Brevet FR3025839A1 — publié le 20160318

- 1 - La présente invention concerne un dispositif permettant de réaliser le démarrage et la régulation de fonctionnement d'une éolienne à axe de rotation vertical de type « Darrieus » ou d'une hydrolienne du même type. Etat de la technique antérieure Dans les années 1930, le grand ingénieur et scientifique Georges Darrieus a inventé deux types d'éoliennes à axe de rotation vertical qui portent son nom ; le premier type était muni de pales courbes et le second de pales droites verticales. Ces deux types d'éoliennes ont donné lieu à de nombreux développements et essais. Les diverses expérimentations n'ont pas donné de résultats positifs, avec pour toutes les éoliennes de moyenne et grande puissance des échecs retentissants. Ces éoliennes présentaient deux défauts majeurs : d'une part l'absence de régulation de fonctionnement et de puissance et d'autre part une grande difficulté de démarrage dans le vent, ce qui entraînait pour certains modèles de grandes dimensions la nécessité de les lancer. Pour tenter de résoudre les problèmes de limitation de la vitesse de rotation et de la puissance par vent fort, compte tenu de l'impossibilité d'agir sur les forces aérodynamiques s'exerçant sur les pales, deux types de freinage furent expérimentés : quelques éoliennes à pales courbes furent équipés d'aérofreins situés au milieu des pales et pour d'autres modèles certains constructeurs avaient réalisé la limitation de la vitesse de rotation par l'intermédiaire du générateur électrique, ce conduisait à fragiliser cet équipement. Après les échecs des grands programmes expérimentaux réalisés entre 1980 et 1990 aux Canada, aux USA et en Grande Bretagne, aucune véritable modernisation des éoliennes Darrieus ne fut réalisée. Les rares éoliennes et hydroliennes de ce type actuellement construites sont des machines de petite puissance qui, contrairement aux éoliennes hélices à axe horizontal, n'ont pas de véritable régulation de la vitesse de rotation et de la puissance. Exposé général de l'invention La présente invention concerne un dispositif réalisant le démarrage et la régulation de fonctionnement d'une éolienne à axe de rotation vertical de type 3025839 - 2 - Darrieus munie de pales verticales ou peu inclinées ou de forme courbe. La présente invention se rapporte également à une hydrolienne du même type que l'éolienne Darrieus définie ci-dessus. Dans un souci de simplification, l'exposé général qui suit ne présentera que le 5 dispositif de l'éolienne, mais il doit être entendu que cet exposé serait rigoureusement semblable dans le cas de Ihydrolienne. Le dispositif selon l'invention assure les fonctions de démarrage, montée en vitesse de rotation, stabilisation de la vitesse et de la puissance, ainsi que la limitation de celle-ci lorsque la vitesse du vent dépasse la valeur maximale 10 admissible. Le dispositif agit sur l'incidence des pales par rapport à la direction du vent relatif dans l'éolienne ; il comprend trois ensembles interdépendants : - des pales, orientables par rapport à la direction du vent, de préférence au nombre de trois, tenues aux deux extrémités hautes et basses par des bras solidaires du tube central du rotor de l'éolienne. Ces pales sont munies à leurs 15 deux extrémités de pivots tenus par des paliers situés en bout des bras. Les centres de rotation des pivots de pales sont disposés de telle sorte que la force centrifuge qui s'exerce sur les pales pousse vers l'extérieur de l'éolienne les bords de fuite des pales; Une masse disposée en partie basse de chaque pale, au niveau du bord de fuite, contribue à augmenter la poussée de la force 20 centrifuge. Chaque pale est munie à son extrémité inférieure d'un pivot de commande d'incidence situé à l'arrière du centre de gravité du profil de la pale ; ce pivot reçoit l'extrémité d'une tige de commande d'incidence. - des bras fixés en haut et en bas au tube central de l'éolienne ; ils assurent le support et la tenue des pales par l'intermédiaire de paliers recevant les pivots 25 de pales. Chaque bras inférieur comporte d'une part, une butée permettant de tenir la pale dans la position de démarrage et d'autre part, un support pour un mécanisme de régulation centrifuge. - des mécanismes de régulation centrifuge comportant à la partie inférieure de chaque pale un actionneur constitué par un ensemble de deux 30 ressorts portés par une tige de commande d'incidence reliée d'un coté au pivot de commande d'incidence et, de l'autre coté au support de ce mécanisme situé 3025839 - 3 - sur le bras. Cette tige de commande coulisse dans le support du mécanisme de régulation lié au bras. L'actionneur agit dans le sens inverse de la force centrifuge qui s'exerce sur la pale. Dans une première variante, pour chaque pale, le mécanisme de régulation 5 centrifuge est situé en dessous du bras support de pale ; il agit sur l'incidence de la pale par l'intermédiaire d'un levier fixé à la base du pivot de pale. Dans une seconde variante, pour l'ensemble des pales, les extrémités arrières des tiges de commande d'incidence dirigées vers l'intérieur de l'éolienne sont reliées par câbles à une couronne située autour du tube central du rotor et 10 mobile en rotation ; cette couronne, dont la rotation est retenue par ressorts, assure le synchronisme des incidences de pales. Dans une troisième variante, les actionneurs à ressorts sont remplacés par des vérins commandés par un équipement électronique prenant en compte la vitesse de rotation de l'éolienne et la vitesse moyenne du vent 15 Fonctionnement En absence de vent, les pales se trouvent dans la position de démarrage maintenues par les actionneurs sur les butées situées sur les bras ; dans cette position le bord de fuite de chaque pale se situe à l'intérieur du cercle décrit par les axes des pivots de pales lors de la rotation du rotor. Lorsque le vent 20 atteint une vitesse déterminée pour le démarrage et la production d'énergie, la poussée du vent sur les pales réalise la mise en rotation du rotor ; la rotation s'accélère et la force centrifuge entraîne la modification de l'incidence des pales par rapport au vent relatif dans l'éolienne. Selon la vitesse du vent, l'incidence des pales se rapproche plus ou moins de la position de rendement optimal où 25 l'axe du profil de pale devient perpendiculaire à l'axe du bras support ; chaque pale est alors dans une position stable tenue par la force centrifuge et celle antagoniste de l'actionneur à ressorts. Lorsque la vitesse du vent dépasse une valeur déterminée, proche du maximum admissible, la vitesse de rotation augmente, la force centrifuge également mais bien plus vite ( en fonction du 30 carré de la vitesse de rotation ) , l'arrière du profil de pale dépasse vers l'extérieur le cercle de rotation des axes de pivots supports de pales, ce qui 3025839 - 4 - entraîne la réduction de la portance aérodynamique et limite l'action propulsive des pales. La puissance maximale de l'éolienne est ainsi maintenue sans risque de survitesse et, en cas de rafales la réaction est immédiate. Enoncé des figures 5 La figure 1 représente une vue de face d'une éolienne tripale, à axe de rotation vertical, munie pour chaque pale du mécanisme de régulation centrifuge. La figure 2 représente une coupe horizontale de l'éolienne tripale de la figure 1 munie pour chaque pale du mécanisme de régulation centrifuge ; cette coupe est située au dessus des mécanismes de régulation. 10 La figure 3 représente au niveau d'une pale la vue, en dessous du bras support de pale, du mécanisme de régulation centrifuge ainsi que le débattement angulaire de la pale entre la position nominale N de rendement optimal et les deux positions extrêmes : l'une D correspondant au démarrage et l'autre R correspondant à la réduction maximale des forces aérodynamiques de rotation. 15 La figure 4 représente le mécanisme de régulation centrifuge de la première variante, vu en dessous du bras support de pale. La figure 5 représente une coupe horizontale de l'éolienne tripale de la figure 1 munie pour chaque pale du mécanisme de régulation centrifuge de la seconde variante. 20 Exposé détaillé de l'invention Dans un souci de simplification, l'exposé qui suit ne présentera que le dispositif de l'éolienne, mais il doit être entendu que cet exposé serait totalement semblable dans le cas de Ihydrolienne. Le dispositif conforme à l'invention permettant de réaliser le démarrage et la 25 régulation de fonctionnement d'une éolienne à axe vertical de type Darrieus, comprend trois ensembles interdépendants : des pales (1) verticales ou inclinées ou de forme courbe, tenues aux deux extrémités par des bras (2, 3) solidaires du tube central (4) de l'éolienne. Les pales sont munies aux deux extrémités de pivots (5) tenus par des paliers 30 situés en bout des bras supports (2,3). A l'intérieur des pales, en partie basse , des masses disposées près des bords de fuite contribuent à augmenter la 3025839 - 5 - force centrifuge. Chaque pale est munie à son extrémité inférieure d'un pivot de commande d'incidence (6) situé à proximité du bord de fuite de la pale ; ce pivot reçoit l'extrémité d'une tige (7) de commande d'incidence. des bras (2,3) , situés en haut et en bas du tube central (4) de l'éolienne, 5 assurent le support et la tenue des pales (1) par l'intermédiaire de paliers recevant les pivots (5) des pales. Chaque bras inférieur (3) porte une butée (8) pour la pale en position de démarrage, ainsi qu'un support (9) pour le mécanisme de régulation centrifuge. des mécanismes de régulation centrifuge situés au dessus des bras 10 inférieurs (3) : pour chaque pale , le mécanisme de régulation centrifuge comporte un actionneur constitué de deux ressorts (10,11) portés par une tige (7) de commande d'incidence qui relie le pivot de commande d'incidence ( 6) au support (9) fixé au bras (3). La tige (7) de commande d'incidence coulisse librement dans son support (9). Les deux ressorts ont des caractéristiques de 15 raideur différentes : le premier de faible raideur (10) agit en tension depuis la position de démarrage D jusqu'à un angle d'incidence proche du rendement optimal, position N ; le second ressort (11) de plus forte raideur agit en compression et rajoute une force plus importante en opposition à la force centrifuge. L'ensemble des deux ressorts permet, selon les conditions de vent, 20 de maintenir une production maximale tout en réduisant l'incidence des pales lorsque le vent devient trop fort, jusqu'à la position R. - Dans la première variante, les mécanismes de régulation centrifuge sont situés au dessous des bras inférieurs (3). La tige (7) de commande d'incidence agit sur un levier (12) relié à la base du pivot (5) de pale. 25 - Dans la seconde variante, les extrémités libres des tiges (7) de commandes d'incidence sont reliées par des câbles (13) à une couronne (14) libre en rotation autour du tube central (4). Cette couronne (14) équipée de ressorts de rappel ( non représentés ) maintient les câbles (13) en tension, ce qui assure le synchronisme des mouvements et l'égalité des angles d'incidence. 30 - Dans la troisième variante, les actionneurs à ressorts sont remplacés par des vérins électriques ou électro-hydrauliques commandés par un équipement 3025839 6 électronique prenant en compte la vitesse de rotation de l'éolienne et la vitesse moyenne du vent. Il doit être entendu que les descriptions qui précèdent sont données à titre 5 d'exemples et qu'elles ne limitent nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les ensembles et équipements décrits par d'autres équivalents. Applications industrielles 10 La présente invention présente comme avantages la rapidité de réaction aérodynamique, la simplicité mécanique et le faible coût de réalisation. Cette invention permet de résoudre de façon simple les deux problèmes majeurs des éoliennes à axe vertical qui sont le démarrage et surtout la régulation de fonctionnement et de puissance. Ce dispositif peut s'appliquer aux turbines 15 éoliennes à axe vertical de petite et moyenne puissance et également aux hydroliennes du même type. REVENDICATIONS1- Dispositif permettant de réaliser le démarrage et la régulation de fonctionnement d'une éolienne à axe de rotation vertical de type Darrieus ou d'une hydrolienne du même type, caractérisé en ce qu'il comporte trois ensembles interdépendants : - des pales (1) verticales ou inclinées ou de forme courbe, tenues aux deux extrémités par des bras (2,3) fixés au tube central (4) de l'éolienne. Les pales, orientables par rapport à la direction du vent, sont munies aux deux extrémités de pivots (5) tenus par des paliers situés au bout des bras supports (2,3). Chaque pale est munie à son extrémité inférieure d'un pivot de commande d'incidence (6) qui reçoit l'extrémité d'une tige (7) de commande d'incidence. - des bras (2,3) situés en haut et bas du tube central (4) de l'éolienne assurent le support des pales (1) par des paliers recevant les pivots (5) des pales. Chaque bras inférieur (3) porte une butée (8) et un support (9) pour le mécanisme de régulation centrifuge. - des mécanismes de régulation centrifuge situés au dessus des bras inférieurs (3). Pour chaque pale, le mécanisme comporte un actionneur constitué par deux ressorts (10,11) portés par une tige (7) de commande d'incidence reliant le pivot de commande d'incidence (6) au support (9). Le ressort (10) exerce une force de tension et le ressort (11) une force supplémentaire de compression. 2- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les mécanismes de régulation centrifuge sont situés au dessous des bras inférieurs (3) ; la tige (7) de commande d'incidence actionnant un levier (12) relié au pivot (5) de pale. 3- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les extrémité libres des tiges (7) de commande d'incidence sont reliées par câbles (13) à une couronne (14) libre en rotation autour du tube central (4) et munie de ressorts de rappel. 4- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les actionneurs à ressorts sont remplacés par des vérins commandés par un équipement électronique.