Brevet FR3011043A1 — publié le 20150327

Description Domaine technique Appartenant à la technologie de procédé, cette invention s'adresse à rationaliser le bloc générateur des éoliennes actuelles, et cela en vue de : - Stabiliser le régime de génération malgré l'aspect aléatoire du vent. - Elargir la fourchette de récolte de vent du coté inférieur. Technique antérieure L'état de la technique se présente par un générateur de puissance correspondant à ce que ses pales lui transmettent sous une vitesse de plafond d'exploitation (à l'ordre de 15 m/s) ; ce générateur est constitué d'un seul bloc ce qui présente les deux inconvénients suivants : - Pour des vitesses de vent moins que celle de plafond d'exploitation, ce bloc tourne à un régime qui ne correspond pas à son rendement optimal (perte d'efficacité), et autant aléatoire que le vent (perte en heures de services globale dû à vieillissement précoce) - De par sa lourdeur d'ensemble, la mise en marche de ce bloc unique, nécessite une vitesse minimum (à l'ordre de 3 m/s en l'état actuel des choses) ce qui proscrit toute production pour des vitesses inférieures à celle-ci, pouvant exister, qu'en même, pendant plusieurs moi par an. Exposé de l'invention La comparaison, entre le bloc actuel et celui que je propose, exclura l'autre composant de l'éolienne (les pales) qui resteront les mêmes pour la même puissance nominative des deux (ce qui fait épargner - dans un premier temps - les investissements supplémentaires pour une conversion totale qui inclut aussi ces pales) Après cet avant propos, il est à préciser que l'invention vise à: - Faire de la sorte que pour toute vitesse de vent (exceptés les tempêtes où l'éolienne doit s'arrêter dans les deux cas) le nombre de tours par minute de l'arbre rapide (qui correspond nombre critique de tours par minute de l'arbre lent de l'éolienne) reste à, ou autour, de la valeur qui correspond au régime optimal de génération. Rendre le générateur sensible à des vitesses de vent plus faible que celles qui font déclencher l'actuel générateur, augmentant ainsi la récolte du vent. Le nouvel bloc générateur Ce bloc n'est plus qu'un double « saucissonnage » de l'actuel ; à commencer par le « couper » en trois unités par contraste de l'actuel générateur à bloc unique) avant de reconstituer ces unités en modules de caractéristiques électriques identique, contribuant - sous la même différence de voltage - en intensité cumulative d'ampérage. Ainsi reconstitué, ces trois unités sont indépendamment synchronisées d'un coté, et non-identiques en capacité de l'autre (je m'explique). Unités indépendamment synchronisées Synchronisées par : - L'absence de tout rotation différentielle (donc d'une rotation d'ensemble comme le cas d'un bloc unique). - Une polarisation identique (excluant ainsi toute différence de phase entre les trois sources de courant alternatif généré). Indépendantes par : - Le fait d'entrer en production, ou d'en sortir rotation à vide) indépendamment l'une des deux autres ; cela à travers magnétiser (en les alimentant en courant continu) leurs noyaux d'induction, et cela d'une manière prédéterminée. Cette magnétisation prédéterminée sera assurée à travers des senseurs (relais) montés sur chacune de ces unités, et calibrés sur la vitesse de rotation de leur arbre rapide commun, permettant l'engagement (ou le désengagement) progressif de ces trois unités (j'y reviendrai) Unités non-identiques Ces trois unités sont non-identiques en leurs puissances nominales ; l'unité périphérique aura la valeur « E », la médiane aura double valeur de celle-ci donc « 2E », pendant que l'autre périphérique fera le double du double, donc « 4E » Autrement dit on peut exprimer la production nominal d'électricité de ce le le bloc générateur en l'addition de ces trois puissance E+2P+4P=7E Le mode d'engagement (ou désengagement) progressif 10 Revenons aux senseurs et regardons leur mode de fonctionnement par rapport aux variations de la vitesse de vent (entre la vitesse minimum de déclenchement et celle du plafond exploitable). L'unité E (la plus petite) étant toujours connectée au départ, elle entre seule en production jusque la vitesse de rotation de l'arbre rapide arrive à sa limite 15 tolérable (à cette étape la puissance disponible est plafonné à E). Une fois cette vitesse dépassée le senseur de l'unité 2E se déclenche la mettant en production, mais en même temps le senseur de l'unité P se détache ; sautant de l'unité E à l'unité 2E cela fait reculer momentanément la vitesse de l'arbre rapide en dessous de la vitesse maximum tolérable ; cela continue jusque, avec 20 des vents plus vite, l'arbre rapide arrive à sa limite tolérable (à cette étape la puissance disponible est plafonné à 2E). Encore quand cette vitesse est dépassée le senseur de l'unité 4E se déclenche la mettant en production, mais également et en même temps le senseur de l'unité 2E se détache, sautant de l'unité 2E à l'unité 4E cela fait reculer 25 momentanément la vitesse de l'arbre rapide en dessous de la vitesse maximum tolérable ; cela continue jusque, avec des vents plus vite, l'arbre rapide arrive à sa limite tolérable (à cette étape la puissance disponible est plafonné à 4E). Finalement quand cette vitesse dépassée les deux autres senseurs (de l'unité E et l'unité 2E) se déclenchent, mettant le bloc à sa production nominale de 7E. 30 Dans le cas contraire le même acheminement sera respecté donc de 7E à 4E à 2E *E, où tous zigzags partiel& entre ces deux bornes de E et 7E seront possibles. (Avant d'aller plus loin il convient à remarquer que certain induction secondaire indésirable, est susceptible d'avoir lieu dans les deux autres unités neutres qui jouxte l'unité active, donc des mesures d'évacuation de potentiel s'imposent (étanchéité magnétique active ou passive ou les deux, ou plus simplement d'équiper ces unité de dispositif court-circuit à terre : ON quand l'unité tourne à vide, OFF quand elle est active). Donc récapitulons cette escalade en puissance : Unité E seule départ 10 Unité 2E entre, unité E sort 2P - P = P (intervalle P) Unité 4E entre, unité 2E sort 4P - 2P = 2P (intervalle 2P) Unité 4E reste, unité 2P et unité E entre 7P -- 4P = 3P (intervalle 3P) Cette non-linéarité d'intervalles est choisie pour convenir au mieux à la relation 15 non-linéaire entre la puissance engendrée par rapport à la vitesse de vent L'implication des unités non identiques - Sur la stabilité De par cette entrée successive en production de ces unités (vitesse 20 croissante de vent) le bloc générateur fonctionne comme un système de freinage comparable à celui des voitures hybrides, empêchant ainsi (en produisant d'énergie) une rotation débridée des pales ; de même, la sortie successive (vitesse décroissante de vent) empêche une rotation en dessous du-régime nominal ; ce qui se traduit par une stabilité de 25 production à rendement optimal. - Sur la récolte du vent Le fait de commencer seulement avec l'unité la plus petite, réduit l'inertie de déclenchement de notre bloc générateur à un septième de son inertie global, ce qui réduit (sous les mêmes pales) presque à moitié, la vitesse 30 de vent nécessaire à faire entrer cette unité en production. Et puisque cette zone de vent faible (entre 1.5 et 3 m/sec) puisse régner pedant plusieurs mois par an, te-sui plue-de récolte d'énergie est loin d'être négligeable. Il convient à rappeler qu'au delà de la vitesse plafond d'exploitation (qui est la même dans l'ancien et le nouveau bloc), la différence entre le bloc générateur et l'actuel générateur disparaît, puisque les deux ne peuvent pas produire plus que leur puissance nominale (dans les deux cas le surplus d'énergie sera rejeté en réduisant l'exposition des pales, avant de les arrêter sous des conditions extrêmes (quand cette manipulation des pales ne suffit pas pour garder la rotation des pales dans les limites tolérables). La structure des unités Chacun des trois unités d'un bloc générateur est constituée d'un, ou plusieurs modules identiques, dont la puissance de chaque égale à la puissance modulaire P qui est le module de base pour la construction du générateur Optant pour que l'unité E dispose de trois options : P; 2P et 3P, elle peut être constitué d'un ou deux ou trois modules Partant les trois options de l'unité 2E sont : 2P ; 4P et 6P et celles de 4E sont 4P ; 8P; 12P Donc le cadre de doublement (mentionné plus haut) impose que l'expression générale de la puissance du le le bloc générateur en terme d'unité, E + 2E + 4E = 7E, peut être exprimé par les trois options de son expression modulaire de 7P; 14P ou 21P (voir figure 2) Les tailles de P Optant pour quatre tailles de référence (de chacune des-dites trois options) elles sont proposées comme suite : P1 = 4 KW ; P2 = 16 KW ; P3 = 64 KW ; P4 = 256 KW Pour la valeur référence P1 = 4 KW les trois options de capacité sont : 7X4 = 28 ; 14X4 = 56 ; 21X4 = 84 KW Pour la valeur référence P2 = 16 KW les trois options de capacité sont : 7X16 = 112; 14X16 = 224; 21X16 = 336 KW Pour la valeur référence P3 = 64 KW les trois options de capacité sont : 7X64 = 448; 14X64 = 896 ; 21X64 = 1334 KW Pour la valeur référence P4 = 256 KW les trois options de capacité sont : 7X256 = 1.792; 14X256 = 3.534 ; 21X256 = 5.376 MW La modélisation des segments hébergement du le le bloc générateur Cet aspect de modélisation du bloc générateur servira comme point d'appui pour modéliser les segments d'hébergement de ses quatre tailles, où pour chaque taille du bloc générateur trois types de segments seront nécessaires : Périphérique H1 (coté fermeture) ; médian H2, pour héberger sept modules juxtaposés ; et l'autre périphérique H3 (coté pales) Donc pour des le le bloc générateur de 14 P ou de 21 P il suffit de juxtaposer deux ou trois segments médians H2 (voir figure 3) 10 La modélisation de l'arbre rapide Vu que la déformation due à la couple appliquée augmente avec l'augmentation du levier de cette couple on a intérêt à placer l'unité la plus grande au plus proche des pales, puis l'unité médiane et finalement l'unité la petite se trouvant l'extrémité la plus éloignée des pales. 15 Puisque la structure du bloc générateur en trois unités non-identiques en longueur et en puissance, la modélisation de son arbre doit répondre à ces deux exigences. Cela étant, l'idée est de remplacer la solution classique (arbre unique de longueur total et de section résistant suffisant pour le cas le plus critique) par 20 trois composants d'arbre, où - Le diamètre extérieur d'un composant soit le diamètre intérieur de l'autre afin de permettre un regroupement par introduction. - Le composant extérieur sera réservé à l'option la plus faible (ce diamètre étant égal au diamètre intérieur commun des noyaux d'induction de 25 toutes les trois unités. - Le composant médian (plus court et de diamètre plus petit mais d'épaisseur plus importante) sera inséré dans le premier, et ainsi le composant de l'extrémité proche des pales (le plus court le plus épais mais le moins en diamètre) sera inséré le dernier (voir figure 3) 30 Finalement il faut ajouter que pour viabiliser cette conversion on pourrait produire aussi des blocs générateur classique où beaucoup plus d'option de puissance seront possible à un prix (du à cette modélisation) fort concurrentiel. Description sommaire des dessins (Figure 1) Structure du bloc Dessin schématique montrant le dispositif de saucissonnage de l'actuel monobloc en trois unités (Figure 2) Les options de puissances Dessin schématique montrant les quatre tailles des modules de puissance et leurs trois options de regroupement. (Figure 3) Les modélisations annexes Dessin schématique montrant les modélisations des segments d'hébergement et de ceux des composants de l'arbre rapide 25 30 REVENDICATIONS1. Bloc Générateur éolien caractérisé par sa constitution de trois unités synchronisées, capables d'entrer individuellement ou collectivement en production (ou d'en sortir) en adéquation avec la vitesse de vent, elles sont de 10 capacités selon la proportion E ; 2 E ; 4 E. 2. Bloc Générateur éolien selon revendication 1 et le fait que chacun de ses unités est constituée de groupement de modules de caractéristiques électriques identiques. 15 3. Bloc générateur éolien selon la revendication 1 et caractérisé par le fait que ses segments d'hébergements sont constitués de trois types de modules : - Périphérique coté fermeture (H1) - Médian (H2) 20 - Périphérique coté pales (H3) 4. Bloc générateur éolien selon la revendication 1 et caractérisé par le fait que son arbre rapide est modulé en trois composants, de longueurs et de diamètres différentes, dont le regroupement par introduction l'un dans l'autre' donne un 25 arbre de section résistante croissante, adéquatement adaptée aux croissants couples appliqués.