Brevet FR2962498A1 — publié le 20120113

Aérogénérateur à axe horizontal, comprenant un automate pour piloter un effacement progressif de la nacelle en fonction de la vitesse du vent. L'invention concerne la conception et la fabrication des aérogénérateurs. Plus précisément, l'invention concerne un aérogénérateur de type à axe horizontal, comprenant une génératrice montée de façon à pouvoir pivoter sur un mât autour d'un axe vertical de façon à pouvoir adapter l'orientation de la nacelle. Un aérogénérateur est une éolienne transformant l'énergie cinétique du vent en énergie électrique. Un aérogénérateur comprend : - un mât permettant de placer la génératrice à une hauteur suffisante pour permettre son mouvement (ce qui s'avère nécessaire en particulier pour les éoliennes à axe horizontal) et/ou placer le rotor de cette génératrice à une hauteur lui permettant d'être entraîné par un vent plus fort et régulier, par comparaison au vent soufflant au niveau du sol ; une génératrice composée d'un rotor et d'un stator : le stator est solidaire de la nacelle et le rotor est entraîné directement par les pâles sous l'action du vent ; une nacelle montée au sommet du mât, accueillant la génératrice. Les éoliennes (ou aérogénérateurs) sont généralement classées en deux catégories, à savoir : les éoliennes ou aérogénérateurs à axe horizontal ; les éoliennes ou aérogénérateurs à axe vertical. Par ailleurs, les aérogénérateurs sont classifiés en fonction de leur capacité de production d'électricité, ceci en trois catégories : le « petit éolien », dont la puissance est comprise entre 5 kW et 35 kW; 20 25 les aérogénérateurs de puissance moyenne, comprise entre 36 kW et1MW; les aérogénérateurs de grande puissance, supérieure à 1MW. L'invention concerne les aérogénérateurs à axe horizontal, et en particulier, mais non exclusivement, les aérogénérateurs classés dans le « petit éolien ». Dans le domaine de l'invention, il est connu que l'efficacité d'un aérogénérateur dépend en grande partie de son emplacement. En effet, la puissance fournie augmente avec la puissance du vent. C'est pourquoi les sites éoliens sont choisis pour la fréquence et la vitesse des vents présents. Toutefois, les vents ne sont évidemment pas constants ; il est même possible de constater des turbulences qui peuvent être importantes. Lors du fonctionnement d'un aérogénérateur, on cherche à obtenir une production d'électricité régulière et, par ailleurs, à éviter de faire subir à l'éolienne des contraintes excessives en cas de vent très fort. Ceci implique : un arrêt du rotor en cas de vent excessif ; une régulation de la vitesse du rotor. Actuellement, différentes solutions existent pour exercer une régulation aérodynamique sur les pâles. Selon une technique connue, on modifie l'orientation des pâles sur les moyeux pour modifier la prise au vent des pâles et, par conséquent, l'énergie récupérée par l'aérogénérateur. De plus, cette technique permet d'arrêter l'aérogénérateur afin de le protéger d'éventuels vents violents, ceci en plaçant les pâles en drapeau. Selon une autre technique connue, on met en oeuvre des volets (autrement désignés par « aérofreins » ou « flaps ») montés pivotants sur les pâles, et s'ouvrant automatiquement si la vitesse du vent devient excessive, de façon à ralentir les pâles ou diminuer leur portance en provoquant un décrochage aérodynamique. Selon encore une autre technique connue, essentiellement mise en oeuvre dans le domaine « petit éolien », un système de safran est monté sur l'aérogénérateur et la nacelle est montée de façon à pouvoir pivoter autour d'un axe vertical sur le mât, de telle sorte que, en cas de vent excessif, la poussée du vent sur le safran entraîne un pivotement de la nacelle 90°, ce qui se traduit par un arrêt du rotor. L'inconvénient de cette technique est que l'effacement complet de la nacelle par rapport au vent s'effectue généralement pour un vent de l'ordre de 60 km/h, ce qui limite considérablement la plage de fonctionnement de tels aérogénérateurs. Selon encore une autre technique, on met en oeuvre un système de freinage de type frein à disque. Ce type de solution génère de l'usure de plaquettes et induit une maintenance régulière et des coûts d'intervention. L'invention a notamment pour objectif de pallier les inconvénients de l'art antérieur. Plus précisément, l'invention a pour objectif de proposer un aérogénérateur à axe horizontal qui permette une production d'électricité optimisée. En ce sens, un objectif de l'invention est de proposer un tel aérogénérateur qui permette une production optimisée y compris avec des vents plus forts que ceux tolérés par les aérogénérateurs de l'art antérieur. L'invention a aussi pour objectif de fournir un tel aérogénérateur qui conserve les fonctionnalités existantes, notamment en ce qui concerne la sécurisation de l'aérogénérateur en cas de vent excessif. Un autre objectif de l'invention est de fournir un tel aérogénérateur qui soit particulièrement dédié au domaine du « petit éolien ». Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints grâce à l'invention qui a pour objet un aérogénérateur du type à axe horizontal, comprenant un mât et une nacelle portée par le mât, la nacelle accueillant une génératrice et étant apte à pivoter sur le mat autour d'un axe vertical entre une position de production maximale et une position d'effacement total, de façon à pouvoir occuper différentes orientations par rapport à la direction du vent, caractérisé en ce qu'il comprend : des moyens de mesure de la vitesse de rotation de la génératrice ; des moyens d'entraînement motorisés destinés à entraîner un pivotement de la nacelle sur le mat autour d'un axe vertical ; au moins un automate relié auxdits moyens de mesure et auxdits moyens d'entraînement, et paramétré pour amener ladite nacelle en une position intermédiaire entre ladite position de production maximale et la position d'effacement total, pour maintenir la vitesse de rotation de la génératrice en deçà d'une vitesse de rotation maximale prédéterminée. Ainsi, grâce à l'invention, on obtient un aérogénérateur dont la conception permet d'envisager une production d'électricité optimale, en 15 particulier dans le cas des aérogénérateurs du « petit éolien ». En effet, un tel aérogénérateur est conçu pour présenter un effacement progressif en fonction de l'augmentation de la vitesse du vent, contrairement aux aérogénérateurs de l'art antérieur qui présentent un effacement « tout ou rien », c'est-à-dire dont la nacelle fait face au vent jusqu'à un niveau de vent 20 prédéterminé à partir de laquelle la nacelle s'efface complètement en vue de stopper la rotation du rotor. Un aérogénérateur selon l'invention est donc apte à produire de l'électricité sur une plage de fonctionnement plus étendue. Alors qu'un aérogénérateur de l'art antérieur va prendre une orientation d'effacement total à 25 partir d'un vent généralement de 60 km/h, un aérogénérateur selon l'invention va s'effacer progressivement, de façon prédéterminée pour une plage de vitesse de vent également prédéterminée. En d'autres termes, la nacelle occupe une position angulaire par rapport à la direction du vent fixée par l'automate, qui modifie la position angulaire de la nacelle lorsqu'une vitesse maxi de vent est détectée par 30 le compte-tours pour ladite position angulaire de la nacelle. 10 Bien entendu, l'automate gère l'effacement progressif de la nacelle jusqu'à ce que celle-ci occupe éventuellement une position d'effacement total si la vitesse du vent excède une valeur prédéterminée à partir de laquelle l'aérogénérateur encourt des risques d'endommagement. Selon une solution avantageuse, l'aérogénérateur comprend au moins un pont redresseur piloté par ledit automate pour exercer un premier freinage de la génératrice par l'intermédiaire de l'onduleur. Avantageusement, l'aérogénérateur comprend un rotor relié à une génératrice et couplée à un onduleur et comprend au moins une résistance de charge apte à exercer un deuxième freinage. Avantageusement, l'aérogénérateur comprend un système de réinjection partielle d'électricité produite sur les spires du bobinage de la génératrice. Préférentiellement, ledit automate est paramétré pour maintenir la vitesse de rotation du rotor constante. La vitesse du rotor étant maintenue constante, la production d'électricité l'est également. Bien entendu, ce maintien de la vitesse de rotation du rotor à un niveau constant est prévu jusqu'à une vitesse maximale prédéterminée du vent à partir de laquelle l'aérogénérateur passe en mode sécurité (et s'arrête de fonctionner). De plus, le paramétrage de l'automate pour maintenir la vitesse de rotation du rotor constante est réalisé pour un site déterminé, c'est-à-dire pour une vitesse de vent moyenne attendue pour le site en question. Selon une solution avantageuse, lesdits moyens de mesure de la vitesse de rotation comprennent un compte-tours, préférentiellement du type inductif. Un tel compte-tours, inductif, s'avère particulièrement avantageux dans le contexte de l'invention. En effet, l'environnement de l'aérogénérateur est sujet à des perturbations électromagnétiques importantes auxquelles un compte-tours de type inductif n'est pas sensible. Avantageusement, le compte-tours comprend une partie dite émettrice et une deuxième partie apte à détecter une fréquence de passage de ladite partie émettrice en un point fixe, ladite partie émettrice étant portée par ledit axe horizontal. Selon un mode de réalisation avantageux, ladite génératrice est montée sur ledit mât par l'intermédiaire d'une nacelle, ladite nacelle étant montée rotative sur ledit mât, et l'aérogénérateur comprenant un moteur électrique destiné à entraîner une rotation de ladite nacelle sur ledit mât. Selon une caractéristique avantageuse, la génératrice comprend un rotor sur lequel sont montées fixes les pâles. Le principe de l'invention permet en effet d'utiliser un tel principe du montage des pâles sur le rotor, ce qui revient à une conception simple du montage des pâles sur le rotor et donc à une réduction des coûts de fabrication et de montage correspondants. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, donné à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels : la figure 1 est une vue d'ensemble d'un aérogénérateur selon l'invention ; la figure 2 est une illustration schématique du principe de l'invention ; la figure 3 est un schéma de principe du fonctionnement d'un aérogénérateur selon l'invention. Tel qu'indiqué précédemment, le principe de l'invention réside dans le fait de proposer un aérogénérateur, en particulier de la catégorie du « petit éolien », dans lequel la nacelle est montée pivotante sur le mât, et étant équipé d'une part de moyens de mesure de la vitesse de rotation du rotor et d'autre part d'un automate qui gère l'effacement de la nacelle par rapport à la direction du vent en fonction de la vitesse de rotation mesurée. En référence à la figure 1, un aérogénérateur selon l'invention comprend : - un mât 1 ; 5 10 1.5 20 25 une génératrice 2, porté par le mât 1, cette génératrice étant d'axe de rotation 22 horizontal et étant d'axe de rotation 22 horizontal et étant monté sur le mât de façon à pouvoir pivoter autour d'un axe vertical X; une nacelle 3, recevant la génératrice 2. La nacelle et donc la génératrice, peuvent pivoter autour de l'axe vertical X entre au moins deux positions, à savoir : une position de production maximale, dans laquelle l'axe de rotation du rotor est parallèle à la direction du vent, les pâles 21 (en l'occurrence au nombre de trois dans le présent mode de réalisation) du rotor offrant dans cette configuration une portance maximale au vent ; une position d'effacement total, dans laquelle le rotor et la nacelle sont pivotés autour de l'axe X de telle sorte que l'axe de rotation du rotor forme avec la direction du vent un angle d'environ 90°. On comprend donc que la nacelle peut pivoter de façon à occuper différentes orientations par rapport à la direction du vent. Selon le principe de l'invention, l'aérogénérateur comprend en outre : des moyens de mesure 4 de la vitesse de rotation de la génératrice (et plus précisément du rotor de la génératrice), détaillés plus en détails par la suite ; des moyens d'entraînement motorisés 30 (représentés de façon symbolique en traits pointillés sur la figure 1), destinés à entraîner un pivotement de la nacelle 2 sur le mât autour de l'axe vertical X ; un automate 5 relié aux moyens de mesure 4 et aux moyens d'entraînement 30, de préférence monté dans un local à la base du mât. L'automate 5 est paramétré pour amener la nacelle 3 dans une position intermédiaire entre la position de production maximale et la position d'effacement totale décrite précédemment, ceci en vue de maintenir la vitesse de rotation du rotor en deçà d'une vitesse de rotation maximale prédéterminée. Ainsi, une vitesse de rotation maximale du rotor Vmax est saisie sur l'automate, et mémorisée par celui-ci. Lorsque cette vitesse Vmax est atteinte (mesurée par les moyens de mesure 4), l'automate pilote les moyens d'entraînement motorisés 30 de façon à faire pivoter la nacelle sur une plage angulaire prédéterminée autour de l'axe X. Si la vitesse du vent continue d'augmenter, (ce qui se traduit par une augmentation de la vitesse de rotation du rotor de la génératrice) et que la vitesse Vmax est à nouveau atteinte, l'opération de pivotement de la nacelle est à nouveau déclenchée par l'automate. En revanche, si la vitesse de rotation du rotor diminue, l'automate tend à faire pivoter la nacelle autour de l'axe X de façon à ramener celui-ci dans une position qui augmente la portance des pâles par rapport à la direction du vent. Selon un mode de réalisation préférentiel, l'automate est programmé pour exécuter ces opérations de façon itérative, en vue de maintenir la vitesse de rotation du rotor constante. Selon une solution préférée, les moyens de mesure 4 de la vitesse de rotation du rotor de la génératrice sont constitués par un compte-tours inductif comprenant : une partie dite émettrice 220, portée par l'axe de rotation 22 du rotor (figure 2) ; une deuxième partie 40, montée fixement dans la nacelle 3, en regard de la partie émettrice 220, la deuxième partie 40 étant apte à détecter une fréquence de passage de la partie émettrice 220, ceci en un point fixe (dans la mesure où la deuxième partie est elle-même montée fixe à l'intérieur de la nacelle). 30 Par ailleurs, les moyens d'entraînement motorisés destinés à entraîner le pivotement de la nacelle sont constitués par un moteur électrique. Selon le présent mode de réalisation, la génératrice comprend un rotor. Les pâles sont montées fixes directement sur le rotor. En référence à la figure 3, un aérogénérateur comprend : une génératrice 6 couplée à un onduleur 60 ; une girouette 7 ; un anémomètre 70. Selon un mode de réalisation préférentiel, l'aérogénérateur comprend en 10 outre l'une et/ou l'autre des caractéristiques suivantes (la version préférée intégrant toutes les caractéristiques) : un pont redresseur 61 piloté par l'automate qui permet d'exercer un premier freinage de la génératrice par l'intermédiaire de l'onduleur ; 15 - une résistance de charge 62 qui permet d'exercer un deuxième freinage de la génératrice ; - un système de réinjection partielle de l'électricité produite sur les spires du bobinage de la génératrice, - le système de pivotement de la nacelle sur le mât à l'aide des 20 moyens d'entraînement motorisés 30 décrits précédemment. L'automate 5 reçoit des informations : - de la girouette et de l'anémomètre ; - des moyens de mesure 4 (vitesse et rotation du rotor) ; de l'onduleur (puissance, tension, intensité, fréquence). 25 A l'aide de ces informations, l'automate commande : les moyens d'entraînement faisant pivoter (ou non) la nacelle ; le pont redresseur 61 ; l'onduleur 60 (pour l'injection dans le réseau de l'électricité 30 produite) ; - la résistance de charge. Le fonctionnement est le suivant. L'automate charge plus ou moins l'onduleur afin de maintenir une vitesse de rotation des pâles idéale. Cette charge est optimisée en fonction du couple d'entrée de la génératrice grâce au pont commandé. Lorsque la vitesse de rotation continue d'augmenter alors que les résistances de charge sont actives, l'automate opère un effacement de la nacelle par rapport au vent (pivotement du rotor à l'aide des moyens motorisés 30) afin de limiter la prise au vent des pâles et donc de ralentir la vitesse de rotation de celles-ci. Un aérogénérateur regroupant toutes les caractéristiques peut fonctionner pour des vents allant de 7 km/h à 200 km/h. De plus, un tel aérogénérateur optimise la production d'électricité tout en ne nécessitant qu'une maintenance légère.15 REVENDICATIONS1. Aérogénérateur du type à axe horizontal, comprenant un mât et une nacelle portée par le mât, la nacelle accueillant une génératrice et étant apte à pivoter sur le mat autour d'un axe vertical entre une position de production maximale et une position d'effacement total, de façon à pouvoir occuper différentes orientations par rapport à la direction du vent, caractérisé en ce qu'il comprend : des moyens de mesure de la vitesse de rotation de la génératrice ; des moyens d'entraînement motorisés destinés à entraîner un pivotement de la nacelle sur le mat autour d'un axe vertical ; au moins un automate relié auxdits moyens de mesure et auxdits moyens d'entraînement, et paramétré pour amener ladite nacelle en une position intermédiaire entre ladite position de production maximale et la position d'effacement total, pour maintenir la vitesse de rotation de la génératrice en deçà d'une vitesse de rotation maximale prédéterminée. 2. Aérogénérateur selon la revendication 1, dans lequel la génératrice est 20 couplée à un onduleur, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un pont redresseur piloté par ledit automate pour exercer un premier freinage de la génératrice par l'intermédiaire d'un onduleur. 3. Aérogénérateur selon la revendications 2, dans lequel la génératrice est couplée à un onduleur, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une 25 résistance de charge apte à exercer un deuxième freinage de la génératrice. 4. Aérogénérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un système de réinjection partiel d'électricité produite sur les spires du bobinage de la génératrice. 5. Aérogénérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit 30 automate est paramétré pour maintenir la vitesse de rotation du rotor 10 15constante. 6. Aérogénérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure de la vitesse de rotation comprennent un compte-tours. 7. Aérogénérateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit compte-tours est du type inductif. 8. Aérogénérateur selon la revendication 7, dans lequel ledit rotor présente un axe de rotation, caractérisé en ce que ledit compte-tours comprend une partie dite émettrice et une deuxième partie apte à détecter une fréquence de passage de ladite partie émettrice en un point fixe, ladite partie émettrice étant portée par ledit axe horizontal. 9. Aérogénérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ladite nacelle est montée rotative sur ledit mât et en ce qu'il comprend un moteur électrique destiné à entraîner une rotation de ladite nacelle sur ledit mât. 10. Aérogénérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la génératrice comprend des pales montées sur un rotor, caractérisé en ce que les pales sont montées fixes sur ledit rotor.