Brevet FR2899286A1 — publié le 20071005

Domaines techniques de l'invention F-03-D-3/00 - Mécanismes moteurs à vent avec axe de rotation sensiblement à angle droit avec la Direction du vent (0) F-03-D-3/02 - Comportant plusieurs rotors les différents étages du rotor pouvant être considérés comme plusieurs rotors . F-03-D-3/06 - rotors. F-03-D-7/00 - Commande des mécanismes moteurs à vent. F-03-D-7/04 - Régulation, F-03-D-7/06 - les mécanismes moteurs à vent ayant l'axe de rotation sensiblement à angle droit avec la Direction du vent (0). Vocables utilisés dans les descriptifs et revendications. Pale (70) : Elle constitue l'élément sur lequel s'exerce la force du vent. Voilure : Surface de la pale ou des pales (70) réunies sur laquelle s'exerce la force du vent. Exemple : Réduction de la voilure : Réduction de la surface de la ou des pales (70) exposée au vent (0). La réduction de la voilure se fera par mise en drapeau des pales (70). Traînée. (Planche 1, figure 1 Direction du vent (0), Traînée Mini (1), Traînée Maxi (2). Pour la pale (70) se déplaçant dans le vent, la traînée est la somme de toutes les forces aérodynamiques dans la direction du flot externe du vent. Elle agit donc pour s'opposer au mouvement de la pale (70) pour remonter au vent. Direction du vent (0). (Symbolisé sur toutes les Planches par le repère 0). Indiqué par le Cap de la provenance du vent (0) : Exemple : Vent du 360 Provenant du 360 (Nord). Bord d'attaque (3) de la pale (70). (Planche 1, figure 2, repère 3). Partie de la pale (70) qui entre en premier en contact avec le vent. Partie opposée au Bord de fuite (4). Bord de fuite (4) de la pale (70). (Planche 1, figure 2, repère 4). Partie de la pale (70) qui subit le vent en dernier dans le sens de la marche, partie opposée au Bord d'attaque (3). Axe au vent de la pale (5). (Planche 1, figure 2, repère 5). 10 Ligne passant par le Bord d'attaque (3) et le Bord de fuite (4). Axe de rotation de la pale (6). (Planche 1, figure 3, repère 6). Axe perpendiculaire à l'axe au vent de la pale (5), traversant la pale (70) de haut en bas. Cet axe (6) sera parallèle à l'axe du rotor (40). 15 Axe d'Equilibre aérodynamique de la pale (9). Il sera déterminé en fonction des paramètres suivants : vitesse de rotation du rotor, moyenne des vents dominants. (Planche 1, figure 4, repère 9). Perpendiculaire à l'axe au vent de la pale (5) déterminé lorsque les deux composantes de 20 forces aérodynamiques ci-dessous s'équilibrent : -Composante 1 (7) : Force aérodynamique exercée entre l'axe d'équilibre (9) et le Bord d'attaque (3). (Planche 1, figure 4, repère 7). Composante 2 (8) : Force aérodynamique exercée entre l'axe d'équilibre (9) et 25 le Bord de fuite (4). (Planche 1, figure 4, repère 8). Trajectoire de la pale (10). (Planches 2 et 3, repères 10). Chemin de la pale (70) imposé par la rotation du rotor (40). 30 Cap de la pale (11). (Planches 2 et 3, repères 11). Sens de direction de la pale (70) sur sa trajectoire (10) à un moment donné si elle prenait la tangente projetée à partir de son mouvement directif. Cap (11) de destination de la pale (70) sur sa trajectoire (10) à un moment donné si elle 5 quittait son orbite pour prendre la tangente. Le Cap de la pale (11) Correspond à la perpendiculaire du Bras du rotor (41) supportant la pale (70) (perpendiculaire projetée dans le sens de rotation du rotor (12)). Au cours de la rotation du rotor (40), les pales (70) changent constamment de cap. Allures. De la pale. 10 Planche 3, repères 13 à 15). Elles sont comparables et (dans un souci de clarté) comparées aux différentes allures des bateaux voiliers. Sur le dessin d'explication (Planche 3) à côté des différentes positions de pale (70) un croquis de voilier naviguant au Cap de la pale (11) avec la voile parallèle à la pale (70)). 15 C'est l'angle entre le Cap de la pale (11) sur sa trajectoire (10) à un moment donné et le lit du vent (0). (Planche 3, figure 6, repères 0). On distingue les allures suivantes : - L'allure Vent debout (13). 20 (13 - Planche 3). Les allures de Près (14) pour lesquelles cet angle est petit. (14 Planche 3). - L'allure de Vent de travers (15) ou Largue, pour laquelle la pale (70) fait route à peu près perpendiculairement à la Direction du vent (0). 25 (15 - Planche 3). Les allures portantes, pour lesquelles cet angle est supérieur à 90 . - Grand largue (16). (16 - Planche 3). - Vent arrière (17). 30 (17 - Planche 3). Mise en drapeau. (Planche 1, figure 1, repère 1) (Planche 1, figure 2). Positionnement de la pale (70) pour obtenir une traînée minimale (1). La traînée minimale (1) est obtenue lorsque l'axe au vent de la pale (5) se confond avec la direction du vent (0). (Planche 1, figure 2). Rotor (40) : Ossature ou châssis recevant les pales (70) qui lui induiront un mouvement rotatif Le corps du rotor (40) est un tube vertical centré sur l'arbre de réglage au vent (30) il comporte des paires de bras horizontaux (41) disposés radialement et équidistants les uns des autres. Chaque paire de bras (41) supporte une pale qui tournera sur elle-même les axes des pales sont parallèles au corps du rotor et équidistant à celui-ci. Etage de rotor : Partie du rotor (40) se situant au même niveau vertical étage . Bande passante de Vent : Echelle ou plage de vents utilisable. Exemple : Une éolienne utilisable pour des vents compris entre 10 Km/h à 100 Km/h a une bande passante de vent plus importante qu'une éolienne qui sera utilisable pour des vents compris entre 30 Km/h et 80 Km/h. Couple d'énergie non utilisée : Résultante de la pression du vent sur les pales (70) due exclusivement au ralentissement imposé au rotor (40) pour réguler sa vitesse. Vitesse énergie : Vitesse de rotation de la pale (70) sur elle-même, et de sa transmission propre. Elle est 25 synchronisée et asservie à la rotation du rotor avec le rapport suivant : - Un tour de rotation du rotor (40) provoque 0,5 tour de rotation de la pale sur elle-même (70) dans le sens inverse du rotor (40). Vitesse Drapeau : Vitesse de rotation de la pale (70) sur elle-même et de sa transmission propre. Elle est 30 synchronisée et asservie à la rotation du rotor avec le rapport suivant : 4 - Un tour de rotation du rotor (40) provoque un tour de rotation de la pale (70) sur elle-même dans le sens inverse du rotor (40). Moment de synchronisation-trajectoire de pale (18). Il est identique pour toutes les pales. (Planches 2 et 3, repère 18). C'est le moment où le bras du rotor (41) qui remonte au vent (0) se trouve perpendiculaire à la direction du vent (0). Ce moment est détecté par des couples capteurs (49 ù 50). (Planche 4, figure 8, repères 49 ù 50). Moment de synchronisation- rotation de pale (19). Il est identique pour toutes les pales. C'est le moment où l'axe au vent de la pale (5) est perpendiculaire au bras du rotor (41) qui remonte au vent (à ce moment précis, la pale est vent debout, elle est également en drapeau). Ce moment est détecté par les couples capteurs (79 ù 54). (Planche 4, figure 9, repères 54 ù 79). Le moment de changement de vitesse de rotation de la pale sur elle-même. Il est identique pour toutes les pales. C'est le moment ou : - L'engrenage esclave drapeau (67), - L'engrenage esclave énergie (68), - Le crabot (69), de la boîte deux vitesses (60) sont en phase (vis-à-vis) pour s'accoupler au crabot (69), C'est le moment précis où le crabot (69) engrené sur les cannelures (66/1) de l'arbre secondaire (sortie de boîte) (66) peut se découpler d'un engrenage (engrenage esclave énergie (68) ou engrenage esclave drapeau (67)) pour s'accoupler à l'autre engrenage (engrenage esclave drapeau (67) ou engrenage esclave énergie (68)). Ce moment est détecté par des couples capteurs sur la boîte deux vitesses (60) : - Capteur émetteur Engrenage esclave drapeau (E67D), -Capteur récepteur Engrenage esclave drapeau (R67D), - Capteur émetteur Engrenage esclave Energie (E68E), - Capteur récepteur Engrenage esclave Energie (R68E), - Capteur émetteur Crabot (E69), - Capteur récepteur Crabot (R69), Tous ces détections entre les capteurs et récepteur réciproques aux engrenages esclave Energie, engrenage esclave drapeau et crabot sont synchronisés ; Ils se produisent tous au même instant. (Planche 10, figure 21). (Planche 11, figure 21 bis). Ce moment de changement de vitesse est réglé par les accouplements entrées et sortie de boîte deux vitesses (60) afin d'être parfaitement synchronisé aux deux moments réunis de synchronisation-trajectoire pale (18) et synchronisation-rotation pale (19). Etat de la technique actuelle avec ses contraintes. La plupart des éoliennes fonctionnent sur le principe d'une hélice monté sur un rotor ayant 15 son axe horizontal dans le sens du vent (0). Pour récupérer une l'énergie suffisante l'envergure de l'hélice doit être très importante car c'est la surface balayée par l'hélice qui compte. Des pales de 30 à 40 mètres sont courantes . L'impact sur l'environnement est très important. 20 Cette hélice de très grande envergure est limitée en vitesse de rotation à cause de la vitesse circonférentielle des extrémités de pales qui sont proches de la vitesse du son. Un multiplicateur est nécessaire pour actionner un générateur de série qui tourne 40 à 50 fois plus vite que l'arbre de l'hélice. Ce multiplicateur est cause d'une perte de rendement importante. 25 Certains fabricants ont développé des générateurs à attaque directe , c'est-à-dire que le rotor entraîne directement une génératrice spéciale. La taille de cet alternateur est énorme et son coût est conséquent. Tous les éléments mécaniques Hélices, multiplicateur, et générateur sont situés sur une nacelle placée en haut d'une tour proportionnelle à l'envergure de l'hélice. Les roulements axiaux supportant cette hélice travaillent en porte à faux, ils subissent des contraintes énormes, le roulement de butée également. L'entretien se situe en haut de cette tour. Les interventions lourdes nécessitent des moyens conséquents Grue ou hélicoptère . Les fondations doivent être très importantes car l'effet de levier engendré par la force du vent (0) sur l'hélice est très important. Des fondations de 400 tonnes de matériaux sont la norme. Le coût et l'entretien des pales et de leur transmission ne sont pas à négliger. Les risques de foudre sont importants. La présente invention remédie à la plupart de ces inconvénients. Exposé de l'invention. L'éolienne adossée à cette demande de brevet présente de nombreux avantages par rapports aux inconvénients cités ci-dessus. Sa construction est simple l'industrialisation du produit sera simple : Les pales (70) sont : - Peu coûteuses à la fabrication. - Elles peuvent être industrialisées sous forme de plusieurs modules empilables les uns sur les autres, sur l'axe de rotation de la pale (6). - Le système de transmission par couples coniques est un assemblage d'éléments industrialisés existant ou facilement industrialisables. - Grâce à sa grande surface de voilure, le ratio Investissement/Kilo Watt produit est très intéressant. - La surface (voilure) des pales (70) exposée au vent est : 25 • Très importante en position récupération énergie. • Peu importante en position de mise en drapeau. Un système de régulation basé sur la combinaison de plusieurs éléments tel que : - Ralentisseur/Régulateur de vitesse (90), - Plusieurs générateurs (80) qui peuvent être embrayés, combinés ou débrayés, - Possibilité de mise en drapeau d'un ou plusieurs étages du rotor (40). Autorise l'éolienne à fonctionner sur une bande passante de vent plus importante qu'une éolienne classique. L'envergure du rotor (40) est moins conséquente qu'une éolienne à hélice classique, tout en couvrant une surface de récupération énergétique plus importante. À production d'énergie égale, L'impact sur l'environnement est inférieur à celui d'une 10 éolienne traditionnelle. Les surfaces des pales (70) et du rotor (40) peuvent facilement être confondues dans l'environnement grâce à des peintures de camouflage se mariant à l'environnement. En milieu urbain haut des gratte-ciels, supermarchés ou ronds points d'entrée de ville , les pales (70) grâce à leur surface plane et la limitation de la vitesse de rotation du rotor, 15 peuvent être utilisées comme moyen de communication. Exemple : tb, Bienvenue dans la ville antipollution par excellence, • Publicité = revenus supplémentaires, • Décoration mobile d'art décoré par un artiste . 20 95% de la machinerie et toute la production d'énergie sont situées au sol dans des locaux insonorisés ou en sous-sol d'où : - Une pollution sonore beaucoup plus faible que sur une éolienne traditionnelle. - Un risque à la foudre moindre. - L'engrenage maître (86) du renvoi d'angle énergie (85) (Planche 12 et 13) peut 25 être de très grand diamètre, assurant en grande partie la multiplication souhaitée avec un minimum de pertes. Brève présentation. Cette éolienne comporte un rotor vertical (40) muni de paires de bras horizontaux (41) supportant des pales (70) tournant sur elles-mêmes dans le sens inverse du rotor. Les axes de pales sont parallèles et équidistants de l'axe du rotor. La rotation des pales (70) sur elles-mêmes permet à cette voilure de se régler en temps réel à toutes les allures que suivrait un bateau voilier avec des voiles parfaitement réglées, faisant route aux différents caps suivis par les pales (70) sur leur trajectoire (10) en fonction du vent subi. Cette rotation des pales sur elles-mêmes est synchronisée et asservie à la rotation du rotor (40), elle procure aux pales (70) un angle de récupération d'énergie au vent idéal. Un système de veille sécuritaire assure la mise en drapeau des pales et l'arrêt du rotor (40) en cas de vent incompatible à l'éolienne. Le rotor peut comporter plusieurs étages de pales (70) qui pourront être mis en drapeaux indépendamment les uns des autres afin de réguler la récupération d'énergie en fonction de la force du vent. L'éolienne est équipée d'un ralentisseur/régulateur de vitesse (90) et peut être équipée de plusieurs générateurs standards (80/...) qui seront autant d'éléments de charge de régulation et d'exploitation d'une bande passante de vent maximum. Exposé détaillé. Afin de donner des explications imagées à cet exposé, des types de transmission 20 mécanique par couples coniques (renvois d'angles) (45 û 75 û 85), boîtes deux vitesses (60) et arbres de transmissions (30 û 46 û 62 û 65 û 66 etc.) ont été choisis. Ces types de transmission mécanique peuvent être remplacés par des transmissions : - Mécanique (souple : Courroies de synchronisation crantées et poulies, pignons et chaînes, engrenages cylindriques), 25 - Hydraulique, - Electromécanique, -Ou Pneumatique, 9 2899286 io Sous réserve que l'asservissement, la synchronisation, les vitesses de rotations des pales (70) sur elles-mêmes et leurs moments de changements de vitesse de cette rotation des pales sur elles mêmes, tels qu'ils sont définis dans le présent descriptif, soient respectés. 5 En fait qu'il n'y ait aucun glissement possible dans les transmissions des pales et de leur changement de vitesse de rotation sur elles-mêmes. Dans un souci de clarté : - Tous les numéros mentionnés sur les planches feront référence aux mêmes éléments sur toutes les planches de dessins successives. 10 Tous les dessins, Tous les moments aérodynamiques, Seront présentés sous un vent du 360 , repère (0). Les dessins et figures n'ont pas de valeur industrielle, ce sont des dessins de principe de fonctionnement. 15 Certains détails ont été dilatés pour une meilleure compréhension du fonctionnement. Les proportions ne sont pas forcément respectées, elles doivent faire l'objet d'études techniques spécifiques à leurs fonctions réciproques. Les numéros et lettres figurant sur les dessins sont classés sous 3 Rubriques : Expressions techniques ou vocables utilisés - Numéros de 0 à 19 détaillés ci-dessous : Désignation N Direction du Vent 0 Traînée Mini / Pale en drapeau 1 Traînée Maxi 2 Bord d'attaque 3 Bord de fuite 4 Axe au vent de la pale 5 Axe de Rotation de la pale 6 Composante de force aérodynamique 1 7 Composante de force aérodynamique 2 8 Axe d'équilibre aérodynamique 9 Trajectoire des pales 10 Cap de la Pale 11 Sens de rotation du rotor 12 Allure Vent debout 13 Allure Près 14 Allure Vent de travers ou Largue 15 Allure Grand Largue 16 Allure Vent arrière 17 Moment de synchronisation-trajectoire pale 18 Moment de synchronisation-rotation pale 19 Eléments de l'éolienne Numéros de 20 à 100 Désignation N Mat 20 Fondations 21 Anémomètre/girouette de tête de mat 22 Automate de commande 25 Arbre réglage au vent 30 Règle magnétique arbre réglage au vent 31 Capteur de calage arbre réglage au vent 32 Roulements Internes (arbre réglage au vent) 33 Roulement de butée, Arbre réglage au vent 34 Cannelures externes Solidaire de l'arbre 30 36 Frein de l'arbre réglage au vent 37 Moteur Pas à pas réducté, réglage au vent 39 Corps du rotor 40 Bras du rotor 41 Cuve Flotteur 42 Roulement de centrage du rotor sur l'arbre réglage au vent 43 Roulement de Butée (sécurité) 44 Renvoi d'angle couple conique arbre réglage au vent 45 Axe Transmission 46 Frein Rotor 47 Flotteur Rotor 48 Capteur Emetteur magnétique Bras rotor 49/... Capteurs récepteur Bras rotor 50/... Huile anti vapeur de mercure 52 Mercure 53 Capteur récepteur Pale 54 Engrenage Maître couple conique arbre au vent 56 Engrenage esclave couple conique arbre au vent 57 Arbre de transmission 58 Roulement axial Rotor Engrenage Maître du couple conique couplé à l'arbre de réglage au vent 59 Boîte deux vitesses 60 Engrenages réducteurs 61 Arbre d'entrée de boite de boite 62 Arbre primaire étage vitesse 65 Arbre secondaire (sortie de boite) 66 Engrenage maître Drapeau M67 Engrenage esclave Drapeau 67 Engrenage maître Energie M68 Engrenage esclave Energie 68 Crabot 69 Capteur Emetteur Engrenage esclave drapeau E67D Capteur Emetteur Engrenage esclave Energie E68E Capteur Emetteur Crabot E69 Capteur Récepteur Engrenage esclave drapeau R67D Capteur Récepteur Engrenage esclave Energie R68E Capteur Récepteur Crabot R69 Pales 70 Renvois d'angle pales 75 Engrenage Maître renvoi d'angle pale 76 Engrenage esclave renvoi d'angle pale 77 Capteur Emetteur magnétique pale 79/... Générateurs 80 Embrayage générateur 81 Renvoi d'angle générateur 85 Engrenage maître renvoi d'angle générateurs 86 Engrenage esclave renvoi d'angle générateurs 87 Cannelure de couplage au rotor 88 Ralentisseur/régulateur de vitesse 90 Embrayage Ralentisseur/Régulateur 91 Roulement axial Rotor Engrenage maître 93 Embrayage Moteur début/fin de cycle 99 Moteur début/fin de cycle 100 Coupes. Coupe verticale (V) Coupe Horizontale (H) Les Principaux éléments de L'éolienne sont constitués des éléments suivants. Mat 20 Arbre de réglage au vent 30 Frein Arbre de réglage au vent 37 Moteur pas-à-pas réducté (réglage au vent) 39 Rotor 40 Frein rotor 47 Boîtes deux vitesses 60 Pales 70 Générateurs 80 Ralentisseur/Régulateur de vitesse 90 Moteur début/fin de cycle 100 Le mat (20), l'arbre de réglage au vent (30) et le rotor (40) sont centrés sur le mat (20) dans l'ordre suivant en partant du centre vers l'extérieur. 2. Mat (20). 3. Arbre de réglage au vent (30). 4. Rotor (40). 5. Ils sont Positionnés suivant les coupes horizontale (FI) et verticale (V). 5 10 15 20 25 30 Planche 4, figure 7. Les fonctions de ces éléments sont les suivantes : Mat (20) Assure la stabilité du rotor (40) équipé de ses pales (70) face au vent (0), il ne supporte pas le poids du rotor (40). (Excepté pour les petites éoliennes). Il supporte le poids de l'Arbre de réglage au vent (30) et son système de commande (22-31-32-34-33-37-39), les couples résultant des pertes par frottements des roulements, la résultante de la pression du vent (0) sur les pales (70) due au ralentissement imposé au rotor (40) pour réguler sa vitesse. Couple d'énergie non utilisée . Arbre de réglage au vent (30)Lorsque le vent (0) est régulier en direction, l'arbre de réglage au vent (30) est bloqué par son frein (37), il est immobile par rapport au mat (20). Planche 15. Lorsque le vent (0) change de direction, il tourne dans le même sens que le vent (0) induisant le même différentiel angulaire puis il est de nouveau bloqué une fois qu'il est en phase avec le vent (0). Par sa rotation sur lui-même, il recale l'axe au vent (5) des pales (70) en fonction de la direction du vent (0). Frein Arbre de réglage au vent (37)Bloque la rotation de l'arbre de réglage au vent (30) une fois le réglage au vent (0) des pales (70) établi. Planche 15. Moteur pas à Pas (39) Asservi par une girouette (22) il commande la rotation de l'arbre de réglage au vent (30) ci-dessus énuméré lorsque le vent (0) change de direction. Rotor (40) Tube châssis vertical muni de paires de bras (41) horizontaux supportant le mécanisme les pales tournant sur elles-mêmes, ainsi que les pales (70) en rotation sur 14 elles-mêmes. Le rotor est entraîné par les pales (70), il déplace celles-ci sur une trajectoire (10) circulaire (trajectoire des pales) (10). Frein rotor (47) Bloque le rotor (40) une fois la mise en drapeau (1) de toutes les pales (70) effectuée. Mise en sécurité en cas de vents incompatibles à la bande passante de vents exploitable par l'éolienne. Planche 13 Boîtes deux vitesses (60) Changement de la vitesse de rotation des pales (70) sur elles-mêmes (2 vitesses possibles) : Planches 10 et 11. a) Vitesse Drapeau : Les pales (70) ne récupèrent pas l'énergie du vent (0), se positionnent en drapeau et offrent une traînée minimale (1) quelques que soient leurs positions sur la trajectoire des pales (10). Planche 6, figure 18. b) Vitesse énergie : Les pales (70) récupèrent l'énergie du vent (0), elles se règlent aux différentes incidences idéales correspondant aux différentes allures (12 û 13 û 14 û 15 û 16) et allures intermédiaires à celles-ci en fonction de leurs positions sur la trajectoire des pales (10). Planche 3. Pales (70) Voiles rigides de forme carrée ou rectangulaire récupérant l'énergie du vent et la transmettent au rotor (40) lui procurant ainsi sa rotation. Chaque pale (70) possède sa transmission propre (boîte deux vitesses (60) comprise) prenant naissance à un des engrenages esclaves (57) du renvoi d'angle (45) dont l'engrenage maître (56) est couplé à l'arbre de réglage au vent (30). Planche 8 L'axe de rotation (Planche 1, figure 3, repère 6) des pales (70) sur elles-mêmes est parallèle à l'axe du rotor (40). Générateurs (80) Transforment l'énergie transmise par le rotor (40) en énergie électrique. (Planches 12-13, repères 80/...) Ralentisseur/Régulateur de vitesse (90) Le Ralentisseur/Régulateur a un potentiel de charge 10 plus élevé que la charge du plus gros générateur. Assure la régulation de charge dans les transitions et mises en service des générateurs supplémentaires puis la régulation de la vitesse du rotor (40) une fois tous les générateurs (80/...) en service ; 15 Planche 12, repère 90. Moteur début et fin de cycle (100). a) Démarre la rotation du rotor (40) pour que les pales (70) passent de la position drapeau (1) à la position-récupération d'énergie 0,5 tour de rotor (40) suffit pour le démarrer . b) Poursuit la rotation du rotor (40) pour s'assurer de la fin de mise en drapeau (1) de toutes pales (70) en cas de vent (0) incompatible à la bande passante de vents exploitable par l'éolienne. Planche 12, repère 100. Concernant l'envergure du rotor et le rapport envergure rotor / surface de voilure de la pale. L'envergure du rotor (40) est calculée pour trouver le meilleur ratio entre : - La moyenne de vitesse des vents dominants. 30 - La vitesse circonférentielle du couple rotor (40)/pales (70/...). - L'effet de levier maximum souhaité entre la pale et le rotor. 16 20 25 Une fois ce rapport établi la surface de voilure des pales (70/...) est calculée pour obtenir cette condition : -Les pales (70/...) passant en allure vent arrière (17) ne doivent pas être déventées par leur pale suiveuse (70/...) sur la trajectoire des pales (10) (pale suiveuse en allure vent de travers (15) au moment du passage de la pale qui la précède en allure vent arrière (17). La pale suiveuse à ce moment précis, ne doit pas créer une ombre aérodynamique à la pale qui la précède sur la trajectoire des pales (10). - Fin de la Zone d'ombre (A). Planche 7. Le rotor peut être constitué de plusieurs étages de pales, étages décalés (croisés) ou non. Dans ce cas, la surface de voilure et l'envergure des différents étages peuvent être différents afin de les adapter aux différentes plages de vents de la bande passante des vents du lieu d'implantation de l'éolienne. Transmission de la rotation des pales (70) sur elles-mêmes. Planche 8, Vue de dessus, Coupe Verticale (V). Une fois le réglage au vent terminé l'arbre de réglage au vent (30) est bloqué par son frein (37), Planche 15, repère 37. Les engrenages maîtres (56) des renvois d'angles (Couple conique) (45/...) de l'arbre de réglage au vent (30) sont couplés aux cannelures (36) de l'arbre de réglage au vent (30), les carters de ces renvois d'angles (45/...) sont fixés au rotor (40). Planche 8, Vue de dessus, Coupe Verticale (V). Lorsque le rotor (40) entre en révolution autour de l'arbre de réglage au vent (30), 25 l'engrenage maître du renvoi d'angle (56) (couple conique) ne tourne pas car son axe est couplé aux cannelures (36) de l'arbre de réglage au vent (30) qui ne tourne pas. Par contre les engrenages esclaves (57) de l'engrenage maître (56) rentrent en rotation lorsque le carter du renvoi d'angle (45/...) fixés au rotor (40) tourne. Ces engrenages esclaves (57) sont couplés à des arbres de transmission (58), ces arbres de transmission (58) sont couplés aux arbres d'entrée (62) des boîtes deux vitesses (60) commandant la rotation des pales (70). Il en résulte une synchronisation et asservissement directe des vitesses de rotations des 5 arbres d'entrée de boîte (62) à la rotation du rotor. Les vitesses possibles en sortie des boîtes deux vitesses (60) seront de ce fait synchronisées et asservies à la rotation du rotor (40), les pales (70) liées mécaniquement par le biais d'arbres de transmissions (58) et de renvoi d'angles (75) le seront également. 10 Il n'y a aucun embrayage en entrée et sortie des boîtes deux vitesses (60), il n'y a pas de glissement possible. Les accouplements des entrées et sorties de boîte deux vitesses (60) et des renvois d'angles des pales seront choisis ou conçus en fonction de leur capacité à amortir sans aucun glissement possible les changements de vitesses en sortie des boîtes deux 15 vitesses (60). Les arbres de transmission (58) amortiront également les changements de vitesse car ils seront conçus pour se comporter en barre de torsion En conséquence la rotation des pales (70) sur elles-mêmes (sous leurs deux vitesses possibles) sera parfaitement synchronisée et asservie à la rotation du rotor (40). 20 Planche 8 Coupe Horizontale (H), Coupe verticale (V). Suivant le nombre d'étage de réduction des boîtes deux vitesses (Planches 10 et 11), le sens de rotation diffère en sortie, les transmissions de rotation des pales sur elles-mêmes seront montées afin que les pales (70) tournent toujours dans le sens inverse du rotor 25 Planche 8 figure 20 pour une boîte deux vitesse Planche 10 Figure 21, Planche 9 figure 20 bis pour une boîte deux vitesse Planche 11 Figure 21 bis. Les deux vitesses de rotation des pales sur elles-mêmes, possibles sont : 1. Vitesse lente, appelée Vitesse énergie correspondant au rapport suivant : un tour de rotation du rotor (40) provoque 0,5 tour de la pale (70) sur elle-même, dans le sens inverse de la rotation du rotor (40) ; (Planche 5, figure 14). 2. Vitesse rapide, appelée Vitesse Drapeaucorrespondant au rapport suivant : un tour de rotation de rotor (40) provoque un tour de la pale (70) sur elle-même, dans le sens inverse de la rotation du rotor (40). (Planche 6, figure 18). La transmission asservie à la rotation du rotor, assurant la rotation de chaque pales (70) sur elle-même (boite deux vitesses (60) comprise) telle qu'expliquée dans ce chapitre peut 10 utiliser tout type de transmission tels que : -Mécanique, (Couples coniques (renvois d'angle) et arbres, souple : Courroies de synchronisation crantées et poulies, Pignons et chaînes, engrenages cylindriques), - Hydraulique, 15 - Electromécanique, - Ou Pneumatique, Sous réserve qu'il n'y ait aucun glissement possible, que l'asservissement, la synchronisation, les vitesses de rotations de pale sur elle-même et le moment de changements de vitesse de cette rotation de pale sur elles mêmes, tels qu'ils sont 20 définis dans le présent descriptif, soient respectés. Le moment du changement de vitesse est expliqué ci-dessous. Le moment de changement de vitesse de rotation de pale (70) sur elle-même. Il est identique pour toutes les pales. C'est le moment où : 25 - Le moment de synchronisation-trajectoire de pale (18) ; -Le moment de synchronisation-rotation de pale (19) ; - Le moment de changement de vitesse de rotation de la pale sur elle-même ; (Tous synchronisés et asservis à la rotation du rotor) sont réunis. 1. Le moment de synchronisation-trajectoire de pale (18) est établi par l'angle de 90 formé par la paire de bras du rotor (41) supportant la pale (70) remontant le vent (0) sur sa trajectoire (10) et la direction du vent (0). Ce moment est détecté par des capteurs (partie émettrice 49, partie réceptrice 50) : Un émetteur magnétique ou autre (partie émettrice du capteur) (49) est situé sur l'arbre de réglage au vent (30) dans une position qui correspond à plus 90 de l'axe du vent défini par la girouette (22). Ce capteur émetteur magnétique est placé en vis-à-vis des bras du rotor (41/...) qui remontent le vent. • Un capteur récepteur bras rotor (50/...) sera placé partie interne du rotor (40) dans le prolongement de chaque bras du rotor (40) (Un capteur récepteur (50/... par paire de bras de rotor (41) supportant les pales (70). • Au cours de la rotation (12) du rotor (40), lorsque le bras (41/...) remontant au vent fera un angle de 90 avec le vent, s'on capteur récepteur (50/...) se trouvera alors en face du capteur émetteur (49), déclenchant le moment de synchronisation-trajectoire de la pale (70/...) supportée par le bras (41/...) en question. • Les couples capteurs 49 / 50... couvriront une plage de détection couvrant les jeux dus à la transmission de rotation de pales sur elles- mêmes Planche 4, figure 8. 2. Le Moment de synchronisation-rotation de pale est établi au moment où l'axe au vent (5) de la pale (70/...) remontant le vent est perpendiculaire à la paire de bras du rotor qui supporte cette pale (70/...) (19). Il est détecté par des capteurs (partie émettrice 79, partie réceptrice 54). • Deux émetteurs magnétiques ou autres (parties émettrices du capteur) (79) seront situés sur l'axe de rotation de chaque pale (6) à +90 et -90 de son axe au vent (5). • Un capteur récepteur (54) sera situé sur le bras du rotor (41) de manière à se déclencher lorsque l'axe au vent (5) de la pale (70) est perpendiculaire au bras du rotor (41) qui la supporte. • Les couples capteurs 54 / 79... couvriront une plage de détection couvrant les jeux dus à la transmission de rotation de pales sur elles-mêmes Planche 4, figure 9. 3. Le Moment de changement de vitesse de rotation de la pale sur elle-même est établi lorsque : • L'engrenage esclave drapeau (67), • L'engrenage esclave énergie (68), • le crabot (69), de la boîte deux vitesses vitesse (60) sont tous en phase (vis-à-vis) pour s'accoupler au crabot (69). C'est le moment précis où le crabot (69) engrené sur les cannelures (66/1) de l'arbre secondaire (sortie de boîte) (66) peut se découpler d'un engrenage (engrenage esclave énergie (68) ou engrenage esclave drapeau (67)) pour s'accoupler à l'autre engrenage (engrenage esclave drapeau (67) ou engrenage esclave énergie (68)). Ce moment est détecté par des couples capteurs sur la boîte deux vitesses (60) : • Capteur émetteur Engrenage esclave drapeau (E67D), tb, Capteur récepteur Engrenage esclave drapeau (R67D), • Capteur émetteur Engrenage esclave Energie (E68E), • Capteur récepteur Engrenage esclave Energie (R68E), • Capteur émetteur Crabot (E69), • Capteur récepteur Crabot (R69), Tous ces détections entre les capteurs et récepteur réciproques aux engrenages esclave Energie, engrenage esclave drapeau et crabot sont synchronisés ; Ils se produisent tous au même instant. (Planche 10, figure 21). (Planche 11, figure 21 bis). Ce moment détecté par les capteurs est réglé par les accouplements entrées et sortie des boîtes deux vitesses (60) afin d'être parfaitement synchronisé au milieu de deux plages des moments réunis de synchronisation-trajectoire pale (18) et synchronisation-rotation pale (19). - En conséquence ces trois moments sont parfaitement synchronisés et asservis par la rotation du rotor (40), ils se produisent au même instant. • Le capteur récepteur bras rotor (50) détecte le moment de synchronisation-trajectoire (18) de la pale et enclenche son contact en position travail, Le capteur récepteur (54) détecte le moment de synchronisation-rotation (19) de la pale sur elle-même et enclenche son contact en position travail, • Les capteurs récepteurs Engrenage esclave drapeau (R67D) ou Engrenage esclave Energie (R68E) détecte le moment de changement de vitesse en corrélation avec le capteur récepteur crabot (R69), • Tous les contacts des récepteurs (50, 54, R67D ou R68E, R69) sont câblés en série dans la commande de changement de vitesse établie par l'automate (25) de sécurité/régulation. - La commande de changement de vitesse est validée lorsque les cinq contacts : • Contact du récepteur (50), t Contact du récepteur (54), • Contact du récepteur du Crabot (R69 est en corrélation avec un des contacts récepteur Engrenage esclave drapeau (R67D) ou Engrenage esclave Energie (R68E)) suivant le sens du passage de la vitesse souhaitée. • Contact de changement de vitesse du système de régulation sécurité, Tous câblés en série sont en position travail. Le déclenchement du changement de vitesse de rotation de la pale dans le sens souhaité est effectif. Soit en vitesse énergie (un tour de rotation du rotor (40) provoque 0,5 tour de rotation de pale (70) sur elle-même). Le contact déterminant pour cette vitesse est la corrélation des contacts (R69 et R68E). • Soit en vitesse drapeau (un tour de rotation du rotor (40) provoque Un tour de rotation de pale (70) sur elle-même). Le contact déterminant pour cette vitesse est la corrélation des contacts (R69 et R67D). Planche 4, figures 8 et 9, Planche 10 figure 21 ou Planche 10 figure 21 bis. Le moment d'arrêt du rotor. (40). C'est le moment où le rotor (40) peut être freiné puis arrêté dans sa rotation. Le rotor (40) ne peut passer en phase d'arrêt qu'après une mise en vitesse drapeau de toutes les pales (70/...) (un tour de rotation du rotor (40) provoquant un tour de rotation de pale (70) sur elle-même dans le sens inverse du rotor (40)). Le rotor (40) est arrêté, mais les pales (70) restent toujours engrenées à leur transmission en vitesse drapeau, elles ne tournent plus sur elles-mêmes car le rotor (40) ne tourne plus. Après ce passage en vitesse drapeau de toutes les pales (70) ces dernières se retrouvent en drapeau (1). Si le vent (0) change de direction, grâce à leur transmission toujours active, l'arbre de réglage au vent (30) asservi à la girouette (22) les maintiendra en drapeau (1) quelle que soit la direction du vent (0). Démarrage du processus récupération d'énergie sur un étage du rotor (40). (Le processus est identique à tous les étages du rotor). Planche 5. Lors du précédent arrêt du rotor (40), les pales (70) étaient en drapeau (1) et le sont restées sous l'action de la girouette (22) pilotant l'automate (25) asservissant le moteur de réglage au vent (39) commandant l'arbre de réglage au vent (30) couplé à la transmission de la rotation des pales (70) sur elles-mêmes. Le rotor (40) étant à l'arrêt, toutes les pales (70) toujours engrenées à la vitesse drapeau se trouvent en allure vent debout (13) correspondant à une position en drapeau. 1. La girouette anémomètre (22) détecte un vent compatible à la bande passante de vents de l'éolienne. 2. Elle donne l'ordre à l'automate (25) d'enclencher le processus de démarrage dans l'ordre suivant. • Lancement du moteur de début/fin de cycle (100). • Déblocage du frein rotor (47). • Embrayage du moteur de début/fin de cycle (100) par le biais de son embrayage (99). 25 30 Le rotor (40) commence sa rotation. 3. Les capteurs détectent les trois moments suivants simultanément : c) Moment de synchronisation-trajectoire pale. (18) Planche 4 Figure 8 d) Moment de synchronisation-rotation pale. (19) Planche 4 Figure 9 e) Moment de changement de vitesse de rotation de pale sur elle-même (corrélation des capteurs (R69 et R68E) Planche 10 figure 21 ou Planche 11 figure 21 bis ; L'ordre de changement de vitesse est donné pour passer de la vitesse drapeau (un tour rotor (40) = un tour de rotation de pale (70) sur elle-même, à la vitesse énergie (un tour de rotation du rotor (40) = 0,5 tour de pale de rotation de pale (70) sur elle-même. Le changement de vitesse est effectué, la pale (70/1) se trouve maintenant en rotation vitesse énergie. Planche 5, figure 11. 4. Après 90 de rotation du rotor (40), La pale (70/1) en vitesse énergie, se trouve en allure vent de travers (15), elle est motrice du rotor (40). La pale suiveuse (70/2) subit le processus de changement de vitesse décrit en 3 et passe à la vitesse énergie. Planche 5, figure 12. 5. Après 180 de rotation du rotor (40) : h) La pale (70/1) se trouve en allure vent arrière (17) et offre une motricité maximale au rotor (40). i) La pale (70/2) se trouve en allure vent de travers (15) et offre une motricité supplémentaire au rotor (40). j) La pale (70/3) subit le processus de changement de vitesse décrit en 3 et passe à la vitesse énergie. Planche 5, figure 13. f) g)20 6. Le moteur de début/fin de cycle et débrayé puis arrêté, la motricité induite par les différentes allures des pales (70/1 et 70/2) est suffisante pour autoalimenter la rotation du rotor (40). 7. Après 270 de rotation du rotor (40) : a) La pale (70/1) se trouve de nouveau en allure vent de travers (15) après avoir viré de bord (pour comparer aux manoeuvres d'un voilier). b) La pale (70/2) se trouve en allure vent arrière (17) et offre une motricité maximale au rotor (40). c) La pale (70/3) se trouve en allure vent de travers (15) et devient motrice du rotor (40) à son tour. d) La pale (70/4) subit le processus de changement de vitesse décrit en 3 et passe à la vitesse énergie. Planche 5, figure 14. 8. À partir de ce moment toutes pales (70) de l'étage en question sont en vitesse énergie. (Explications pour un étage de rotor). Le processus de démarrage du rotor (40) est terminé. Les changements de vitesse énergies pour cet étage sont arrêtés. La veille se situe sur la vitesse du vent qui provoquera (en cas de régulation ou vents incompatibles) le passage en vitesse drapeau (un tour de rotation du rotor (40) = un tour de rotation de pale (70) sur elle-même). 9. Après 360 degrés de rotation du rotor (40) : a) La pale (70/1) se retrouve en allure vent debout (13) elle offre une traînée minimale. b) La pale (70/2) se trouve de nouveau en allure vent de travers (15) après avoir viré de bord (pour comparer aux manoeuvres d'un voilier). c) La pale (70/3) se trouve en allure vent arrière (17) et offre une motricité maximale au rotor (40). d) La pale (70/4) se trouve en allure vent de travers (15) et devient motrice du rotor (40) à son tour. Le cycle de démarrage et de rotation complète du rotor (40) est terminé, toutes les pales de l'étage en question sont en vitesse énergie. 30 Une veille sera effectuée sur la vitesse du vent (0) afin de déterminer la mise en vitesse drapeau des pales toujours aux moments de synchronisation suivants : - Le moment de synchronisation-trajectoire de pale (18), - Le moment de synchronisation-rotation de pale (19), - Le moment de changement de vitesse de rotation de la pale sur elle-même, Qui seront réunis, car synchrones et asservis à la rotation du rotor (40). Démarrage du processus de mise en drapeau des pales (70) puis d'arrêt du rotor (40) sur un étage. (Le processus est identique pour tous les étages). Planche 6. La girouette anémomètre (22) détecte un vent incompatible à la bande passante de vents de l'éolienne. Elle donne l'ordre par l'intermédiaire de l'automate (25) de passer de la vitesse énergie à la vitesse drapeau. Les capteurs détectent les trois moments suivants simultanément : a) Moment de synchronisation-trajectoire pale. (18) Planche 4 Figure 8 b) Moment de synchronisation-rotation pale. (19) Planche 4 Figure 9 c) Moment de changement de vitesse de rotation de pale sur elle-même (corrélation des capteurs (R69 et R67D) Planche 10 figure 21 ou Planche 11 figure 21 bis ; L'ordre de changement de vitesse est donné pour passer de la vitesse énergie (un tour de (40) = 0,5 tour de rotation de pale (70) sur elle-même, à la vitesse drapeau (un tour rotor (40) = un tour de rotation de pale (70) sur elle-même). Le changement de vitesse est effectué sur la pale 70/1 qui se trouve en allure vent debout. Sa vitesse de rotation sur elle-même est maintenant la vitesse drapeau (u Tour rotor (40) = un tour de rotation de pale (70) sur elle-même dans le sens inverse du rotor (40)). 1. 2. 3. 25 30 Planche 6, figure 15. 4. Après 90 de rotation du rotor (40), a) La pale (70/1) en vitesse drapeau, se trouve toujours en allure vent debout (13) c'est-a-dire en drapeau, elle est n'est plus motrice du rotor (40) et subit une traînée minimale. b) La pale suiveuse (70/2) subit le processus de changement de vitesse décrit en 3 et passe à la vitesse drapeau. Planche 6, figure 16. 5. L'automate (25) commande la mise en route du moteur début/fin de coure (100) et embraye celui-ci par le biais de son embrayage (99). 6. Après 180 de rotation du rotor (40) : a) La pale (70/1) se trouve toujours en allure vent debout (13) c'est-adire en drapeau, elle n'est toujours plus motrice du rotor (40) et subit une traînée minimale. b) La pale (70/2) se trouve toujours en allure vent debout (13) c'est-adire en drapeau, elle n'est toujours plus motrice du rotor (40) et subit une traînée minimale. c) La pale (70/3) subit le processus de changement de vitesse décrit en 3 et passe à la vitesse drapeau. Planche 6, figure 17. 7. Après 270 de rotation du rotor (40) : La pale (70/1) se trouve toujours en allure vent debout (13) c'est-adire en drapeau, elle n'est toujours plus motrice du rotor (40) et subit une traînée minimale. La pale (70/2) se trouve toujours en allure vent debout (13) c'est-adire en drapeau, elle n'est toujours plus motrice du rotor (40) et subit une traînée minimale. La pale (70/3) se trouve toujours en allure vent debout (13) c'est-adire en drapeau, elle n'est toujours plus motrice du rotor (40) et subit une traînée minimale. La pale (70/4) subit le processus de changement de vitesse décrit en 3 et passe à la vitesse drapeau. 27 a) b) c) d) Planche 6, figure 18. 8. À partir de ce moment toutes pales (70/...) de l'étage de rotor (40) concerné sont en vitesse drapeau. Le processus de freinage et d'arrêt du rotor (40) est démarré. Précision faite que sur un rotor (40) à plusieurs étages (décalés ou non), toutes les pales de tous les étages (70) doivent avoir passé en vitesse drapeau. 9. L'automate (25) commande : a) Le débrayage du moteur début/fin de cycle (100). b) L'arrêt du moteur de début/fin de cycle (100).Planche 12Le freinage du rotor (40) par le frein rotor (47). Planche 13 10. Les pales (70) sont toujours engrenées en vitesse drapeau ce qui aura pour conséquence une conservation de cette mise en drapeau quels que soient les changements de direction du vent (0). L'arbre de réglage au vent (30) étant toujours asservi à la girouette (22). 11. Le processus de mise en drapeau de toutes les pales (70) et d'arrêt du rotor (40) est terminé. Une veille sur la vitesse du vent (0) par le biais de la girouette anémomètre (22) permettra, (lorsque le vent sera compatible à la bande passante des vents autorisés pour cette éolienne), de déclencher le processus de remise en route du rotor (40) et le démarrage du processus de récupération d'énergie. Réglages des pales (70) en fonction de la direction du vent (0). Les pales (70) sont toujours couplées par leurs transmissions réciproques à l'arbre de réglage au vent (30) (Renvois d'angles (45 ù 75) et boîte deux vitesses (60)). L'arbre de réglage au vent (30) constitue l'axe maître des engrenages coniques maître des renvois d'angles (45) alimentant les boîtes deux vitesses (60) et par voie de conséquence toute la chaîne de transmission de rotation des pales sur elles-mêmes. Le réglage des pales (70) au vent suit le processus suivant : 1. La girouette anémomètre (22) détecte un changement de direction. 28 2. Elle donne l'ordre à un automate (25) de commander le Moteur pas à pas réglage au vent (39) pour : 3. faire tourner l'arbre de réglage au vent (30) de cette façon : • même sens de rotation que le vent (0), • Même différentiel angulaire que le différentiel angulaire de changement de vent enregistré par la girouette.anémomètre (22). • Le contrôle et la vérification du quantum de correction sont effectués par le biais du couple de capteurs (Règle magnétique émettrice 31 et capteur récepteur 32. Planche 15. • À titre d'exemple, le vent passe du 90 au 100 , l'arbre de réglage au vent (30) va opérer une rotation de 10 dans le sens des aiguilles d'une montre. Cette rotation provoque une rotation de chaque pale de 10 dans le même sens. Principe de régulation retenue en fonction de la force du vent : 1. Le cycle de démarrage vient de se terminer, 2. Toutes les pales (70) de tous les étages sont en vitesse énergie. 3. Seul le générateur 80/1 est embrayé sur le renvoi d'angle (85) alimentant tous 20 les générateurs, 4. Sous la vitesse du vent, le rotor (40) a tendance à accélérer sa rotation au-delà de la vitesse autorisée, 5. Le ralentisseur/régulateur de vitesse (90) commence à jouer son rôle, en freinant le rotor (40). 25 6. À partir d'une certaine charge développée par le ralentisseur/régulateur de vitesse (90), le générateur 80/2 est embrayé (81/2) et soulage d'autant le Ralentisseur/Régulateur de vitesse. 7. Les phases 4, 5, 6 se poursuivent, jusqu'à ce que tous les générateurs (80/...) soient en production d'énergie. 15 30 8. Une fois tous les générateurs en production, au-delà d'une certaine charge développée par le Ralentisseur/Régulateur de vitesse. Le système de régulation décidera la mise en drapeau des pales (70) d'un étage du rotor (40). 9. Si après la mise en drapeau de cet étage, le rotor (40) ne tourne plus à la vitesse minimale requise, le système de régulation décidera de débrayer un ou plusieurs générateurs (80/...) jusqu'à l'entrée en vigueur du Ralentisseur/Régulateur de vitesse qui régulera par ralentissement, la vitesse de travail requise. 10. Et ainsi de suite. Soit les phases 6, 7 pour atteindre une puissance optimale adossée au vent (0) existant. tb. Soit les phases 8, 9 pour conserver une puissance de production maximale adaptée au vent (0). Concernant les boîtes deux vitesses (60) et le changement de vitesses sur une boîte. 15 Il est identique à toutes les boîtes deux vitesses (60). Planches I O et 11. Chaque pale (70) possède sa chaîne transmission propre (boîte deux vitesses (60) comprise) prenant naissance à un des engrenages esclaves (57) du renvoi d'angle (45) dont l'engrenage maître (56) est couplé à l'arbre de réglage au vent (30). 20 En premier lieu il faut considérer que l'engrenage maître (56) du renvoi d'angle de l'arbre de réglage au vent (30) qui se trouve être son arbre maître possède plus de dents que les engrenages esclaves (57). Il y a donc un effet multiplicateur sur les arbres de sortie (58) couplés aux engrenages secondaires esclaves (57). Planches 8 et 9. 25 Cet effet multiplicateur doit être compensé pour revenir dans un rapport 1 :1 (un tour de rotation du rotor provoquera un tour de l'arbre primaire (65) de l'étage changement de vitesse de la boîte deux vitesses (60). Planche 10 et 11. En conséquence la boîte deux vitesses (60) est répartie en deux sections : - Une section réduction (R) conçue pour transmettre à l'arbre primaire (65) de la section changement de vitesse, une vitesse de rotation égale à la vitesse de rotation du rotor (soit un tour du rotor, provoque un tour de l'arbre primaire de 5 l'étage changement de vitesse). - Une section changement de vitesse (V). Sur l'arbre primaire (65) de la section changement de vitesse, seront couplés deux engrenages primaires maîtres (M67) pour la vitesse drapeau et (M68) pour la vitesse énergie, s'engrenant chacun à 1 engrenage secondaire esclave (67) pour la vitesse drapeau 10 et (68) pour la vitesse énergie. Ces engrenages secondaires ne seront pas couplés à l'arbre secondaire (sortie de boîte) (66). Ils seront fous par rapport à l'arbre secondaire (66) de sortie de boîte (60). Les rapports seront calculés pour : - Qu'un engrenage secondaire tourne à une vitesse égale à celle de son 15 engrenage maître, ce sera l'engrenage esclave drapeau (67) (ou grande vitesse). - L'autre engrenage secondaire tournera à une vitesse de moitié de celle de son engrenage primaire, ce sera l'engrenage esclave énergie (68) (ou petite vitesse). Ces engrenages pourront également être monté sur des roulements à bille à contact obliques, (63) les deux engrenages secondaires tourneront en roue libre sur l'arbre 20 secondaire (sortie de boîte) (66) et seront de ce fait situés sur les parties lisses de l'arbre secondaires (sortie de boîte) (66). Ces deux engrenages seront taillés sur mesure de manière à recevoir dans leur partie radiale coté crabot (69) un usinage en creux accueillant l'usinage en relief d'un crabot (69) qui viendra s'accoupler à l'engrenage en question lors d'un changement de vitesse. 25 Entre les deux engrenages secondaires circulera transversalement sur une partie cannelée de l'arbre secondaire (sortie de boîte) (66), un crabot (69) qui assurera le changement de vitesse en se couplant soit à l'engrenage esclave drapeau (67), soit à l'engrenage esclave énergie (68). Seul le crabot (69) est couplé à l'arbre secondaire (sortie de boîte) (66) par les cannelures (66/1) de l'arbre secondaire (sortie de boîte) (66). Le montage de tous ces engrenages et du crabot (69) sera effectué de manière qu'a un moment donné : - Les parties usinées femelles des engrenages petite et grande vitesse (68 -67). - Les parties mâles du crabot (69), Soient parfaitement en phase (en vis-à-vis) et que le crabot (69) puisse s'accoupler instantanément d'un engrenage à l'autre lors des changements de vitesses. Un ensemble de plusieurs couples de capteur détecteront ces moments de changement de 10 vitesses possibles : - Capteur émetteur Engrenage esclave drapeau (E67D), - Capteur récepteur Engrenage esclave drapeau (R67D), - Capteur émetteur Engrenage esclave Energie (E68E), -Capteur récepteur Engrenage esclave Energie (R68E), 15 - Capteur émetteur Crabot (E69), - Capteur récepteur Crabot (R69), Tous ces détections entre les capteurs et récepteur réciproques aux engrenage esclave énergie (68), engrenage esclave drapeau (67) et crabot (69) sont synchronisés ; Ils se produisent tous au même instant. 20 (Planche 10, figure 21). (Planche 11, figure 21 bis). Concernant l'installation des boîtes à vitesses. L'arbre de sortie de boîte (66) sera accouplé à la transmission de la pale couplé au renvoi d'angle (75) de la pale afin d'obtenir le résultat suivant : 25 Le moment de changement de vitesses, v Le moment de synchronisation-trajectoire de la pale, Et le moment de synchronisation-rotation de la pale. Soient synchronisés et se produisent ensemble au même moment. Concernant la commande du crabot (69). Celui-ci doit passer d'un engrenage à l'autre le plus rapidement possible. Il sera en conséquence commandé : - Soit par un électro-aimant très puissant, - Soit par un jeu de ressorts (un par sens de déplacement) qui seront bandés en alternance suivant le sens du prochain déplacement crabot (69) requis puis libérés au moment du changement de vitesse au cours des moments de changement de vitesse de rotation de pale. - Soit par un piston à air comprimé se déplaçant dans un sens ou l'autre suivant le sens du changement de vitesse exigé. - Dans un souci de fiabilité, le système le plus rapide sera retenu. Concernant les étages rotor. Lorsque le lieu d'implantation de l'éolienne est sujet à une bande passante de vents très large, le rotor sera constitué de plusieurs étages de pales distincts, ceci afin d'adapter une plage de récupération et régulation plus importante nécessaire à cette largeur de bande passante de vents et d'optimiser ainsi la production d'énergie pour toutes les vitesses de vent (0) de cette bande passante de vents. Pour obtenir une meilleure régularité dans la rotation du rotor aux faibles vents, les étages 20 de rotor seront décalés dans leur sens de rotation (ils seront croisés). Exemple : Pour l'étage 1 le bras rotor (41/1) sera orienté au 360 alors que le même bras (41/1) de l'étage 2 sera lui, orienté au 45 . Figure 10, planche 4. Ce croisement des étages du rotor (40), n'est pas une obligation, il en est de même pour un 25 rotor à plusieurs étages. Tout dépend de la bande passante de vent du lieu d'implantation de l'éolienne. Si le vent est régulier et constant un rotor à un étage suffira. 25 30 Les Supports rotors possibles. 1. Pour les petites éoliennes, le mat supportera le poids du rotor par l'intermédiaire d'un roulement de butée situé à son sommet. Ceci pour une meilleure accessibilité lors de son remplacement. 2. Le rotor sera suspendu à ce roulement et des roulements axiaux le maintiendront centré sur l'arbre de réglage au vent (30). 3. Pour les grosses éoliennes, le rotor reposera : • Soit sur un flotteur reposant sur un bain de mercure. Planches 13 et 14. • Soit sur une cloche remplie d'air comprimé faisant pression sur un bain de mercure (coussin d'air). Le flotteur étant remplacé par une cloche (orifice ouvert en bas). • Dans ces deux cas, les renvois d'angles et roulements prenant appuis sur l'arbre de réglage au vent (30) seront montés sur les bagues cannelées femelles se couplant aux parties cannelées mâles (36) rapportées en périphérie de l'arbre de réglage au vent (30) aux endroits nécessaires afin que le rotor puisse avoir une plage de variation en amplitude en cas d'alourdissement de celui-ci par de la neige ou de la glace. a) Tous ces roulements (59) seront des roulements adaptés aux efforts latéraux et axiaux (style : roulement à contacts obliques montés tête-bêche ou roulements sur joncs ou tous autres roulements spécialement adaptés aux efforts latéraux et axiaux). • Un roulement de butée de sécurité (44 - planches 13 et 14.) sera également prévu en cas de très fort alourdissement du rotor (40) qui risquerait d'endommager, la cuve à mercure, le flotteur ou la cloche coussin d'air par contact avec le fond de la cuve à mercure. • Au sujet du mercure (53), pour éviter toute vapeur nocive, il sera recouvert d'une couche d'huile (52) avec un double réservoir périphérique de sécurité constituant une partie d'un siphon avec une double cloison périphérique de la cloche ou du flotteur constituant la deuxième partie du34 siphon rempli également d'huile (52). En conséquence une double sécurité contre les vapeurs de mercure ; a) Un film d'huile à sa surface b) Un siphon périphérique rempli également d'huile. Planches 13 et 14. Systèmes de conversion d'énergie en fonction des tailles d'éoliennes. 4. Pour les éoliennes de petites et moyennes productions, les générateurs seront directement couplés au système multiplicateur. Planche 12. 5. Pour les éoliennes géantes, le système multiplicateur alimentera : c) Un compresseur centrifuge à étages débitant sa production d'air comprimé dans une chambre (réservoir haute pression) faisant office de tampon de régulation. d) Les générateurs seront entraînés par des turbines alimentées par l'air comprimé provenant de cette chambre haute pression. e) Des détendeurs/régulateurs de débit seront intercalés dans le circuit d'alimentation des turbines alimentant les générateurs. f) Tout un système de sécurité, (vannes, soupapes et by-pass) sera prévu sur la partie air comprimé. Planches nécessaires à la bonne compréhension des sujets développés ci-dessus : Etage transmission pâle. Planches 8 ou 9 suivant le sens de rotation en sortie de boîte deux vitesses (60). Boîte deux vitesses. Planche 10 et 11 suivant le nombre d'étage de réduction (paire ou impaire) qui 25 conditionnent le sens de rotation en sortie de boîte deux vitesses. Niveau énergie démarrage début/fin de cycle. Planches 12 et 13. Support rotor sur bain de mercure. Planche 13 et 14. Asservissement et Réglage au vent des pales. Commandes et asservissements par le biais de l'automate (25) Légende pour cette planche Girouette anémomètre 22 Sortie anémomètre AN Sortie Girouette GI Commande des pales de l'étage 1 El Commande des pales de l'étage 2 E2 Numéro des pales 1 ù 2 ù 3 4 Sortie contacts capteur 50 étage 1 50/E1 Sortie contacts capteur 50 étage 2 50/E1 Sortie contacts capteur 54 étage 1 54/El Sortie contacts capteur 54 étage 2 54/E2 Sortie contacts capteur R69 étage 1 R69/E1 Sortie contacts capteur R69 étage 2 R69/E2 Sortie contacts capteur R67D étage 1 R67D/El Sortie contacts capteur R67D étage 2 R67D/E2 Sortie contacts capteur R68E étage 1 R68E/E1 Sortie contacts capteur R68E étage 2 R68E/E2 Contact relais changement de vitesse Drapeau vers énergie ou inversement Energie vers Drapeau étage 1 ED/E 1 Contact relais changement de vitesse Drapeau vers énergie ou inversement Energie vers Drapeau étage 2 ED/E2 Commande des crabots C69 Vitesse Drapeau VD Vitesse Energie VE Module de commande des générateurs G Asservissement et commande Ralentisseur/Régulateur 90 Commande des générateurs 80/1 ù 80/2 ù 80/3 ù 80/4 Module de commande du Moteur début/fin de cycle MDF Connexion commande moteur début/fin de cycle 100 Planche 15 Revendications 1. Eolienne équipée d'une voilure tournante à plusieurs étages possédant un dispositif de mise en drapeau des pales (70) ou mise en drapeau des étages de pales indépendamment les uns des autres, caractérisée en ce qu'elle comporte : - Un mat vertical central (20) assurant la stabilité de l'ensemble éolien et plus précisément celle de l'arbre de réglage au vent (30) avec son système de commande (22 ù 25 - 31 ù 32 ù 37 - 39), ainsi que celle du rotor (40), - Une girouette anémomètre détectant la vitesse et direction du vent (22), - D'un arbre de réglage au vent (30) centré sur ce mat assurant le réglage des pales (70) au vent (0), cet arbre de réglage au vent est équipé d'un frein (37) assurant le blocage de l'arbre (30) une fois le réglage au vent terminé, - D'un ensemble de détection, commande électrique et mécanique assurant la commande de cet arbre de réglage au vent (22 ù 25 ù 31 - 32 ù 37 - 39), - D'un rotor vertical (40), élément moteur de la transmission de l'énergie, comportant un ou plusieurs étages décalés dans le sens de rotation ou non décalés ; chaque étage de rotor étant équipé plusieurs paires de bras (41) radiant horizontaux équidistamment distribués, un bras (41) de la paire de bras en partie haute de l'étage, le second bras (41) de la paire de bras en partie basse de l'étage) ; chaque paire de bras supportant une pale (70) par le biais de ses roulements d'axe de rotation sur elles-mêmes, - D'un frein rotor (47) assurant le blocage du rotor une fois toutes les pales (70) mises en drapeau, - Des pales (70) assurant le rôle de voiles rigides de forme carrée ou rectangulaire, supportées par les paire de bras du rotor par leurs roulements réciproques, une pale par paire de bras, ayant son axe de rotation sur elle-même, vertical et parallèle à l'axe du rotor (40), Un ensemble de transmissions de rotation des pales sur elle-même, chaque pale possède sa transmission propre (56-57-58-60-75) couplée d'un coté à l'arbre de réglage au vent (30) de l'autre coté` à l'axe de 38rotation de la pale (70) ces transmissions ont pour fonctions la rotation des pales sur elles-mêmes, le réglage des pales au vent, chaque transmission de pale possède sa boite deux vitesses indépendante (60), - Une transmission au (x) générateur (s), Ralentisseur/Régulateur et moteur début fin de cycle couplé au rotor dans sa partie basse (85-86-87), - D'un ou plusieurs générateurs (80) débrayables (81) - planches 12 et 13, - Dans le cas de plusieurs générateurs, d'un ralentisseur/régulateur (90) servant de relais de charge avant le démarrage d'un générateur supplémentaire - planche 12, - D'un moteur début/fin de cycle (100 sur planche 12) servant à terminer le processus de mise en drapeau de toutes les pales (70) ou démarrer le processus de mise en vitesse énergie des pales(70), - D'un roulement de butée (44), assurant le poids du rotor en mouvement avec un minimum de friction, - Plusieurs couples émetteurs et récepteurs de capteurs 49/50..., 79/54, E67D/R67D, E68E/R68E, E69/R69 servant à déterminer les moments de changement de vitesse de rotation des pales sur elles-mêmes. 2. l'éolienne selon la revendication 1 est caractérisée en ce que les transmissions réciproques de chaque pale, ayant pour fonction de faire tourner les pales sur elle-même possèdent les caractéristiques suivantes : - Ces transmission réciproques de chaque pale sont couplées à la rotation du rotor (40) par le biais du renvoi d'angle (45) et ses engrenages (56) et (57), les transmissions réciproques de chaque pales sont en permanence couplées, asservies et synchronisées à la rotation du rotor autour de l'arbre de réglage au vent (30), - La boite deux vitesses (60) intercalée dans la transmission réciproque de chaque pale procure à celle-ci deux vitesses de rotation sur elle-même possibles, ces vitesses sont asservies et synchronisées à la rotation du rotor, le changement de vitesse s'effectue sans glissement, il est synchronisé sur un moment précis détecté par les capteurs 49/50 et 54/79, ce moment précis correspond au moment où le crabot (69), l'engrenage énergie (68), l'engrenage drapeau (67) sont en phase et 30permettent au crabot de se désaccoupler d'un engrenage (68 ou 67) pour s'accoupler à l'autre engrenage (67 ou 68), -Chacune des transmissions réciproques des pales, constituées des couples coniques 45, engrenages 56 et 57, arbres de transmission 58, boite deux vitesses 60, couples coniques 75, assurent aux pales deux vitesses de rotations possibles : a) Vitesse lente, appelée Vitesse énergie correspondant au rapport suivant : • Un Tour de rotor (40) provoque 0,5 tour de la pale (70) sur elle-même, dans le sens inverse de la rotation du rotor (40) ; Planche 5, figure 14, b) Vitesse rapide, appelée Vitesse Drapeau correspondant au rapport suivant : • Un Tour de rotor (40) provoque un tour de la pale (70) sur elle-même, dans le sens inverse de la rotation du rotor (40), Planche 6, figure 18. 3. L'éolienne selon les revendications 1 et 2, est caractérisée en ce que chaque pale possède les points suivants : - La pale (70) a son axe de rotation (6) parallèle à l'axe du rotor (40), 20 - La pale (70) tourne sur elle-même dans le sens inverse du rotor (40) avec un réglage d'origine prédéterminé en fonction de la direction du vent, de manière à reproduire : • en vitesse énergie, les allures d'un voilier en fonction de son cap et du vent subi, Planche 3, figure 6 • en vitesse drapeau, la pale reste en drapeau quelque soit sa position sur la trajectoire des pales (10), Planche 6, figure 18 - L'axe de rotation de la pale sur elle-même (6) est positionné sur le point d'équilibre aérodynamique (9) de la pale (70) Planche 1, figures 3 et 4, 10 15 25 30- En vitesse énergie, la pale (70/1) passant en allure vent arrière (17) n'est pas déventée par la pale suiveuse (70/2) sur la trajectoire des pales (10) ; fin de la Zone d'ombre (A), Planche 7. 4. L'éolienne selon les revendications 1 à 3 est caractérisée en ce que l'arbre de réglage au vent (30) possède les points suivants : - Cet arbre (30) sert à recaler les pales en fonction de la direction du vent, - La rotation de cet arbre de réglage au vent (30) est commandée par un moteur pas à pas réducté (39) contrôlé dans sa rotation par des capteurs (31 et 32), une fois le réglage terminé cet arbre de réglage au vent est bloqué par le frein (37) ; ce moteur pas à pas est asservi à un automate (25) lui-même commandé par une girouette anémomètre (22) suivant le sens du vent, Planches 15 et 16, - L'arbre de réglage au vent (30) possède aux endroits requis, des cannelures (36) servant à accoupler les engrenages Maîtres (56) des couples coniques (45) point d'origine de la transmission de rotation des pales (70) sur elles-mêmes, Planches 8 et 9, - L'arbre de réglage au vent (30) est équipé d'un capteur émetteur (49) par étage de pales servant à détecté le moment de synchronisation-trajectoire (18) des pales (70), moment où la paire de bras (41) du rotor remontant le vent (0) est perpendiculaire à la direction du vent, Planche 4 figure 8. 5. L'éolienne selon les revendications 1 à 4 est caractérisée en ce que le rotor est caractérisé par les points suivants : - Le rotor est équipé de capteurs récepteurs (50/...) positionné à hauteur des capteurs émetteurs (49), à la racine des bras radiant (41) du rotor, un seul bras équipé par paire de bras, coté intérieur du rotor servant à détecté le moment de synchronisation-trajectoire pale (18), moment où la paire de bras (41) du rotor remontant le vent (0) est perpendiculaire à la direction du vent,Planche 4 figure 8, - Certains bras du rotor, 1 seul bras équipé par paire de bras, sont équipés de capteurs récepteurs (54) servant à détecté le moment de synchronisation-rotation de pale (19), moment où l'axe au vent de la pale est perpendiculaire au bras du rotor (41) qui remonte le vent, Planche 4 figure 9. 6. L'éolienne suivant les revendications 1 à 5 possède un dispositif de mise en drapeau des pales et de mise en récupération d'énergie des pales, caractérisé par le changement de vitesse de rotation des pales sur elle-même caractérisé par les points suivant : - ce changement de vitesse de rotation de pale (70) sur elle-même ne peut s'effectuer qu'à un moment précis déclenché par la synchronisation des 3 moments suivants, une fois que l'automate (25) aura déterminé l'utilité d'une mise en drapeau des pales ou d'un étage de pales ou inversement sa mise en récupération d'énergie : a) Le moment de synchronisation-trajectoire de pale (18) déclenché par les couples capteurs (49/50...), ces couples de capteurs couvrent une plage de détection couvrant les jeux dus à la transmission de rotation de la pale sur elle-même, Planche 4, figure 8, b) Le moment de synchronisation-rotation de pale (19) déclenché par les couples capteurs (54.../79...), ces couples de capteurs couvrent une plage de détection couvrant les jeux dus à la transmission de rotation de la pale sur elle-même, 25 Planche 4, figure 9, c) Le moment de changement de vitesse de rotation de la pale sur elle-même déclenché : Soit par les couples capteurs (E67D/R67D et E69/R69) pour le passage en vitesse drapeau, 30 Soit par les couples capteurs (E68E/R68E et E69/R69) pour le passage en vitesse énergie, Planches 10 et 11. 20 43 7. l'éolienne selon les revendications 1 à 6 est caractérisée en ce que • Les accouplements d'entrée et sortie de boîte deux vitesses devront absorber les chocs dus aux changements de vitesse de rotation des pales (70) sur elles-mêmes, - Les arbres de transmissions couplés à ces accouplements possèderont des caractéristiques de barre de torsion servant également à absorber les changements de vitesse de rotation des pales (70) sur elles-mêmes. 8. L'éolienne selon les revendications 1 à 7 est caractérisée en ce que la transmission de rotation de pale (70) sur elle-même peut utiliser tous type de transmission : - Mécanique souple : Courroies de synchronisation crantées et poulies, - Mécanique : pignons et chaînes, engrenages cylindriques, - Hydraulique, - Electromécanique, - Ou Pneumatique, Sous réserve que : • l'asservissement et la synchronisation de la rotation des pales au rotor, • les vitesses de rotations des pales sur elles-mêmes, vitesses énergie et drapeau, • le sens de rotation des pales sur elles-mêmes, sens inverse à la rotation du rotor, • Les changements de vitesse des pales sur elles mêmes s'effectuent sans glissement, • Les moments de synchronisations définis en revendication 6, respectent les règles définies dans les précédentes revendications. 9. L'éolienne selon les revendications 1 à 8 est caractérisée en ce que le nombre de pale (70) par étages n'est pas limité sous réserve que la pale passant en allure vent arrière (17) ne soit pas déventée par sa pale suiveuse sur la trajectoire des pales (10), fin de zone d'ombre aérodynamique (A) Planche 7 figure 19. 15 20 10. L'éolienne selon les revendications 1 à 9 est caractérisée en ce que dans le cas de grosses éoliennes à rotor lourd, le roulement de butée (44) mentionné en revendication 1 sert de butée de sécurité, le rotor reposera : - soit sur un flotteur (48) reposant lui-même sur un bain de mercure (53) dans une double cuve à flotteur (42) formant ainsi une double sécurité pour éviter les émanations de vapeurs de mercure - soit sur une cloche remplie d'air comprimé faisant pression sur le bain de mercure (coussin d'air). Le flotteur étant remplacé par cette cloche (orifice ouvert en bas) : a) La première sécurité est constituée d'une couche d'huile (52) recouvrant le mercure (53), b) La deuxième sécurité est constituée par un siphon périphérique au bain de mercure (53) rempli également d'huile (52), le siphon périphérique est constitué par les formes du flotteur ou de la cloche faisant siphon avec la double cuve (42), périphérique à la cuve contenant le mercure (53), c) Le roulement de butée (44) sert de sécurité, sa fonction est de protéger la cuve à mercure en cas de fuite, de manière que le flotteur ne frotte pas sur le fond de cuve, c'est là sa seule fonction, il n'est pas en fonction en situation d'utilisation normale. Planches 13 et 14.