Brevet FR3046817A1 — publié le 20170721

Eolienne de production d'énergie non intermittente, à hélices contrarotatives auto-protégées DESCRIPTION Le domaine technique de l'invention concerne un ensemble éolien de production, de stockage et de distribution non intermittente d'énergie à puissance variable (Figures 1 et 2). Les éoliennes classiques produisent de l'énergie intermittente, avec un stockage sur batterie qui implique des contraintes liées à leur renouvellement. Par ailleurs, pour les vents forts, elles nécessitent des interventions pour mise en sécurité (mise en drapeau des pâles, voir abaissement du mât). L'invention concerne en particulier un dispositif éolien capable non seulement de produire une quantité d'énergie électrique de base en continu quelle que soit la puissance du vent, mais également de stocker celle produite grâce au vent pour permettre la production d'électricité à la demande, dans la limite du stock d'énergie disponible. Un premier ensemble de dispositifs transforme l'énergie du vent en électricité (1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 13, 14, 15, 17, 18) ou, à la demande et pilotée par l'armoire de commande (16), en fluide comprimé à stocker (1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11, 12, 20, 22, 23). En complément, un dispositif de production d'électricité à partir de fluide comprimé (21, 19, 15, 16, 17, 18) permet de répondre instantanément aux variations de la demande d'énergie. Un dispositif de production continue d'électricité à l'aide d'aimants permanents (7) permet lui de répondre aux besoins de faible puissance, tels que les équipements en veille ou de commande. L'ensemble constitue une somme de fonctionnalités capable de répondre aux besoins d'énergie électrique continus de faible ou moyenne puissance tout comme aux demandes variables de plus forte puissance, et selon les ressources immédiatement mobilisables ou en stock. L'ensemble éolien est composé d'une ou plusieurs paires d'hélices contrarotatives, empilables par module (3, 6), permettant un assemblage et un démontage rapides et précis, tout en garantissant une continuité de liaison fonctionnelle pour les axes et la structure. Les rotations inversées des hélices et équipements associés, ont vocation à réduire les vibrations et l'intensité des moments de couples au sein du dispositif. Les hélices peuvent être de type vertical ou horizontal différents (Savonius, Darrieus, Hélicoidal...) ou de nombre de pâles 3046817 2 différents. Les mouvements de rotation horaire et antihoraire de chaque train d'hélices sont transmis au moins en un point à chacun des deux arbres coaxiaux (8, 10), générant ainsi un mouvement contrarotatif des deux axes. Suivant la puissance de l'ensemble éolien, les hélices peuvent être synchronisées électro-mécaniquement (roues dentées, capteurs et régulateurs de vitesse...). Dans le cas d'un ensemble éolien à axe vertical, la limitation de la vitesse de rotation se fait par un dispositif mécanique, de type carapace mobile en deux parties (1 avant et 4 arrière), actionné par la force du vent. Les extensions de la carapace arrière (4), actionnées par la pression d'un vent fort, entraînent non seulement l'obturation automatique et progressive de la sortie d'air, mais également, par le biais d'un système mécanique simple, par biellette, ressort ou poulie-câble, la fermeture coordonnée des deux parties de la carapace avant (1), ce qui réduit le débit d'air entrant et donc la vitesse de rotation des hélices. Les éléments mobiles, obturateurs (1, 4) de la carapace, coulissent dans des rails prévus à cet effet en partie haute et basse du châssis (2), afin de protéger les hélices (3, 6) de la survitesse, tout en permettant le maintien de leur rotation à pleine vitesse. Les extensions de la carapace amère (4), ont également une fonction d'empennage pour l'orientation automatique de l'ouverture des éoliennes face au vent. Le flux d'air canalisé en engouffrement par la carapace avant (1) formant déflecteur d'Entrée principal, ainsi que les déflecteurs d'Entrée complémentaires (5) est amené à subir une accélération de par la forme bombée du plancher et du toit du châssis venturi (2) contenant l'hélice. L'orientation dans le sens de rotation de l'hélice, du flux d'air entrant, peut être favorisée par les déflecteurs complémentaires (5). Les pales d'hélice peuvent également faire l'objet de formes adaptées, favorisant leur efficacité : courbe et creuse, plus large vers l'extérieur, plus fine vers le centre, pour le type Savonius par exemple, à géométrie variable ou fixe. Les deux arbres contrarotatifs permettent d'augmenter le rendement du compresseur de fluide (11) en utilisant au mieux l'énergie du vent transmise par les pales et les axes, mettant ainsi en contrarotation différentes parties du système. Le fluide comprimé est transféré par conduit haute pression vers le régulateur (20) qui limite la pression de stockage dans la cuve (23). Une purge de fond de cuve et sa vanne de commande, permette la vidange, le remplissage externe ou les 3046817 3 essais de pression. Des vannes d'isolement et des filtres, viennent compléter le dispositif. Suivant les contraintes d'emprise du site d'implantation, la cuve de stockage (23) peut être attenante à l'ensemble du dispositif, incluse dans la tour, ou positionnée de manière dissociée avec des liaisons par câbles et canalisations. Les deux arbres (8 et 10) permettent également la mise en mouvement contrarotatif du rotor et du stator d'un alternateur (15), permettant ainsi un gain de rendement par rapport à une éolienne classique équivalente, et subissant un vent identique. La variation de vitesse de rotation de l'un ou des deux arbres coaxiaux (8, 10) peut être lissée et entretenue par un ou deux disques à inertie (9), de grande dimension et formé par un matériau de haute densité ; la régulation de la vitesse peut être complétée par un dispositif de freinage (14) à commande électrique ou mécanique. La liaison éolienne-alternateur et éolienne-compresseur, peuvent être progressivement engagées par un système d'embrayage (13), agissant sur l'un ou les deux axes. La puissance électrique de base constante du système (non intermittente pour une durée pouvant dépasser plusieurs mois) est obtenue par une ou plusieurs paires de disques alternateurs (7) animées en rotation par des aimants permanents, ou à bobines autoalimentées ou équivalent, avec ou sans synchronisation mécanique ou électrique, des parties en mouvement, et raccordées à un dispositif de régulation électrique (16) permettant l'adaptation selon la tension ou la fréquence du signal électrique demandé. Un ensemble éolien à tour, implanté sur un sol non déformable sous la charge du dispositif, ne nécessite pas de haubans extérieurs à la structure rigide (22, 23), la rigidification des éléments assemblés (2, 22, 23) est obtenue par la mise en tension de câbles ou de raidisseurs internes, selon la nature du sol et l'intensité des vents attendus. Pour des vents habituellement observés durant les tempêtes ou cyclones de la zone d'implantation, le dispositif, qui auto-protège les parties sensibles (hélices), ne nécessite pas de démontage partiel ou total, de calfeutrage ou mise en drapeau, des parties fonctionnelles. Le dispositif peut être assemblé sous forme de tour éolienne, ou décomposés en plusieurs parties fonctionnelles (châssis et hélice sur un ouvrage support, local technique et cuve déportés), pour la production d'énergie de faible à moyenne puissance. Le dispositif est démontable pour favoriser la maintenance, le dépannage rapide ou le transport de chaque 3046817 4 partie fonctionnelle. Le local technique (22) contenant les armoires de commandes, de télégestion et équipements principaux, peut être d'accès sécurisé par une porte renforcée pourvue d'un verrouillage multipoints. Pour la production de plus de puissance, le dispositif peut faire l'objet d'un assemblage de plusieurs tours pour former une ferme éolienne terrestre, fixe ou déplaçable ou un dispositif maritime flottant, sur la base d'une ou de plusieurs structures ancrées en mer et résistantes à la houle. Brève présentation des figures Figure 1 : Coupe de face du principe de tour éolienne Figure 2 : Vue de dessus d'une éolienne, mouvements d'air et fermeture de la carapace LEGENDE {Figures 1 et 2) : 1 Déflecteur Entrée, carapace avant 2 Châssis venturi 3 Hélice 1 rotation à droite (ici Savonius) 4 Empennage, carapace arrière 5 Multi-déflecteurs d'Entrée d'air 6 Hélice 2 rotation à gauche (ici Savonius) 7 Alternateur disque à aimants permanents 8 Arbre 1 rotation à droite 9 Disque à inertie 10 Arbre 2 rotation à gauche 11 Compresseur (ici multiétages) 12 Clapet antiretour de fluide 13 Embrayage 14 Frein 15 Alternateur de puissance 16 Armoire électrique de régulation et de commande et télégestion 3046817 5 17 Armoire électrique de protection et de distribution 18 Raccordement utilisateur 19 Moteur de l'alternateur de puissance 20 Régulateur d'entrée de cuve 21 Régulateur d'entrée du moteur d'alternateur 22 Structure porteuse rigide (local technique) 105 23 Cuve de stockage de fluide comprimé 24 Vanne de purge et prise de raccordement de fluide comprimé REVENDICATIONS1) Dispositif éolien de production d'énergie gnon inte rte,. caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif sélectif de transformation de :l'énergie du vent en électricité (1, 2, 3, 4, 5, 6, 13, 15) ou en fluide- comprimé, à stocker (I, 2, 3' 4, 5 6, 9, 10-, 11, 12, 20, 23); 115 dispositif de ,production d'électricité à la demande à partir de fluide comprimé (23, 21, 19, 15, 16, 17, 18) et un dispoSitif de production continue d'éleCbidité à l'aide d'aimants permanents (7), te tout constituant un ensemble cohérent capable de répondre aux besoins d'énergie électrique --continus de 'faible ou Moyenne puissance cornue aux demandes 120 variables de plus forte puissance_ 2) Dispositif selon la revendication 1] caractérisé en ce que l'éolienne est composée de une ou plusieurs paires d'hélices -contrarotatives empilables (3, 6), pouvant être de type ou de nombre de pâles différents. Chacun des sens de rotation d'Lt train d'hélices est transmis 'au-moins-en un point 'à l'un des deux'arbres.coaxiaux contrarotatifs -IO)._ 125 3) Dispositif selon les revendications [1 et 21, caractérisé en ce quei, lorsque les- hélices sont à axe vertical, elles sont limitées en vitesse de rotation par un dispositif mécanique, de type carapace mobile-en deux parties (1 avant et 4 amère), actionné par la force du vent sur les extrémités' arrières (4) et visant- à obturer automatiquement et progressiVement l'entrée d'ah-canalisé et--éventuellement la "sortie d'air par coulissement sur le châssis (2), 130 afin de protéger les parties mues par le vent (3, 6), tout en, permettant. la rotation des, hélices (3, 6) à pleine vitesse. 4) .Dispositif selon ,les oevendiications ;[1, 2 et 3), caractérisé en ce que, lorsque les hélices sont â axe ventai; ta- carapacedie firrttlafion de vitesse et crautoprotection- est pourvue -dextensions dans sa arrière (4), servant ,dempentrage pour rônentation' 135 automatique: des éoliennes face au vent. 5) Dispositif selon les revendications [1, 2, 3 et 4), caractérisé en ce que, lorsque les hélices sont à axe vertical, ,déflecteurs d'Entrée (5) orientent le flux d'air canalisé vers le - châssis (2) supportant tes héfidee. (3, 6) et- la- carapace ,-(1, 4), doté, d'Une fore générant- un- - effet venturi et une accélération du flux d'air canalisé au contact de chaque hélice. 3046817 7 140 - 6) Dispositif selon les revendications [1 et 21, caractérisé en ce que les deux arbres contrarotatifs permettent de mettre en mouvement un moyen de compression de fluide (11) en vue du stockage d'énergie potentielle, dans "une cuve (23) attenante Ou indépendante à l'ensemble du dispositif. 7) Dispositif selon les revendications [1, 2 et 6], caractérisé en ce que les deux arbres contrarotatifs permettent de mettre en mouvement contraire le rotor et le stator d'un 145 alternateur (15), permettant ainsi un gain de rendement par rapport à une éolienne classiqte. 8) Dispositif selon les [I, 2, 6 et 7],- caractérisé en ce que là variation de vitesse de rotation de l'un ou des de r arbres coaxiaux (8, 10) peut être lissée et entretenue par. un ou deux disques .à.-inertie (8), débrayables (13) et pourvus d'un système. 150 de freinage (14) à commande électrique ou mécanique. 9) Dispositif selon la revendication[l] caractérisé en ce qu'une production d'électricité en continu. est réalisé par une ou plusieurs paires de disques animées en rotation par des aimants permanents ou équivalent, avec ou sans synchronisation des parties en mouvement, et raccordé à un: dispositif de régulation électrique, permettant-. l'adaptation 155 selon la tension ou fa fréquence demandées, une armoire dé commande et de télégestion. 10) Dispotitif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les ensembles éoliens, sur un sol non déformable, sont portés par les éléments assemblés (2, 23) avec .I'élément de liaison (22), laquelle est rigidifiée par la mise en tension de câbles ou de raidisseurs.- internes. Cet assemblage . permet. de s'affranchir de 160 haubans extérieurs, ou d'intervention de démontage total ou partiel` enprévention des vents observés durant les tempêtes .ou cyclones de la zone d'implantation du dispositif. 111Dispositif .seltxt l'une queltorique des revendit:affixe précédentes, caractérisé en, ce que le dispositif peut être rassemblé au sein dune tour 'démontable à éoliennes verticales, décomposés en plusieurs parties fonctionnelles sur un. ouvrage, support ou agencé par 165 l'assemblage de plusieurs tours pour former une ferme éolienne terrestre, fixe ou déplaçable ou maritime, formant alors -une ou plusieurs structures flottantes.