Brevet FR2944835A1 — publié le 20101029

-1- � Dispositif de production d'électricité à partir d'une source motrice à vitesse variable, et dispositif de stockage inertiel d'énergie et éolienne ainsi équipées � La présente invention concerne le domaine des éoliennes ou tout autre domaine dans lequel une génératrice électrique doit être reliée à une source motrice à vitesse variable. L'invention se rapporte plus particulièrement à un procédé de collecte d'énergie pour machine de production d'électricité dont on régule la vitesse de rotation, à partir d'une source motrice à puissance et vitesse variables, notamment une hélice d'éolienne. L'invention concerne également une unité de production d'électricité convenant pour être entraînée par une hélice d'éolienne. L'invention concerne encore une éolienne mettant en oeuvre le procédé de collecte d'énergie ou l'unité de production d'électricité. À l'heure actuelle, l'utilisation des éoliennes est encore limitée car leurs coûts de production et d'exploitation sont encore trop élevés par rapport à leur efficacité. Il est ainsi primordial de faire baisser le coût du kilowatt produit par les éoliennes. Ceci est même une condition nécessaire à l'essor des éoliennes de grande puissance, pouvant atteindre plusieurs mégawatts. Une des difficultés majeures est d'exploiter au mieux l'énergie éolienne malgré d'une part les très grandes variations de la vitesse du vent, et d'autre part les variations, également très grandes, de consommation électrique sur le réseau au cours du temps. On cherche usuellement à établir une correspondance entre les besoins du réseau et une exploitation optimisée de l'énergie éolienne disponible. La très grande majorité des éoliennes installées comprend ainsi une boîte de vitesses, permettant de faire fonctionner la génératrice dans une certaine plage de vitesse alors que la vitesse du vent est comprise entre une vitesse minimale proche -2- de zéro et une vitesse maximale de l'ordre de 15 m par seconde. La vitesse de rotation de l'hélice de l'éolienne varie alors typiquement entre 1 et 30 tr/min. La génératrice est le plus souvent de type asynchrone, tolérant de petites 5 variations de vitesse de l'arbre d'entrée de la génératrice. De plus certains constructeurs équipent leurs éoliennes de deux génératrices, une petite pour les périodes de vent faible et une plus grosse pour les périodes de vent fort. On connaît également des éoliennes pourvues d'une génératrice à nombre de pôles variable. Par des modifications du raccordement des pôles, une telle génératrice peut fonctionner avec différents nombres de pôles, et donc accepter des vitesses de rotation différentes. 15 Dans beaucoup d'éoliennes existantes, la puissance de la génératrice est choisie pour correspondre à la puissance pouvant être captée par l'hélice pour une relativement basse vitesse du vent. On renonce à capter les puissances les plus fortes, car on considère peu rentable de prévoir une machine électrique plus grosse 20 pour pouvoir exploiter des vents relativement rares. On connaît également des dispositifs de stockage de l'énergie électrique permettant d'exploiter au mieux l'énergie éolienne disponible à chaque instant et de la restituer selon les besoins du réseau. Ces dispositifs de stockage d'énergie sous 25 forme électrochimique dans des batteries sont toutefois mal adaptés à un nombre important de cycles de charge / décharge, leur durée de vie est limitée, et elles contiennent des composants polluants s'opposant à l'objectif de propreté des éoliennes. 30 Le stockage d'énergie électrique peut également être réalisé par des inductances supraconductrices ou des supercondensateurs. Mais le coût de ces composants est élevé et leur utilisation présente les mêmes inconvénients que les batteries. 10 2944835 -3- Dans tous les cas, la fréquence du courant électrique produit varie en fonction de la vitesse de rotation de la génératrice, ce qui rend impossible le branchement direct sur le réseau, et nécessite une transformation complexe pour obtenir une fréquence compatible avec celle du réseau. En particulier, une technologie à deux génératrices impose un basculement d'une génératrice à l'autre dans l'alimentation du réseau électrique, et donc la nécessité d'adapter régulièrement la fréquence et la phase du courant produit à celle du réseau. Ce problème augmente le prix de l'installation et ne permet pas d'augmenter significativement l'efficacité de l'éolienne. En particulier, les difficultés de stockage de l'énergie électrique ne permettent pas d'exploiter pleinement l'énergie éolienne, lors des périodes où se combinent fort vent et faible consommation électrique. On connaît également un procédé de collecte et stockage d'énergie éolienne d'après le document JP 2005180237 Al. Ce dispositif utilise un compresseur actionné par une éolienne, pour comprimer de l'air dans un accumulateur puis le détendre pour actionner un générateur électrique. Mais outre les difficultés liées au stockage de l'air comprimé, le rendement de ce dispositif reste faible. Le document US 6,023,105 prévoit une pompe à eau actionnée par une éolienne à axe vertical pour prélever de l'eau en aval d'un barrage hydroélectrique, et transporter l'eau en amont dudit barrage. L'énergie potentielle ainsi stockée peut alors ultérieurement être convertie en énergie électrique à travers la turbine et la génératrice du barrage hydro-électrique. Cette solution très efficace nécessite cependant de très lourds investissements et la disponibilité de sites appropriés. Le but de la présente invention est de remédier au moins à une partie des inconvénients précédents, en vue notamment de réduire le coût et/ou la complexité, et/ou améliorer le rendement énergétique et/ou la stabilité en fréquence de la production d'électricité. L'invention propose un procédé de collecte d'énergie à partir d'une source à puissance et vitesse variables telle qu'une hélice d'éolienne, dans une machine de transformation telle qu'une génératrice électrique dont on régule la vitesse de rotation. L'invention se caractérise en ce que l'on utilise une charge inertielle qui 2944835 -4- absorbe de l'énergie excédentaire fournie par la source et/ou fournit un complément énergétique à la machine lorsque l'énergie fournie par la source est insuffisante. Ainsi, on peut collecter des puissances qui dépassent la puissance que l'on 5 est capable de transformer en énergie électrique à un instant donné. L'énergie excédentaire est stockée dans la charge inertielle et pourra servir plus tard à alimenter la machine de production électrique lorsque celle-ci aura besoin d'une puissance mécanique dépassant celle disponible à la source. On obtient ainsi 10 de nombreux effets techniques et avantages. Le rendement de captation de l'énergie disponible à la source est considérablement accru, passant par exemple de 27% dans une éolienne classique à environ 50% avec le procédé selon l'invention. En outre, la machine de production peut continuer à produire normalement lorsque la source n'a pratiquement pas ou pas du tout de puissance (situation d'absence de 15 vent dans le cas d'une éolienne), ce qui réduit considérablement ou même supprime la nécessité de recourir à des moyens de substitution lorsque la source est faible, ainsi que les problèmes de reconnexion de la machine de production avec les consommateurs une fois que la puissance de la source a retrouvé un niveau suffisant. 20 De façon surprenante, il s'est avéré possible de réaliser une charge inertielle capable d'emmagasiner une quantité d'énergie cinétique suffisante pour assurer les fonctions qui viennent d'être décrites, même pour des appareils, tels que des éoliennes, ayant une puissance élevée, par exemple de l'ordre de plusieurs 25 mégawatts. On peut par exemple dimensionner la charge inertielle pour qu'elle soit capable d'emmagasiner une énergie cinétique maximum utilisable correspondant à 24 heures de fonctionnement de la machine de production à pleine puissance. De 30 préférence, on maintient toujours la charge inertielle entre une vitesse de rotation minimale et une vitesse de rotation maximale prédéterminées. L'énergie cinétique maximum utilisable est alors calculée comme la différence entre l'énergie cinétique à la vitesse maximale et celle à la vitesse minimale. La vitesse minimale est de préférence supérieure à la moitié de la vitesse maximale. Par exemple, pour une 2944835 -5- éolienne, on choisit une vitesse maximale de l'ordre de 400 tr/min et une vitesse minimale de l'ordre de 300 tr/min. Il y a de préférence entre la source et la charge inertielle une transmission 5 primaire dont le rapport est de préférence réglable, afin notamment d'améliorer le transfert énergétique de la source vers la charge inertielle. De préférence, le rapport est réglable par variation continue. Pour cela on peut régler le rapport de transmission primaire de façon à faire 10 tendre la vitesse de la source vers une valeur optimisant la puissance captée. Le réglage du rapport de transmission primaire peut se faire en fonction d'au moins un paramètre choisi parmi: énergie de la source, en particulier vitesse du vent, couple transmis entre source et charge inertielle. 15 Plus particulièrement, on peut considérer que la vitesse de la charge inertielle est constante sur un intervalle de temps relativement court. Le réglage du rapport de transmission primaire a ainsi pour fonction de faire tourner le récepteur de la source (l'hélice de l'éolienne) à une vitesse appropriée. On peut par exemple détecter ou lire 20 la vitesse de la charge inertielle, détecter la vitesse du vent au moyen d'un anémomètre, déterminer d'après une table préenregistrée la vitesse optimale de l'hélice pour la vitesse du vent qui à été détectée, et régler le rapport de transmission pour que l'hélice tourne à la vitesse optimale. L'hélice possède une inertie élevée. Si la vitesse réelle de l'hélice est à un moment donné différente de la vitesse optimale, 25 le réglage du rapport de transmission doit varier progressivement pour faire converger la vitesse réelle vers la vitesse optimale. La régulation du rapport de transmission primaire peut également prendre en compte des objectifs additionnels. Par exemple, si la vitesse de la charge inertielle atteint une valeur maximale prédéterminée, on peut régler la vitesse de l'hélice pour que la puissance captée soit 30 égale à celle de l'arbre d'entrée de la machine de production d'électricité. Selon un autre aspect, il y a de préférence entre la charge inertielle et la machine de transformation une transmission secondaire dont le rapport est de préférence réglable. Le réglage donne ainsi la possibilité de réguler la vitesse de 2944835 -6- rotation de la machine de transformation. De préférence, le rapport est réglable par variation continue. Dans un mode de réalisation, le procédé selon l'invention peut être mis en 5 oeuvre dans une unité comprenant un arbre intermédiaire reliable à une charge inertielle, une transmission primaire pour établir une liaison à rapport variable entre la source et l'arbre intermédiaire, et une transmission secondaire pour établir une liaison à rapport variable entre l'arbre intermédiaire et la machine de transformation. 10 Cette unité peut comprendre un capteur mesurant la vitesse de rotation de l'arbre de la machine de production d'électricité, et une boucle de régulation agissant sur le rapport de transmission secondaire entre l'arbre de transmission et la machine afin de maintenir la vitesse de rotation de la machine constante. On peut, en variante, détecter la vitesse de rotation de l'arbre intermédiaire et régler le rapport de 15 transmission secondaire pour que la vitesse de rotation de l'arbre de la machine de production d'électricité ait la valeur fixe désirée. Grâce à l'invention, cette régulation est très fiable car elle opère entre la charge inertielle dont la vitesse ne peut varier que très lentement, et la machine dont 20 la vitesse doit rester constante. Les variations de puissance et de vitesse de la source ne perturbent pas la régulation. L'éolienne selon l'invention permet sur une période déterminée de capter au niveau de l'hélice une quantité plus importante d'énergie que celle absorbée par la 25 machine de transformation. La charge inertielle absorbe dans ce cas l'énergie excédentaire fournie par l'hélice. A l'inverse, la charge inertielle peut fournir un complément énergétique à la machine lorsque l'énergie fournie par l'hélice est insuffisante, en particulier inférieure à la charge subie par la machine de transformation. 30 De préférence l'axe de rotation de la charge inertielle est vertical. Lorsque l'éolienne comprend un dispositif d'orientation de la nacelle par pivotement relativement au mât, afin d'orienter l'hélice relativement au vent, l'axe de rotation de la charge inertielle peut coïncider avec l'axe de pivotement de la nacelle. 2944835 -7- Dans un mode de réalisation, l'élément inertiel est situé en dessous de la nacelle, en particulier à la base du mât, ou dans le sol sous le mât. 5 L'éolienne peut comprendre des moyens pour éliminer ou compenser un couple de réaction s'exerçant sur la nacelle autour de son axe de pivotement en raison de l'entraînement de l'arbre vertical de la charge inertielle par l'arbre horizontal de l'hélice. Ce couple peut notamment se manifester lorsque la nacelle est en cours de réorientation autour de son axe de pivotement. Selon le sens de 10 pivotement de la nacelle, l'hélice va tourner plus vite ou plus lentement pendant le pivotement, ce qui est indésirable. Pour éviter cela, on peut faire varier le rapport de transmission primaire pendant le pivotement de la nacelle, pour que la vitesse de rotation de l'hélice reste 15 sensiblement constante pendant ce pivotement. Dans un mode de réalisation de l'éolienne, la machine de transformation est placée à la base du mât, et entraînée de préférence par l'arbre d'entraînement vertical de la charge inertielle qui sert en même temps d'arbre de transmission entre 20 la nacelle et la machine. Ainsi placée à la base du mât, la machine est fixe au lieu de pivoter avec la nacelle. Ceci supprime la nécessité d'installer la génératrice en haut du mât, supprime la liaison électrique déformable (câbles déformables) partant de la nacelle pour amener au sol le courant électrique produit, facilite l'accès à la génératrice pour sa maintenance, allège la nacelle ainsi que les charges supportées 25 par le mât, réduit la taille de la nacelle et donc sa prise au vent. Dans un mode de réalisation, l'éolienne est munie d'un système de communication permettant par exemple de communiquer avec un centre de gestion, en particulier pour émettre un préavis de coupure lorsque la durée de 30 fonctionnement avant arrêt de la machine de production d'électricité, estimée par mesure de la vitesse de rotation de la charge inertielle, descend sous une valeur seuil. Grâce à l'invention, le passage de la vitesse de rotation de la charge inertielle sous la valeur de seuil permet de prévoir et d'organiser en temps utile le recours à une fourniture électrique de substitution, par exemple le réseau électrique public. Typiquement l'éolienne comprend, entre l'hélice et la machine de transformation, une transmission primaire et une transmission secondaire en série, la charge inertielle étant accouplée avec la sortie de la transmission primaire et l'entrée de la transmission secondaire. Vu de l'extérieur, la forme générale de l'éolienne faisant l'objet de la présente invention est la même qu'une éolienne classique, mais avec une nacelle plus compacte. L'illustration de la figure 1 montre une vue générale de l'installation avec ses principaux éléments constitutifs que sont une hélice (1), une nacelle (2), un mat (3) et des fondations (8). 15 Un volant d'inertie (6) est placé au niveau des fondations (8) de l'éolienne dans une enceinte en béton. La nacelle (2) est réduite à une taille minimale du fait qu'elle ne contienne que l'arbre lent (10) du rotor et un boitier transfert conique. Un arbre vertical (4) transfert la rotation du rotor jusqu'à un premier variateur continu de vitesse (5) installé au niveau du sol. La sortie de ce variateur entraine au moins un volant d'inertie (6) afin de stocker l'énergie captée par l'hélice (1). 25 Une génératrice principale (7), elle aussi placée au niveau du sol produit un courant électrique stable, en puisant dans l'énergie stockée dans le volant d'inertie (6) par l'intermédiaire d'un second variateur continu de vitesse (25). L'invention utilise des pales d'hélices (1) ainsi qu'un support d'hélice 30 d'éolienne standard. L'invention est équipé d'hélices renforcées par rapport à une éolienne standard de taille similaire afin de pouvoir exploiter une vitesse de référence de vent plus élevé (cela permet de capter une part plus importante de l'énergie éolienne). 20 2944835 -9- L'arbre lent (10), placé dans la nacelle (2) et qui transfert l'énergie capter par l'hélice au reste du système, est lui aussi un arbre standard. Un boitier de transfert à pignons coniques est installé au niveau de.la nacelle 5 (2). Celui-ci permet de transférer l'énergie de l'arbre lent (10) vers un arbre de transfert vertical (4) situé dans le mat (3) de l'éolienne. L'arbre de transfert vertical (4) est réalise en matériau composite, comme les pales par exemple, et tourne relativement lentement. Le couple appliqué sur l'arbre 10 lent (10) étant très élevé, il est possible de le réduire légèrement sur l'arbre de transfert vertical (4) en augmentant sa vitesse de rotation par l'intermédiaire d'un rapport de multiplication de vitesse adapté au niveau du boitier de transfert conique La connexion entre le boitier de transfert conique et l'arbre de transmission vertical (4) est réalisée à l'aide d'un accouplement flexible (17). De plus il est possible d'y placer un amortisseur dynamique afin de réduire les vibrations transmises à l'arbre de transmission vertical (4) et au reste du système. L'arbre de transfert vertical (4) est constitué de plusieurs modules (15) d'environ 10 m de long chacun. Le fait d'utiliser des modules (15) court permet d'adapter la longueur totale de l'arbre de transfert vertical (4) à différentes hauteur de mat (3). Ces modules (15) sont connectés entre eux à l'aide d'accouplements flexibles (17) afin d'évité tous problèmes dus à des éventuels défauts d'alignements lors de la fabrication des pièces. Chacun des modules (15) est monté, au niveau des accouplements flexibles (17), sur un roulement à billes dont le palier (16) est fixé au mat de l'éolienne. Cela permet de réduire les éventuelles vibrations dans le système, et permet à chaque section d'arbre (15) d'être supporté sur son propre palier (16). Ainsi chaque roulement à billes ne supporte le poids que d'une seule section d'arbre (15). Le système d'orientation de la nacelle (3) est situé à l'intérieur de celle-ci. Il est constitué d'un frein à disque (12) et d'un étrier de frein (13) implanté entre la nacelle (2) et le mat (3) de l'éolienne. Le couple du rotor étant transféré au niveau du 2944835 -10- sol au travers du transfert conique, il est nécessaire de lier de manière rigide la nacelle (2) au mat (3). S'il n'y avait pas un tel système de blocage, c'est la nacelle (2) qui tournerait 5 autour du mat (3) sans transférer le moindre couple aux systèmes placés au niveau du sol. Ce phénomène peut alors être exploité pour orienter la nacelle (2) dans la direction du vent dominant. Pour ce faire il suffit de relâcher l'effort de serrage de l'étrier de frein (13), et en contrôlant les vitesses différentielles entre le rotor et l'arbre de transferts vertical (4) par l'intermédiaire du premier variateur de vitesse (5), la 10 nacelle (2) va tourner dans un sens ou dans l'autre Lorsque la nacelle (2) atteint la position souhaitée, l'effort de serrage est de nouveau appliqué sur l'étrier de frein (13) pour figer la position de la nacelle (2). Des dents situées sur le diamètre extérieur du disque de frein (12) (ou sur tout autre 15 élément lié au disque) sont utilisés, en combinaison avec un système d'indexage, pour bloqué mécaniquement la position de la nacelle (2). Ce système d'indexage est utilisé comme sécurité en cas de défaillance du système d'orientation de la nacelle (2), et cela permet aussi de pouvoir relâcher l'effort de serrage appliqué à l'étrier de frein (13) lorsqu'il n'est pas nécessaire de déplacer la nacelle (2). Cela contribue à 20 une réduction de la consommation de puissance générale des tous les accessoires de l'éolienne. Les principaux éléments du système constituant la présente invention sont situés au niveau du sol ou du sous sol. 25 Le fait d'installer la génératrice principale (7) au niveau du sol facilite considérablement la maintenance de celle-ci ainsi que la connexion au réseau électrique. II est possible, comme représenté sur la figure 1, d'implanter un local directement à la base du mat (3), pour y installer la génératrice (5) et les différents 30 systèmes de contrôle. La figue 5 montre plus en détails les éléments principaux du système. On peut y voir l'arbre de transmission vertical (4), connecté à l'entrée du premier variateur de vitesse (5) monté verticalement. 2944835 -11- L'arbre de sortie de ce premier variateur (5) est connecté à au moins un volant d'inertie (6) ainsi qu'a l'entrée du second variateur de vitesse (25) par l'intermédiaire d'un transfert conique. 5 Finalement, la sortie du second variateur de vitesse (25) est connectée à la génératrice principale (7) qui est alors entrainée à vitesse constante. Revendications1 û Dispositif de captation et de régulation de l'énergie éolienne, comprenant une hélice (1) montée sur une nacelle (2) située en haut d'un mat (3), un arbre de transmission vertical (4), au moins un variateur continu de vitesse (5) et au moins un dispositif de stockage inertiel d'énergie (6) placé dans les fondations (8) du dispositif, caractérisé par des moyens pour orienter la nacelle (2) et pour transférer la puissance captée de l'hélice (1) jusqu'à une générative (7) reliée au réseau électrique. 2 û Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système d'orientation de la nacelle (2) fonctionne par une gestion spécifique des couples en entrée (10) et en sortie (11) à l'aide d'un variateur continu de vitesse (5). 3 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le système d'orientation est constitué d'un disque de frein (12) lié à la nacelle (2) et d'un étrier de frein (13) lié au mat (3). 20 4 û Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le système d'orientation est épaulé par un système d'indexage (14) permettant de figer la position de la nacelle (2) une fois orientée. 5 û Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système est constitué 25 d'un arbre de transmission vertical (4) réaliser en plusieurs section (15) de même longueurs 6 û Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque section (15) de l'arbre de transmission vertical (4) est montée sur un palier à roulement à billes (16). 2944835 - 13 - 7 ù Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce chaque palier (16) est fixé de manière rigide au mat (3) de l'éolienne. 5 8 ù Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'une des sections (5) de l'arbre de transmission vertical (4) est connectée à une autre section (5) par l'intermédiaire d'un accouplement flexible (17) 9 ù Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la génératrice principale 10 (7) de production d'électricité est placée au niveau du sol