Brevet FR2945587A1 — publié le 20101119

-1- La présente invention se situe dans le domaine de l'utilisation de l'énergie éolienne pour le chauffage autonome des bâtiments. Elle se veut à la portée de réalisation de petits ateliers de mécanique générale. Elle s'adresse plus particulièrement à la conception de bâtiments communautaires situés dans des villages isolés. L'utilisation de l'énergie éolienne pour le chauffage des bâtiments bien que très rare, a déjà été tentée dans l'histoire, sans beaucoup de succès. Pour des raisons pratiques, elle passe souvent par l'intermédiaire d'une génératrice électrique et d'une résistance chauffante, ce qui est une aberration économique 0 et thermodynamique. Le point de départ de cette invention se trouve dans l'expérience de Joule en 1843 qui a chiffré l'équivalence entre le travail et la chaleur en utilisant un calorimètre dans lequel un brasseur d'eau était entraîné par des poids qui chutaient et effectuaient un travail accessible à la mesure. Dans la présente application le travail est apporté par une éolienne de grande taille, et la chaleur générée dans le brasseur est utilisée pour le chauffage d'un bâtiment construit autour du calorimètre géant. La présente invention se base largement sur la théorie des éoliennes, développée initialement par Betz et Schmitz au début des années 1900. La 2 0 plupart des études récentes sur l'énergie éolienne se font dans le domaine de la production d'électricité à usage industriel ou individuel. Leur problématique est spécifique aux grandes vitesses de rotation des génératrices pour le raccordement au réseau électrique. Ces éoliennes sont conçues pour une plage de vitesses de vent caractéristiques du lieu où elles sont installées. Au dessus de la 25 vitesse de vent nominale, dans un premier temps la puissance récupérée plafonne et l'excès d'énergie potentielle de vent est perdue, dans un deuxième temps au dessus d'une certaine vitesse limite le calage dynamique des pales arrive en bout de course et la vitesse de rotation de la génératrice devient excessive, ce qui oblige à la déconnecter du réseau. 3 0 La présente application revendique une utilisation plus large du gisement éolien du lieu. Elle est basée sur la chaleur générée par les frottements d'un frein hydraulique (le brasseur d'eau) entraîné par une éolienne multipale d'environ 5 mètres de diamètre, à fort couple moteur. 2945587 -2- L'énergie ainsi générée n'est pas une énergie noble et multi-usage comme l'électricité. Elle est directement utilisable, et les températures obtenues sont du même ordre de grandeur que celles souhaitées pour le chauffage d'un bâtiment. Il n'y a donc pas d'exergie. S Dans la plupart des lieux géographiques tempérés, les apports de chaleur éolien et solaire peuvent être rendus suffisants par un bon dimensionnement des capteurs, pour assurer les besoins globaux annuels de chauffage d'un bâtiment. La viabilité du système dépend alors seulement du dimensionnement soigné du volume d'eau de stockage et de son isolation thermique, pour qu'il soit suffisant à 'f 0 une autonomie de chauffage tout au long de l'année. La contribution de l'énergie solaire via des panneaux thermiques est classique et ne sera pas décrite ici. La participation de l'énergie éolienne, qui est très complémentaire de la première, surtout en hiver, fait l'objet de cette demande de brevet. Des dimensionnements préliminaires ont été réalisés pour un bâtiment de '15 3000m3 doté d'une isolation de 0,5 W/m3/°C dans le bassin parisien, ou de 0,8 W/m3/°C en région Toulonnaise. Une masse de stockage de 500 m3 d'eau correspondant à une masse calorifique totale de 30.000 kWh est dissimulée dans le sous-sol du bâtiment. 80 m2 de panneaux solaires thermiques sont intégrés dans la toiture et une éolienne multipale de 5m de diamètre surmonte le bâtiment. 20 Dans ces conditions, on obtient une autonomie totale de chauffage en région Toulonnaise et de 70% en région parisienne. L'éolien participe environ pour 10% des apports annuels dans les 2 régions. En décembre la proportion d'éolien par rapport au solaire est de 33% en région parisienne et de 21% en région Toulonnaise. Ces chiffres seraient sans doute encore plus favorables à l'éolien 25 dans des régions nordiques en bordure de la mer, où les vents sont très forts tout au long de l'année et l'ensoleillement très réduit. Toute éolienne est conçue pour que son rendement soit optimum pour un point de fonctionnement bien précis. L'angle d'attaque du profil des pales par le 30 vent n'est optimal que pour une vitesse de rotation bien déterminée, car en fait c'est l'angle d'attaque du vent � apparent � qui importe. Le vent � apparent � est l'addition vectorielle entre le vent réel et le vent relatif généré par la rotation propre de l'éolienne. 2945587 -3- Dans la théorie des éoliennes, on se réfère toujours à la vitesse spécifique 1 = U/V , rapport entre la vitesse linéaire de l'extrémité des pales et la vitesse du vent incident. Le rendement d'une éolienne considérée n'est optimum que lorsque ce rapport U/V instantané est égal au rapport U/V théorique pour lequel l'éolienne a 5 été conçue (ID). Cette valeur est caractéristique du nombre de pales, de leur profil aérodynamique et de leur angle de calage statique en fonction de la distance au moyeu (vrillage). Les éoliennes multipales � lentes � par exemple, sont conçues pour que leur rapport U/V optimum soit environ égal à ID =1. Ces éoliennes requièrent un ~l p nombre important de pales et sont caractérisées par un très fort couple au démarrage et à faible vitesse. L'objet de cette invention est donc d'asservir le couple résistant appliqué sur l'arbre moteur d'une éolienne multipale, par l'ajustement en temps réel du niveau d'eau dans le brasseur, pour la forcer à tourner une vitesse telle que le rapport .15 U/V instantané soit constamment optimum (égal à Xo ), quelle que soit la vitesse de vent incident. Comme le couple résistant est exercé par le frein hydraulique qui génère la chaleur, on peut être sûr d'y récupérer toute la puissance récupérable, d'autant plus que l'éolienne travaille toujours avec son rendement maximum. 20 L'objet de cette demande de brevet réside dans le concept d'asservissement automatique du couple résistant, et dans le dispositif mis en place pour l'implémenter. Le brasseur est installé dans la partie supérieure d'un réservoir vertical partiellement rempli d'eau, constitué d'un cylindre de section octogonale 25 d'environ 3m de diamètre sur 10m de haut (10), très soigneusement isolé par l'extérieur (12). Ce réservoir de béton sert également de structure portante au bâtiment qui est construit tout autour. Le pylône de l'éolienne est érigé au-dessus de ce réservoir. Une plateforme rotative motorisée (22), du type de celles que l'on 30 trouve au sommet des grues de chantier, permet d'orienter l'éolienne face au vent par recopie du signal d'une girouette, ou de l'orienter dans le lit du vent en cas de forte tempête. Un renvoi d'angle à 90° permet de transmettre la rotation de l'axe horizontal vers le brasseur situé à la verticale, dans le réservoir. On utilisera pour cela un pont 2945587 -4- différentiel arrière de voiture tous-terrains de type 4x4 (21). L'éolienne sera montée sur l'un des moyeux (23). Le frein de l'autre moyeu (24) sera bloqué de façon à ce que tout le mouvement soit transmis verticalement. Deux cardans (15) aux extrémités de l'arbre de transmission permettent de corriger les légers défauts 5 d'alignement des axes du pont et du brasseur. Un silent-bloc constitué d'un bloc de caoutchouc massif (20) est inséré sur l'arbre vertical. Il permet d'absorber les à-coups occasionnés par les rafales de vent, et d'augmenter la résistance électrique à la terre pour améliorer l'efficacité du parafoudre. -1 D Le brasseur est complètement intégré dans une cage métallique autonome (1) maintenue contre les parois octogonales internes du réservoir par des coussins gonflables à haute pression (2). La forme octogonale de la section est optimale pour assurer le blocage efficace du brasseur soumis à un très fort couple moteur de la part de l'éolienne. Un cloisonnement horizontal étanche (3) partage la cage en deux. La partie supérieure contient le brasseur lui-même, constitué de pales mobiles (6) directement entraînées par l'axe vertical de l'éolienne et de contre-pales fixes (7) solidaires de la cage, qui créent les turbulences favorables au réchauffement de l'eau. Les parties supérieure et inférieure communiquent grâce à une vis ZO d'archimède carénée (8) et à une électrovanne (4 + 5). La partie inférieure de la vis d'archimède est toujours immergée dans l'eau du réservoir principal, et son axe est lui aussi entraîné par l'éolienne par l'intermédiaire d'un jeu de pignons solidarisés par une chaîne de vélo (9) ou tout autre système d'engrenages mécaniques. Le �pas� de la vis est suffisamment 25 faible par rapport à son diamètre, pour permettre l'élévation de l'eau sur une hauteur d'environ 2m. La vitesse de rotation de la vis d'archimède est supérieure à celle de l'éolienne. Elle est déduite de la vitesse de rotation de l'éolienne par le rapport de multiplication des pignons déterminé à la conception du système. Un débit modéré de quelques litres par seconde est suffisant. La connaissance de la 30 valeur exacte du débit n'est pas critique pour la conception du système. La cage métallique supporte de façon très rigide les paliers à roulement à billes des divers axes de rotation (rotor du brasseur, vis d'archimède). Ces roulements devront être du type � étanches à l'eau �. Les éléments constitutifs de la cage sont soudés entre eux, sauf ceux situé sur un des quatre côtés qui sont 2945587 -5- eux, boulonnés et donc démontables pour permettre l'accès au rotor dans le cadre de sa maintenance éventuelle. La cage métallique devra être protégée contre la rouille par une galvanisation soignée, suivie du dépôt d'une peinture adéquate. 5 Le cloisonnement horizontal prend appui sur un léger épaulement interne du réservoir de béton. L'étanchéité n'a pas besoin d'être parfaite. Les coussins gonflables (au nombre de douze - trois sur chacun des 4 côtés de la cage) permettent une dépose ultérieure aisée de l'ensemble du brasseur pour sa maintenance, par simple dégonflage, et extraction par l'ouverture supérieure '10 du réservoir, celle-ci communicant directement avec l'extérieur du bâtiment (voir figure 7). Un � chapeau chinois � (14) métallique est fixé sur l'axe pour empêcher le ruissellement de l'eau de pluie sur l'axe de transmission de l'éolienne, dans le réservoir. Il vient en recouvrement sur le couvercle isolant (13). Les tuyaux de gonflage sont remontés à un niveau supérieur facilement '15 accessible pour la mise en place initiale, le réglage de l'alignement de l'axe du brasseur avec celui de l'éolienne, et la vérification de la pression des coussins dans le cadre de la maintenance annuelle. En plus de la massivité de la structure en béton, et de l'épaisse isolation thermique (et donc phonique) du réservoir, le maintien en place de la cage par 20 coussins gonflables participe à la réduction du bruit de fonctionnement du brasseur transmis à la structure du bâtiment et qui aurait pu être gênant pour les occupants des lieux. Alternativement, les coussins peuvent être remplacés par des vérins à vis munis de patins en caoutchouc, avec l'inconvénient des vibrations transmises au 25 bâtiment, mais l'avantage d'un réglage aisé et définitif de l'alignement des axes, et d'un prix de revient inférieur. La partie supérieure est vide d'eau au démarrage de l'éolienne. Ce démarrage peut donc s'effectuer pour de très faibles vents. Quand une certaine vitesse est établie, la vis d'archimède s'amorce et de l'eau est remontée dans le 30 compartiment supérieur contenant le brasseur. Le brassage qui en résulte génère de la chaleur. Quand l'eau atteint une certaine hauteur dans le brasseur, le couple résistant est tel que l'éolienne tourne à sa vitesse optimum pour la vitesse de vent actuelle (U/V optimum de conception de l'éolienne). Un petit circuit électronique (19) détecte cet état optimum et vient commander l'électrovanne 2945587 -6- qui va s'ouvrir d'un angle tel qu'il va faire retourner dans le réservoir inférieur un débit d'eau égal au débit d'eau instantané de la vis d'archimède, et l'équilibre optimum se maintient ainsi. Si la vitesse du vent augmente, l'électrovanne va légèrement se refermer 5 jusqu'à ce que le niveau d'eau dans le brasseur croisse pour atteindre la nouvelle valeur d'équilibre optimum. Le circuit électronique reçoit en entrée les signaux électriques d'un anémomètre (16) et d'un compte-tours (17) fixé sur l'axe de l'éolienne. Ces signaux sont traités par deux circuits électroniques intégrateurs (18) pour filtrer et 0 moyenner les variations rapides sur quelques secondes, ceci afin d'éviter des phénomènes d'oscillation du système. Le signal résultant de l'association des 2 signaux d'entrée est traité pour qu'il soit représentatif du rapport U/V instantané de l'éolienne, et qu'il s'inscrive dans une échelle linéaire. Il suffit alors de comparer ce signal résultant à une consigne électrique qui représente la valeur optimum lD '15 du rapport U/V dans cette même échelle, et de commander le moteur pas-à-pas de l'électrovanne de façon à augmenter ou réduire son angle d'ouverture en vue d'annuler le signal différentiel précédent (positif ou négatif). Le circuit électronique est conçu pour qu'en l'absence de vent, ou pour un vent très faible, l'intensité du signal électrique de l'anémomètre soit en dessous 20 d'un seuil réglable, et que ceci se traduise par l'ouverture complète de l'électrovanne. Dès l'apparition d'un signal suffisant en sortie de l'anémomètre, le circuit ferme complètement l'électrovanne jusqu'à ce que la régulation décrite précédemment se déclenche (au moment où le signal différentiel vo devenir positif). 2S Un simple tube à débordement (Il), débouchant au niveau haut de la cuve de brassage et traversant la paroi horizontale intermédiaire, pallie à une panne éventuelle de l'électrovanne en position fermée. Son diamètre est tel qu'il autorise un débit égal au débit maximum de la vis d'archimède pour un vent maximal. 3o Comme on peut le voir sur la figure 5, cette électrovanne hydraulique du brasseur sera constituée sur-mesure. Un premier tube cylindrique traverse légèrement la cloison intermédiaire de la cage du brasseur, hors d'atteinte des pales mobiles. Il y est fixé verticalement par l'intermédiaire d'une bride soudée sur le tube et boulonnée sur la face inférieure de la cloison . Sa hauteur est environ 2945587 -7- égale à celle de la cuve supérieure. La paroi du cylindre est percée d'ouvertures de formes appropriées sur sa surface. Ce tube est recouvert d'un autre tube de diamètre très légèrement supérieur, de manière à ce qu'ils puissent coulisser l'un dans l'autre de façon plus ou moins 5 étanche. Ce deuxième tube est lui aussi percé d'ouvertures sur sa surface. Il est entraîné en rotation par un moteur électrique � pas-à-pas � (5), commandé par le circuit électronique décrit plus haut. Au départ les ouvertures ne se correspondent pas et la vanne est fermée et (relativement) étanche. Quand le niveau d'eau adéquat de la cuve supérieure '10 est atteint, le circuit électronique actionne le moteur, et les ouvertures entrent progressivement en correspondance. L'eau s'écoule alors dans la cuve inférieure. La forme des ouvertures est un compromis entre la rigidité des tubes et le débit recherché. La surface d'ouverture doit être continûment proportionnelle à l'angle de commande du moteur pas-à-pas. -15 Les deux tubes seront en aluminium, enduits d'une graisse insoluble dans l'eau. L'étanchéité parfaite n'est pas nécessaire pour le fonctionnement. Le moteur pas-à-pas est situé hors-eau. Alternativement, cette électrovanne artisanale pourrait être remplacée par une vanne-iris motorisée, du commerce. Elle sera probablement beaucoup plus 20 chère. Optionnellement, une génératrice électrique (25) peut être montée sur le deuxième moyeu (24) du pont différentiel en haut du pylône, à travers un jeu d'engrenages multiplicateur. Dans ce cas le frein correspondant est desserré. Par contre un frein supplémentaire (26) doit être inséré sur l'arbre vertical qui descend .25 vers le brasseur, pour que tout le mouvement soit transmis horizontalement d'un bras à l'autre du pont différentiel. Ce mode de fonctionnement pourrait être utilisé en été, à la demande, quand les besoins en recharge du stockage de chaleur auront été atteints. Cette invention est pratiquement applicable à des bâtiments de taille 30 moyenne, suffisamment compacts pour pouvoir s'organiser autour du noyau central chauffant. Pour des raisons économiques, ce type d'installation sera sans doute réservé à des lieux isolés où l'énergie de masse est indisponible ou chère, où le climat est rigoureux en hiver et qui possèdent un gisement éolien suffisant tout au long de l'année. On peut penser tout d'abord à des écoles ou à des 2945587 -8- salles de réunion communautaires villageoises dans des pays continentaux en voie de développement. Une application marginale pourrait aussi être envisagée pour des refuges en haute montagne ou pour des stations polaires scientifiques. Les figures annexées ci-après illustrent l'invention : 5 La figure n°1 représente le brasseur d'eau en fonctionnement (pour rendre le dessin plus lisible, la cage métallique n'a pas été représentée, et le réservoir principal est représenté avec une section circulaire au lieu de sa section octogonale réelle. Le réservoir actuel est beaucoup plus profond que ne l'indique la figure). La figure n°2 représente la cage métallique qui contient le brasseur (pour rendre le dessin plus lisible, les pales mobiles et fixes du brasseur ne sont pas représentées. Les coussins gonflables ne sont représentés que sur deux des quatre côtés de la cage) La figure n°3 est une vue de dessus du réservoir montrant le brasseur en place '15 La figure n°4 est un schéma de principe du circuit électronique de régulation La figure n°5 est un schéma de principe de l'électrovanne La figure n°6 montre les organes de transmission entre l'éolienne et le brasseur La figure n°7 montre l'accès au réservoir par l'extérieur du bâtiment REVENDICATIONS1) Dispositif permettant l'optimisation dynamique du couplage entre une éolienne multipale et un brasseur d'eau pour le chauffage d'un bâtiment, caractérisé en ce qu'il comporte un réservoir principal en béton, un brasseur d'eau constitué de pales mobiles et de contre-pales fixes, situé dans un compartiment étanche en partie supérieure du réservoir et dans lequel le niveau d'eau est régulé de façon à ce que la vitesse spécifique X=U/V de l'éolienne soit constamment égale à sa valeur optimale de conception 20, quelle que soit la vitesse du vent incident. La régulation est assurée par une vis d'archimède carénée dans un tube (8) et une électrovanne commandée par un circuit électronique (19). Le démarrage de A0 l'éolienne est facilité par le fait que le brasseur est vide d'eau initialement. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrovanne est constituée de deux cylindres de diamètres très légèrement différents, enduits d'une graisse insoluble dans l'eau et coulissant l'un dans l'autre en rotation. Le cylindre intérieur est fixé verticalement par une bride sur la cloison intermédiaire S (3) qu'il traverse légèrement, et débouche donc dans le réservoir d'eau inférieur. Le cylindre extérieur (4) repose sur la cloison intermédiaire (3). Il est entraîné en rotation par un moteur électrique � pas-à-pas � (5) commandé par un circuit électronique (19). Les deux cylindres ont une hauteur à peu près égale à la hauteur de la cuve supérieure du brasseur. L'un et l'autre sont percés C0 d'ouvertures de formes spécifiques. La surface cumulée des ouvertures en correspondance est continûment proportionnelle à l'angle d'ouverture communiqué par le moteur � pas-à-pas �. 3) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par une cage métallique (1) autonome et facilement déposable pour sa maintenance, qui intègre et maintient fermement en place tous les organes du brasseur et tous les roulements à billes associés. Les pales fixes du brasseur sont fixées sur le cadre, ce qui renforce encore sa rigidité. Ce cadre intègre la cloison horizontale intermédiaire étanche (3) qui s'appuie sur un épaulement intérieur du réservoir de béton. Les éléments constitutifs de la cage sont soudés entre eux, sauf ceux situés sur un des côtés, qui 3o sont eux boulonnés et donc démontables pour permettre l'accès au rotor dans le cadre de sa maintenance éventuelle. 4) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par une vis d'archimède carénée dans un tube cylindrique de diamètre légèrement supérieur (8) à celui 2945587 - 10 - de la vis. La vis est entraînée par l'éolienne par l'intermédiaire de pignons et d'une chaîne de transmission (9). Le �pas� de la vis est suffisamment faible par rapport à son diamètre pour permettre l'élévation de quelques litres d'eau par seconde, sur une hauteur d'environ 2m. 5 5) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par des coussins gonflables à haute pression qui maintiennent fermement en place la cage du brasseur, sans que les vibrations soient transmises à la structure du bâtiment. Par dégonflage, ces coussins permettent une dépose aisée du brasseur pour sa maintenance. Douze coussins sont implémentés, trois sur chacun des quatre côtés de la cage. Les 40 tuyaux de gonflage sont remontés à un niveau supérieur facilement accessible pour la mise en place initiale, le réglage de l'alignement de l'axe du brasseur avec celui de l'éolienne, et la vérification de la pression des coussins dans le cadre de la maintenance annuelle. 6) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit électronique (19) qui élabore un signal électrique caractéristique du rapport ? =U/V instantané, à partir des signaux électriques délivrés par un anémomètre (16) et un compte-tours (17), puis le calibre sur une échelle linéaire. II compare ensuite le résultat à une valeur de consigne représentative du XD optimum de l'éolienne dans la même échelle. Le signal � différence �, positif ou 20 négatif, est utilisé pour élaborer un signal de commande de l'électrovanne (5), qui va augmenter ou réduire son angle d'ouverture en vue d'annuler cette différence. Les signaux d'entrée de l'anémomètre et du compte-tours sont intégrés et moyennés sur quelques secondes par des circuits intégrateurs (18), afin d'éviter les oscillations du système. S Le circuit électronique est conçu pour qu'en l'absence de vent, ou pour un vent très faible, l'intensité du signal électrique de l'anémomètre soit en dessous d'un seuil réglable, et que ceci se traduise par l'ouverture complète de l'électrovanne. Dès l'apparition d'un signal suffisant en sortie de l'anémomètre, le circuit ferme complètement l'électrovanne jusqu'à ce que la régulation décrite 3o précédemment se déclenche.