FR2513699A1 - Systeme de captage et d'orientation de flux pour moteurs eoliens - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE DES MOYENS AMELIORANT LE RENDEMENT DES MOTEURS EOLIENS ET LES PLACANT A L'ABRI DES INTEMPERIES. UNE SUPERSTRUCTURE FIXE ASSURE, OUTRE LES FONCTIONS DE SUPPORT, LE GUIDAGE DU VENT VERS L'AXE D'UN TUNNEL DANS LEQUEL SE TROUVENT LES MOTEURS EOLIENS. CE TUNNEL AINSI QUE DEUX COULOIRS LATERAUX DESTINES A CREER UNE DEPRESSION EN AVAL DES MOTEURS, SONT PLACES SUR UN PLATEAU QUI S'ORIENTE AUTOMATIQUEMENT AU PLUS PRES DE L'AXE DU VENT. DES VOITURES SUPPORTEES PAR LES PILIERS FIXES AUGMENTENT LE VOLUME D'AIR PASSANT DANS LE TUNNEL ET DANS LES COULOIRS LATERAUX. TOUS LES MOUVEMENTS SONT COMMANDES PAR UN MICROPROCESSEUR. DES ENSEMBLES DE GRANDE PUISSANCE SONT REALISES EN SUPERPOSANT PLUSIEURS MODULES AINSI CONSTITUES. POUR LA PROPULSION DE NAVIRES, UNE DISPOSITION JUDICIEUSE DE PLUSIEURS MODULES PERMET D'ASSOCIER L'ACTION DU VENT SUR LES VOILURES ET SUR LES MOTEURS EOLIENS.

Description

ta présente invention concerne les moteur éoliens, le ode d'uti- lisation de l'énergie qu'ils permettent de recueillir pouvant avoir les formes les plus diverses : entrainement d'une génératrice électrique située à proximité ou à distance, d'une pompe ou de tobt autre engin.

Elle s'applique plus particulièrement aux moteurs éoliens à hélice, à pales ou à turbine dits à axe horizontal, cette dénomination couvrant les moteurs dont l'axe est incliné de quelques degrés sur le plan horizontal.

Les éoliennes dites à axe horizontal sont généralement installées au sommet d'un support pour les mettre à l'écart des turbulences causées par les obstacles situés au niveau du sql. Une telle disposition ne permet de recueillir que l'énergie développée par les flux limités approximativement au cylindre défini par la circonférence du rotor; celui-ci, ainsi que la génératrice électrique qu'il entrain, dans la plupart des cas, sont par ailleurs exposés aux intempéries, ce qui peut causerjdégats et anomalies de fonctionnement et rend difficiles les opérations de maintenance et de dépannage.

L'objet de l'invention est un système de captage et d'orientatioh des flux ayant pour effet de placer les moteurs éoliens dans un courant ? d'air forcé, afin d'accroitre le plus possible la vitesse du vent au niv des rotors et, par voie de conséquence, la puissance recueillie, proportionnelle au cube de cette vitesse. Ce système associe une superstructure fixe qui sert également de support et, placé sur un plateau orientable, un dispositif de guidage de flux comprenant un tunnel central dans lequel sont logés un ou plusieurs moteurs éoliens (rotors à hélices ou à pales ou coSinaisson des deux ou turbine* .) et deux couloirs latéraux.

Accessoirement, ce systèmqtrésente l'avantage de placer les rotors et génératrices à 1'abri des intempéries.

La superstructure: fixe comprend deux plates-formes placées au somme d'un pylone ou d'un ensemble de piliers, une plate-forme formant plancher l'autre formant toiture, la plate-forme supérieure reposant sur des pilie disposés à la périphérie du prisme ainsi constitué, de façon à dégager co plètement 11 espace central: Les piliers sont profilés pour offrir le moin de résistance possible aux vents qui les frappent directement et disposés de façon à faire converger les flux vers l'axe du système.

Le plateau orientable repose sur la plate-forme inférieure. I1 por le tunnel contenant le ou les moteurs éoliens. Les changements d'orientation de ce plateau ont lieu par fractions de circonférence et ont pour effet d'amener au plus près de l'axe du vent, l'axe du tunnel, l'extrémit des parois de celui-ci côté entrée étant dans-le prolongement des parois de deux piliers profilés exposés au vent. De part et d'autre de ce tunnel, des couloirs ont pour but d'amener un courant d'air accéléré en aval des moteurs pour placer la zône centrale, côté sortie, en dépression. Lbs parois extérieures des couloirs, à l'avant et à l'arrière se raccordent sur des piliers de la superstructure fixe.Les parois intérieures se raccordent à l'avant sur les mêmes piliers que le tunnel central et, à l'arrière, elles sont assujetties à un dispositif qui permet de faire varier la largeur de l'échappement du tunnel central et des couloirs latéraux.

Les piliers fixes sont pourvus de panneaux mobiles ou de voilures pouvant être déployés à volonté pour augmenter la prise d'air ou éventuellement la diminuer et même l'arrenter complètement lorsqu'il y a lieu d'effectuer des opérations de dépannage ou de maintenance
Les dessins annexés représentent le système faisant l'objet de l'in vexation dans le cas d'un dispositif à huit piliers les changements d'orientation du plateau mobile ayant lieu par huitièmes de circonférence.Cette disposition octogonale constitue un compromis s'adaptant à la plupart des cas, mais il est bien entendu que le nombre de piliers dépendra des puissances à développer et des sites à équiper, l'ensemble devant toujours être implanté de façon que l'une des positions de l'axe du tunnel coïncide avec la direction du vent dominant.

Tel qu'il est~representé par les figure & 1 et 2, le système comporte une plate-forme surélevée a servant de plancher, une plate-forme b servant de toiture, des piliers c . Les plates-formes sont octogonales, les piliers étant placés au centre des côtés de ltoctogone. Le plateau circulaire orientable d repose sur la plate-forme inférieure par l'intermédiaire de galets de roulement placés à sa périphérie (non représentés sur les dessins). Un moteur électrique agissant sur un train de galets permet d'obtenir les changements d'orientation du plateau, la rotation pouvant avoir lieu dans le sens positif ou négatif.Le plateau porte un tunnel e à section rectangulaire à l'entrée et à la sortie, circulaire dans la zone ou se trouvent les rotors des moteurs éoliens, le raccordement entre les sections r èc tan- gulaires et circulaire se faisant suivant des surfaces courbes continues.

Il porte également des cloisons latérales f disposées verticalement.

Les cloisons délimitant le tunnel central et le côté intérieur des couloirs latéraux se raccordent à l'entrée, de part et d'autre de l'axe horizontal, sur les piliers fixes numérotés 2 et 8, les cloisons extérieu res des couloirs latéraux se raccordent sur les piliers fixes numérotés 3
des parois et 7 côté entrée, 4 et 6 côté sortie; côté sortie les parties verticales communes au tunnel central et auxrorm-s latéraux ont une incidence variable par rapport à l'axe horizontal, ce qui permet d'augmenter ou de diminuer effet accélérateur sur le pcssaÖe du vent dans le tunnel et de deviser le flux dëchaprement en privilégiant l'un des deux couloirs dans le cas où l'axe du tunnel ne peut Être exactement positionne suivant l'axe du vent ( échappement plus ouvert pour le couloir recevant un volume d'air plus important).Ces changements d'incidence des cloisons sont obtenus par des vérins ou par des dispositifs à vis g et coulisseau h entrains par un moteur électrique i, le tout étant placé sur le plateau orienta- ble d.

Les piliers sont pourvus d'une voilure j qui est déployée pour les
4 piliers exposés au vent, situés de part et d'autre de ltaxe du tunnel central afin d'assurer la prise d'air maximum pour le tunnel (piliers 2et 8) et pour les couloirs latéraux (piliers 3 et 7), les autrersavoilures restant plaquées contre leurs piliers respectifs. La commande des voilures peut être obtenue par des vérins (hydrauliques, pneumatiques) ou, ainsi que le représentent les figures 4 et 5 par des couples vis sans fin k agissant sur un secteur denté l solidaire du bras due développement de la voilure n; les vis sont entraînées par des moteurs m. Des bras télescopiques (non représentés sur les figures 4 et 5) permettent éventuellement de donner un plus grand développement aux voilures.Ils peuvent etre commandés par un dispositif moteur-reducteur m' agissant sur un élément plastique spiralé fixé sur le secteur denté 1 tel que représenté sur la=figure
La tension des voilures est assurée par un dispositif classique (ressort agissant sur l'axe d'enroulement de la voilure par exemple, ou contre-poid se déplaçant le long du pilier) non représenté sur les dessins.

Pour obtenir un ensemble "voilure bras de commande" rqbuste, on peut prévoir un dispositif d'entraînement identique à celui décrit ci-dessus, fixé à la face inférieure de la plate-forme servant de toiture. Le bord avant de-la voilure est fixé à une traverse verticale qui relie le bras supérieur et le bras inférieur. Les moteurs électriques entraînant ces deux bras ont une alimentation commune afin que leurs mouvements soient bien synchronisés.

Le choix dn positionnement de l'axe de pivotement du secteur denté portant le bras support de voilure a une grande importance, Il doit se situer à proximité du sommet de ltoctogone définissant le contour des plates-formes afin que, dans sa position déployée, la voilure offre au vent (si cela est souhaitable : vents faibles et moyens) la surface maximum et, dans sa position repliée, la voilure se plaque bien sur la partie avant ainsi que sur une paroi latérale du pilier et conserve une certaine tension pour qu'elle prolonge cette paroi comme représenté sur la figure I (piliers 1 et l'une des faces du pilier 2).

Tous les mouvements décrits ci-dessus sont pilotés par un micropro- cesseur opérant sur un programme préalablement enregistré et visant à optimiser le rendement du système. La direction du vent est fournie au calculateur par un moyen classique (manche à air, girouette o ..). Afin d'éviter que le système réagisse à toute saute de vent, une temporisation de l'ordre de la minute est introduite dans le programme de conduite automatique. Le microprocesseur reçoit d'un anémomètre t les informations relatives à la vitesse du vent et commande le déploiement des voilures en fonction de celle-ci.

Les principales actions déclenchées par le programme en fonction des valeurs des paramètres fournis au microprocesseur sont les suivantes
1- Changement d'orientation du vent - Maintien du système dans la position qu'il occupe si la nouvelle orientation du vent détectée ne dure pas plus de quelques minutes (dont le nombre peut varier en fonction du site et de la saison).

- Repliement de ensemble des voilures dans le cas où la nouvelle orientation du vent parait stable et diffère de l'orientation précédente de plus de 250; déclenchement du changement d'orientation de l'axe horizontal du tunnel pour l'amener au plus près du nouvel axe du vent; la rotation du plateau a lieu dans le sens (positif ou négatif) correspondant au plus petit angle à balayer.

- Immobilisation du plateau dans la position telle que, les deux parois du tunnel ( ainsi que les parois extérieures des couloirs latéraux ) se trouvant dans le prolongement de celles de 2 piliers, l'axe du tunnel soit le plus proche possible de l'axe du vent.

- Réglage de l'ouverture de l'échappement, lorsque la position de l'axe du tunnel ne correspond pas exactement à-l'axe du vent : augmentation de la largeur de l'échappement du côté qui reçoit le plus de vent de façon que la vitesse d'écoulement soit à peu près la meme dans les 2 couloirs latéraux.

2 - Variation de la vitesse du vent
Réglage du déploåement des voilures, maximum lorsque l'anémomètre détecte un vent faible ou moyen, réduit pour les vents forts, nul pour les vents très forts.

Le recours à la commande manuelle au clavier neutralisant le programme automatique du microprocesseur a lieu dans les cas exceptionnels
(prévision de tempête, arrêt-pour réparation ..)
Les courants électriques, qu'il s'agisse du courant produit par les aérogénérateurs ou des courants nécessaires pour les différentes commandes peuvent être transmis de la superstructure fixe aux plateaux orientables et inversement par des contacteurs tournants q situés au centre du plateau et des plates-formes fixes.

L'utilisation de matériaux lourds (béton armé, tubes et profilés d'acier) est limitée à la superstructure fixe, à la charpente du plateau orientable et aux supports des moiteurs, des matériaux légers (matières plastiques, profilés d'aluminium, toile à voile avec raidisseurs verticaux...) peuvent être employés pour la construction du tunnel central2 des couloirs latéraux, des voilures. Bans les unités de grande puissance, les voilures peuvent être confectionnées en une matière plastique présentant une bonne souplesse dans le sens horizontal et une semi-rigidité dans le sens vertical. La section horizontale peut, à cet effet, avoir un profil du genre de celui représenté par la figure 6, les zônes amincies ne devant pas constituer des amorces de rupture.

Compte tenu dea caractéristiques des vents propres à chaque site à équiper, certains piliers peuvent être dépourvus de voilure ou même supprimés notamment ceux qui se trouveraient dans l'axe du vent dominant. C'est ainsi que les piliers numérotés 1 et 5 sur la figure 2 peuvent être supprimés si les vents soufflent rarement suivant un axe à 4 de l'axe du vent dominant représenté par la flèche en trait plein v sur la figure 2. L'empla- cement du pilier supprimé peut être aménagé pour recevoir l'escalier (et éventuellement l'ascenseur) de visite de l'installation.

La superposition de plusieurs modules identiques à celui qui vient d'être décrit et indépendants entre eux,bien que pilotés par le ême microprocesseur, permet d'obtenir une structure en forme de tour (figure 3), la olate-forme supérieure de chaque module servant de plancher au module placé au dessus. Les ensembles de grande puissance composés par un groupe de tours ainsi réalisées implantés dans des sites à fort potentiel éolien permettent de produire une certaine quantité d'énergie électrique qui, en dehors des heures de consommation normale, pourra être utilisée pour- obtenir, par electrolyse, de l'oxygène et surtout de l'hydrogène dont les besoins iront sans cesse croissant.

En première application, pour l'installation d'ensembles de grande puis sauce, le choix de sites déjà industrialisés permettrait l'utilisation sur place de l'énergie produite (et éventuellement de l'oxygène obtenu par électrolyse : aciéries implantées en bord de mer, par exemple), tout en ménageant les considérations d'ordre écologique.

De telles installations pourraient également etre prévues pour l'équipement de centres industriels océanologiques implantés dans des sites éloignés de toute ressource énergétique.

Un dispositif léger peut par contre etre envisagé, l'ensemble plateau, tunnel et couloirs étant solidaire de l'ensemble de captage des vents (colonnes et voilures), le tout confectionné en matériaux légers s'orientant dans le sens du vent par rotation autour d'un axe vertical. Ce dispositif simplifié pourrait constituer une machine expérimentale en vue de déterminer les meilleurs profils pour les colonnes, les voilures... et fournir une orientation pour le choix des moteurs éoliens. Il pourrait également être développé pour la réalisation d'ensembles de faible puissance, les colonnes numérotées 1, 3, 5, et 7 sur la figure 2 étant supprimées.

Le système, dans sa version complète ou simplifiée, est adaptable à la propulsion des navires : plusieurs modules peuvent être disposés suivant l'axe du navire, échelonnés en hauteur les modules du niveau inférieur se trouvant à l'avant et l'ensemble légèrement incliné vers l'arrière pour ne pas atteindre une structure globale de hauteur excessive, tout en permettant une bonne prise de vent pour l'ensemble des modules à toutes les allures de navigation. Pour abaisser le centre de gravité, les génératrices électriques peuvent être placées au niveau le plus bas possible dans le navire, la liaison avec les moteurs éoliens faisant appel à des moyens mécaniques. Sur les navires de faible tonnage, ltentraînement des hélices propulsives-peut d'ailleurs être obtenu par des moyens de transmission mécanique simples.

La figure 7 donne un exemple de positionnement de différents modules, la transmission de l'àéromoteur à la génératrice se faisant par des pignons de renvoi r et un arbre s placé au centre du plateau supportant l'aéromotueur, perpendiculaire à ce plateau et passant au travers du pilier du module situé au dessous (les piliers fixes étant constitués par des tubes métalliques). A noter que les piliers des différents modules se prolongent jusqu'au pont du navire pour servir de support tout en laissant au vent le libre accès aux modules de tous niveaux quelle que soit l'allure de navigation.

Le déploiement des voilures doit être tel qu'-à toutes les allures de navigation le maximum d'énergie soit obtenu de la combinaison entre l'action directe du vent sur celles-ci et de son action sur les aéromoteurs. L'axe du tunnel est positionné pour coincider à quelques degrés près avec la direction du vent apparent VA (pour un observateur placé sur le navire, résultante du vent réel VR et du vent relatif au déplacement VD).

Ceci étant, le déploiement des voilures sera réglé en fonction de l'allure de navigation : déploiement des voiles symétrique par rapport à l'axe du tunnel par vent arrière ou faisant un angle inférieur à 2 avec l'axe de navigation, déploiement asymétrique pour la navigation par vent de travers : seront déployées les voiles équipant les piliers côté avant, seules susceptibles de participer à la propulsion par action directe du vent (effet Bernoulli); l'échappement des couloirs latéraux doit être réglé en fonction de ce positionnement des voiles (plus largement ouvert pour le couloir recevant le plus de vent). La figure 8 schématise ces dispositions. A noter que les voiles qui donneraient par action directe du vent une poussée vers l'arrière nsont pas lieu d'exister.Par contre des voiles complamentaires réservées à la seule navigation par vent de travers stable peuvent être déployées entre les piliers supports dans l'espace libre existant entre le pont du navire et les planchers des modules aéromoteurs.

Le déploiement de l'ensemble des voiles sera maximum par vent arrière. La figure 9 schématise une telle disposition; l'échappement des couloirs latéraux peut, dans ce cas, être très réduit pour obtenir la poussée directe sur les voilures la plus forte possible.

Par vent debout, aucune voile ne sera déployée; compte tenu de la différence de viscosité entre l'air et l'eau, le navire peut avancer sous la simple action du vent mais, pour obtenir une vitesse acceptable, un apport de puissance complémentaire doit etre fourni,comme par calme plat, par des batteries électriques chargées lors des arrêts du navire ou lors de la navigation par vent arrière, ainsi que par des groupes électrogènes classiques.

La passerelle de navigation doit etre conçue pour s'opposer le moins possible au passage du vent; elle peut se situer dans un espace horizontal aménagé entre deux modules aéromoteurs (non représenté sur les croquis).

Le programme du microprocesseur doit prendre en compte, en plus des paramètres prévus pour une installation au sol, ceux qui sont propres à la propulsion du navire, associant les différentes actions qui viennent d'être citées, ainsi que le recours aux moyens énergétiques complémentaires.

Le microprocesseur et ses périphériques, clavier de commande notamment, placé dans la cabine de pilotage permettra, en temps normal, l'optimisation automatique de la propulsion, le recours à la commande au clavier d'un ou de plusieurs modules ayant lieu quand les circonstances ltexigeronw (avarie, gros temps,...), le recours aux moyens énergétiques coxplémentai- res pouvant également etre déclenché si nécessaire par une intervention manuelle.

Qu'il s'agisse d'installations de grande puissance au sol ou d'pensez bles destinés à la propulsion des navires, la configuration modulaire présente par rapport à un équipement unique (hélice de-grandes dimensions) l'avantage de la robustesse et d'une meilleure fiabilité vue sous l'angle de la constance de la production d'énergie, l'immobilisation d'un module pour avarie ou maintenance ne réduisant la puissance produite que dans la proportion inverse du nombre de modules installés.

La perspective de mise en place d'assemblages modulaires devrait par ailleurs permettre d'envisager des fabrications de séries conduisant à un abaissement des prix de revient et, par là même, à un plus grand dévie loppement de l'exploitation de l'énergie éolienne.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1 - Système de captage et d'orientation de flux pour moteurs éoliens comprenant une superstructure fixe dont les piliers sont. profilés et disposés pour diriger le vent vers l'axe d'un tunnel contenant les moteurs éoliens; les changements d'orientation du tunnel ont lieu par fractions de circonférence, pour amener l'axe horizontal de celui-ci au plus près de l'axe du vent, les parois verticales du tunnel étant d-ans le prolongement des parois de deux. piliers profilés. Une augmentation complémentaire de la vitesse d'écoulement dans le tunnel central est obtenue en aménageant de part et d'autre de celui-ci des couloirs dont les parois extérieures se terminent chacune à l'aplomb de 2 piliers, une telle disposition permettant de créer une dépression en aval des moteurs éoliens.

2 - Système de captage et d'orientation de flux selon la revendication 1 caractérisé par des panneaux ou des voilures portés par les piliers fixes et pouvant etre déployés pour augmenter le volume d'air dirigé aussi bien vers le tunnel central que vers les couloirs latéraux et, accessoirement, d'obturer l'admission d'air dans le tunnel central pour faciliter les opérations de maintenance ou .de dépannage.

3 - Système de captage et d'orientation de flux selon les revendications 1 et 2 caractérisé par le recours éventuel à des bras télescopiques afin d'accroitre les capacités de captage, par vent faible notamment.

4 - Système de captage et d'orientation de flux selon les revendications 1, 2 et 3 caractérisé par llutilisation, pour la confection des voilures d'une matière plastique souple dans le sens horizontal, semi-rigide dans le sens vertical grâce à une section horizontale présentant des variations d'épaisseur régulières ne devant pas constituer des amorces de rupture.

5 - Système de captage et d'orientation de flux selon les revendications 1, 2, 3 et 4 caractérisé par la possibilité de faire Parier la largeur et ltorientation de l'échappement du tunnel central et des couloirs latéraux pour obtenir le rendement maximum ou pour dévier le flux lorsque l'axe du tunnel ne coincide pas tout à fait avec l'axe du vent.

6 - Système de captage et d'orientation de flux selon les revendications 1, 2, 3, 4 et 5 caractérisé par l'automatisation des commandes grâce à un microprocesseur permettant d'introduire en outre une temporisation dans les changements dtorientation de l'axe du tunnel central, ce qui a pour conséquence d'améliorer le fonctionnement dans les périodes de vents instables.

7 - Système de captage et d'orientation de flux selon les revendications 1, 2, 3, 4, 5 et 6 caractérisé par la possibilité de réalisation d'en

sembles de grande puissance grâce à la superposition de plusieurs modules comprenant le système de captage et les moteurs éoliens, identiques et indépendants les uns des autres , mais pouvant être commandés par un seul Dicro- processeur et un seul clavier.

8 - Système de captage et d'orientation de flux selon les revendications 1, 2, 3, 4, 5 et 6 caractérisé par la possibilité de l'utiliser dans la propulsion de navires moyennant une disposition judicieuse de plusieurs modules comprenant le système de captage et les moteurs éoliens; le déplotemett et le positionnement des voiles, adapté aux allures de navigation, permet d'associer l'action directe du vent sur celles-ci et sur les aéromoteurs.

9 - Système de captage et d'orientation de flux selon les revendi- cations 1, 2, 3, 4, 5, 6 et 8 caractéirsé par l'installation sur les plateaux orientables d'un dispositif allégé comprenant le moteur éolien (hélice, turbine...) et son support, ce dernier solidaire du plateau, l'énergie étant transmise au niveau le plus bas possible par un arbre de transmission passant au travers des piliers des modules situés au-dessous; une telle disposition permet d'abaisser le centre de gravité de l'ensemble et de placer les génératrices électriques à l'abri des embruns (ou, sur lea navires de faible tonnage, de s'affranchir de celles-ci, l'entraSne- ment de l'arbre des hélices propulsives ayant lieu par des moyens de transmission mécanique simples).