FR2938307A1

FR2938307A1 - Eolienne a axe vertical

Info

Publication number: FR2938307A1
Application number: FR0857567A
Authority: FR
Inventors: Julien Martin; Florent Penet
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-11-07
Filing date: 2008-11-07
Publication date: 2010-05-14

Abstract

Dispositif de captation de l'énergie d'un écoulement, comprenant un rotor mobile en rotation autour d'un axe principal (A), le rotor comprenant au moins deux pales, chaque pale étant mobile en rotation autour d'un axe secondaire (B), un mécanisme de liaison étant apte à coordonner la rotation du rotor avec la rotation des pales, caractérisé par le fait que le mécanisme de liaison inclut un dispositif de commutation (8) présentant un état activé dans lequel la rotation du rotor est coordonnée avec la rotation des pales, et un état désactivé dans lequel les pales peuvent tourner indépendamment de la rotation du rotor.

Description

1 Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à un dispositif de captation de l'énergie d'un écoulement. Dans un mode de réalisation particulier, la présente invention se rapporte à une éolienne, et en particulier une éolienne à axe vertical, à pales rotatives. Etat de la technique Le document FR 2 845 428 décrit un dispositif de captation de l'énergie du vent, comprenant un support tournant et des panneaux verticaux, dont l'orientation par rapport au support varie. Dans certains modes de réalisation, l'orientation des panneaux verticaux est provoquée par un mécanisme de couplage. Un inconvénient de ces modes de réalisation est qu'il est impératif que le support inférieur de base soit correctement orienté par rapport à la direction du vent. En cas de changement dans la direction du vent, le rendement du dispositif diminue fortement. Dans un autre mode de réalisation, le positionnement des panneaux verticaux se fait par des servomoteurs, en fonction de signaux provenant de capteurs. La présence de servomoteurs implique un coût, une complexité mécanique, un poids et un encombrement élevés. De plus, les servomoteurs fonctionnent en permanence et consomment donc beaucoup d'énergie. Le document GB 2 396 190 décrit une éolienne comprenant un rotor à pales rotatives. La rotation des pales est coordonnée à la rotation du rotor par un mécanisme de liaison. Le mécanisme de liaison comprend une poulie centrale dont l'orientation peut être modifiée grâce à une girouette mécanique, ce qui permet de tenir compte de la direction du vent. La prise au vent de la girouette doit être suffisamment grande pour pouvoir orienter la poulie centrale. Un inconvénient de cette éolienne est donc que la girouette et sa liaison avec la poulie sont des pièces qui introduisent un poids, un encombrement et une inertie indésirables. Résumé de l'invention Un problème que la présente invention propose de résoudre est de fournir un dispositif de captation qui ne présente pas au moins certains des inconvénients précités de l'art antérieur.

La solution proposée par l'invention est un dispositif de captation de l'énergie d'un écoulement, comprenant un rotor mobile en rotation autour d'un axe principal, le rotor comprenant au moins deux pales, chaque pale étant mobile en rotation autour d'un axe secondaire, un mécanisme de liaison étant apte à coordonner la rotation du rotor avec la rotation des pales, caractérisé par le fait que le mécanisme de liaison inclut un dispositif de commutation présentant un état activé dans lequel la rotation du rotor est coordonnée avec la rotation des pales, et un état désactivé dans lequel les pales peuvent tourner indépendamment de la rotation du rotor. Un tel dispositif de captation peut être en particulier une éolienne.

Grâce à ces caractéristiques, en cas de changement de la direction du vent, il est possible de modifier l'orientation des pales par rapport au rotor en commutant le dispositif de commutation dans son état désactivé. Cela permet de serrer au plus proche de la direction du vent. Dans ce dispositif de captation, le dispositif de commutation peut être commandé pour passer de son état activé ou désactivé en fonction des conditions. Cette commande peut être réalisée selon différentes variantes. Dans une première variante économique, c'est uniquement le vent qui modifie l'orientation des pales par rapport au rotor. L'éolienne peut donc être utilisée dans des conditions perturbées, par exemple au niveau du sol où la direction et l'intensité du vent varient. Il n'est pas nécessaire de prévoir des servomoteurs reliés aux pales, ni de grande girouette mécanique reliée à une poulie centrale. La structure du dispositif peut donc être simple, peu coûteuse, légère et peu encombrante.

Dans une deuxième variante, le mécanisme de liaison comprend un moteur apte à modifier l'orientation des pales par rapport au rotor quand le dispositif de commutation est dans son état désactivé. Dans cette variante, il est plus facile de commander le mouvement des pales. Le moteur ne doit pas fonctionner en permanence et consomme donc une énergie limitée. De préférence, dans l'état activé, les pales tournent chacune dans un rapport -1:2 par rapport au rotor, et dans l'état désactivé, les pales peuvent tourner de manière synchronisée les unes par rapport aux autres. Autrement dit, le mécanisme de liaison introduit une cinématique précise qui optimise le rendement du dispositif de captation.

3 De préférence, le rotor comprend un arbre principal aligné sur l'axe principal, le mécanisme de liaison comprenant au moins une poulie centrale reliée à l'arbre principal, le dispositif de commutation comprenant un embrayage agencé entre la poulie centrale et l'arbre principal de sorte que dans l'état activé la poulie centrale tourne avec l'arbre principal et dans l'état désactivé la poulie peut tourner indépendamment de l'arbre principal. Avantageusement, le mécanisme de liaison comprend une poulie secondaire reliée à une des pales et une courroie reliant la poulie 10 secondaire à la poulie centrale. Selon un mode de réalisation, le dispositif de captation comprend un dispositif de commande et une pluralité de capteurs reliés au dispositif de commande, le dispositif de commande étant apte à commander le dispositif de commutation dans son état activé ou son état 15 désactivé en fonction de signaux provenant de la pluralité de capteurs. Avantageusement, la pluralité de capteurs comprend un capteur de direction du vent, un anémomètre, un capteur de position angulaire du rotor et un capteur de position angulaire des pales. Le capteur de direction du vent est par exemple une girouette électronique. 20 De préférence, l'axe principal est orienté verticalement. Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif pour capter l'énergie d'un écoulement comprend trois pales dont les axes secondaires sont agencés à 120° les uns des autres, autour de l'axe principal. 25 L'invention fournit également un procédé de commande d'un dispositif pour capter l'énergie d'un écoulement selon l'invention ci-dessus, comprenant les étapes consistant à : déterminer un signal de commande en fonction de la position courante du rotor, de la position courante des pales, de la direction et de 30 l'intensité de l'écoulement et de la vitesse instantanée du rotor, commander le dispositif de commutation en fonction du signal de commande. Brève description des figures L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, 35 caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description suivante de plusieurs modes de réalisation

4 particuliers de l'invention, donnés uniquement à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés. Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue en perspective d'une éolienne selon un mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 représente l'orientation d'une pale de l'éolienne de la figure 1, en fonction de la rotation du rotor, - les figures 3 et 4 représentent schématiquement le mécanisme de liaison de l'éolienne de la figure 1, respectivement de dessus et de face, l'embrayage étant engagé, - les figures 5 et 6 sont des vues similaires aux figures 3 et 4, l'embrayage étant désengagé, et - la figure 7 est une vue schématique du mécanisme de liaison d'une éolienne selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.

Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention L'éolienne 1 comprend un rotor 2, mobile en rotation autour d'un axe A vertical, et une base 3 destinée à reposer sur le sol. Le rotor 2 comprend trois pales 4, chaque pale 4 étant mobile en rotation autour d'un axe B parallèle à l'axe A. Les pales 4 présentent une forme identique et sont réparties à 120° les unes des autres autour de l'axe A. Les pales 4 peuvent être conçues de manière à présenter une surface relativement large et plane sur laquelle un message peut être affiché, par exemple un message publicitaire. Le rotor 2 comprend également des supports 5, respectivement inférieur et supérieur, qui relient les pales 4 entre elles ainsi que, dans le cas du support 5 inférieur, à un arbre principal 6 relié à la base 3. L'action du vent sur les pales 4 entraîne le rotor en rotation, ce qui permet à un générateur agencé dans la base 3 de convertir la rotation de l'arbre principale 6 en électricité.

L'éolienne 1 comprend un mécanisme de liaison, décrit en détail ci-dessous, qui permet de coordonner la rotation du rotor 2 autour de l'axe A avec la rotation des pales 4 autour des axes B. La figure 2 représente la variation de l'orientation d'une pale 4 lors de la rotation du rotor. Les flèches V indiquent la direction du vent.

L'orientation représentée sur la figure 2 est optimisée pour capter un maximum d'énergie, compte tenu de la direction du vent. Le mécanisme de liaison de l'éolienne 1 permet d'adapter l'orientation des pales 4 par rapport au rotor 2 en cas de changement de la direction du vent, afin de maximiser l'énergie captée. Ce mécanisme de liaison est représenté schématiquement sur les 5 figures 3 à 6. Il comprend un embrayage 8 monté sur l'arbre principal 6 et trois poulies centrales 9 montées sur l'embrayage 8. Lorsque l'embrayage 8 est dans un état activé, les poulies centrales 9 sont solidaires en rotation de l'arbre principal 6. Cet état est représenté sur les figures 3 et 4. Lorsque l'embrayage 8 est dans un état désactivé, les poulies centrales 9 peuvent tourner indépendamment de l'arbre principal 6. Cet état est représenté sur les figures 5 et 6. Dans les deux cas, les poulies centrales 9 sont solidaires en rotation les unes des autres. L'éolienne 1 comprend un dispositif de commande (non représenté) qui permet de commander l'embrayage 8 dans son état activé ou désactivé. Le dispositif de commande est par exemple réalisé avec un microcontrôleur. Le mécanisme de liaison comprend également trois poulies secondaires 10 agencées sur des arbres secondaires 7 supportant les pales 4. Chaque poulie secondaire 10 est reliée à une des poulies centrales 9 par une courroie 11. Les poulies 9 et 10 et les courroies 11 sont par exemple crantées, pour éviter tout glissement. Grâce à ce mécanisme de liaison, lorsque l'embrayage 8 est dans un état activé, les poulies 9 sont solidaires en rotation de l'arbre principal 6 et la rotation des pales 4 donc est coordonnée avec la rotation de l'arbre principal 6. Lorsque l'embrayage 8 est dans un état désactivé, les poulies 9 peuvent tourner indépendamment de l'arbre principal 6 et les pales 4 peuvent donc tourner indépendamment de l'arbre principal 6 mais de manière synchronisée entre elles. Dans l'état activé, la coordination introduite par le mécanisme de liaison conduit à la cinématique représentée sur la figure 2, dans laquelle la rotation des pales 4 est dans un rapport -1:2 par rapport à la rotation du rotor 2. On a constaté que lorsque l'embrayage 8 est dans son état désactivé et que les pales 4 peuvent tourner indépendamment de l'arbre principal 7, l'action du vent sur les pales 4 a pour effet de modifier l'orientation relative des pales 4 et du rotor de manière à la rapprocher de l'orientation optimale représentée sur la figure 2. Ainsi, lorsqu'un changement de direction du vent est détecté, le dispositif de commande peut désactiver l'embrayage 8 afin d'adapter l'orientation relative des pales 4 et du rotor à la nouvelle direction du vent. Cette commande peut être réalisée selon plusieurs procédés, dont l'un est décrit ci-dessous à titre d'exemple préféré. L'éolienne 1 comprend une girouette permettant de mesurer la direction du vent, un anémomètre, un capteur de position angulaire du rotor (par rapport à une position de référence arbitraire) et un capteur de position angulaire des pales 4 (par rapport à une position de référence arbitraire). La girouette et l'anémomètre peuvent constituer un ensemble girouette-anémomètre. Le dispositif de commande est relié aux éléments précités et dispose donc de signaux de mesure représentant respectivement la direction et l'intensité du vent, la position angulaire du rotor et la position angulaire des pales 4. En fonction de ces signaux, le dispositif de commande détermine la valeur d'un signal de commande pour commander l'embrayage 8 dans son état activé ou désactivé. La valeur du signal de commande correspond par défaut à l'état 20 engagé de l'embrayage 8 et le procédé de commande de l'embrayage 8 par le dispositif de commande comprend les étapes suivantes : a) Acquérir en temps réel les informations suivantes : position courante du rotor 2, position courante des pales 4, direction et intensité du vent, vitesse instantanée du 25 rotor. b) Déterminer en temps réel la valeur du décalage angulaire entre l'orientation globale du rotor 2 et la direction du vent. Ce signal est susceptible de changer continûment dans le temps et est de préférence filtré de manière à 30 conserver uniquement les changements de direction basse-fréquence. c) Déterminer la durée d'une impulsion pendant laquelle l'embrayage 8 sera commandé dans son état désactivé et l'instant de déclenchement correspondant. La durée 35 d'impulsion et l'instant de déclenchement sont calculés en fonction des informations fournies en a).

7 d) Commander l'embrayage 8 dans son état désactivé à l'instant de déclenchement et pendant la durée d'impulsion calculés à l'étape c). e) Déterminer l'écart entre les décalages angulaires post- commutation et pré-commutation à l'instant du retour de l'embrayage 8 dans son état activé. f) Si cet écart est supérieur à un seuil prédéterminé, répéter les étapes c) à e) jusqu'à atteindre l'orientation désirée avec la précision souhaitée. Si cet écart est inférieur au seuil prédéterminé, l'éolienne 1 a atteint l'orientation désirée avec une précision au moins égale à la précision souhaitée. Autrement dit, lorsqu'un changement de direction du vent est détecté, l'embrayage 8 est commandé intelligemment dans son état désactivé. En effet, lorsque l'embrayage 8 est dans son état désactivé et compte-tenu entre autres de la position courante du rotor et de la direction du vent, les pales 4 se positionnent toutes à la fois de façon spontanée et ce plus ou moins rapidement, dans un sens de rotation ou l'autre, sous la seule action du vent. D'après l'information donnée par l'ensemble de capteurs, il suffit de commander intelligemment l'embrayage 8 par impulsions successives pour exploiter le repositionnement spontané des pales et atteindre ainsi l'orientation désirée. Dans un deuxième mode de réalisation représenté sur la figure 7, le mécanisme de liaison comprend, en plus, un moteur 20. Sur la figure 7, les mêmes numéros de référence sont utilisés pour désigner des éléments correspondant à ceux du premier mode de réalisation. Le moteur 20 et l'embrayage 8 peuvent par exemple être réalisés sous la forme d'une unité commune, dans laquelle l'embrayage 8 est constitué par le frein moteur du moteur 20. Quand l'embrayage 8 est dans son état activé, le fonctionnement est identique à celui décrit ci-dessus. Quand il est dans son état désactivé, le moteur peut être commandé par le dispositif de commande pour modifier l'orientation des pales par rapport au rotor. Ce mode de réalisation permet de mieux maîtriser la dynamique des pales et du rotor. Comme le moteur ne fonctionne pas en permanence, l'énergie consommée est limitée.

Dans le deuxième mode de réalisation, une exemple de procédé de commande de l'embrayage 8 comprend les étapes suivantes : a) Acquérir en temps réel les informations suivantes : position courante du rotor 2, position courante des pales 4, direction et intensité du vent, vitesse instantanée du rotor 2. b) Déterminer en temps réel la valeur du décalage angulaire entre l'orientation globale du rotor 2 et la direction du vent. Ce signal est susceptible de changer continûment dans le temps et est de préférence filtré de manière à conserver uniquement les changements de direction basse-fréquence. c) Déterminer une consigne pour le positionnement angulaire et la vitesse angulaire du moteur 20. Cette consigne est ajustée en temps réel à une fréquence au moins supérieure à la plus grande fréquence contenue dans le signal de décalage angulaire. d) A un instant donné, si le décalage angulaire entre l'orientation du rotor 2 et la direction du vent est supérieur à une valeur donnée, commander l'embrayage 8 dans son état désactivé et commander le moteur 20 selon la consigne déterminée en c). e) A un instant donné, si le décalage angulaire entre l'orientation du rotor et la direction du vent se situe en dessous de cette même valeur, commander l'embrayage 8 dans son état activé.

Dans le deuxième mode de réalisation, le fait d'asservir la position angulaire courante des pales à la direction du vent grâce au moteur 20 permet d'atteindre plus ou moins précisément et rapidement la configuration d'orientation optimale. Le moteur 20 est commandé uniquement quand l'embrayage 8 est dans son état désactivé. Il n'est pas nécessaire de fournir de l'énergie au moteur 20 quand l'embrayage est dans son état activé. Dans l'art antérieur cité en introduction, il existe d'une part des dispositifs qu'on peut qualifier de passifs, dans lesquels l'adaptation de l'orientation relative des pales et du rotor est réalisée entièrement mécaniquement, et d'autre part des dispositifs qu'on peut qualifier d'actifs, dans lesquels l'adaptation de l'orientation relative des pales et du rotor est réalisée avec des servomoteurs situés à la base de chaque pale. A titre de comparaison, l'éolienne 1 du premier mode de réalisation présente un mécanisme de liaison qu'on peut qualifier de semi-actif ou pseudo-actif. En effet, il n'est pas nécessaire d'apporter de l'énergie pour commander des servomoteurs qui commandent l'orientation des pales, mais seulement pour alimenter l'embrayage 8, les capteurs et le dispositif de commande. C'est l'action du vent qui réoriente les pales 4 par rapport au rotor. L'énergie nécessaire est donc plus faible que dans le cas de l'utilisation de servomoteurs. Une alimentation continue de l'embrayage 8 n'est pas nécessaire. Seuls les capteurs et le dispositif de commande sont alimentés en continu mais leur consommation énergétique peut être négligeable par rapport à la consommation totale.

De manière similaire, dans l'éolienne du deuxième mode de réalisation, l'embrayage 8 et le moteur 20 ne doivent pas être alimentés en permanence. Seuls les capteurs et le dispositif de commande sont alimentés en continu mais leur consommation énergétique peut être négligeable par rapport à la consommation totale.

Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec un mode de réalisation particulier, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de 1' invention.

Claims

REVENDICATIONS1. Dispositif (1) de captation de l'énergie d'un écoulement, comprenant un rotor mobile en rotation autour d'un axe principal (A), le rotor comprenant au moins deux pales (4), chaque pale étant mobile en rotation autour d'un axe secondaire (B), un mécanisme de liaison étant apte à coordonner la rotation du rotor avec la rotation des pales, caractérisé par le fait que le mécanisme de liaison inclut un dispositif de commutation (8) présentant un état activé dans lequel la rotation du rotor est coordonnée avec la rotation des pales, et un état désactivé dans lequel les pales peuvent tourner indépendamment de la rotation du rotor.
2. Dispositif de captation selon la revendication 1, dans lequel, dans l'état activé, les pales tournent chacune dans un rapport -1:2 par rapport au rotor, et dans l'état désactivé, les pales peuvent tourner de manière synchronisée les unes par rapport aux autres.
3. Dispositif de captation selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le rotor comprend un arbre principal (6) aligné sur l'axe principal, le mécanisme de liaison comprenant au moins une poulie centrale (9) reliée à l'arbre principal, le dispositif de commutation comprenant un embrayage agencé entre la poulie centrale et l'arbre principal de sorte que dans l'état activé la poulie centrale tourne avec l'arbre principal et dans l'état désactivé la poulie peut tourner indépendamment de l'arbre principal.
4. Dispositif de captation selon la revendication 3, dans lequel le mécanisme de liaison comprend au moins une poulie secondaire (10) reliée à une des pales et une courroie (11) reliant la poulie secondaire à la poulie centrale.
5. Dispositif de captation selon l'une des revendications précédentes, comprenant un dispositif de commande et une pluralité de capteurs reliés au dispositif de commande, le dispositif de commande étant apte à commander le dispositif de commutation dans son état activé ou son état désactivé en fonction de signaux provenant de la pluralité de capteurs.
6. Dispositif de captation selon la revendication 5, dans lequel la pluralité de capteurs comprend un capteur de direction du vent, un anémomètre, un capteur de position angulaire du rotor et un capteur de position angulaire des pales. 11
7. Dispositif de captation selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'axe principal est orienté verticalement.
8. Dispositif de captation selon l'une des revendications précédentes, comprenant trois pales dont les axes secondaires sont agencés à 120° les uns des autres, autour de l'axe principal.
9. Dispositif de captation selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le mécanisme de liaison comprend un moteur apte à modifier l'orientation des pales par rapport au rotor quand le dispositif de commutation est dans son état désactivé.
10. Procédé de commande d'un dispositif de captation selon l'une des revendications précédentes, comprenant les étapes consistant à déterminer un signal de commande en fonction de la position courante du rotor, de la position courante des pales, de la direction et de l'intensité 15 de l'écoulement et de la vitesse instantanée du rotor, commander le dispositif de commutation en fonction du signal de commande.