Brevet FR3060063A1 — publié le 20180615

DOMAINE TECHNIQUE L'invention porte sur la détection de givrage et dégivrage de structures. L'invention vise plus spécifiquement à proposer un dispositif de détection de givrage et dégivrage d'une pale d'éolienne, et un procédé de mise en oeuvre de celui-ci. ETAT DE LA TECHNIQUE L'implantation d'éoliennes en zones climatiques froides génère des contraintes majeures, notamment une fréquence importante d'épisodes de givrage des machines. Le givre influe sur un grand nombre de paramètres de la machine : - Blocage des instruments de mesure, - Modification du profil des pales impliquant la baisse des performances et des vibrations impactant la structure, et - Possibilité de décollement et de projection du givre. La prise en compte de ces phénomènes implique l'arrêt complet de la machine lors des périodes à risques, ce qui engendre des pertes de production. Afin de limiter les périodes d'arrêt, des moyens efficaces de protection via la suppression du givre accumulé, ou même via la limitation des possibilités de formation du givre par l'utilisation de revêtements ad hoc, sont mis en oeuvre. La détection de l'apparition et de la disparition du givre est aussi une voie prometteuse pour protéger les machines et limiter les arrêts. Plusieurs méthodes sont connues pour détecter le givre. Elles peuvent être classées en deux grandes familles selon qu'elles détectent la formation du givre sur les éoliennes (pale ou nacelle) de manière directe (grâce à un capteur dédié) ou de manière indirecte (grâce à l'analyse et la mise en cohérence d'informations prises sur les paramètres d'exploitation de l'éolienne comme la puissance produite, la température, l'humidité, la vitesse du vent, etc.). La méthode indirecte demande une analyse fine, souvent par le biais de modèles, ce qui reste difficile à mettre en oeuvre par les exploitants, et manque de fiabilité. 3060063 2 La mesure directe semble préférable mais les capteurs ne font pas toujours la mesure directement sur la pale ; à cause de leur encombrement, ils sont souvent disposés au niveau d'un mât météorologique à proximité du champ d'éolienne ou sur la nacelle des éoliennes. 5 Le principe des capteurs de détection directe du givre met en oeuvre différentes techniques de mesure selon la nature de la grandeur physique estimée : mécanique, électrique/électromagnétique, ou optique. On connaît du document FR 2650667 un dispositif de détection de givrage et 10 de dégivrage de pales aéronautiques comprenant un ensemble de circuits résonnants (type LC), placés sur lesdites pales, et un système interrogateur à distance. Les circuits décrits sont configurés pour résonner à la fois à une fréquence fondamentale, et à une fréquence double de cette fréquence fondamentale. Le système interrogateur est équipé d'un doubleur de fréquence 15 pour émettre en même temps à des fréquences données et à des fréquences doubles de celles-ci. Les circuits sont ainsi éclairés par un ensemble de paires de fréquences incidentes (fondamentales et doubles de fondamentales). Fréquence et facteur de qualité de la réponse des circuits sont mesurés en retour et, de là, est déduit l'état de givre ou de dégivre de la pale. Doter l'interrogateur d'un 20 doubleur de fréquence, et configurer les circuits pour résonner à leur fréquence fondamentale et au double de celles-ci, permet de distinguer les réponses des circuits résonnants des signaux réfléchis sur les pales. On connaît par ailleurs du document US 2013/0323057 un dispositif de détection de givrage de pale d'éolienne comprenant un transpondeur fixé sur la 25 pale et une unité interrogatrice dudit transpondeur. L'unité interrogatrice éclaire à distance le transpondeur à des niveaux de puissance de plus en plus importants, jusqu'à recevoir de celui-ci une réponse fiable. Le dispositif comprend en outre un comparateur qui reçoit le niveau de puissance émis pour lequel une réponse fiable a été reçue, et la compare à une valeur de puissance seuil programmable. Le 30 résultat de cette comparaison indique si la pale est givrée ou non. L'utilisation d'étiquette électromagnétique (ou TAG), type transpondeur, comme capteur est déjà connue de la littérature. Ainsi, Hirsh [1] décrit un capteur de corrosion pour réservoir de stockage industriel comprenant une étiquette électromagnétique. L'étiquette comprend, en série, une 35 antenne réceptrice, un élément chimique sensible à la corrosion, une jonction non 3060063 3 linéaire, et une antenne émettrice. L'ensemble constitue un circuit électrique dont l'impédance est modifiée par l'état chimique de l'élément sensible à la corrosion. Dans la mesure où, lorsque l'étiquette est éclairée par une onde incidente, elle réémet un signal différent suivant l'état d'impédance du circuit, il suffit d'analyser 5 la réponse, à un éclairage donné, de l'étiquette au cours du temps, pour connaître le niveau de corrosion du réservoir. De même, Romeu Gomez [2] enseigne l'utilisation d'une étiquette électromagnétique comme capteur de température. L'étiquette comprend, en série, une antenne réceptrice, un élément filtrant en fréquence sensible à la 10 température, un doubleur de fréquence, et une antenne émettrice. Pour un éclairage donné de l'antenne réceptrice de l'étiquette, une réponse différente est émise par l'antenne émettrice, suivant la température du système. L'utilisation d'étiquette électromagnétique, type TAG, comme capteur est donc bien connu, y compris dans le domaine du givrage de pale d'éolienne. 15 Cependant, tous ces capteurs comprennent nécessairement l'ajout d'un élément intermédiaire, sensible à la grandeur physique que l'on souhaite mesurer, qui influe sur la réponse de l'étiquette. Il apparaît donc le besoin de capteurs passifs, type étiquette 20 électromagnétique, qui détectent à la fois le givrage et le dégivrage, tout en étant intégrés à un dispositif présentant une structure plus simple que celle de l'art antérieur. En permettant la détection de la phase de dégivrage, ces capteurs permettent de redémarrer au plus tôt la production. 25 BASE DE L'INVENTION La présente invention a pour objet un dispositif de détection de givrage et de dégivrage d'une pale d'éolienne caractérisé en ce qu'il comprend : d'une part un capteur, placé à la surface d'une pale, et comprenant : 30 o une première antenne, dite « réceptrice », o une seconde antenne, dite « émettrice », o un dispositif doubleur de fréquence, intercalé entre lesdites première et seconde antennes, et d'autre part un interrogateur, configuré pour émettre une onde 35 électromagnétique en direction de l'antenne réceptrice dudit capteur, et 3060063 4 recevoir une onde électromagnétique en provenance de l'antenne émettrice dudit capteur, Avantageusement, mais facultativement, le dispositif selon l'invention peut en 5 outre comprendre l'une des caractéristiques suivantes : l'interrogateur comprend une antenne émettrice et une antenne réceptrice, les antennes de l'interrogateur émettent et reçoivent des ondes polarisées, de préférence dont la polarisation est croisée, les antennes du capteur émettent et reçoivent des ondes polarisées, dont 10 les polarisations correspondent aux polarisations respectives des antennes de l'interrogateur, l'interrogateur comprend en outre un synthétiseur alimentant une antenne émettrice de l'interrogateur, et un analyseur configuré pour analyser la puissance reçue en provenance d'une antenne émettrice du capteur, 15 l'interrogateur est alimenté en énergie électrique, les antennes du capteur sont des antennes patch, la fréquence de résonance de l'antenne réceptrice du capteur, est voisine de 2,5 GHz, le doubleur de fréquence comprend une jonction non linéaire jouant le rôle 20 de doubleur, la jonction non linéaire étant de préférence une diode type Schottky, et le capteur est composé d'un réseau d'antennes afin d'améliorer le rapport signal sur bruit au sein du dispositif La présente invention a en outre pour objet un procédé de mise en oeuvre du 25 dispositif précédemment décrit, comprenant les étapes consistant à : éclairer le capteur à une fréquence fixe, correspondant à la fréquence de résonance de l'antenne réceptrice lorsque le capteur est en contact avec de l'air, mesurer la puissance reçue, en provenance de l'antenne émettrice 30 du capteur, à la fréquence égale à deux fois la fréquence d'éclairage, et en fonction d'un seuil de puissance reçue, faire remonter des alertes à un système de contrôle de l'éolienne 3060063 5 Avantageusement, mais facultativement, le procédé selon l'invention peut en outre comprendre les caractéristiques suivantes : le seuil de puissance reçue comprend trois niveaux distincts (SO, S1, S2) qui dépendent du paramétrage préalable du dispositif, 5 si : o Le niveau de puissance reçu est compris entre S1 et SO (S1 2), et un doubleur de fréquence intercalé entre antennes réceptrices et antennes émettrices. Le réseau ainsi constitué est placé sur une pale d'éolienne selon des configurations variables, suivant les contraintes propres à l'installation considérée. 10 Ce mode de réalisation permet l'intégration des antennes 9, 10 de l'interrogateur 8 sur le moyeu de l'éolienne. Ce réseau d'antennes est alors configuré pour adapter le diagramme de rayonnement des antennes et améliorer ainsi le rapport signal sur bruit et donc la portée d'échange entre capteur 6 et 15 interrogateur. Interrogateur L'interrogateur 8 repose sur le principe d'un RADAR harmonique. 20 Il est composé d'un synthétiseur 11 alimentant une antenne 9 émettant une onde à la fréquence de résonance FO de l'antenne réceptrice 3 du capteur 6, et d'une antenne réceptrice 10 reliée à un récepteur 12 réglé pour analyser la puissance reçue Pe" en provenance de l'antenne émettrice 5 du capteur 6, à la fréquence F1 de l'antenne émettrice 5 du capteur 6. Pour améliorer le rapport 25 signal sur bruit, lesdites antennes 9, 10 de l'interrogateur 8 émettent et reçoivent des ondes polarisées. Les polarisations des antennes 9, 10 de l'interrogateur 8 sont croisées afin de minimiser le couplage entre les antennes émettrice 9 et réceptrice 10. Les polarisations des antennes 3, 5 du TAG 6 sont elles aussi croisées pour correspondre aux polarisations respectives des antennes 9, 10 de 30 l'interrogateur. Le système complet (interrogateur 8 et TAG 6) est schématisé sur la figure 3. On y aperçoit l'interrogateur 8, alimenté en énergie, émettant à une fréquence FO pour une puissance émise Pe en direction du TAG 6, situé à une distance R. 35 Pour une distance donnée, le TAG 6 reçoit FO à une puissance reçue Pr (Pr Pe, 3060063 10 en fonction du matériau dont est recouverte l'antenne réceptrice 3 du TAG 6), double la fréquence en F1, et réémet un signal à la puissance Pe' (Pe' Pr, en fonction du matériau dont est recouverte l'antenne émettrice 5 du TAG 6). L'onde reçue par l'interrogateur à F1 et Pe" (Pe" REVENDICATIONS1. Dispositif (7) de détection de givrage et de dégivrage d'une pale d'éolienne caractérisé en ce qu'il comprend : d'une part un capteur (6), placé à la surface d'une pale, et comprenant : o une première antenne (3), dite « réceptrice », o une seconde antenne (5), dite « émettrice », o un dispositif doubleur de fréquence (4), intercalé entre lesdites première et seconde antennes (3, 5), et d'autre part un interrogateur (8), configuré pour émettre une onde électromagnétique en direction de l'antenne réceptrice (3) dudit capteur (6), et recevoir une onde électromagnétique en provenance de l'antenne émettrice (5) dudit capteur (6). 2. Dispositif (7) selon la revendication 1, dans lequel l'interrogateur (8) comprend une antenne émettrice (9) et une antenne réceptrice (10). 3. Dispositif (7) selon la revendication 2, dans lequel les antennes (9, 10) de l'interrogateur (8) émettent et reçoivent des ondes polarisées, de préférence dont la polarisation est croisée. 4. Dispositif (7) selon la revendication 3, dans lequel les antennes (3, 5) du capteur (6) émettent et reçoivent des ondes polarisées, dont les polarisations correspondent aux polarisations respectives des antennes (9, 10) de l'interrogateur (8). 5. Dispositif (7) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'interrogateur (8) comprend en outre un synthétiseur (11) alimentant une antenne émettrice (9) de l'interrogateur (8), et un récepteur (12) configuré pour analyser la puissance reçue (Pe") en provenance d'une antenne émettrice (5) du capteur (6). 3060063 14 6. Dispositif (7) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'interrogateur (8) est alimenté en énergie électrique. 7. Dispositif (7) selon l'une des revendications précédentes dans lequel les 5 antennes (3, 5) du capteur (6) sont des antennes patch. 8. Dispositif (7) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la fréquence de résonance de l'antenne réceptrice (3) du capteur (6), est voisine de 2,5 GHz. 10 9. Dispositif (7) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le doubleur de fréquence (4) comprend une jonction non linéaire jouant le rôle de doubleur, la jonction non linéaire étant de préférence une diode type Schottky. 15 10. Dispositif (7) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le capteur (6) est composé d'un réseau d'antennes (3, 5) afin d'améliorer le rapport signal sur bruit au sein du dispositif (7). 20 11. Procédé mettant en oeuvre un dispositif (7) de détection de givrage et de dégivrage d'une pale d'éolienne selon l'une des revendications précédentes comprenant les étapes de : éclairer le capteur (6) à une fréquence fixe (F0), correspondant à la 25 fréquence de résonance de l'antenne réceptrice (3) lorsque le capteur (6) est en contact avec de l'air, mesurer la puissance reçue (Pe"), en provenance de l'antenne émettrice (5) du capteur (6), à la fréquence (F1) égale à deux fois la fréquence d'éclairage (F0), et 30 en fonction d'un seuil de puissance reçue (Pe"), faire remonter des alertes à un système de contrôle de l'éolienne. 12. Procédé selon la revendication 11 dans lequel le seuil de puissance reçue (Pe") comprend trois niveaux distincts (SO, S1, S2) qui dépendent du paramétrage préalable du dispositif (7). 3060063 15 13. Procédé selon la revendication 12 dans lequel si : Le niveau de puissance reçu (Pe") est compris entre S1 et SO (S1 14. Procédé selon l'une des revendications 11 à 13 dans lequel on interroge de manière simultanée plusieurs capteurs (6) disposés le long d'une pale.