FR2755473A1

FR2755473A1 - Systeme de transmission hydraulique d'energie mecanique et application a une installation aeromotrice

Info

Publication number: FR2755473A1
Application number: FR9613525A
Authority: FR
Inventors: Jean Edmond Chaix
Original assignee: TechnicAtome SA
Current assignee: TechnicAtome SA
Priority date: 1996-11-06
Filing date: 1996-11-06
Publication date: 1998-05-07
Anticipated expiration: 2016-11-06
Also published as: FR2755473B1

Abstract

L'invention permet d'exploiter l'hélice (2) d'une éolienne à son rendement maximal et d'éviter d'installer en haut du mât (1) l'unité de transformation d'énergie. Elle comprend principalement une hélice (2) entraînant une pompe volumétrique à débit variable (10) transformant l'énergie mécanique en énergie hydraulique. Cette dernière est transportée à l'unité d'exploitation placée au sol par deux canalisations (20A, 20B). Un moteur hydraulique (30) entraîne au moins une unité d'exploitation de l'énergie. Des moyens de régulation (40) commandent le débit de la pompe à débit variable et éventuellement le débit de fluide à l'entrée du moteur hydraulique (30) qui peut être également à débit variable. Application à la construction des éoliennes de puissances comprises entre 50 et 500 kW.

Description

DESCRIPTION
Domaine de l'invention
L'invention concerne la transmission d'une énergie mécanique issue d'une source d'énergie isolée, ou installée sur un site dans des conditions qui ne permettent pas d'y installer également une unité d'exploitation de ladite énergie. On pense, en particulier, aux éoliennes dont l'hélice est montée tournante en haut d'un mât ou d'un pylône, en plein vent.

Art antérieur et problème posé
Les éoliennes sont des machines tournantes, à ailes ou à pales, convertissant l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique de rotation disponible sur un arbre de sortie. Elles sont utilisées pour entrainer en rotation une machine, telle qu'une pompe, ou un alternateur électrique comme dans le cas des aérogénérateurs. On distingue deux grandes catégories d'éoliennes : celles à axe horizontal et celles à axe vertical. Les éoliennes à axe horizontal sont de loin les plus répandues. L'axe de rotation des hélices doit rester parallèle à la direction du vent pour que leurs ailes ou leurs pales demeurent face au vent en permanence, dans le but de capter une partie maximale de l'énergie du vent.

Dans le cas des aérogénérateurs, l'éolienne entraine un générateur d'énergie électrique destiné à alimenter un réseau de distribution d'électricité à fréquence fixe. La figure 1 montre un aérogénérateur selon l'art antérieur avec un mât 1 sur lequel est fixée l'éolienne. Celle-ci est constituée principalement d'une hélice munie de plusieurs pales 2 montées tournantes sur un arbre 8 autour d'un axe horizontal 3 dans une nacelle 6. Cette dernière comporte également, solidaire à l'arbre 8, un système de freinage 7, un multiplicateur de vitesse 4 dont la sortie est accouplée à l'entrée d'un générateur d'électricité 5. Ce dernier fournit donc de l'énergie électrique par l'intermédiaire de câbles électriques 5E. Le multiplicateur de vitesse 4 sert à faire tourner l'alternateur 5 à une vitesse permettant de le synchroniser sur le réseau à fréquence fixe, par exemple 50 hertz avec un facteur multiplicateur de l'ordre de 10 à 40. Cet ensemble tournant est donc embarqué à bord de la nacelle 6 montée tournante autour d'un axe vertical, au bout du mât 1 ou d'un pylône vertical d'une hauteur de plusieurs dizaines de mètres.

La nacelle 6 est également équipée d'un empennage 9 destiné à maintenir l'éolienne dans une direction parallèle à la direction du vent, comme une girouette.

L'éolienne est montée tournante en haut du mât 1 au moyen d'un collecteur tournant 5C. On comprend que l'avantage d'une telle éolienne est que la transmission de l'énergie sur toute la hauteur du mât 1 se fait au moyen de câbles électriques. Par contre, le poids de l'installation maintenue tournante en haut du mât 1 est relativement important.

Dans certaines réalisations, lorsque le vent dépasse la vitesse pour laquelle l'arbre de sortie du multiplicateur de vitesse 4 tourne en synchronisme avec l'alternateur 5, celui-ci étant à sa charge nominale, cet arbre doit être ralenti par le frein 7, ou par une modification de l'orientation des pales 2 de l'hélice. L'inconvénient de ce système est que l'hélice n'est pas utilisée à son rendement maximal, sauf pour une vitesse de vent donnée, quand elle est à pas fixe.

De plus, cet assemblage hélice 2/multiplicateur 4/alternateur 5 est relativement complexe et surtout très lourd (plusieurs tonnes), ce qui ne favorise pas le montage, la maintenance et la tenue mécanique de l'ensemble en haut du mât 1, ou du pylône.

Le but de l'invention est de remédier à cet inconvénient en modifiant la conception générale de l'éolienne et de l'unité d'exploitation de celle-ci.

Résumé de l'invention
A cet effet, un premier objet principal de l'invention est un système de transmission d'énergie fournie par l'arbre de sortie d'une source d'énergie mécanique de rotation à une unité d'exploitation de cette énergie placée à un endroit différent de celui où est placée la source d'énergie.

Selon l'invention, on utilise
- au moins une pompe volumétrique entraînée par l'arbre de sortie de la source d'énergie ;
- deux canalisations par pompe connectées, d'une part, respectivement à l'entrée et à la sortie de la pompe correspondante et, d'autre part, respectivement à l'entrée et à la sortie de l'unité d'exploitation.

Dans sa réalisation préférentielle, la pompe volumétrique est une pompe à débit variable, à pistons axiaux et plateau tournant.

Dans la réalisation préférentielle de l'invention en aérogénérateur, l'unité d'exploitation comprend
- un moteur hydraulique multiplicateur entraînant
- un alternateur.

Dans une autre réalisation de l'invention, l'unité d'exploitation est une pompe de circulation de fluide.

Dans le cas de l'utilisation d'une pompe à débit variable, on utilise, de préférence, une boucle d'asservissement comprenant
- un détecteur de la vitesse de rotation NA de l'arbre de rotation de l'unité d'exploitation ; et
- des moyens de régulation recevant la sortie du détecteur de rotation et commandant l'angle d'inclinaison al du plateau de la pompe à débit variable, en utilisant la formule
al.NE.CP = NA.CM = constante,
NE étant la vitesse de rotation de la source d'énergie
CP étant la cylindrée maximale de la pompe ; et
CM étant la cylindrée d'un moteur entraînant l'unité d'exploitation.

Cette boucle d'asservissement peut se compléter avantageusement d'une première vanne de régulation placée sur une des deux canalisations, dite "de pression", cette vanne étant connectée à la sortie de la source d'énergie et commandée par les moyens de régulation.

Un dispositif de détente de pression peut compléter cet ensemble en étant placé sur une canalisation de court-circuit, court-circuitant l'unité d'exploitation, en reliant les deux canalisations, ce dispositif de détente de pression étant commandé par les moyens de régulation.

De manière générale, le système selon l'invention peut se compléter d'au moins un accumulateur hydraulique placé sur une des deux canalisations.

De même, un réservoir d'huile peut être prévu en étant connecté sur une des deux canalisations.

Un deuxième objet principal de l'invention est une installation aéromotrice comprenant
- au moins une éolienne constituée de
une hélice montée tournante autour d'un axe horizontal ; et
une pompe volumétrique à débit variable entraînée par l'hélice
- deux canalisations connectées chacune respectivement à l'entrée et la sortie de chaque éolienne ; et
- au moins une unité d'exploitation comprenant
un moteur hydraulique ; et
au moins une machine d'exploitation de l'énergie entraînée par le moteur hydraulique.

La réalisation principale de cette installation prévoit que la pompe volumétrique est une pompe à pistons axiaux et à plateau tournant.

Elle prévoit également que le moteur hydraulique est un moteur multiplicateur constitué d'une pompe à pistons axiaux et à plateau tournant.

De préférence, l'unité d'exploitation comprend un générateur d'électricité entraîné par le moteur hydraulique.

Elle peut comprendre également un dispositif frigorifique à compression entraîné par le moteur hydraulique.

Elle peut également comprendre un dispositif de des salement entraîné par le moteur hydraulique.

De façon similaire au dispositif de transmission d'énergie précédemment résumé, l'installation aéromotrice comprend, de préférence, une boucle d'asservissement constituée de
- un détecteur de la vitesse de rotation NA d'un arbre de rotation de l'unité d'exploitation ; et
- des moyens de régulation recevant la sortie du détecteur de vitesse de rotation et commandant l'angle d'inclinaison a de la pompe à débit variable. Selon la formule
a.NE.CP = NA.CM = constante,
NE étant la vitesse de rotation de chaque éolienne
CP étant la cylindrée maximale de la pompe ; et
CM étant la cylindrée d'un moteur entraînant l'unité d'exploitation.

Une première vanne de régulation peut avantageusement compléter l'installation en étant placée sur la canalisation dite de pression, connectée à la sortie de l'éolienne et commandée par les moyens de régulation.

On peut également avantageusement compléter l'installation par un dispositif de détente de pression placé sur une canalisation de court-circuit court-circuitant l'unité d'exploitation, reliant les deux canalisations et commandé par les moyens de régulation.

Il est également possible de prévoir au moins un accumulateur hydraulique sur une des deux canalisations.

De même, un réservoir d'huile peut être prévu sur l'une des deux canalisations de l'installation.

Liste des figures
L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit. Elle est accompagnée de quelques figures, qui représentent respectivement
- figure 1, en coupe partielle, une éolienne selon l'art antérieur déjà décrite
- figure 2, un schéma relatif à l'application du système de transmission d'énergie selon l'invention à une installation aéromotrice comprenant une éolienne et un alternateur
- figure 3, en coupe partielle, l'éolienne de l'installation selon l'invention dans sa réalisation principale ;
- figure 4, un schéma de l'installation aéromotrice selon l'invention, illustrant, en particulier, l'unité d'exploitation ; et
- figure 5, un schéma de l'installation aéromotrice selon l'invention avec trois éoliennes et deux unités d'exploitation.

Description détaillée de deux réalisations de l'invention
En référence à la figure 2, le système de transmission d'énergie selon l'invention est basé sur le principale suivant. L'arbre 8 de l'hélice 2 de l'éolienne entraîne en rotation une pompe à débit variable 10, en l'occurrence, une pompe à plateau tournant et à pistons axiaux. Cette pompe 10 et son fonctionnement 11 ont été schématisés simplement par son plateau tournant inclinable 13, ainsi que l'angle d'inclinaison al de celui-ci et par les pistons 14.

L'extrémité de la tige 15 du piston 14 est montée, au moyen d'un système à rotule, sur le plateau tournant 13. Ainsi, le débit de la pompe 10 varie en fonction de l'angle d'inclinaison du plateau 13. Or, la vitesse de rotation de l'arbre 8 de l'hélice 2 au rendement optimal de cette dernière, varie en fonction de la vitesse du vent. On comprend ainsi que, si l'on souhaite maintenir constant le débit de sortie de la pompe volumétrique 10, on peut agir sur l'angle d'inclinaison al du plateau tournant 13 de la pompe volumétrique 10 pour que la combinaison de cet angle d'inclinaison al et de la vitesse de rotation NE de l'arbre 8 permet un débit constant. En d'autres termes, si NE est la vitesse de rotation de l'hélice 2 et de son arbre 8 et si al est l'angle d'inclinaison du plateau inclinable 13 de la pompe volumétrique 10, on peut régler al pour que al.NE = constante.

On produit ainsi un débit régulier de fluide sous pression dans une première canalisation 20A, dite de pression placée à la sortie de la pompe volumétrique 10, et alimentant une unité d'exploitation 32. Une deuxième canalisation 20B, dite d'alimentation est connectée à l'entrée de la pompe volumétrique 10 et à la sortie de l'unité d'exploitation. On note que ces deux canalisations 20A et 20B sont installées à l'intérieur du mât supportant l'hélice 2 de l'éolienne et atteignent la proximité de l'unité d'exploitation 32, à savoir le niveau du sol.

L'énergie hydraulique transmise par la première canalisation 20A est reçu par un moteur hydraulique 30, éventuellement multiplicateur de vitesse, de manière à entraîner, par l'intermédiaire d'un arbre d'entraînement 31, l'alternateur 32 à sa vitesse de fonctionnement.

Ce moteur hydraulique 30 peut être du type pompe à engrenage, c'est-à-dire volumétrique de cylindré déterminé, mais aussi une pompe à débit variable et plateau tournant.

Le liquide du système hydraulique est réinjecté vers la pompe volumétrique 10 par la deuxième canalisation 20B et par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur 16 qui peut être enroulé autour du mât.

Des accessoires et des moyens de régulation sont installés sur ce système de transmission d'énergie hydraulique. Ils peuvent être constitués par une première vanne 24 placée sur la première canalisation 20A, en amont de l'entrée du moteur hydraulique 30. Un dispositif de détente de pression, constitué d'une deuxième vanne 25 et d'un diaphragme 28 peut être placé sur une canalisation de court-circuit 27 court-circuitant les deux canalisations 20A et 20B.

Chacune de ces dernières peut également être équipée d'un accumulateur hydraulique, respectivement 22 et 23, placé de préférence juste à l'entrée et à la sortie de l'unité d'exploitation, c'est-à-dire aux bornes du moteur hydraulique 30. Enfin, un réservoir d'huile 26 peut équiper le système pour maintenir le niveau d'huile dans le système de transmission hydraulique.

Il est prévu pour procéder au réglage automatique des angles d'inclinaison al et a2 des plateaux inclinables 13 de la pompe volumétrique 10 de l'éolienne et de la pompe volumétrique 30 de l'alternateur 32 (dont les cylindrées maximales respectives sont désignées par CP et CM) d'utiliser des boucles d'asservissement comprenant principalement un détecteur de rotation 33 placé sur l'arbre de l'alternateur 32 et commandant, par un câble de mesure 41, des moyens de régulation 40. Ces derniers peuvent, par l'intermédiaire de câbles de commande 42A et 42B, modifier les angles d'inclinaison al et a2 des plateaux inclinables 13 des deux pompes volumétriques 10 et 30, en fonction de la consigne symbolisée par les formules précédemment énoncées
al.NE.CP = a2.NA.CM = constante.

Un autre moyen d'agir sur la régularité du débit de fluide envoyé à l'entrée du moteur hydraulique 30 est d'agir sur la première vanne 24 placée sur le premier tuyau flexible 20A. Ceci peut paraître redondant, mais est surtout utile lorsque l'éolienne et, en particulier, l'hélice 2 subit des vitesses de vents nettement au-dessus de la moyenne lors de tempêtes ou de phénomènes météorologiques équivalents.

On comprend, en effet, que le vent pourrait arriver à faire tourner la pompe volumétrique 10 à des vitesses de rotation relativement importante pour que, malgré des angles d'inclinaison al et a2 très faibles des plateaux inclinables 13, que l'alternateur 32 tourne trop vite. La première vanne 24 peut donc remédier à cet inconvénient. En combinaison à celle-ci, la canalisation de court-circuit 27 et le dispositif de détente de pression constitué de la deuxième vanne 25 et du diaphragme 28 peuvent réinjecter le fluide dans le circuit hydraulique.

On précise que si NA est la vitesse de rotation de fonctionnement de l'alternateur 32 que l'on souhaite constante
al.NE.CP = a2.NA.CM = constante.

En référence à la figure 3, la réalisation principale de l'éolienne est la suivante.

L'hélice est montée tournante au moyen de son arbre 8 dans la nacelle 33 au moyen de roulements à billes 34. Une première roue dentée à denture oblique 31 est solidaire de cet arbre 8 et est montée en engrènement avec une deuxième roue dentée 32 à denture oblique. Cette dernière est solidaire de l'arbre de la pompe volumétrique 10 qui a donc son axe de rotation vertical. Cette dernière débite le fluide dans la canalisation de pression 20A placée à l'intérieur du mât. Après utilisation de la pression et du débit hydraulique ainsi fournis à l'unité d'exploitation, le fluide remonte par la deuxième canalisation d'alimentation 20B et qui est, de préférence, enroulée en partie autour du mât pour constituer un échangeur de chaleur destiné à refroidir le fluide. En effet, dans le cas où l'on a utilisé le dispositif de détente de pression, lorsque la vitesse du vent est très grande, le fluide s'est échauffé et il est nécessaire de le refroidir avant de le réinjecter dans la pompe volumétrique 10.

Un empennage 9 peut compléter l'éolienne quand les pales 2 de l'hélice ne sont pas prévues pour une orientation automatique de l'éolienne.

I1 est ainsi possible de construire des éoliennes de puissance de 50 à 500 kW.

La figure 4 montre un exemple d'unité d'exploitation de l'énergie apportée par l'éolienne représentée par l'hélice 2 et la pompe volumétrique 10.

Une telle unité d'exploitation peut comporter, montées en série, plusieurs machines réceptrices. En effet, on peut imaginer que la sortie du moteur hydraulique, non représentée, entraîne un ou plusieurs arbres 31, de manière à entraîner plusieurs machines réceptrices, telles qu'un alternateur 32 pour charger une batterie 38, un dispositif frigorifique à compression 34, 35 et un dispositif de dessalement 36, 37, par exemple un dispositif à membrane, comme un dispositif d'osmose inverse. Ceci présente l'avantage que, la batterie 38 alimentée par l'alternateur 2 est chargée, la puissance développée par l'éolienne pourra être exploitée par l'une des deux autres unités réceptrices, comme le dispositif frigorifique 34, 35, ou le dispositif de dessalement 36, 37. Ceci est un exemple d'utilisation non limitatif. On comprend qu'on pourrait alimenter en énergie d'autres unités d'exploitation permettant d'organiser une vie dans un endroit où d'autres sources d'énergies n'existent pas.

La figure 5 montre qu'il est possible de monter en parallèle plusieurs éoliennes, c'est-à-dire plusieurs hélices 2 entraînant chacune une pompe volumétrique 10. Ces dernières débitent alors la pression hydraulique dans un circuit commun de canalisation de pression 20A. Chaque pompe volumétrique 10 est alimentée par un circuit de canalisation d'alimentation 20B. On peut ainsi alimenter plusieurs unités d'exploitation schématisées par deux alternateurs 32 montés en parallèle sur le circuit hydraulique.

Avantages de l'invention
Un des avantages primordiaux est que le mât supportant l'éolienne ne supporte pas l'unité d'exploitation de transformation de l'énergie mécanique en énergie électrique. L'entretien de l'éolienne, du renvoi d'angle évoqué sur la figure 3 par les roues dentées 31 et 32 et la pompe volumétrique 10, n'est pas très conséquent.

Le deuxième avantage est énergétique. En effet, la possibilité de régler le débit de liquide pompé par les pompes volumétriques permet à l'hélice de l'éolienne de tourner à son rendement maximal, en fonction de la vitesse du vent. Ainsi, on utilise l'installation dans son rendement optimal.

Claims

REVENDICATIONS

1. Système de transmission d'énergie fournie par l'arbre de sortie (8) d'une source d'énergie mécanique (2) de rotation à une unité d'exploitation de ladite énergie, placé à un endroit différent de celui où est placée la source d'énergie (2), caractérisé en ce qu'il comprend

- au moins une pompe volumétrique à débit variable (10) entraînée par l'arbre de sortie (8) de la source d'énergie (2)

- deux canalisations (20A, 20B) par pompe, connectées, d'une part, respectivement à l'entrée et à la sortie de la pompe correspondante (10) et, d'autre part, respectivement à l'entrée et à la sortie de l'unité d'exploitation.

2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pompe volumétrique à débit variable (10) est une pompe à pistons axiaux (14) et à plateau tournant.

3. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité d'exploitation comprend

- un moteur hydraulique (30) multiplicateur et entraînant

- un alternateur (32).

4. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité d'exploitation est une pompe de circulation de fluide.

5. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend une boucle d'asservissement comprenant - - un détecteur (33) de la vitesse de rotation (NA) de l'arbre de rotation de l'unité d'exploitation ;

- des moyens de régulation (40) recevant la sortie du détecteur de rotation (33) et commandant l'angle d'inclinaison (al) de la pompe à débit variable (10) selon la formule

a1.NE.CP = NA.CM = constante,

NE étant la vitesse de rotation de la source d'énergie

CP étant la cylindrée maximale de la pompe ; et

CM étant la cylindrée d'un moteur entraînant l'unité d'exploitation.

6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que la boucle d'asservissement comprennent une première vanne de régulation (24) placée sur une première canalisation, dite de pression, connectée à la sortie de la pompe à débit variable (10) et commandée par les moyens de régulation (40).

7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de détente de pression court-circuitant l'unité d'exploitation et placé sur une canalisation de court-circuit (27), court-circuitant l'unité d'exploitation reliant les deux canalisations (20A, 20B) et commandé par les moyens de régulation (40).

8. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un accumulateur hydraulique (22, 23) sur au moins une des deux canalisations (20A, 20B).

9. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un réservoir d'huile (26) sur au moins une des canalisations (20A, 20B).

10. Installation aéromotrice comprenant

- au moins une éolienne constituée de

une hélice (2) montée tournante autour d'un axe horizontal (3) ; et

une pompe volumétrique (10) à débit variable entraînée par l'hélice ; et

- deux canalisations (20A, 20B) connectées respectivement à l'entrée et à la sortie de chaque éolienne et a au moins une unité d'exploitation comprenant

un moteur hydraulique (30) ; et

. au moins une unité d'exploitation de l'énergie entraînée par le moteur hydraulique (30).

11. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que la pompe à débit variable (10) est une pompe à pistons axiaux (14) et à plateau tournant (13).

12. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que le moteur hydraulique (30) est une pompe à débit variable, à pistons axiaux (14) et à plateau tournant (13).

13. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que l'unité d'exploitation comprend au moins un générateur d'électricité (32).

14. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que l'unité d'exploitation comprend au moins un dispositif frigorifique à compression (34, 35).

15. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que l'unité d'exploitation comprend au moins un dispositif de dessalement (36, 37).

16. Installation selon la revendication 11, caractérisée en ce qu'elle comprend une boucle d'asservissement comportant

- un détecteur (33) de la rotation (NA) de l'arbre de rotation de l'unité d'exploitation (32) ; et

- des moyens de régulation (40) recevant la sortie du détecteur de rotation (33) et commandant l'angle d'inclinaison (al) de la pompe à débit variable

(10) selon la formule

al.NE.CP = NA.CM = constante,

NE étant la vitesse de rotation de l'éolienne ;

CP étant la cylindrée maximale de la pompe ; et

CM étant la cylindrée d'un moteur entraînant l'unité d'exploitation.

17. Installation selon la revendication 16, caractérisée en ce que les moyens de régulation comprennent une première vanne de régulation (24) placée sur une première canalisation (20A), dite de pression, connectée à la sortie de la pompe à débit variable (10) et commandée par les moyens de régulation

(40).

18. Installation selon la revendication 17, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif de détente de pression placé sur une canalisation de court-circuit (27) et court-circuitant l'unité d'exploitation (32) en reliant les deux canalisations (20A, 20B) et commandé par les moyens de régulation (40).

19. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'il comprend au moins un accumulateur hydraulique (22, 23) sur au moins une des deux canalisations (20A, 20B).

20. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un réservoir d'huile (26) sur au moins une des deux canalisations (20A, 20B).