Brevet FR2787522A1 — publié le 20000623

La présente invention concerne des perfectionnements aux géné- rateurs d'énergie mus par un courant fluide, tels que ceux connus géné- ralement sous le nom d'éoliennes ou d'aérogénérateurs. Comme il appa- raîtra clairement de ce qui suit, elle s'applique également à des généra- teurs immergés du type turbine, mus par un courant liquide. Il existe de nombreux documents décrivant des aérogénérateurs. Parmi ceux-ci, on peut citer FR-A-2 425 002, FR-A-2 450 362, US-A-4 039 848, US-A-4 379 236, US-A-5 506 453 et WO-96/18815 (PCT/EP95/04958). o0 Pour éviter d'utiliser des pales de rotor de grandes dimensions et/ou de faire tourner le rotor de ces aérogénérateurs à des vitesses éle- vées, il est déjà connu --comme cela est par exemple décrit dans FR-A-2 425 002, FR-A-2 450 362 et US-A-4 379 236-- de prévoir un carénage formant un conduit à l'intérieur duquel est logé ledit rotor. Un tel caré- nage présente de plus l'avantage d'assurer la protection des pales et celle de l'environnement. La théorie, actuellement admise d'une façon générale et rappelée par FR-A-2 425 002, indique que l'énergie maximale fournie par les aéro- générateurs --pour une valeur donnée de la vitesse du flux d'air à l'amont du rotor-- est obtenue lorsque la section de sortie du carénage est égale au triple de la section d'entrée de celui-ci. En étudiant le fonctionnement des aérogénérateurs, I'inventeur a pu constater de façon étonnante, comme cela sera montré ci-après, que la théorie connue n'était pas rigoureuse et que les conditions d'obtention de l'énergie maximale pour chaque valeur de vitesse du flux d'air amont, Tf T7i [ en présence de carénage, étaient très différentes de celles admises jus- qu'à présent. Aussi, I'objet de la présente invention est-il de perfectionner les aérogénérateurs --ainsi d'ailleurs que les turbines mues par courant li- quide-- pour permettre le prélèvement de l'énergie maximale qu'ils sont aptes à fournir. A cette fin, selon l'invention, le procédé de contrôle d'un généra- teur d'énergie comportant au moins un rotor logé dans un carénage et pourvu d'organes périphériques radiaux, tels que pales ou aubes, pour pouvoir être entraîné en rotation par un courant fluide traversant ledit ca- rénage est remarquable en ce que l'on régule la vitesse de rotation dudit rotor pour imposer à celui-ci une vitesse de rotation telle que la vitesse dudit courant fluide à la sortie dudit carénage soit au moins approximati- vement égale au produit de la vitesse dudit courant fluide à l'amont dudit carénage par le coefficient 1 / â. En effet, I'inventeur a constaté que, pour une valeur donnée de la vitesse du fluide à l'amont du générateur, I'énergie maximale disponible est obtenue lorsque la vitesse du fluide à l'aval dudit générateur est égale à 1/ a fois ladite vitesse amont. Par suite, la présente invention concerne également un générateur d'énergie du type mentionné ci-dessus, remarquable en ce qu'il comporte des moyens de régulation aptes à imposer audit rotor une vitesse de rota- tion telle que la vitesse dudit courant fluide à la sortie dudit carénage soit au moins approximativement égale au produit de la vitesse dudit courant fluide à l'amont dudit carénage par le coefficient 1/ /3. Pour pouvoir agir sur la vitesse de rotation du rotor, lesdits moyens de régulation pourraient comprendre des systèmes connus, tels que système de pas variable des organes périphériques radiaux du rotor -T - 7M F1 ou bien système d'inclinaison variable de l'axe dudit rotor par rapport au courant fluide. Toutefois, de tels systèmes sont complexes et onéreux, de sorte que, selon une autre particularité de la présente invention, il est avantageux que lesdits moyens de régulation comportent des moyens de freinage dudit rotor. Ces moyens de freinage, qui pourraient être de type mécanique (par exemple frein à mâchoires, à tambours, à disques, etc...), sont avantageusement de type électrique (par exemple dynamo à charge résistive variable, moteur-frein, etc...), afin de permettre une ré- cupération d'énergie maximale pour une vitesse de vent amont donnée. Avantageusement, lesdits moyens de régulation peuvent compor- ter: - un premier capteur mesurant la vitesse du courant fluide à I'amont dudit carénage; - un second capteur mesurant la vitesse du courant fluide à la sortie dudit carénage; et - des moyens de commande actionnant lesdits moyens de freinage et recevant respectivement les mesures provenant dudit premier capteur, multipliées par le coefficient 1/ J3, et les mesures provenant dudit se- cond capteur. Afin de réduire les pertes aérodynamiques, il est avantageux que lesdits organes périphériques radiaux du rotor se trouvent au voisinage de la sortie dudit carénage. Ainsi, ledit rotor peut tourner avec une faible vitesse axiale, proche de celle dudit courant fluide en sortie du carénage, ce qui évite l'usage d'un diffuseur de ralentissement du courant fluide à performances médiocres, comme ce serait le cas si le rotor était disposé au voisinage de l'entrée du carénage et était obligé de tourner avec une vitesse axiale proche de ladite vitesse amont. Afin d'obtenir une différence de pression importante de part et d'autre desdits organes périphériques radiaux dudit rotor, c'est-à-dire de bonnes performances pour ce dernier, il est avantageux, comme cela est montré par le document FR-A-2 425 002, que ledit carénage présente une section progressivement divergente, puis constante, entre l'entrée et la sortie dudit carénage. Dans ce cas, selon l'invention, ledit carénage présente donc une section progressivement divergente entre l'entrée dudit carénage et lesdits organes périphériques radiaux dudit rotor et une section pratiquement constante en aval de ces derniers. Pour éviter les pertes aérodynamiques dues à la giration du cou- rant fluide produite par lesdits organes périphériques radiaux, en aval d'eux-mêmes, il est possible, de façon connue, de prévoir un distributeur et/ou un redresseur, fixe ou mobile. De préférence, conformément à une particularité additionnelle de la présente invention, on prévoit au moins un redresseur mobile, constitué par un rotor supplémentaire coaxial audit rotor et tournant en sens inverse de celui-ci. Ainsi, il est possible de ré- partir la charge aérodynamique globale sur les deux rotors, qui peuvent ainsi tourner plus lentement, ce qui présente des avantages importants tant au plan mécanique (vibrations, résistance mécanique) qu'au plan acoustique. La prise de puissance peut alors être effectuée sur chacun desdits rotors ou bien sur un seul d'entre eux, s'ils sont reliés mécani- quement. Dans le cas o le générateur conforme à la présente invention se- rait amené à fonctionner avec des vitesses de courant fluide très élevées, il est avantageux qu'il comporte un dispositif apte à commander le débit dudit courant de fluide en aval dudit carénage. Un tel dispositif, qui peut être du type persienne à volets mobiles, peut avantageusement être commandé par les moyens de commande desdits moyens de freinage. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques TI -H I désignent des éléments semblables. La figure 1 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'un aérogénérateur conforme à la présente invention. La figure 2 est une vue schématique partielle, également en coupe axiale, d'une variante de réalisation d'un aérogénérateur conforme à la présente invention. L'aérogénérateur 1 conforme à la présente invention, illustré schématiquement et partiellement sur la figure 1, comporte une hélice 2 pourvue de pales 3 et tournant autour d'un axe 4. L'hélice 2 est logée dans un carénage 5 formant un conduit centré sur l'axe 4. Une prise de puissance 6 est associée à l'hélice 2 pour transmettre à une machine uti- lisatrice ou à un générateur électrique 7 (non représentés), par l'intermé- diaire d'un éventuel renvoi d'angle 8, la puissance disponible sur ladite hélice 2. Par ailleurs, I'aérogénérateur 1 comporte un frein 9, apte à freiner la rotation de l'hélice 2, et un dispositif 10 pour la commande dudit frein 9. Le dispositif de commande 10 reçoit, de capteurs 1 1 et 12, des mesu- res de la vitesse du vent 13 actionnant l'hélice 2, respectivement en amont (capteur 11) du carénage 5 et à la sortie 5S de celui-ci (capteur 1 2), un multiplicateur 14 étant interposé entre le capteur 1 1 et le disposi- tif de commande 10. Si, de façon usuelle, on considère le tube de courant d'air 15, qui est représentatif du vent 13 actionnant l'hélice 2 et qui est formé par une masse d'air de révolution (autour de l'axe 4) de sections S1 et S2 et de vitesses moyennes Vl et V2, loin à l'amont et loin à l'aval de l'hélice 2, la conservation du débit m, due à la continuité et à l'incompressibilité de l'air (de masse volumique p) permet d'écrire m = p.S1.V = p.= p.S2.V2, soit V2 = V1.S1 / S2 (1) Par ailleurs, I'échange d'énergie entre le vent 13 et I'aérogénéra- teur 1 se traduit par une variation d'enthalpie AHi, entre l'entrée 5E et la sortie 5S du carénage 5. Si cet échange est réversible -I'aérogénérateur étant considéré comme une machine parfaite isentropique-cette varia- tion d'enthalpie AHi est égale à APi/p, APi étant la variation de pression d'arrêt engendrée par l'hélice 2, soit AHi = APi/p L'application de l'équation de Bernoulli permet de plus d'écrire APi =. P. V12[1- (V2 / Vl)2] de sorte que la puissance mise en jeu, qui est égale à m.AHi peut s'écrire i 31 m. AHi =.p. V1 [S- S3 / S2] (2) Il convient de remarquer que, compte tenu de la nature visqueuse du fluide et au moins en première approximation, la section aval S2 ne dépend pas du débit m. Elle peut être considérée comme constante et d'une dimension caractéristique de l'aérogénérateur 1. Pour une valeur de vitesse de vent aval Vl donnée et une valeur de section aval S2 donnée, la fonction (2) donnant la puissance m.AHi passe par un maximum pour S1 / S2 = 1 / 3, c'est-à-dire, compte-tenu de la relation (1) pour V2= V1 / 3. A ce maximum, la puissance m.AHi prend donc la valeur maximale (m.AHi)max= m.V12 /3 =m.V22 (3), la variation d'enthalpie correspondante étant donc égale à V22. Il résulte de ce qui précède que la valeur maximale de la puissance disponible sur l'aérogénérateur, donnée par la relation (3), est obtenue lorsque la vitesse V2 à la sortie 5S du carénage 5 est égale au produit de la vitesse Vl en amont dudit carénage 5 par le coefficient 1/ /3. Aussi, dans l'aérogénérateur 1 de la figure 1, le dispositif de commande 10 du frein 9: - reçoit du capteur 11 la mesure instantanée de la vitesse V1, multipliée par le coefficient 1/ a dans le multiplicateur 14; - reçoit du capteur 1 2 la mesure instantanée de la vitesse V2 - compare les mesures V1/ va et V2; et - agit sur le frein 9 pour que V2 soit égale à V1/ /-3. Dans la variante de réalisation 16 représentée sur la figure 2, I'aé- rogénérateur conforme à la présente invention comporte deux hélices coaxiales 2.1 et 2.2, respectivement pourvues de pales 3.1 et 3.2 et de freins 9.1 et 9.2. Les hélices 2.1 et 2.2 sont contrarotatives et disposées l'une derrière l'autre. Leur frein respectif 9.1 ou 9.2 est commandé par le dispositif 10. Sur la figure 2, les prises de puissance desdites hélices ne sont pas représentées. Le carénage 5 du mode de réalisation 16 présente la forme d'une nacelle d'avion subsonique, avec une partie amont 5D de section divergente depuis l'entrée 5E et une partie aval 5C de la section pratiquement constante débouchant par la sortie 5S. Les hélices 2.1 et 2.2 sont disposées au voisinage de la sortie 5S. Une persienne 17, à volets mobiles 18 commandés par un disposi- tif 19, permet de commander le débit aval du vent 13 et notamment de réduire ledit débit en cas de valeurs de vitesse de vent amont Vl très élevées. Bien entendu, le dispositif 19 commandant la persienne 17 peut lui-même être commandé par le dispositif 10. On remarquera qu'il est souhaitable, du point de vue aérodynami- que, que le niveau des vitesses axiales dans le carénage 5 ne soit pas trop perturbé. Il en résulte que les rotors 2, 2.1, 2.2 doivent présenter de faibles valeurs pour leur rapport de moyeu (rapport du rayon de moyeu sur lequel sont fixées les pales 3, 3.1, 3.2 sur le rayon de tête desdites -T. ir pales). Un tel rapport de moyeu doit être au plus égal à 0,15. Il est alors avantageux que lesdites pales soient fortement vrillées avec une courbure très évolutive entre le pied et la tête de pale. REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôle d'un générateur d'énergie comportant au moins un rotor (2, 2.1, 2.2) logé dans un carénage (5) et pourvu d'orga- nes périphériques radiaux (3, 3.1, 3.2) pour pouvoir être entraîné en rota- tion par un courant fluide (13) traversant ledit carénage (5), caractérisé en ce que l'on régule la vitesse de rotation dudit rotor pour imposer à celui-ci une vitesse de rotation telle que la vitesse (V2) dudit courant fluide à la sortie dudit carénage (5) soit au moins approximative- ment égale au produit de la vitesse (V1) dudit courant fluide à l'amont dudit carénage par le coefficient 1/ 3. 2. Générateur d'énergie comportant au moins un rotor (2, 2.1, 2.2) logé dans un carénage (5) et pourvu d'organes périphériques radiaux (3, 3.1, 3.2) pour pouvoir être entraîné en rotation par un courant fluide (13) traversant ledit carénage (5), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de régulation (9, 10, 1 1, 1 2, 14) aptes à imposer audit rotor une vitesse de rotation telle que la vitesse (V2) dudit courant fluide à la sortie dudit carénage (5) soit au moins ap- proximativement égale au produit de la vitesse (V1) dudit courant fluide à l'amont dudit carénage par le coefficient 1/ f3. 3. Générateur d'énergie selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de régulation comportent des moyens de freinage (9) du rotor. 4. Générateur d'énergie selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de régulation comportent - un premier capteur (11) mesurant la vitesse (V1) du courant fluide à l'amont dudit carénage (5); - un second capteur (12) mesurant la vitesse (V2) du courant fluide à la sortie (5S) dudit carénage (5); et - des moyens de commande (10) actionnant lesdits moyens de freinage (9) et recevant respectivement les mesures provenant dudit premier capteur (11), multipliées par le coefficient 1/ /3, et les mesures pro- venant dudit second capteur (12). 5. Générateur d'énergie selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que lesdits organes périphériques radiaux dudit rotor se trouvent au voisinage de la sortie (5S) dudit carénage (5). 6. Générateur d'énergie selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit carénage (5) présente une section progressi- vement divergente (5D) entre l'entrée (5E) dudit carénage et lesdits orga- nes périphériques radiaux (3, 3.1, 3.2) dudit rotor et une section prati- quement constante (5C) en aval de ces derniers. 7. Générateur d'énergie selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que ledit rotor présente un rapport de moyeu au plus égal à 0,1 5. 8. Générateur d'énergie selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte deux rotors coaxiaux (2.1, 2.2). 9. Générateur d'énergie selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits rotors (2.1, 2.2) tournent en sens opposés. 10. Générateur d'énergie selon l'une des revendications 2 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (18) apte à commander le débit dudit courant de fluide en aval dudit carénage (5). "T T][n v