Brevet FR2814504A1 — publié le 20020329

- domain de l'invention : La présente invention concerne un dispositif hydraulique pour limiter ou réguler, en fonction de la force du vent, la vitesse de rotation des rotors d'éoliennes à pales à pas fixe ou aérogénérateurs de toutes puissances équipés de pales à pas fixe et d'un procédé permettant de ramener au sol toute la machinerie de puissance, de réglage, et de contrôle. - Caractéristique des réalisations antérieures : Des réalisations antérieures avec ce dispositif ou ce procédé sont inconnues. Toutes les éoliennes industrialisées produisant de l'électricité sont constituées par des pales qui tournent autour d'un moyeu horizontal. Ce moyeu est relié à un multiplicateur et à une génératrice située à l'intérieur de la nacelle. La nacelle renferme les composants mécaniques et électriques, elle est située au sommet d'un pylone. (Fig. 1) On distingue actuellement trois technologies essentielles pour limiter la vitesse de rotation du rotor des éoliennes. 1-Système à masselottes : (Figure 2) Utilisé sur des machines de petite puissance, jusqu'à environ 6OkW. Lorsque la vitesse limite de rotation est atteinte, sous l'effet de la force centrifuge des masselottes (M), liées mécaniquement aux pales (1), s'écartent en modifiant l'angle de ces dernières ce qui a pour effet de freiner le rotor et de le ralentir. 2-Pas variable : Un vérin hydraulique ou électrique, fait varier l'angle des pales en fonction de la vitesse du vent. Ce dispositif est utilisé pour les aérogénérateurs de forte puissance. A partir de 150 kW environ. 3-Pas fixe électromagnétique : Uri frein électromagnétique agit directement sur un disque solidaire de l'arbre entraîné par les pales. La puissance de freinage est régulée en fonction de la vitesse du vent. Ce dispositif est utilisé pour les aérogénérateurs de forte puissance. A partir de 150 kW environ. Dans tous les cas les dispositifs connus sont réalisés avec des systèmes de transmission mécaniques situés dans une nacelle au sommet du mat. (Voir fig. l) - Lacunes ou inconvénients des réalisations antérieures : -Petites éoliennes. Les systèmes de régulation par masselottes et ressorts sont rudimentaires et imprécis. On observe des vibrations et plus particulièrement des emballements lors des"décrochages"c'est à dire lors du découplage de la génératrice avec le réseau électrique. Le mécanisme toujours situé au sommet du pylone impose une structure lourde ou un mat haubané. - grosses éoliennes. Les différents systèmes existants sont réalisés avec des e 10 % W moyens de régulation électriques ou électroniques sophistiqués et compliqués. Les temps de réponse sont relativement long lors des variations intempestives de la vitesse du vent ce qui se traduit par une rotation irrégulière et des à-coups. Toute la machinerie est située au sommet du mat, dans une nacelle, ce qui nécessite une structure de support très lourde. Dans les différentes réalisations antérieures les ensembles mécaniques sont situés dans une nacelle au sommet d'un mat qui peut atteindre 80 mètres de hauteur. Les inconvénients majeurs sont : les difficultés de maintenance, de montage, les mats sont lourds et couteux Le système et le procèdé selon l'invention permettent de remédier à ces inconvénients. But de l'invention : - a partir d'un moyen simple obtenir une vitesse constante et régulière du rotor d - amener toute la machinerie de production d'énergie et les systèmes de régulation au pied de l'éolienne. - par une transmission hydraulique intercalée entre le rotor et générateurs assurer une souplesse de fonctionnement sans à-coups ni vibrations. - transformer l'énergie éolienne en énergie mécanique, thermique, ou électrique. - allèger sensiblement la structure du mat ou pylône. - faciliter les interventions de montage et de maintenace. - Les moyens de l'invention La figure 3 représente le principe de régulation. Le rotor (1) accouplé à un renvoi d'angle (2) entraine par l'intermédiaire de l'arbre de transmission (4) une pompe volumétrique (9) située au pied de l'éolienne. Au moyen d'un appareil de débit (6) monté sur le refoulement de cette pompe le volume d'huile refoulé est dosé en imposant à celle-ci la vitesse de rotation désirée. La pompe (9) étant solidaire du rotor la vitesse de rotation des pales (1) est contante et régulière. Le moteur hydraulique (7) alimenté par la pompe pourra entraîner suivant l' application choisie une génératrice électrique, et toute machine à entraînement rotatif par exemple pompe à eau, compresseur d'air, etc. Le moteur (7) pourrait être remplacé par une soupape de pression (non représentée) qui par effet de laminage transformerait puissance transmise en énergie thermique. La soupape (8) permet de limiter la puissance maximale de l'éolienne en actionnant le frein (10). -Exemple détaillé de réalisation Figure 4 La figure 4 représente un schéma hydraulique de base pour des éoliennes de forte puissance. En marche normale la pompe (9) est entraînée par l'arbre vertical (4). Le volume de fluide refoulé par cette pompe, est proportionnel à sa vitesse de rotation et inversement. Par un moyen de réglage du débit (6), mécanique ou électrique, le volume refoulé par la pompe est ajusté pour obtenir la vitesse de rotation désirée de la pompe. Le moteur hydraulique (7) est alimenté en débit constant, sa vitesse de rotation est constante. Suivant les applications le moteur peut être à cylindrée fixe ou variable. La puissance maximale transmissible par l'éolienne dans, cette configuration de schéma, est limitée par la soupape (8) qui est règlée à une pression correspondant à la puissance maximale de la machine. Lorsque la puissance maximale est atteinte (vitesse du vent supérieure à 90 km/h par exemple) la pression dans le circuit monte au-dela de la pression de tarage de la soupape (8), celle-ci s'ouvre, déverrouille le clapet (12) et libère l'embrayage frein à depression (10). Le rotor s'immobilise. Dés que le frein (10) est mis sous pression au moyen de l'accumulateur (13) ou de la pompe auxiliaire (17), le rotor est débloqué et la rotation peut reprendre. L'immobilisation du rotor peut également s'obtenir en fermant le régulateur (6). La pompe (17) peut selon l' application être à commade manuelle ou électrique. Un moyen de refoidissement (14) peut être prévu et entraîné hydrauliquement en prélevant une partie du débit du circuit principal par la valve de débit (1 l). En ajustant en permanence le débit de la valve (6) proportionnellement à la vitesse du vent il peut être transmis au moteur (7) la puissance optimale captée par l'éolienne - Avantages : - Régulation de vitesse simple, précise, fiable. -Les réglages de vitesse du rotor ou l'arrêt s'effectuent depuis le sol. - Energie hydraulique ou thermique disponible sans réseau électrique. - Le ou les récepteurs/générateurs peuvent être situés à distance. - L'essentiel du machinisme étant au sol : . Sécurité pour les techniciens de montage ou de maintenance . Réduction sensible du poids du mat . Gain sur le temps d'intervention en cas de panne - Le dispositif et le procédé selon l'invention peut être utilisé pour la réalisation des éoliennes de toutes puissances à partir de 2000 W et jusqu'à 2000 kW environ. - variante : - Selon une variante non illustrée un multiplicateur de vitesse peut être situé au pied du mât entre l'arbre de transmission (4) et le frein (10). - La pompe peut éventuellement être située dans la nacelle, dans ce cas la transmission de puissance vers le pied de l'éolienne s'effectue par des flexibles hydrauliques ou par des tuyauteries rigides raccordées à un joint tournant qui assure l'interfaçage entre la la nacelle orientable et le pied du mât. -Utilisations potentielles : Production d'énergie : électrique, hydraulique, thermique ou mécanique. - Dessins : Figure 5 Projet EOLIENNE 15 à 50 kW REVENDICATIONS 1-Dispositif hydraulique, suivant figure 3, permettant de règler et réguler la vitesse de rotation des rotors d'éoliennes à pales à pas fixe de toutes puissances, puis de transformer l'énergie du vent en énergie hydraulique caractérisé en ce qu'il est composé d'une pompe volumétrique (9) à cylindrée fixe accouplée à un arbre (4) entraîné par le rotor (1) de l'éolienne et d'un moyen de débit (6) monté au refoulement de cette pompe. 2-Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le volume de fluide ainsi engendré par la pompe (9) alimente un récepteur rotatif (7). 3-Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le moyen de débit (6) en dosant le volume du fluide refoulé par la pompe (9) impose à celle-ci une vitesse de rotation désirée. 4-Dispositif selon les revendications 1,2 et 3 caractérisé en ce que la pompe (9) régulée en vitesse de rotation par le moyen de débit (6) impose à l'arbre de transmission (4) et au rotor (1) une vitesse de rotation maximale choisie. 5-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la pompe (9) est située au pied du mât de l'éolienne et est entraînée en rotation par l'intermédiaire de l'arbre de transmission (4). 6-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la machinerie de puissance, pompe (9) moteur (8), et les moyens de régulation de vitesse normale par (6) et maximale par (8) sont situés au sol. 7-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le récepteur ou moteur hydraulique (7) transforme l'énergie mécanique pour entrainer selon l'application des génératrices électriques, ou thermiques, ou toute machine rotative.