FR2484554A3 - Windmill producing heat and electricity - uses shaft to heat water by mechanical work and also rotates shaft of electricity generator - Google Patents

Windmill producing heat and electricity - uses shaft to heat water by mechanical work and also rotates shaft of electricity generator Download PDF

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Abstract

Windmill blades are used to rotate a vertical shaft, which is provided with fly-weights controlling its rotational speed. The bottom part of the shaft is fitted with a rotor immersed in a water tank provided with thermally-insulated walls. When the rotor speed increases, it moves upwards towards stator blades in the tank so the resistance to rotation is increased and the amt. of heat transferred to the water is increased. Inside a pylon is a vertical shaft, which is rotated by windmill blades on its top end. The lower end of shaft is located in a thermally-insulated tank contg. water, and carries fly-weights lifting a rotor as the rotational speed increases. The rotor is used with stator blades to creat mechanical work heating the water. A heat exchanger coil with inlet and outlet pipes is used to heat water in an external system by heat transfer from water.

Description

La présente invention concerne un ensemble de dispositifs permettant la production d'énergies calorifique et électrique à partir de la rotation d'un arbre d'aérogénérateur à axe vertical tout en régularisant sa vitesse. The present invention relates to a set of devices allowing the production of heat and electrical energy from the rotation of an aerogenerator shaft with a vertical axis while regulating its speed.

L'énergie éolienne captée à l'aide des moulins à vent dans le XIè siècle a contribué, par ses multiples utilisations, au développement économique de notre pays. En effet, qu'ils soient moulins à céréales, à huile, à broyer les pierres à plâtre, à marteler le fer ou martinet, à pomper l'eau, à fouler le chanvre ..., ils se sont élevés sur les collines et dans les vallées ventées et se sont parfaitement intégrés dans notre paysage. Bien entendu, la grande révolution industrielle avec l'apparition des moteurs thermiques et l'utilisation des eombustibles fossiles a considérablement diminué l'intérêt de ces appareils à énergie gratuite mais à puissance limitée. The wind energy captured using windmills in the 11th century contributed, through its multiple uses, to the economic development of our country. Indeed, whether they are grain mills, oil mills, crush the plaster stones, hammer the iron or swift, pump water, tread hemp ..., they rose on the hills and in the windy valleys and are perfectly integrated into our landscape. Of course, the great industrial revolution with the appearance of heat engines and the use of fossil fuels has considerably reduced the interest of these free energy but limited power devices.

Les capteurs éoliens actuels participent parfois au pompage de l'eau dans nos campagnes ou produisent une faible quantité d'énergie électrique dans les sites peu accessibles, ou encore deviennent la seule source possible d'énergie sur les balises en mer et montagne. Current wind sensors sometimes participate in pumping water in our countryside or produce a small amount of electrical energy in sites that are not easily accessible, or even become the only possible source of energy on beacons at sea and in the mountains.

Le sujet de la présente invention découle de l'utilisation du couple moteur transmis par l'axe vertical d'un aérogénérateur à pales droites par un convertisseur mécanothermique à écartement de rotor variable commandé par un régulateur et l'association d'un multiplicateur, le rotor faisant office de grande roue du ler étage du multiplicateur ; le tout baignant dans un liquide permettant la lubrification des roulements et engrenages et le transfert des calories dégagées. The subject of the present invention arises from the use of the engine torque transmitted by the vertical axis of a straight-blade aerogenerator by a mechanothermal converter with variable rotor spacing controlled by a regulator and the association of a multiplier, the rotor acting as large wheel of the 1st stage of the multiplier; the whole bathing in a liquid allowing the lubrication of the bearings and gears and the transfer of the released calories.

Les dispositifs décrits ci-après permettent une production de ehaleur, tout en évitant l'emballement du rotor de l'aérogénérateur et l'entrainement d'une génératrice électrique. The devices described below allow production of heat, while avoiding the runaway of the wind turbine rotor and the drive of an electric generator.

Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description qui suit, donnée à titre d'exemple, en se référant aux dessins annexés sur lesquels
- la figure l est une vue schématique d'un aérogénérateur à axe vertical montrant les positions relatives des éléments permettant la production de chaleur et d'électricité.The characteristics of the invention will emerge more particularly from the description which follows, given by way of example, with reference to the appended drawings in which
- Figure l is a schematic view of an aerogenerator with vertical axis showing the relative positions of the elements allowing the production of heat and electricity.

Le rotor R, fixe au sommet d'un pylône M, entraine en il un arbre vertical. Ce dernier, dans une cuve calorifugée 12, fait tourner le rotor à ailettes du convertisseur et entraine également les 2 étages du multiplicateur dont l'arbre sort de la cuve en 13. C'est sur cet arbre 13 qu'est fixée la génératrice électrique directement si elle est en courant continu, ou le dispositif de régulation si la génératrice est destinée à produire du courant à 50 ou 60 périodes. The rotor R, fixed at the top of a pylon M, drives in it a vertical shaft. The latter, in a thermally insulated tank 12, rotates the finned rotor of the converter and also drives the 2 stages of the multiplier whose shaft leaves the tank at 13. It is on this shaft 13 that the electric generator is fixed directly if it is direct current, or the regulating device if the generator is intended to produce current at 50 or 60 periods.

- la figure 2 montre les détails de la cuve précédente 12. L'arbre 11 entraine dans sa rotation les masselottes du régulateur centrifuge 21 qui, en s'écartant, tendent à soulever le fourreau porte-rotor à ailettes 23, qui, de ce fait, se rapproche du stator à ailettes 24, en offrant un couple de plus en plus résistant à la rotation, tout en dégageant, par effet Joule, des calories dans le liquide. Sur la périphérie du rotor est fixée une roue à dentures droites qui entraine un premier étage de multiplication 25 entrainant à son tour un second étage 26.L'arbre 13 tourne à la vitesse choisie qui est fonction de l'utilisation retenue, soit ltentrainement d'une génératrice à courant continu G qui peut alors servir de moteur de lancement du rotor en supprimant l'embrayage centrifuge 27, soit l'entrainement d'un compresseur soit à l'aide de l'embrayage centrifuge 27, la rotation d'une pompe hydraulique qui, aidée par un régulateur hydraulique, permet l'entrainement d'un moteur hydraulique à vitesse constante sur l'arbre duquel peut s'adapter une génératrice électrique à 50 ou 60 Hz. Quelle que soit la solution électrique choisie, la batterie tampon 22 assure soit le stockage de la production globale, soit l'alimentation des asservissements. A l'aide de l'échangeur 28 l'eau de chauffage ou sanitaire est évacuée en 29. - Figure 2 shows the details of the previous tank 12. The shaft 11 causes in its rotation the weights of the centrifugal regulator 21 which, moving away, tend to lift the rotor carrier sheath 23, which, from this fact, approaches the stator with fins 24, offering a torque more and more resistant to rotation, while releasing, by Joule effect, calories in the liquid. On the periphery of the rotor is fixed a wheel with straight teeth which drives a first multiplication stage 25 in turn causing a second stage 26. The shaft 13 rotates at the chosen speed which is a function of the use retained, ie a DC generator G which can then serve as a rotor launching engine by eliminating the centrifugal clutch 27, either the drive of a compressor or using the centrifugal clutch 27, the rotation of a hydraulic pump which, helped by a hydraulic regulator, allows the driving of a hydraulic motor at constant speed on the shaft of which can adapt an electric generator at 50 or 60 Hz. Whatever the electric solution chosen, the battery buffer 22 ensures either the storage of the overall production, or the supply of the servos. Using the exchanger 28, the heating or sanitary water is removed at 29.

En cas de surproduction ou de non utilisation de l'énergie calorifique, un radiateur R à moto ventilateurs électriques alimentés par la batterie 22 entre en action par les vannes 3 voies à commande thermostatiques 27. In the event of overproduction or non-use of the heat energy, a radiator R with electric motor fans powered by the battery 22 comes into action by the 3-way valves with thermostatic control 27.

- la figure 3 représente la vue schématique d'une utilisation mixte chauffage à eau chaude et énergie électrique en triphasé 220/380 v. - Figure 3 shows the schematic view of a mixed use of hot water heating and three-phase electric power 220/380 v.

L'arbre 13 n'entraine la pompe hydraulique 32 que lorsque sa rotation atteint un seuil pré-établi sur l'embrayage centrifuge 31. L'huile HP alimente le moteur hydraulique 34 et le régulateur hydraulique 33 dérive l'excèdent d'huile dans le bac 36 afin d'obtenir une vitesse constante prédéterminée en fonction du type de génératrice choisi 540 t/mn, 750 t/mn, 1.500 t/mn, etc ... Le tout, bien entendu, quelle que soit la vitesse de l'arbre 13 au-dessus du seuil déterminé sur l'embrayage 31.The shaft 13 drives the hydraulic pump 32 only when its rotation reaches a pre-established threshold on the centrifugal clutch 31. The HP oil supplies the hydraulic motor 34 and the hydraulic regulator 33 derives the excess oil in the tank 36 in order to obtain a predetermined constant speed depending on the type of generator chosen 540 rpm, 750 rpm, 1,500 rpm, etc. All of this, of course, whatever the speed of the shaft 13 above the threshold determined on the clutch 31.

Dans ce cas, l'arbre 11 de l'aérogénérateur est lancé à la demande par un classique démarreur 39 sur une couronne dentée 38. In this case, the shaft 11 of the wind generator is launched on demand by a conventional starter 39 on a ring gear 38.

Il est à remarquer que l'utilisation de ce type de transmission hydrostatique entraine l'adjonction d'un bac 36 isolé de la portée chaude voisine et refroidi de surcroît par les ailettes 37.  It should be noted that the use of this type of hydrostatic transmission leads to the addition of a tank 36 isolated from the neighboring hot range and further cooled by the fins 37.

Bien entendu, il est possible. suivant
la puissance désirée, e'est-à-dire les dimensions du rotor, la
hauteur du pylône support,
. les conditions climatiques du site d'implantation, vents réguliers
faibles, moyens, forts,
les utilisations de l'énergie éolienne disponible, chauffage,
électricité d'appoint ou les deux, énergie pneumatique, etc
les possibilités de surveillance et d'entretien, de choisir les dispositifs les mieux adaptés ou leurs associations.Of course, it is possible. following
the desired power, i.e. the dimensions of the rotor, the
support pylon height,
. climatic conditions of the site, regular winds
weak, medium, strong,
uses of available wind energy, heating,
backup electricity or both, pneumatic energy, etc.
monitoring and maintenance possibilities, choosing the most suitable devices or their combinations.

Le but de l'invention est de vulgariser l'utilisation des aérogénérateurs partout où leur implantation est possible et rentable. The object of the invention is to popularize the use of wind turbines wherever their implementation is possible and profitable.

La description qui précède n'est pas limitative, en effet, l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. The above description is not limitative, in fact, the invention can be implemented according to other variants, without going beyond its scope.

Claims (10)

REVENDICATIONS rogénérateur. generator. masses 21 du régulateur et protéger efficacement le rotor de l'aé masses 21 of the regulator and effectively protect the rotor from air rotor maximum admissible) il est possible de choisir le poids des maximum admissible rotor) it is possible to choose the weight of tion du seuil maximum de fonctionnement (vitesse de rotation du tion of the maximum operating threshold (speed of rotation of the est fonction du carré de cette même vitesse de rotation. En fonc is a function of the square of this same speed of rotation. In function rapprochement de ces deux plateaux à ailettes pour le régulateur reconciliation of these two fin plates for the regulator à l'écartement du rotor 23 et du stator 24 de la figure 2, mais le at the spacing of the rotor 23 and the stator 24 of FIG. 2, but the tation de l'arbre. Or, cette même puissance est proportionnelle tree. Now, this same power is proportional par effet Joule) est proportionnelle au cube de la vitesse de ro by Joule effect) is proportional to the cube of the speed of ro haute vitesse. En effet, la puissance absorbée (ici calorifique high speed. Indeed, the power absorbed (here calorific une régulation automatique du couple résistant plus "pointue" en a more "precise" automatic torque regulation in sur tous les types d'aérogénérateurs à axes verticaux on all types of wind turbines with vertical axes l - Convertisseur mécanothermique caractérisé en ce qu'il permet à la fois l - Mechanothermal converter characterized in that it allows both de multiplication 25. multiplication 25. qu'est fixée la roue dentée à engrenage droit du premier étage what is the first stage spur gear teur électrique. Or, ici, ctest sur le périmètre du rotor 23 electric tor. However, here it is on the perimeter of the rotor 23 dant absolument nécessairepour l'entrainement efficace du généra absolutely necessary for effective general training du rotor augmente pour les moyennes et fortes puissances, le ren of the rotor increases for medium and high powers, the ren qui est obligatoirement de plus en plus faible lorsque le diamètre which is necessarily smaller and smaller when the diameter une multiplication de la vitesse de l'arbre de l'aérogénérateur, a multiplication of the speed of the wind turbine shaft, 2 - Convertisseur mécanothermique à régulateur selon la revendication 12 - Mechanothermal converter with regulator according to claim 1 caractérisé en ce qu'il peut être réduit à un simple ralentissement characterized in that it can be reduced to a simple slowing down hydraulique lorsque seule la récupération de l'énergie électrique hydraulic when only the recovery of electrical energy est recherchée. Le multiplicateur a un rôle également important, is wanted. The multiplier has an equally important role, toute l'énergie calorifique étant dissipée volontairement (cuve à all the heat energy being dissipated voluntarily ( ailettes de refroidissement). cooling fins). 3 - Convettisseur mécanothermique à régulateur selon la revendication l 3 - Mechanothermal convector with regulator according to claim l caractérisé en ce qu'il est recherché en priorité de l'énergie calo characterized in that calo energy is sought in priority rifique et accessoirement pour les asservissements une faible pro rific and incidentally for the enslavements a weak pro duction électrique en courant continu avec batterie tampon. La cuve direct current electric duction with buffer battery. Tank 12 de la figure i est soigneusement calorifugée, l'échangeur 28 et 12 of Figure i is carefully insulated, the exchanger 28 and le dispositif 27, 29 et R de la figure 2, sont mis en place. L'em the device 27, 29 and R of FIG. 2 are put in place. Em brayage centrifuge 31 n'est plus utile, ni d'ailleurs le démarreur centrifugal clutch 31 is no longer useful, nor is the starter 39 et 38 de la figure 3. Seule une génératrice à courant continu, 39 and 38 of FIG. 3. Only a direct current generator, pouvant servir de moteur de lancement, est à retenir. can be used as a launch engine, is to remember. 4 - Convertisseur mécanothermique à régulateur selon la revendication 14 - Mechanothermal converter with regulator according to claim 1 caractérisé par le fait que sont recherchées à la fois l'énergie  characterized by the fact that both energy is sought calorifique et l'énergie électrique sous la forme de tension al calorific and electrical energy in the form of voltage al ternative directement semblable au réseau (50 ou 60 Hz). Pour ce directly similar to the network (50 or 60 Hz). For this faire, l'ensemble cuve 12 et échangeur 28 et les accessoires déjà make, the tank 12 and exchanger 28 assembly and the accessories already cités dans la revendication 3, sont maintenus. Mais il est néces cited in claim 3, are maintained. But it is necessary saire de prévoir le démarreur 39, la couronne 38. Une cuve annexe be sure to provide the starter 39, the crown 38. An auxiliary tank 36 refroidie par des ailettes 37, un embrayage centrifuge 31 à seuil 36 cooled by fins 37, a centrifugal clutch 31 with threshold d'embrayage pré-établi, un ensemble hydrostatique 32, 33 et 54 per clutch, a hydrostatic assembly 32, 33 and 54 per mettant une vitesse constante d'entrainement d'une génératrice al-  putting a constant speed of drive of a generator al- ternative 35 auto-régulée. self-regulating 35 ternative. 5 - Convertisseur mécanothermique à régulateur selon la revendication 45 - Mechanothermal converter with regulator according to claim 4 caractérisé par-le fait que la génératrice de courant alternatif characterized by the fact that the alternating current generator peut être entrainée à 540 t/mn par une transmission universelle can be driven at 540 rpm by a universal transmission à double cardans des tracteurs. Cet équipement permet l'adapta with double gimbals of tractors. This equipment allows adapta tion de cette génératrice également sur la fixation trois points tion of this generator also on the three point fixing des tracteurs et la poulie de force. tractors and power pulley. 6 - Convertisseur mécanothermique à régulateur selon la revendication 46 - Mechanothermal converter with regulator according to claim 4 caractérisé par le fait que la masse de liquide de transfert de la characterized by the fact that the mass of transfer liquid from the cuve 12 peut être porté de 1200 à 1400C et servir de source très tank 12 can be brought from 1200 to 1400C and serve as a very source chaude à une pompe à chaleur à absorption à couple LiBr et H20. La hot to an absorption heat pump with LiBr and H20 torque. The deuxième source à environ 300C pouvant provenir soit de panneaux second source at around 300C which can come from either panels solaires, soit d'eaux résiduelles, soit d'une petite pompe à chaleur either from residual water or from a small heat pump à compression eau-eau ou air-eau alimentée par la génératrice élec with water-water or air-water compression supplied by the electric generator trique du groupe. group stick. laires à liquide ou à air. liquid or air washers. support peut très bien supporter en particulier des panneaux so- support can support very well in particular panels so- duite dans le convertisseur de l'aérogénérateur. Or, le pylone feed in the wind turbine converter. Now the pylon de chaleur globale égale sensiblement à 1,67 fois la quantité pro total heat equal to approximately 1.67 times the pro quantity L'ensemble peut, dans ces conditions, laisser espérer une quantité The set can, under these conditions, give hope for a quantity 7 - Convertisseur mécano.thermique à régulateur selon la revendication 67 - mechanical-thermal converter with regulator according to claim 6 caractérisé en ce que, par une double pompe à chaleur en cascade characterized in that by a double cascade heat pump à couples CH3OH LiBr et H20 LiBr, il est possible d'obtenir un re with couples CH3OH LiBr and H20 LiBr, it is possible to obtain a re froidissement à - 100 N - 130C avec un COP de 0,52 environ, tout cooling to - 100 N - 130C with a COP of approximately 0.52, all en actionnant les pompes de circulation par la production électri by operating the circulation pumps by electric production que de la génératrice du groupe. than the generator of the group. 8 - Convertisseur mécanothermique à régulateur et multiplicateur inté8 - Mechanothermal converter with regulator and internal multiplier grés caractérisé en ce qu'il utilise pour l'entrainement d'une gé sandstone characterized in that it uses for the training of a ge nératrice alternative un réducteur à vitesse constante de sortie alternative generator a constant output speed reducer composé d'une pompe hydraulique, d'un moteur hydraulique et d'un composed of a hydraulic pump, a hydraulic motor and a régulateur hydraulique. Le tout adapté d'une manière originale hydraulic regulator. All adapted in an original way à un aérogénérateur à axe vertical. to a vertical axis wind turbine. 9 - Convertisseur mécanothermique à régulateur et multiplicateur intégrés 9 - Mechanothermal converter with integrated regulator and multiplier caractérisé en ce qu'il permet d'offrir un ensemble d'énergies ex characterized in that it makes it possible to offer a set of ex energies ploitables à partir de l'énergie éolienne. Le pylone support pou pliable from wind energy. The support pylon for vant se composer en outre d'une structure à panneaux solaires et before being further composed of a structure with solar panels and panneaux à cellules photovoltaiques. photovoltaic cell panels. 10 - Convertisseur mécanothermique à régulateur et multiplicateur intégrés10 - Mechanothermal converter with integrated regulator and multiplier caractérisé par le fait qu'il rend possible la création d'une habi characterized by the fact that it makes possible the creation of a habi tation ou de locaux dont l'architecture intègre l'aérogénérateur à tation or premises whose architecture incorporates the wind generator axe vertical sans problème esthétique exceptionnel.  vertical axis without exceptional aesthetic problem.
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