux bras . Ces bras sont articulés de façon à permettre d'élever ou d'abaisser les nacelles et rotors , ce qui permet de pallier un des inconvénients majeurs des aerogénérateurs birotors, qui est la difficulté de montage et de maintenance Selon une autre caracteristique de l'invention , la structure pivotante aura avantageusement une structure générale en V , et pivotera autour d'un fût vertical de moindre hauteur , encastré dans le sol .L'ouverture du V sera d'environ 50" Selon une autre catacteristique , les deux rotors à pas fixe sont contrarotatifs , et leur régime de rotation imposé par les alternateurs sera proportionnel à la vitesse du vent,dans une plage s'étendant par exemple entre3 M/s et 20 M/s Selon une autre caracteristique , les deux rotors seront de préférence de fabrication métallique , en acier ou alliage léger et à revêtement textile . Ce procedé de fabrication est particulièrement avantageux car il permet de transporter des grands rotors par tronçons , de les liaisonner puis de les entoiler "in situ" .Bien entendu , les structures textiles qui seront utilisées seront d'un type particulièrement resistant aux efforts de traction et à l'action des intempèries Selon une autre caracteristique , les deux rotors à pas fixe seront équipés chacun de deux volets en bout de pale à commande électrique , ou bien de spoilers pneumatiques d'un type spécial qui, par leur gonflage , permettront de modifier les profils et de provoquer un écoulement turbulent sur leur extrados , diminuant sensiblement le couple moteur et la poussée axiale Selon une caracteristique , les deux groupes électromécaniques de conception modulaire , seront composés de plusieurs alterna .teurs et multiplicateurs de vitesse ,montés en parallèle . Par exemple , une puissance nominale installée de 15 MW sera obtenue par douze alternateurs de 1250 KW Selon une caracteristique , l'aerogénérateur birotor aura deux modes de fonctionnement 1" par vent faible , un mode stable et non piloté , où la structure pivotante est immobilisée Sur le pylône fixe 2" par vent moyen ou fort , un mode de fonctionnement libre et piloté où les deux rotors s' orientent librement par rapport à la direction du vent , ou bien où l'orientation est commandée en créant une dissymétrie L'aerogénérateur sera équipé des moyens usuels de l'électronique de puissance , permettant de délivrer au réseau un courant à fréquence stable du type AC. DC. AC. L'aerogénérateur birotor selon l'invention pourra avoir toutes les dimensions et toutes les puissances , mais de préférence il sera équipé de deux rotors d'environ 100 mètres de diamètre et aura une puissance nominale d'environ 15 MW par vent moyen Les aerogénérateurs de ce type permettront de constituer des centrales électriques éoliennes linéaires .Par exemple , en implantant sur une ou deux files ces aerogénérateurs birotors le long des couloirs des lignes de haute tension , situés dans des zones bien ventées et dans des sites non protegés , il sera possible d'obteni r l'équivalent de production d'une tranche électronucléaire de 1 000 MW,en en alignant cent aerogénérateurs birotors à intervalle de 500 mètres , sur une longueur de 25 à 50 km cumulés Ce mode d'implantation est évidemment avantageux au point de vue de la facilité de raccordement au réseau principal et secondaire, de la commodité d'exploitation et du facteur de disponibilité. Bien entendu , ces aerogénérateurs birotors pourront également constituer des parcs éoliens de toutes puissances, selon les opportunités . A titre d'e xemple , l'équivalent d'un parc éolien de 100 machines de type usuel ( 300 KW , rotor de 30 mètres ) , soit une puissance cumulée de 30 MW , serait constitué de 3 machines conformes à l'invention , situées par exemple aux sommets d'un triangle de 500 mètres de côté l'aerogénérateur birotor selon 1'invention pourra également être installé off shore , et dans ce cas le pylône tubulaire sera encastré dans un caisson en béton armé flottable L'invention sera mieux comprise par les dessins annexés , pré sentant un mode de réalisation préférentiel d'un aerogénérateur birotor de grande puissance en application terrestre , ainsi qu'une application off shore On a représenté également un tronçon de ligne électrique éolienne et son mode d'organisation La figure 1 est une vue de face d'un aerogénérateur birotor selon l'invention La figure 2 est une vue du dessus du même aerogénérateur birotor La figure 3 est une vue latérale du même aerogénérateur La figure 4 est une coupe longitudinale de la nacelle du rotor sous le vent indiquant notamment un agencement de volet La figure 5 est une coupe transversale de la même nacelle La figure 6 est une vue de la structure d'une partie d'une pale d'un rotor La figure 7 est une vue du même profil montrant le spoiler pneumatique gonflé La figure 8 est une vue en coupe et en détail d'une moitié de l'aerogénérateur birotor La figure 9 est un arrachement vu en plan des attaches des bras articulés sur le fût axial La figure 10 est une vue en perspective de l'aerogénérateur birotor La figure 11 est une vue en élevation et en coupe partielle d'un aerogénérateur birotor installe off shore La figure 12 est un plan du même aerogenérateur La figure 13 est un plan shematique d'un tronçon de ligne électrique éolienne L'architecture générale de l'aerogénérateur birotor est présentée sur les figures 1, 2, 3 . Selon ces dessins , présentés à titre indicatif , les proportions respectives sont les suivantes : le rotor au vent ( 1 ) masque le rotor sous le vent ( 2 ) des trois-quarts du rayon , et les plans des rotors sont écartés de la moitié du rayon . L'entr'axe des deux rotors est égal aux cinq quarts du rayon et l'axe des deux rotors s'élève à partir du sol aux sept cinquièmes du rayon .Le plan des deux rotors fait un angle d'environ 10 avec le plan vertical de la structure pivotante ( 3 ) . Selon ces proportions , l'angle d'ouverture des deux bras de cette structure fait environ 50 Le support fixe ( 6 ) a la forme d'un fût cylindrique , il s'élève sensiblement au niveau de l'intersection apparente des deux disques balayés par les rotors , et de ce fait ne crée pas d'obstruction Le fût fixe ( 6 ) est fabriqué en béton armé ; il est encastré dans une dalle ( 7 ) et se prolonge verticalement dans le sol en ( 8 La structure pivotante ( 3 ) , fabriquée principalement en tube d'acier , est composée de deux bras articulés ( 9 et 10 ) sur une embase ( ll ) qui repose sur une couronne de galets ( 12 Ces deux bras articules en forme de parallélogramme ont une structure en poutre échelle .Ils sont réunis au niveau du som met du fût par une traverse rigide ( 13 ) qui sert au contre ventement , et au niveau de l'axe des nacelles ( 27 et 28 ) par des tendeurs ( 14 ) . Les deux montants ( 9 et 10 ) peuvent tourner sur l'embase ( ll ) et être amenés à l'horizontale au voisinage du sol au moyen de treuils ( 15 ) et de moufles ( 16 après désolidarisation en deux moitiés ( 17 et 18 ) de la tra verse pivotante ( 13 ) .On a représenté les deux rotors et les deux nacelles en position horizontale En fonctionnement normal l'équilibre naturel des deux rotors ( l et 2 ) les maintient dans une situation par rapport à la direction du vent où la ligne xy qui réunit les deux extrêmimités de l'envergure générale est sensiblement perpendiculaire à la direction V du vent Lorsque le volet ( 4 ) est déployé , l'ensemble des deux rotors pivote en position neutre par rapport à la direction du vent le rotor ( 2 ) recule et le rotor ( 1 ) avance Sur les figures 4 et 5 , on a représenté le groupe électromécanique de la nacelle ( 28 ) accouplé au rotor ( 2 ( 31 ) est l'arbre moteur ( 30 ) représente les multiplicateurs ( 29 ) représente les alternateurs ( 32 ) représente les pignons principaux de grand diamètre ( 33 ) représente les chaînes de transmission Le volet ( 4 ) est actionné par deux vérins pneumatiques ( 34 Sur les figures 6 et 7 , on a représenté la structure d'une portion d'une portion d'une pale , composée d'un longeron principal ( 19 ) en tube d'acier et de forme vrillée , portant des couples et définie par une structure géodétique ( 20 ) en mailles croisées du type utilisé sur les aeronefs ( 21 ) est le revêtement entoilé ( 35 ) est l'un des volets articulés en bout de pale ( 22 et 23 ) sont les spoilers représentés en position passive et active : le spoiler ( 22 ) , normalement plaqué sur l'extrados du profil par une dépression interne produite par l'action d'une pompe ( 24 ) est gonflé ( 23 ) sur commande ou automatiquement par un réservoir d'air comprimé ( 25 Les figures 8 et 9 représentent en détail une moitié de l'aerogénérateur birotor et les éléments déjà décrits précédamment On a représenté en particulier le dispositif de prise de force électrique ( 36 ) est un rail conducteur fixe en anneau , solidarisé au fût de béton ( 6 ) par des isolateurs .La prise de force se fait par des contacts tournants ( 37 ) est une boîte de contrôle électrique ( 38 ) est une gaîne noyée dans la dalle ( 7 ) et dans le fût ( 39 ) est le cabale de raccordement au réseau enterré On a représenté en ( 40 ) une bitte d'amarrage permettant d'immobiliser l'embase pivotante ( ll Sur la figure 10 on voit clairement l'aspect général de l'aerogénérateur birotor , et notamment la superposition caracteristique des deux disques balayés par les rotors au vent et sous le vent, et la notable réduction d'envergure qu'elle permet Sur les figures 11 et 12 on a représenté en vue frontale , coupe et plan une application off shore du même aerogénerateur birotor selon laquelle le fût (6) est solidarisé à une caisse en béton armé (41) par le fond de celui-ci et par des cloisons (42) La figure 13 représente l'organisation d'une partie du réseau La centrale électrique éolienne dont on a représenté un tronçon est composée d'une pluralité d'aerogénérateurs birotors (43) et raccordée au réseau de haute tension (44) par une ligne intermédiaire enterrée (45) et un poste de transformation (46) On a représenté en (47) une distribution directe à basse tension à des localités avoisinantes , et en (48) une centrale électrique conventionnelle à turbine à gaz raccordée au réseau de haute tension, pilotée en fonction de la demande et des disponibilités en vent. On a représenté en (49) et (50) des postes anémométriques implantés à distance de part et d'autre de la file d'aerogénérateurs et qui permettent de predire l'évolution de la force et de la direction du vent au niveau de chaque aerogénérateur , et de télécommander à l'avance ( dans un délai de 1 à 3 minutes) le régime optimal de rotation et l'orientation des rotors REVENDICATIONS 1) Aérogénérateur birotor caractérisé par une architecture à symétrie axiale verticale , caractérisée en ce que les deux rotors (l)et(2) sont fixés dans deux plans parallèles de part et d'autre de la structure pivotante (3) ,et que l'un des rotors (1) est en avant et au vent de cette structure pivotante (3) et l'autre rotor (2) en arrière et sous le vent de cette structure et que selon cette architecture on pilote l'ensemble par rapport à la direction du vent en créant une dissymétrie aérodynamique soit au moyen d'un volet aérofrein (4) ,soit en faisant varier la traînée d'un des rotors par rapport à l'autre 2) Aérogénérateur birotor selon la revendication 1 caractérisé en ce que les deux rotors (l)et(2) ont des diamètres supérieurs à leur entraxe 3) Aérogénérateur birotor conforme aux revendications 1 et 2 caractérisé en ce que on donne direction oblique à la structure pivotante (3) par rapport aux plans de rotation des rotors (l)et(2) 4) Aérogénérateur birotor selon les revendications 1,2,3 caractérisé en ce que la structure pivotante (3) a une configuration générale en V selon un angle de l'ordre de 50 , en ce que cette structure (3) pivote autour d'un fût vertical (6) de moindre hauteur ,et en ce que ce fût fixe (6) est encastré dans une dalle de béton (7) et prolongé axialement dans le sol (8) 5) Aérogénérateur birotor selon les revendications 3 et 4 caractérisé en ce que la structure pivotante en V (3) est constituée de deux bras (9)et(10) fabriqués en tube d'acier de gros diamètre articulés au voisinage du sol sur une embase carrée (11) tournant autour du fût (6) et reposant sur la dalle (7) par l'intermédiaire d'une couronne de galets (12), que ces bras (9)et(10) sont par ailleurs retenus au niveau du sommet du fût (6) par une traverse pivotante rigide (13) et réunis au niveau de l'axe des nacelles par des tendeurs (14) et qu'ils peuvent être descendus ou remontés au moyen de treuils (15) et de moufles (16) après désolidarisation de la traverse pivotante (13) en deux moitiés (17)et(18) 6) Aérogénérateur birotor selon la revendication 1 caractérisé en ce que les deux rotors (l)et(2) sont de type bipale , qu'ils sont symétriques et tournent en sens inverse, qu'ils sont à profil épais et vrillé , creux et accessibles de l'intérieur et qu'ils sont constitués d'une structure interne en acier (19) et d'une enveloppe (20) de type géodétique revêtue partiellement ou totalement d'un entoilage (21) 7) Aerogénérateur birotor selon les revendications 5 et 6 caractérisé en ce que les deux rotors (l)et(2) sont munis de spoilers (22) souples et pneumatiques ,que ces spoilers placés sur l'extrados sont composés d'un boudin (23) en matériau plastique élastique , et qu'ils sont mis en dépression par une pompe (24) et gonflés brusquement , sur commande ou automatiquement par un réservoir d'air comprimé (25) . 8) Aérogénérateur birotor selon la revendication 1 caractérisé en ce que le pilotage par rapport à la direction du vent est obtenu par le déploiement plus ou moins important d'un volet articulé (4) générateur de traînée 9) Aérogénérateur birotor selon la revendication 1 caractérisé en ce que les deux rotors (l)et(2) entrainent chacun une pluralité d'alternateurs (29) et de multiplicateurs (30) accouplés par des chaînes (33) à des pignons (32) solidaires de l'arbre (31) du rotor 10) Aérogénérateur birotor selon les revendications précédentes , isolé ou constitutif d'une centrale électrique de toutes puissances ,installé à terre ou bien off-shore caractérisé en ce que les deux rotors (l)et(2) ont environ 100m de diamètre et que la puissance nominale est d'environ 15 Mw