Brevet FR3089583A1 — publié le 20200612

Description Titre de l'invention : Dispositif de transmission entre une source d'énergie captée par une éolienne ou une hydrolienne et une gé- nératrice entraînée par celle-ci [000 La présente invention concerne un dispositif de transmission de l'énergie adapté à un véhicule maritime ou terrestre dont la source d'énergie principale est la puissance du vent, captée par une éolienne. [0002] Le domaine d'application privilégié, mais non limitatif, est celui de la navigation en mer ou en eau douce. [0003] Toutefois le dispositif pourrait trouver un intérêt et des applications sur toutes sortes d'éoliennes subissant des rafales particulièrement violentes. [0004] Le même dispositif trouve également une application, par analogie, pour réaliser la chaîne de transmission entre un rotor d'hydrolienne et son alternateur, ou plus généralement dès qu'un rotor mû par une source d'énergie de puissance irrégulière, en l'occurrence un courant d'eau, entraîne un alternateur. [0005] Dans le cas des éoliennes terrestres l'énergie captée est généralement convertie en électricité. Un système de pilotage de l'éolienne régule son fonctionnement en fonction de la force du vent. L'éolienne entraîne un alternateur qui génère de l'énergie de fréquence et tension variables également en fonction de la vitesse du vent. Un système électrotechnique de conversion de puissance permet ensuite de délivrer la puissance à une tension et une fréquence stables. [0006] La variabilité de la force du vent amène à dimensionner l'alternateur de façon à supporter l'effet des rafales de vent ; celui-ci est donc forcément surdimensionné pour accepter des augmentations de tension si la vitesse de l'éolienne augmente pendant la rafale, ou des augmentations de courant si le système de contrôle maintient la vitesse de rotation de l'éolienne stable pendant la rafale, en augmentant le couple résistant exercé par l'alternateur. [0007] Dans le cas d'une éolienne terrestre, la variabilité de vitesse de vent ne peut provenir que des phénomènes de rafales, elle est donc statistiquement prévisible. Comme ordre de grandeur, on peut retenir que les plus fortes rafales correspondent souvent à environ 60% d'augmentation de vitesse du vent par rapport au vent moyen. [0008] Les donnes précises peuvent être déterminées par une campagne de mesures préalables à l'installation de l'éolienne, pour estimer au plus juste le surdimensionnement nécessaire. [0009] Notons que plus les éoliennes sont grandes, plus elles bénéficient d'un vent régulier et moins le ratio d'accélération du vent lors des rafales sera élevé. 2 [0010] Le sur-dimensionnement nécessaire pour résister aux rafales, qui reste modéré, se traduit par une masse supérieure de l'alternateur, qui ne pose pas d'autres problèmes que de devoir dimensionner correctement l'installation : mât, fondations, etc. Mais il est d'importance. [0011] Lorsque l'on utilise une éolienne embarquée comme source d'énergie principale d'un véhicule d'une manière générale et d'un bateau en particulier, la question du surdimensionnement de l'alternateur devient beaucoup plus délicate à traiter et beaucoup plus pénalisante. [0012] Première difficulté : il est impossible de déterminer un ratio maximum de sur-vitesse d'une rafale par rapport au vent moyen, étant donné que : [0013] - d'une part le véhicule / navire peut se trouver dans des lieux variables et que l'on ne peut pas tous les étudier ; [0014] - d'autre part le véhicule, du fait de son déplacement, peut quitter une zone abritée du vent et recevoir extrêmement brutalement un vent violent en une où quelques secondes, ne laissant pas le temps au système de régulation de moduler la puissance captée par l'éolienne. [0015] Deuxième difficulté : la première difficulté amènerait logiquement à surdi mensionncr très généreusement l'alternateur ; cela amènerait donc un supplément de masse important dans la partie haute du véhicule I navire. On crée donc un supplément de niasse à mettre en mouvement, une dégradation de la stabilité du véhicule et un surcoût à l'achat de l'équipement et des systèmes électrotechniques de conversion de l'énergie. [0016] Troisième difficulté : si on surdimensionne effectivement très largement l'alternateur, son rendement dans son domaine normal de fonctionnement va se dégrader. [0017] La présente invention permet de résoudre les problèmes mis en lumière ci-dessus et concerne à cet effet un dispositif de transmission entre, d'une part, un axe 9 entraîné en rotation par une source d'énergie naturelle, de puissance irrégulière, captée par une éolienne 100 ou une hydrolienne, et d'autre part une génératrice de courant 11,14, caractérisé en ce qu'il comprend un limiteur de couple 12,19 intercalé entre l'axe 9 mis en mouvement par ladite source d'énergie naturelle et la génératrice de courant 11,14, limiteur dont le couple maximum transmissible à la génératrice 11,14 est égal ou inférieur à la valeur maximale du couple admissible par celle-ci 11,14. [0018] De cette manière, on protège l'alternateur d'un excès d'énergie brutal en provenance de l'éolienne durant le temps nécessaire au système de régulation pour réagir. [0019] En cas de rafale très brutale et d'atteinte du couple nominal du limiteur, le système va permettre à l'éolienne de monter en vitesse pour limiter le couple capté et va dissiper l'excédent d'énergie par friction au niveau du lirniteur de couple. Ce fonctionnement doit forcément être de courte durée, le temps nécessaire au système de contrôle pour réguler la puissance captée par l'éolienne, cette régulation pouvant se 3 faire par exemple et de manière avantageuse par un système de pas variable des pales de l'éolienne. [0020] La capacité de dissipation d'énergie du limiteur de couple est un facteur à di- mensionner très soigneusement en fonction des caractéristiques générales de l'éolienne et de son système de contrôle. [0021] Avec un tel dispositif, on peut dimensionner l'alternateur pour un ratio de sur-vitesse (rafale maximum/vent moyen) nettement plus modéré (exemple 40%) et cohérent avec les données météorologiques globales de la zone géographique où le véhicule ou navire est supposé se déplacer. [0022] On ne demande plus à l'alternateur de supporter toutes les surventes mais seulement la grande majorité d'entre elles, les surventes exceptionnelles voyant leurs effets maîtrisés par le limiteur de couple. Ainsi : [0023] - on limite le sur-dimensionnement de l'alternateur et sa masse ; [0024] - on limite le sur-dimensionnement dcs dispositifs électrotechniques de conversion de l'énergie ; [0025] - on diminue le coût de l'ensemble ; [0026] - on améliore le rendement énergétique global, notamment par vent faible ; [0027] - on diminue la masse du véhicule et on améliore sa stabilité. [0028] Dans le cadre d'une application de l'invention à une éolienne, le dispositif est destiné plus particulièrement à alimenter un moteur électrique ou un accumulateur disposé sur un véhicule terrestre, maritime ou amphibie. [0029] C'est ainsi que le problème posé a été résolu par une application particulière, et surtout nouvelle d'un moyen connu, en l'occurrence le limiteur de couple. [0030] La description qui va suivre au regard des dessins annexés fera mieux comprendre l'invention, dessins dans lesquels : [0031] [fig.1] représente une vue schématique globale du dispositif de transmission selon l'invention, appliqué par exemple à un navire ; [0032] [fig.2] représente une vue à échelle agrandie du dispositif selon la figure 1, selon un premier mode de réalisation ; [0033] [fig.3] représente une vue à échelle agrandie du dispositif selon la figure 1, selon une variante de réalisation. [0034] Selon la figure 1, le navire comporte une coque 1 avec représentation de sa ligne de flottaison 20, une motorisation pour sa propulsion : moteur 2, arbre 3 et hélice marine 4. [0035] Au-dessus des structures 5 du navire se place l'éolienne 100 désignée dans son ensemble, qui est supportée par une plateforme tournante 6, selon un sens de rotation R1 ou R2, recevant une autre structure 7 porteuse de l'éolienne 100 proprement dite et de tous ses constituants. L'éolienne 100 comporte des pales 8 entraînant un arbre principal 9 maintenu sur la structure 7 par des paliers 10 qui permettent sa rotation. [0036] Selon l'une des réalisations A possibles, l'alternateur 11 est disposé en ligne avec l'arbre principal 9 de l'éolienne 100, selon l'axe XX', le limiteur de couple 12 se positionne alors entre l'arbre principal de l'éolienne 100 et l'arbre 13 de l'alternateur 11. [0037] Selon une autre réalisation B possible, représentée sur la même figure 1, l'alternateur 14 est disposé sur la plateforme tournante 6, selon un axe YY'. On dispose alors des moyens d'entraînement mécaniques entre l'arbre principal 9 de l'éolienne 100 et l'arbre 15 de l'alternateur 14, comme par exemple une chaîne de transmission 16 et des pignons 17,18. Le limiteur de couple 19 est intégré dans cet ensemble de transmission, comme précédemment. Il peut s'agir avantageusement d'un limiteur de couple à friction prévu par construction pour pouvoir recevoir un pignon de chaîne 18 ou une poulie de courroie (Non représentée). [0038] Comme bien visible sur la figure 1, lesdits limiteur 19 et alternateur 14 sont disposés sur une ligne YY', décalée parallèlement par rapport à l'axe XX' de l'arbre 19 de l'éolienne, la transmission s'effectuant par l'intermédiaire d'une chaîne 16 interposée entre un pignon 17 solidaire de l'arbre 9 de l'éolienne 100 et un pignon solidaire 18 de l'arbre 15 de l'alternateur 14. [0039] Selon les caractéristiques de l'alternateur, les composants mécaniques d'entraînement qui relient l'arbre 9 d'éolienne 100 à l'arbre d'alternateur 13 ou 15 peuvent aussi comporter un dispositif de multiplication ou de division de la vitesse de rotation (non représenté) qui peut être implanté en différentes positions selon les besoins de la réalisation particulière. [0040] La figure 2 illustre le détail de la réalisation A selon la figure 1, dans laquelle l'alternateur 11 monté sur la structure porteuse 7 est aligné avec l'arbre principal 9 d'éolienne 100 et comporte un limiteur de couple 12, comme décrit ci-après. [0041] Sur l'arbre 13 d'alternateur 11, est monté et solidarisé le premier corps 21 du limiteur 12 qui reçoit un flasque de serrage 22 mis en pression par un dispositif élastique 23, constitué par deux rondelles « Belleville », lui-même mis en pression par un écrou de réglage 24. [0042] Le flasque 22 exerce une force de pression sur les deux disques de friction 25, sur la pièce de jonction 26 pourvue de plots élastiques 27 et sur le premier corps 21 du limiteur Les plots élastiques 27 sont positionnés dans des logements a,b du second corps 28 du limiteur 12, lui-même monté solidaire de l'axe principal 9 de l'éolienne 100. Ainsi la pièce de jonction 26 transmet les efforts entre l'arbre principal 9 de l'éolienne 100 et l'arbre 13 de l'alternateur 11 : [0043] - d'une part en coopérant de manière permanente avec le second corps 28 du limiteur 12 qui lui imprime une rotation, synchrone à celle de l'arbre 9 d'éolienne 100 ; [0044] - d'autre part en coopérant de manière conditionnelle avec les disques de friction 25 solidaires en rotation du premier corps 21 du limiteur 12, lui-même solidaire de l'arbre 13 de l'alternateur : si l'éolienne 100 développe un couple supérieur à la valeur de réglage du limiteur 12, la pièce de jonction 26 se désolidarise des disques de friction 25 et l'énergie excédentaire est dissipée en chaleur. [0045] La figure 3 illustre le détail de la réalisation B selon la figure 1, et diffère essen- tiellement de la réalisation A en ce que l'alternateur 14 est monté sur la plateforme tournante 6 et est entraîné par l'éolienne 100 au moyen d'une transmission par chaîne 16. [0046] Le limiteur de couple 19 comporte un corps 31 qui reçoit un flasque de serrage 32 mis en pression par un dispositif élastique 33, constitué par deux rondelles « Belleville », lui-même mis en pression par un écrou de réglage 34. [0047] Le flasque 32 exerce une force de pression sur les deux disques de friction 35, sur le pignon 36 qui reçoit la chaîne 16 et sur le corps du limiteur 31. [0048] La chaine 16 est mise en mouvement par son engrènement sur le pignon menant 17 et transmet le mouvement de l'arbre principal 9 de l'éolienne 100 de manière constante jusqu'au pignon mené 18. 6 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3]