Brevet FR2849475A1 — publié le 20040702

i Depuis longtemps, l'énergie du vent a été utilisée grâce à des voilures tournantes. On connaît ainsi les moulins à vent munis d'ailes ou de pales, généralement au nombre de quatre; mais ces moulins sont surtout utilisables dans les pays o les vents sont plus ou moins réguliers et soufflant toujours ou presque dans la même direction. De nos jours, on s'intéresse davantage à ce que l'on appelle communément des éoliennes ou encore " aérogénérateurs ", dispositifs dans lesquels les pales sont métalliques ou en matériaux composites, donc relativement indéformables. Des éoliennes 10 perfectionnées assurent des rendements convenables avec par exemple un empennage formant dérive et qui assure le maintien de tous les éléments mobiles quelle que soit la direction du vent (par exemple, pales parallèles au sens du vent -position dite " en drapeau "- , pour offrir une prise minimale au vent ou position opposée à la position en 15 drapeau, donc position perpendiculaire au sens du vent, avec ici prise maximale au vent. Lorsqu'une roue motrice est utilisée pour la bonne marche des pales, certains dispositifs prévoient de soustraire cette roue motrice au vent par effacement de celle ci en cas de tempête. Les éoliennes, comme on le sait, peuvent être utilisées pour diverses applications: pompage de l'eau dans les exploitations agricoles, fourniture d'énergie électrique, et également fourniture d'eau chaude en utilisant la chaleur produite lors du freinage des pales lorsqu'il convient de ralentir celles ci pour quelques raisons que 25 ce soient. Il est important pour le bon fonctionnement des éoliennes de prévoir divers types de perfectionnements; en effet, sur les éoliennes à une seule pale ou à plusieurs pales, deux par exemple, comme ces pales ont toutes des grands diamètres, les vitesses de rotations 30 peuvent être très grandes et entraîner ainsi des contraintes difficilement contrôlables. D'o parfois la construction de turbines à air de diamètre faible de rotor et de grande longueur axiale, placées à la sortie de " convergent " et qui les met à l'abri de contraintes périphériques contraignantes. La présente invention concerne ici plus particulièrement le contrôle adéquat de la vitesse de rotation des éoliennes, notamment 5 par vent violent, c'est à dire lorsque l'on récupère le maximum d'énergie mais que l'extrémité des pales devient trop rapide et menace la solidité ou tout au moins l'usure des nombreuses pièces mécaniques de l'ensemble de l'éolienne. De façon plus précise, le dispositif de l'invention concerne le réglage automatique du pas de l'hélice d'une 10 éolienne. Dans l'art antérieur, les éoliennes incluent un dispositif de régulation entraîné par l'arbre moteur de l'hélice (dont une tige mobile de régulation est généralement coaxiale à l'arbre moteur (FR-2415211). Dans FR-2401331, on décrit un dispositif de réglage 15 automatique du pas de l'hélice motrice d'une éolienne au moyen de galets ou de tringles engagés dans des rainures formant des cames aménagées dans des plaques portées par chacun des des arbres des pales. Les pales peuvent aussi être actionnées par des " excentriques " commandés contre l'action de ressorts par des masselottes liées en 20 rotation à la roue. On trouve encore dans la littérature des moyens incorporant les " excentriques " commandés par le vent lui-même (FR 2415211) ou par un organe central commandé au moyen de la roue et dont la translation peut-être assurée par exemple à l'aide d'un régulateur de watt (FR 2401331) ou encore d'un système vis-écrou 25 sensible à la différence de vitesse entre celle de la roue et celle d'un moteur tournant à une vitesse de référence (FR 2313576) . Le dispositif selon l'invention ne permet pas seulement de résoudre le problème des vents violents mais permet également, grâce à un grand pas en l'absence de vent, de faciliter le démarrage de l'hélice, 30 ce pas diminuant ensuite jusqu'à une valeur optima pour s'accroître ensuite si le vent augmente, voire se mettre en drapeau en cas de bourrasques. Des informations de base sur les éoliennes pourront être encore trouvées dans le brevet français FR 2.500.077. Sans entrer dans les détails, on rappelle brièvement qu'un autre type d' éolienne, comme celle qui fait l'objet de l'invention, est 5 dirigée vers le vent par une dérive; le mouvement est transmis à la base de l'éolienne par un cardan et un axe qui entraîne des masselottes frottant sur un cylindre. La présente invention concerne la régulation de puissance d'une hélice éolienne couplée à une génératrice en donnant aux pales 10 de cette hélice ( il y a au moins 2 pales, par exemple deux ou quatre) un tracé tel que le rendement de cette hélice varie en sens inverse de la variation de l'énergie du vent. Pour cela, les caractéristiques " couple- vitesse " de l'hélice sont déterminées de manière que le point de fonctionnement commence à se déplacer vers les zones de 15 faibles rendements aérodynamiques lorsque la vitesse du vent approche de la valeur pour laquelle la génératrice atteint la puissance maximale compatible avec la sécurité comme il est enseigné dans le brevet français N01.553.046. Dans ce brevet FR-1553046, l'essentiel de la régulation est acquis 20 sans mouvement des pales entraînant ainsi une plus grande stabilité de la régulation que dans les systèmes à pas variables habituels qui réduisent la puissance par augmentation du calage; le système décrit dans le brevet français N'1.553.046 a apporté un perfectionnement important en étant doté d'un système de masselottes centrifuges 25 agencé de façon à réduire le calage d'une partie des pales lorsque la vitesse de rotation a tendance à augmenter, en étant également doté d'un système de butées et de moyens de rappel contre ces butées qui définissent mécaniquement le calage initial et le calage optimum de fonctionnement jusqu'à la vitesse nominale. Généralement la pale est 30 pivotante autour d'un axe et entraîne, par l'intermédiaire par exemple d'un bras, l'extrémité d'un ressort de rappel qui tend à maintenir la pale en contact avec une butée fixe qui définit le calage initial. Le brevet français N'1.553.046 décrit un certain type de montage du ressort, montage qui tout en étant très correct, n'a pas les avantages de la présente invention, incorporant également un système de masselottes et de bras mais avec une disposition originale d'au moins un ressort. D'une façon générale la pale ou une partie de cette pale, peut constituer le système de masselotte centrifuge. On peut aussi envisager de monter la masselotte à l'extrémité d'un bras solidaire de la pale, ou partie de pale. Le bras portant la masselotte et le bras 10 d'accrochage du ressort peuvent alors former un seul et même levier coudé. Une variante prévoît une pale, ou partie de pale, solidaire d'un talon agencé pour entraîner l'extrémité mobile d'un second ressort, extrémité retenue par une seconde butée fixe, quand la pale ou partie 15 de pale a tourné d'un certain angle. Ici, la première butée correspond à un calage initial qui assure un couple de démarrage élevé et la seconde butée (butée principale) correspond au calage optimal de fonctionnement jusqu'à la vitesse nominale. Ce second ressort peut être accroché à un bras secondaire qui pivote autour de l'axe de 20 rotation de la pale. Ce ressort ramène ce bras secondaire au contact de la première butée. Eventuellement, ce second ressort est en appui par son extrémité libre sur la seconde butée fixe; le talon est alors disposé de façon à entraîner directement cette extrémité après la rotation de la pale. Les figures 1, 2 et 3 sont empruntées au brevet français N'1.533.046 et illustrent les techniques que la présente invention perfectionne. La figure 1 représente un élément de pale et les composantes des forces qui résultent de l'action d'un vent W d'angle bêta sur l'élément 30 de pale dont l'angle de calage est alpha; dP est la portance proportionnelle à l'incidence i qui est la différence entre bêta et alpha; si l'éolienne est peu chargé, les faibles valeurs de dF correspondent à de faibles valeurs de dP, et par suite à de faibles valeurs de i; les variations de calage alpha suivent sensiblement celles de l'angle du vent (bêta) ; les variations inévitables d'incidence se traduisent par ses variations importantes des efforts appliqués sur 5 les pales des hélices, d'o une usure importante des mécanismes des variations du pas. Dans la figure 2, la pale 1 est dotée d'un mécanisme de variation de pas constitué par un levier coudé 2 solidaire de la pale et monté pivotant sur l'axe 3 perpendiculaire à l'axe de rotation de la pale. A 10 l'une des extrémités de levier 2, on a fixé une masselotte 4 et à l'autre extrémité , on a accroché un ressort de rappel 5.Une butée 6 détermine le calage initial alpha de la pale. Dans la figure 3, outre le levier principal 2, lié à la pale 1, et rappelé par le ressort 5, il y a un second levier 7 monté sur le même 15 axe 3 que le levier 2 et rappelé par un ressort 8 au contact d'une butée 10. Sur le levier 2, on a fixé un talon 9 disposé de façon à pouvoir entraîner le levier 7 à l'encontre de l'action du ressort 8, quand le levier 2 a pivoté d'un certain angle. Comme indiqué dans FR 1.553.046, le ressort 5, assez souple, est le ressort de démarrage et 20 la butée 6 correspond à un calage initial suffisamment grand pour assurer un couple de démarrage élevé. A mi-vitesse, on retrouve le calage alpha correpondant à la butée principale 10. Ce calage reste constant jusqu'à la vitesse nominale et au delà de laquelle le calage est réduit et le ressort principal 8 précontraint mis en charge. Dans ce brevet français N'1.553.046, les ressorts utilisés travaillent en traction et les détails de ce brevet sont spécifiquement limités à ces tractions. Dans la présente invention, on a découvert qu'il pouvait être très avantageux, moyennement quelques dispositifs originaux, d'utiliser soit au moins un système à au moins 2 ressorts 30 disposés différemment de la disposition des figures 2 et 3 ( voir figure 4) soit encore plus avantageusement au moins un ressort travaillant non pas en traction mais en compression ( voir figure 5). Mais selon l'invention, il peut être aussi très intéressant d'utiliser une technique mixte combinant à la fois les dispositifs des figures 4 et cette technique mixte étant illustrée par la figure 6. Il convient en effet de souligner que la régulation s'effectue 5 toujours en régime de décrochement aérodynamique, système dans lequel la résultante dR (voir figure 1) varie très peu et la variation de calage nécessaire à cette régulation est très faible. De ce fait, divers impératifs doivent être pris en compte. En effet l'angle de dR avec la perpendiculaire à la corde du profil ne dépasse jamais vers l'avant une 10 valeur voisine d'une dizaine de degrés de sorte qu'il suffit de réduire le calage d'un angle (alpha + 10 ) pour être assuré que la composante motrice devienne négative. La régulation n'est finalement pas obtenue par variation de dP mais par variation de l'angle de dR avec le plan de rotation. Bref, grâce au mécanisme selon l'invention, au moins un système de masselotte contrarie la force de rappel du ou des ressorts lorsque la vitesse de rotation tend à augmenter et entraîne une réduction du calage. En outre les dispositifs selon l'invention permettent de prévoir un calage initial très supérieur à alpha pour 20 assurer un couple de démarrage très élevé. Un autre avantage des dispositifs selon l'invention est d'envisager la régulation, non plus avec la totalité de la pale, mais avec un élément seulement, par exemple avec les extrémités des pales aérodynamiquement plus actives. La figure 4 brièvement schématisée représente un premier aspect de l'invention. Elle décrit un dispositif qui comporte au moins deux pales 11. Chacune d'elle est solidaire d'un levier coudé 12 ( ou un bras coudé ou tout moyen équivalent), chacun des leviers coudés étant monté pivotant autour d'un axe 13 ( la figure montrant ici un système 30 à deux pales, donc avec 2 axes); ces axes sont perpendiculaires aux axes des rotations des pales. A chacune des extrémités des leviers 12 est fixée une masselotte 14 et à l'autre extrémité de chaque levier 12 est accroché un ressort de rappel 15, chacun des ressorts étant accroché selon l'invention d'une part à une masselotte 14 solidaire d'une des pales et d'autre part à l'extrémité d'un levier 12 solidaire d'une autre pale. Ainsi par exemple sur la figure 4 représentant un 5 système à deux pales, comportant deux leviers, deux masselottes et deux ressorts, les deux ressorts sont en vis-à-vis, chacun étant accroché d'une part à chacune des deux masselottes qui se font face symétriquement par rapport à un plan perpendiculaire aux deux leviers coudés et chacun de ces deux ressorts étant accroché d'autre part à 10 l'extrémité opposée du levier à celle qui relie le ressort à la masselotte, cette extrémité, dite opposée, étant en fait l'extrémité du levier relié à l'autre masselotte. Autrement dit, chaque ressort relie la masselotte accroché à un levier à l'extrémité de l'autre levier accroché à l'autre masselotte. En outre, à chaque levier correspond une butée fixe 20., donc ici au moins deux butées 20 lesquelles déterminent le calage initial alpha de chaque pale. Une flèche F' est l'indication de la direction du vent W et les autres flèches F indiquent l'écartement des masselottes, les flèches f indiquant la remontée des pales. Les leviers s'abaissent par 20 effet centrifuge appliqué aux masselottes en rotation sous l'effet du vent tandis que les ressorts s'allongent et exercent une traction en sens contraire sur les masselottes, maintenant ainsi le bon fonctionnement de l'éolienne. I ci, il y a donc au moins deux pales ( de préférence 2 pales) avec 25 action directe d'une pale sur l'autre avec en outre les deux avantages suivants: -Stabilisation et amortissement d'une part: il y a en effet un minimum de vibration et de bruit d à l'effet d'amortissement direct du différentiel d'effort sur les pales et d au différentiel de vent entre la 30 pale en position haute et la pale en position basse et le passage devant le mat de la pale en position basse. -Absence d'autre part de biellette et de poste d'usure, ce qui est un avantage considérable par rapport aux dispositifs de l'art antérieur. La figure 5 représente une deuxième variante de l'invention, à savoir un dispositif fonctionnant à l'aide d'un ressort compressé et non en traction. Sur cette figure 5, le dispositif selon l'invention comporte un jeu d'au moins deux pales 21 (de préférence 2 pales) , solidaires, chacune, d'un levier coudé 22 (ici de préférence deux leviers coudé 22); chaque levier coudé est relié à une masselotte telle que 24. Chacun de 10 ces leviers coudés pivote autour d'un axe 23 perpendiculaire au plan des pales ou des leviers coudés.. Selon l'invention, le perfectionnement consiste, non pas à utiliser un ressort relié d'une part à une masselotte et d'autre part à une extrémité de levier coudé, levier autre que celui qui est relié à la masselotte, mais à utiliser un 15 ressort fonctionnant " en compression " et non pas en traction, ce ressort étant relié à sa base à au moins deux butées 30 et ce ressort étant relié à sa partie supérieure à un écrou fixe 26. Dans cette variante de l'invention, lorsque les leviers s'abaissent par effet centrifuge appliqué aux masselottes en rotation sous l'effet du vent, 20 entraînant ainsi les extrémités des leviers coudés vers le haut, le ressort est comprimé et exerce une action en sens contraire sur les masselottes, maintenant ainsi le bon fonctionnement de l'éolienne. Les deux masselottes, sur la figure 5, s'écartent comme indiqué sur la figure (flèches F) avec remontée des pales (flèches f) ; les flèches f' 25 indiquent le sens de la compression ou décompression. La flèche F' indique la circulation du vent W. Ici, il y a donc calage par ressort compressé qui apporte notamment en outre deux avantages: -D'une part un effet de stabilisation et d'amortissement, comme 30 position moyenne résultante des efforts exercés par toutes les pales, de par la présence de ce ressort compressé, avec minimum de bruit et de vibration. -D'autre part, absence de biellette et de poste d'usure. On peut ajouter également un troisième avantage non négligeable: le réglage de la vitesse de rotation se fait très aisément par simple variation de la compression initiale ou " à vide "du ressort. La figure 6 représente ce qu'on a appelé plus haut la technique mixte. Cette figure 6 est identique à la figure 5, c'est à dire qu'elle se caractérise par la présence d'au moins un ressort 25 fonctionnant en compression, mais elle comporte en outre au moins deux ressorts 15 identiques à ceux qui sont illustrés sur la figure 4. Ici l'invention 10 combine les avantages des deux figures 4 et 5. La fonction du ressort est en majeure partie une action d'amortissement. La fonction des ressorts 15 est en majeure partie une fonction de stabilisation. L'action combinée des deux types de support se traduit par: Un rôle majeur d'amortissement des ressorts tels que 15. 15 Un rôle majeur de stabilisation en position moyenne de réglage du ressort central (fonctionnant en compression) . Cette technique mixte offre une sensibilité accre du réglage par minimisation de la raideur du dit ressort central. REVENDICATIONS: 1/ Eolienne de type à autorégulation de puissance comportant au 5 moins deux pales d'au moins une hélice, le rendement d'une hélice variant en sens inverse de la variation de l'énergie du vent, à partir d'une limite inférieure de la vitesse du vent, les caractéristiques " couple-vitesse " de chaque hélice étant déterminées de manière que le point de fonctionnement commence à se déplacer vers les zones de 10 faible rendements aérodynamiques lorsque la vitesse du vent approche de la valeur pour laquelle la génératrice atteint la puissance maximum compatible avec la sécurité, l'éolienne étant caractérisée en ce qu'elle comporte également au moins un système de masselottes centrifuges agencé de façon à réduire le calage d'au moins une partie 15 des pales lorsque la vitesse de rotation tend à augmenter, au moins un système de butée et de moyens de rappel ou de compression qui définissent mécaniquement le calage initial et le calage optimal de fonctionnement jusqu'à la vitesse nominale, une partie des pales étant montée pivotante autour d'un axe, entraînant ainsi par l'intermédiaire 20 d'au moins un bras ou levier ou dispositif similaire, l'extrémité d'au moins un ressort de rappel ou d'un ressort de compression,,tendant à la maintenir en contact avec au moins une butée fixe définissant le calage initial. 2/ Eolienne selon la revendication 1 comportant au moins deux pales, chacune d'elle étant solidaire d'un levier coudé ou bras coudé ou moyen similaire, chaque levier pivotant autour d'un axe sensiblement perpendiculaire au plan contenant le dit levier coudé ( ou plan des pales) et d'une part étant fixé à une première masselotte et d'autre 30 part étant relié à un premier ressort, ce premier ressort, fonctionnant en traction, étant accroché d'une part à la dite première masselotte et d'autre part à l'extrémité d'un autre levier lui même fixé d'une part à une autre masselotte différente de la dite première masselotte et il d'autre part à un autre ressort différent du premier ressort et fonctionnant également en traction. 3/ Eolienne selon la revendication 2 comportant une paire de deux pales, de deux leviers, de deux masselottes et de deux ressorts. 4/ Eolienne selon la revendication 3 dans lequel l'éolienne comporte deux pales ll,(voir figure 4) , chacune d'elles étant solidaire d'un levier coudé 12, le dispositif comportant ainsi 2 leviers coudés 12, 10 chacun des leviers coudés étant monté pivotant autour chacun d'un axe 13 (ici 2 axes 13) , ces 2 axes étant perpendiculaires aux axes des rotations des pale, chacune des extrémités des leviers 12 étant fixée à une masselotte 14, l'autre extrémité de chaque levier 12 étant accroché à un ressort de rappel 15, les 2 ressorts étant accrochés, 15 chacun, d'une part à une masselotte différente 14 et d'autre part à l'extrémité d'un levier 12, les deux ressorts étant en vis-à-vis, chacun étant donc accroché d'une part à l'une des deux masselottes qui se font face symétriquement par rapport à un plan perpendiculaire aux deux leviers coudés et chacun de ces deux ressorts étant accroché 20 d'autre part à l'extrémité opposée du levier à celle qui relie le ressort à la masselotte, cette extrémité, dite opposée, étant en fait l'extrémité du levier relié à l'autre masselotte, chaque ressort reliant ainsi la masselotte accrochée à un levier à l'extrémité de l'autre levier accroché à l'autre masselotte, le dispositif comportant en outre une 25 butée 20 correspondant à chaque levier, soit deux butées 20, lesquelles déterminent le calage initial alpha de chaque pale, F' étant l'indication de la direction du vent W et les autres flèches F et f indiquant respectivement les mouvements des masselottes et des pales. 5/ Eolienne selon la revendication 1 comportant (voir figure 5) un jeu d'au moins deux pales 21, solidaires, chacune, d'un levier coudé 22 (ici deux leviers coudés 22) , chaque levier coudé étant relié à une masselotte telle que 24, chacun de ces leviers coudés pivotant autour d'un axe 23, 1' éolienne comportant en outre au moins un ressort fonctionnant en compression, ce ressort étant relié d'une part à sa base à au moins deux butées disposées à l'une des extrémités de chacun des leviers et d'autre part à sa partie supérieur à un écrou fixe 26. 6/ Eolienne selon la revendication 5 comportant (voir figure 5) 2 pales 21, deux leviers coudés 22, deux masselottes 24, chaque levier coudé étant relié à une des deux masselottes 24, chacun de ces leviers coudés pivotant autour d'un axe 23,le dispositif comportant au moins 10 un ressort 25 fonctionnant " en compression ", ce ressort étant relié à sa base à au moins deux butées 30 et ce ressort étant relié à sa partie supérieure à un écrou fixe 26, les deux masselottes s'écartant dans le sens de la flèche F, avec mouvement des pales dans le sens des flèches f, f' étant le sens de compression et F' le sens du vent W. 15 7/ Eolienne selon l'une des revendications 1 à 6 comportant (voir figure 6) un jeu d'au moins deux pales 21, solidaires, chacune, d'un levier coudé 22, chaque levier coudé étant relié à une masselotte telle que 24, chacun de ces leviers coudés pivotant autour d'un axe 23, 20 l'éolienne étant caractérisée d'une part en ce qu'elle comporte au moins un ressort fonctionnant en compression, ce ressort étant relié d'une part à sa base à au moins deux butées disposées à l'une des extrémités de chacun des leviers 22 et d'autre part à sa partie supérieur à un écrou fixe 26, l'éolienne étant caractérisée d'autre part 25 en ce qu'elle comporte au moins deux autres ressorts 15, appelés ressorts de rappel, fonctionnant en traction et accrochés, chacun, d'une part à une masselotte et d'autre part à une extrémité d'un levier coudé avec une disposition telle que chacune des extrémités des leviers 22 est fixée à une masselotte 24, l'autre extrémité de chaque 30 levier 22 étant accroché à un des dits ressorts de rappel 15, les 2 ressorts étant accrochés, chacun, d'une part à une masselotte différente 24 et d'autre part à l'extrémité d'un levier 22, les deux ressorts étant en vis-à-vis, chacun étant donc accroché d'une part à l'une des deux masselottes qui se font face symétriquement par rapport à un plan perpendiculaire aux deux leviers coudés et chacun de ces deux ressorts étant accroché d'autre part à l'extrémité opposée du levier à celle qui relie le ressort à la masselotte, cette extrémité, dite opposée, étant en fait l'extrémité du levier relié à l'autre 5 masselotte, chaque ressort reliant ainsi la masselotte accrochée à un levier à l'extrémité de l'autre levier accroché à l'autre masselotte, l'éolienne comportant en outre au moins une butée 30 correspondant à chaque levier, lesquelles déterminent le calage initial alpha de chaque pale, la flèche F' étant l'indication de la direction du vent W 10 et les autres flèches F et f indiquant respectivement les mouvements des masselottes et des pales. 8/ Eolienne selon la revendication 7 comportant (voir figure 6) 2 pales 15 21, deux leviers coudés 22, deux masselottes 24, deux axes 23 et 2 butées 30, chaque levier coudé 22 étant relié à une des deux masselottes 24, chacun de ces leviers coudés pivotant autour d'un des dits axes 23, l'éolienne comportant au moins un ressort 25 fonctionnant " en compression ", ce ressort étant relié à sa base à au 20 moins les deux butées 30 et ce ressort étant relié à sa partie supérieure à un écrou fixe 26, les deux masselottes s'écartant dans le sens de la flèche F, avec mouvement des pales dans le sens des flèches f. l'éolienne comportant également deux ressorts de rappel 15, chacun d'eux étant fixé d'une part à l'extrémité d'un des deux leviers 23 et 25 d'autre part à une masselotte 24 accrochée à l'autre levier.