Brevet FR3094761A1 — publié le 20201009

Description Titre de l'invention : Détecteur de coups de foudres à distance. [0001] La présente invention concerne un dispositif de détection de coup foudre à distance pour les pales d'éoliennes. [0002] Les éoliennes sont des moyens modernes de création d'énergie renouvelable mais comme toutes les installations industrielles, elles comportent des risques humains, matériels et écologiques. Ces installations industrielles sont classées ICPE (Installation Classée pour la Protection de l'Environnement) et sont soumises à des contrôles plus ou moins réguliers pour plusieurs types d'installations internes. Par exemple, les boites de vitesse, les génératrices et les arbres de transmissions sont soumis à des contrôles visuels périodiques et comportent des capteurs de vibrations et/ou de températures qui permettent des consulter à tout moment les conditions de ces éléments. Sur les pales, des solutions existent (sur certains modèles seulement) pour surveiller les vibrations mais aucun système n'est aujourd'hui mis en place pour la surveillance d'évènement hors mis des inspections visuelles qui, ces dernières, ne sont pas imposées dans le classement ICPE. Notre invention a pour but de simplifier la gestion d'évènement sur les pales pour les différents acteurs : propriétaire, exploitant, DREAL... [0003] Les pales d'une éolienne font parties des éléments principaux de fonctionnement (pas de pales = pas de rotation = pas de production) et coutent très cher (de 100 à 300kE par pale). Les constructeurs sont normalement tenus de faire des contrôles visuels chaque année mais certains ne le font pas. En cas de coup de foudre, s'il est en dehors des récepteurs prévus à cet effet et qu'il endommage les couches de fibres, puis qu'il n'est pas réparé au cours de l'année, la pale peut très fortement s'endommager et engendrer de lourds coûts de maintenances (location de grue pour le démontage, réparation au sol, remontage, perte de production pendant ces travaux...). Certains dégâts dits cosmétiques peuvent ne pas être réparés pendant une ou plusieurs années mais un coup de foudre doit. être traité rapidement (voir Figure 1). [0004] Une éolienne doit s'arrêter le moins possible pour des soucis de rentabilité et de production, les constructeurs ont des contrats de maintenance avec un critère de disponibilité (de production) à respecter. En les arrêtant pour la maintenance annuelle et entretient courant, ils perdent des pourcentages de disponibilité, lors de chaque panne également, notre système de détection de coup de foudre à distance a donc été étudié pour ne pas impactcr le pourcentage de rentabilité, grâce à une interface web il est possible de ne pas arrêter les éoliennes pour contrôler si un coup de foudre a été recensé au cours de l'année. [0005[ La majorité des pales d'éoliennes comportent des récepteurs d'impacts de foudres reliés à des câbles de mise à la terre (moulés dans la pale) qui sont reliés au rotor 2 (moyeu, partie tournante) qui ensuite par système de halais sont reliés à la mise à la terre de la nacelle (partie fixe). La constitution des pales de dernières technologies intègre des éléments en carbone entre les couches de fibre de verre, ce qui pose de réels problèmes lors d'un impact de foudre car le carbone étant plus conducteur que les tresses de masse en aluminium, la foudre vient parfois impacter directement la partie en carbone en traversant les couches de revêtements, de résines et de fibres de verre en créant parfois de gros dégâts pouvant aller jusqu'à la casse de la pale. [0006] Étant donné que : les éoliennes sont bien souvent les points terrestres les plus hauts de leurs zones d'implantations, et que les pales ont une forme assez pointue, elles sont sujets à recevoir des impacts de foudres. Ces impacts sont visibles lorsqu'une inspection visuelle est réalisée mais rien ne permet de quantifier et d' horodater le ou les impacts observés. [0007] Il existe un système de recensement d'impact de foudre par triangulation mais celui- ci ne permet pas de certifier à 100% si une éolienne a été impactée par la foudre, il ne donne qu'une estimation de zone d'impact. [0008] La foudre est un phénomène météorologique qui reste encore aujourd'hui difficile à contrôler, elle peut être ascendante ou descendante, elle décharge une intensité très importante avec une multitude de fréquences différentes, dans un temps très court (de l'ordre de quelques millisecondes). [0009] Quel que soit le coup de foudre reçu par une pale, si il est impacté en dehors des ré- cepteurs prévus à cet effet, il causera obligatoirement une brulure et/ ou une déformation physique du revêtement de la pale qui causera par la suite une perturbation aérodynamique. Celle-ci risque ensuite de provoquer des sifflements audibles à plusieurs centaines de mètres et/ou une détérioration accélérée de la pale due à la vitesse de rotation d'environ 360 km/h en bout de pale pour un rotor moyen. Une alerte via notre système pourrait permettre de stopper ou de brider la production de l'éolienne jusqu'à ce qu'un contrôle visuel ai lieu pour pouvoir agir et éviter ces désagréments. [0010] Technique antérieur : des détecteur de foudre existent déjà sur le marché pour l'industrie mais ne répondent pas aux besoins liés à la gestion des pales, tels que des cartes à bandes magnétiques et que des compteurs d'impacts analogiques mais ils rencontrent des soucis dans cette industrie car il faut arrêter l'éolienne pour aller voir ce compteur ou prendre la carte à bande magnétique qui se trouve dans chaque pale. Cette dernière doit être analysée par un appareil spécifique mais cela implique d'arrêter l'éolienne et de plus, lors de l'envoi postal la valeur enregistrée du champ magnétique (sur la bande) peut être faussée par les rayons X du tri postal. À cause de ces contraintes, très peu d'éoliennes sont suivies pour les impacts de foudres. [0011] But et Principe de fonctionnement de notre invention selon les Figures 5, 6, 7 et 8 annexées : L'invention a pour but détecter à distance les impacts de foudres sur les 3 pales d'éolienne en mettant en place un système de lecture, d'interprétation et d' horodatage d'un coup de foudre sur une pale d'éolienne où que ce soit dans le monde via une boucle de Rogowski, une chainc de conditionnement du signal, un micro-contrôleur et un module d'interconnexion et un module GSM. Ceux-ci combinés à unc interface web privée (login + mot de passe) qui permet de consulter les informations à distance 24h/24 7j/7 partout dans le monde sans altérer le fonctionnement normal de l'éolienne. [0012] Le dispositif selon l'invention comporte : [0013] Une boucle de Rogowski (1) capte et transforme le champ magnétique généré par le courant traversant le câble de mise à la terre des pales causé par un coup de foudre en une valeur électrique. [0014] Une chainc de conditionnement du signal (2) adapte la tension brute reçue de la boucle de Rogowski en une tension exploitable par unc ressource d'acquisition analogique d'un microcontrôleur. [0015] Un microcontrôleur (CPU) (3) reçoit la tension conditionnée de la boucle de Rogowski. Interprète le signal mesuré et exécute unc séquence programmée permettant la transmission de r intensité de foudre détectée via des ressources radios externe. Il a également la gestion et la rétention des paramètres via un échange spécifique de trames de configurations. Chaque détection donnera lieu à unc génération de trame structurée permettant la remontée de l'information sur unc base de donnée distante de façon sécurisée, identifiée et horodatée. [0016] Un module GSM (4) qui envoie les trames destinées à la base de données distante via un service web. [0017] Un module Radio (5) qui a pour but de créer une topologie d'interconnexion de type MAILLEE » d'un groupe d'éoliennes. Ceci permettant de réaliser un échange et une redondance de la circulation d'informations. Celles-ci sont de natures variées et nécessaires au fonctionnement de la solution (Détection de foudre, gestion interne du réseau, gestion des participants du groupe d'éolienne, etc.) pour ainsi rendre robuste la transmission d'une détection de foudre sur l'un ou plusieurs des membres de ce groupe. [0018] Le champ magnétique produit dans le câble de mise à la terre des pales lors d'un impact de foudre est récupéré grâce à une boucle de Rogowski que nous disposons soit en sortie de rotor (câble de mise à la terre dans la nacelle de l'éolienne) soit à l'intérieur de chaque pale. La ou les boucles sont reliées à une carte électronique (invention), les différents appareils installés sur les éoliennes du parc communiquent entre eux grâce à des modules télécom. Une fois l'impact de foudre interprété et géré par le CPU, le module GSM envoi les informations collectées se sous forme de SMS vers une interface web distante. L'intercorminunication et la redondance d'information entre les différentes éoliennes du parc se fait grâce à des modules télécom (Zigbee). De plus, grâce à une possibilité de paramétrage du système via le CPU, nous pouvons choisir de surveiller soit l'ensemble du rotor, soit chaque pale. Nous pouvons également interroger le système à distance via une trame spécifique ou réaliser d'autres opérations en fonction de la trame envoyée. Il faudra tcnir compte également que ces fonctions pourront être réalisées par d'autres moyens de communications type Ethernet. [0019] Les dessins annexés illustrent l'invention : [0020] [fig.1] : Dégâts possible lors d'un coup de foudre sur une pale d'éolienne. [0021] [fig.2] : Schéma d'installation de l'appareil en version 3 voies. [0022] [fig.3] : Schéma d'installation de l'appareil en version 1 voie. [0023] [fig.4] : Présentation physique du boitier. [0024] [fig.5] : Synoptique de la chainc d'acquisition d'un coup de foudre. [0025] [fig.6] : Synoptique de la chainc d'acquisition d'un coup de foudre. [0026] [fig.7] : Étapes de paramétrages et d'acquisitions du système. [0027] [fig.8] : Schéma de principe de « MAILLAGE » d'un parc éolien [0028] [fig.9] : Extrait du test en laboratoire. [0029] Le milieu éolien à un besoin de recenser, de détecter les impacts de foudres sur les pales. L'avantage de notre invention est de pouvoir détecter un coup de foudre des son impact, ainsi de pouvoir déclencher une inspection visuelle pour ensuite gérer les problèmes techniques s'il y a, d'an-êter l'éolienne pour éviter que ça ne s'aggrave et/ou les pollutions environnementales que pourraient causer les débris de fibres de verre/ résine et autres produits chimiques dans les parcelles agricoles. [0030] Notre invention est caractérisé en ce que : Nous avons fait développer une carte élec- tronique pouvant lire et interpréter des coups de foudres de plusieurs centaines d'Ampères, avec plusieurs fréquences différentes (difficilement interprétable pour la majorité des équipements), en positif et négatif (coups de foudre ascendant ou descendant), cette carte à était certifiée par un laboratoire spécifique pour des coups de foudre de allant de 0 à 200kA (spécialisé dans l'aéronautique). Celle-ci est capable de lire les coups de foudres sans se perturber elle-même ni les installations qui l'entoure. [0031] La collecte d'information générale de chaque éolienne dans le monde est gérée par le fait qu'elles sont toutes connectées à Internet avec un numéro d'identification particulier et que sur leur système d'exploitation, de supervision, nous pouvons recueillir l'état de production, réaliser des historiques des compteurs de production, observer les courbes de températures et autres. Notre système pourrait donc se connecter à ce réseau (Ethernet) afin de faciliter la remontée d'information directement sur les systèmes de supervision de gestionnaires de parcs éoliens. [0032] Cette invention a été étudiée pour pouvoir être installé dans tous les types d'éoliennes existants sur terre ou en mer, de façon rapide et sans grande modification de l'éolienne afin de ne pas déranger le design d'origine et les opérations courantes puis de pouvoir être retiré rapidement si besoin. Certaines éoliennes (anciens modèle, avant 2010) ne possèdent pas forcément d'alimentation électrique dans le rotor (partie tournante), cela peut poser problème pour superviser chacune des pales, grâce à la possibilité de paramétrage du système nous pouvons placer le boiticr en nacelle pour bénéficier de l'électricité et choisir de surveiller l'ensemble des pales avec une mesure prise à la sortie du rotor (aux halais reliant la partie tournante à la terre). [0033] Nous avons développé une interface wcb pour la gestion des alertes. Aujourd'hui aucun moyen n'existe pour apprendre à gérer ces coups de foudres, nous espérons pouvoir réaliser des bases de données qui pourraient servir à une multitude de tâches liées au milieu éolien (historique nationale, suivi météorologiques et autres). 6 [Revendication I] REVENDICATIONSLe dispositif de détection de coup de foudre à distance selon l'invention comporte dans un boitier des moyens pour enregistrer à distance un pique d'intensité généré par un coup de foudre à une date et heure précise sur une pale d'éolienne caractérisé en ce que ces moyens comportent : Une boucle de Rogowski (I) capte et transforme le champ magnétique généré par le courant traversant le câble de mise à la terre des pales causé par un coup de foudre en une valeur électrique. Une chante de conditionnement du signal (2) adapte la tension brute reçue de la boucle de Rogowski en une tension exploitable par une ressource d'acquisition analogique d'un microcontrôleur. Un microcontrôleur (CPU) (3) reçoit la tension conditionnée de la boucle de Rogowski. Interprète le signal mesuré et exécute une séquence programmée permettant la transmission de l'intensité de foudre détectée via des ressources radios externe. Il a également la gestion et la rétention des paramètres via un échange spécifique de trames de configuration. Chaque détection donnera lieu à une génération de trame structurée permettant la remontée de l'information sur une base de donnée distante de façon sécurisée, identifiée et horodatée. Un module GSM (4) qui envoie les trames destinées à la base de données distante via un service web. Un module Radio (5) qui a pour but de créer une topologie d'interconnexion de type « MAILLEE » d'un groupe d'éoliennes. Ceci permettant de réaliser un échange et une redondance de la circulation d'informations. [Revendication 2] [Revendication 3] Ensemble de dispositifs selon l'une des quelconques revendications précédentes caractérisé en ce qu'un groupe peut être formé entre plusieurs appareils grâce aux modules radio (5) présents dans chaque boitier, afin de permettre la redondance des informations collectées sur l'ensemble des éoliennes situées sur le parc éolien. Ensemble de dispositifs selon la revendication précédentes caractérisé 7 [Revendication 4] en cc que les informations de détections pourront être implémentées dans le système d'exploitation / de supervision des parcs éoliens. Ensemble de dispositifs selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'un horodatage est mis en place pour le suivi dans le temps de chaque impact de foudre sur chaque éolienne équipée du système.