WO2017051007A1 - Procede de mise a l'arret d'une eolienne a axe vertical et eolienne a axe vertical correspondante - Google Patents

Procede de mise a l'arret d'une eolienne a axe vertical et eolienne a axe vertical correspondante Download PDF

Info

Publication number
WO2017051007A1
WO2017051007A1 PCT/EP2016/072762 EP2016072762W WO2017051007A1 WO 2017051007 A1 WO2017051007 A1 WO 2017051007A1 EP 2016072762 W EP2016072762 W EP 2016072762W WO 2017051007 A1 WO2017051007 A1 WO 2017051007A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
rotor
feathering
wind turbine
blades
blade
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/072762
Other languages
English (en)
Inventor
Frédéric SILVERT
Alexandre IMMAS
Original Assignee
Nenuphar
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nenuphar filed Critical Nenuphar
Publication of WO2017051007A1 publication Critical patent/WO2017051007A1/fr

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/06—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/0264—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor for stopping; controlling in emergency situations
    • F03D7/0268—Parking or storm protection
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/20—Rotors
    • F05B2240/21—Rotors for wind turbines
    • F05B2240/211—Rotors for wind turbines with vertical axis
    • F05B2240/214—Rotors for wind turbines with vertical axis of the Musgrove or "H"-type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/70—Adjusting of angle of incidence or attack of rotating blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/90—Braking
    • F05B2260/901—Braking using aerodynamic forces, i.e. lift or drag
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/90—Braking
    • F05B2260/903—Braking using electrical or magnetic forces
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Definitions

  • the present invention relates to the field of vertical axis wind turbines, and in particular to a method for shutting down a vertical axis wind turbine, comprising a step of feathering the rotor of the vertical axis wind turbine.
  • the friction brakes are preferably passive, so that they activate and block the rotor in the event of power loss.
  • the rotor can be locked in rotation by a locking system whose principle is based on the introduction of a sliding conical head stud in a fixed support to engage in a machined female housing in a component of the rotor, like for example the brake disc.
  • the braking system and / or the locking system are to be used during the periods of preservation (ie the periods during which the wind turbine is kept at a standstill), their dimensioning is carried out considering aerodynamic torques generated by the rotor under the influence of the wind, which can prove to be very important during storm conditions with annual or fifty-year return periods, so that the braking system and / or the locking system are widely dimensioned, bulky, difficult to implant, heavy and expensive.
  • the wind direction can vary greatly during storms, and the positioning of the rotor can not be controlled during preservation periods during which it is possible that the wind turbine can not be controlled remotely, for example in case of loss of connection to a communication network. Under these conditions, the aerodynamic thrust of the rotor can not be controlled and can then reach very important values requiring an oversized support structure, floating or not, carrying the wind turbine, to ensure its stability.
  • One of the aims of the invention is to propose a method of stopping a vertical axis wind turbine, comprising a step of feathering the rotor to design a lighter wind turbine and less expensive, to limit the aerodynamic thrust generated by the rotor passively to avoid oversizing of the support structure, floating or not.
  • the invention provides a method for shutting down a vertical axis wind turbine comprising a rotor having variable pitch blades, comprising a step of feathering the rotor comprising the setting of the blades according to a configuration in which each blade has a respective pitch angle and in which the rotor has a single equilibrium stable angular position relative to the wind direction, leaving the rotor free to rotate to orient with respect to the direction of the wind. wind.
  • the method optionally includes one or more of the following features, taken alone or in any technically feasible combination:
  • the feathering step comprises the braking of the rotor by converting the rotational kinetic energy of the rotor into electrical energy and the dissipation of the electrical energy;
  • the feathering step comprises braking the rotor by short-circuiting an electric generator coupled to the rotor;
  • the feathering step comprises braking the rotor by connecting an electric generator coupled to the rotor to at least one load bench;
  • the angular equilibrium position of the rotor relative to the wind direction corresponds to a minimum aerodynamic thrust of the rotor induced on a supporting structure of the vertical axis wind turbine by the rotor or by a set of rotors all borne by the same support structure;
  • a step of aerodynamic braking of the rotor comprising the setting of the blades in an aerodynamic braking setting configuration such that the blades function as airbrakes;
  • the pitch angles of the blades are substantially identical in the aerodynamic braking setting configuration.
  • the invention also relates to a vertical axis wind turbine configured for the implementation of a method as defined above.
  • a vertical axis wind turbine comprising a rotor having variable pitch blades and blade pitch control devices for setting each blade individually, a coupled electric generator to the rotor for converting the rotation of the rotor into electrical energy, and an electronic control system for controlling the rotor blade pitch control devices, the control system being programmed to implement a setting method of the rotor blades; stopping a vertical axis wind turbine comprising a step of feathering the rotor as defined above.
  • FIG. 1 is a schematic front view of a vertical axis wind turbine
  • FIG. 2 is a schematic view from above of an arm-blade connection between an arm and a rotor blade of the vertical axis wind turbine of FIG. 1;
  • Figure 3 is a schematic view of an electric chain of the vertical axis wind turbine of Figure 1;
  • FIG. 4 is a schematic view of an electronic control system of the vertical axis wind turbine of Figure 1;
  • FIG. 5 is a graph illustrating the aerodynamic torque generated by the rotor of the vertical axis wind turbine and the aerodynamic thrust generated by the rotor and undergone by the support structure as a function of the angular position of the rotor.
  • the vertical axis wind turbine 2 of Figure 1 comprises a rotor 4 rotatably mounted about a substantially vertical axis of rotation A on a floating support structure 6.
  • the support structure 6 is floating.
  • the wind turbine 2 is floating and can be installed on a body of water, for example at sea or on a lake.
  • the support structure 6 is preferably moored or anchored to the bottom of the body of water.
  • the support structure 6 comprises a floating structure 8 and a mast 10 carried by the floating structure 8.
  • the floating structure 8 is here schematically represented by a float type "buoy-pencil". In practice, to provide more stability, it may comprise several floats spaced being interconnected by beams or spacers, the support structure being optionally further stiffened by braces.
  • the rotor 4 comprises a hub 12 and several blades 14 angularly distributed around the axis of rotation A of the rotor 4, preferably uniformly.
  • the rotor 4 here comprises two blades 14 diametrically opposed.
  • the rotor 4 comprises more than two blades, for example three blades distributed at 120 ° around the axis of rotation A or four blades distributed at 90 ° around the axis of rotation A.
  • Each blade 14 is able to generate lift.
  • Each blade 14 has a wing profile and has a lower surface and an upper surface extending between a leading edge and a trailing edge.
  • Each blade 14 is carried by at least one arm 16 connecting this blade 14 to the hub 12, here by a pair of arms 16.
  • Each arm 16 is connected to the blade 14 which it carries at a distance from the ends of this blade 14.
  • the wind turbine 2 comprises an electric generator 18 coupled to the rotor 4 for converting the rotational kinetic energy of the rotor into electrical energy.
  • the generator 18 is here placed at the top of the mast 10, near the hub 12, under the latter.
  • the blades 14 are variable pitch. Each blade 14 is orientable around an individual axis C, in order to modify the pitch angle of the blade 14, which is the angle, in a given horizontal plane, between the rope of the blade 14 and the blade. tangent to the path described by the wedge axis C in the horizontal plane considered.
  • the rope of the blade 14 is the straight segment connecting the leading edge 14C and the trailing edge 14D of the blade 14.
  • Each blade 14 is here linked to each arm 16 which carries it by an articulated arm-blade connection allowing a rotation of the blade 14 with respect to the arm 16 around the wedge axis C of the blade 14.
  • the wind turbine 2 comprises a stall control system 22 making it possible to individually control the wedging of each blade 14.
  • the stall control system 22 comprises, for example, an individual stall control device 24 associated with each blade 14, to control the wedging of this blade 14.
  • Each stall control device 24 comprises for example at least one actuator 25 arranged to pivot the blade 14 about its stall axis C.
  • the actuator 25 is for example a hydraulic cylinder, an electric cylinder or a possibly associated electric motor. to a speed reducer.
  • the actuator 25 illustrated in FIG. 2 is an electric jack.
  • the actuator 25 is disposed between the blade 14 and an arm 16 carrying the blade 14.
  • Each wedging control device 24 comprises one or more actuators 25, for example a single actuator 25 arranged between the blade 14 and one of the arms 16 carrying the blade 14 or several actuators 25, each arranged between the blade 14 and a respective arm 16 of the arms 16 carrying the blade 14.
  • the wind turbine 2 comprises an electrical system 26 electrically connecting the generator 18 to an electrical network 28.
  • the electrical system 26 includes a power conversion system 29 comprising an electrical transformer 30 connected to the generator 18 by two branches 32 in parallel. Each branch 32 includes a power converter 34 connected between the generator 18 and the electrical transformer 30.
  • the two branches 32 operate in parallel. If one of the two branches is faulty, it is still possible to operate on a single branch in "degraded" mode in which the power of the machine is kept lower than the nominal power of the generator.
  • the electrical system 26 comprises a single branch.
  • the wind turbine 2 has at least one load bank 36, 38 resistive connected to the generator 18 in branch of each branch 32.
  • Each load bank 36, 38 makes it possible to dissipate electrical energy produced by the generator 18 in the form of heat when it is connected to the generator 18. This makes it possible to brake the generator 18 and therefore the rotor 4 to which the generator 18 is couple.
  • Each load bank 36, 38 comprises at least one electrical resistance 39.
  • the generator 18 and the electrical system 26 are here three-phase, and each load bank
  • 36, 38 comprises a bridge with three star resistors.
  • Each branch 32 here comprises two load banks 36, 38 connected to the generator 18 in parallel with each power converter 34, the two load banks 36, 38 being adapted to generate different braking powers.
  • a feathering load bench 36 is provided for braking the rotor 4 during a feathering step of the wind turbine and an emergency load bank 38 is provided to provide emergency braking of the rotor 4. , in particular to dissipate the energy in the event of loss of the connection of the wind turbine 2 to the communication network 50 and / or to the electrical network 28.
  • the load bank resistance 36 of feathering and that of the load bank 38 emergency braking are dimensioned differently.
  • the resistance of the emergency braking load bank 38 is sized to produce a large resistive torque at higher rotational speeds than that of the feathering load bench 36.
  • the power conversion system 26 includes switches 40 arranged to control the connection of the generator 18 selectively to each power converter 34 and to each load bank 36, 38.
  • the wind turbine comprises an electronic control system 42 adapted to control the generator 18, the stall control devices 22 and the power conversion system 26.
  • the control system 42 comprises an electronic control unit 44 adapted to control the generator 18, the stall control devices 22 and the power conversion system 26 according to data provided by a wind condition measuring device 46 and / or data from a remote monitoring system 48 communicating with the control unit 44 via a communication network 50.
  • the device for measuring wind conditions 46 comprises, for example, a wind vane and an anemometer.
  • the wind condition measuring device 46 is preferably disposed on or near wind turbine 2 for measuring local wind conditions.
  • the supervision system 48 allows an operator to send instructions to the control system 42 based on, for example, weather forecasts.
  • the rotor 4 of the wind turbine 2 In operation, the rotor 4 of the wind turbine 2 generates an aerodynamic torque when it undergoes the action of the wind.
  • the aerodynamic torque generated by the rotor 4 depends on the setting of the blades 14.
  • the rotor 4 also inevitably generates a horizontal aerodynamic thrust.
  • the rotor 4 of the wind turbine 2 has by design a feathering setting configuration, in which each blade is wedged with a respective pitch angle so that the rotor has at least one angular position of stable equilibrium relative to the direction of the wind.
  • An angular position of the rotor relative to the wind direction is an "equilibrium" position if the aerodynamic torque then exerted on the rotor vanishes at this angular position.
  • this angular position is said to be “stable” if the rotor returns of itself to this angular position after a small disturbance of the angular position of the rotor or following a variation of the direction of the wind.
  • the stable equilibrium angular position is unique. Furthermore, preferably, the stable equilibrium angular position corresponds to a minimum aerodynamic thrust generated by the rotor 4 for the feathering timing configuration.
  • At least two rotor blades are wedged with different pitch angles from each other.
  • the two blades of the rotor are wedged with different angles of wedging one of the other.
  • all the rotor blades are wedged with different timing angles from each other.
  • Figure 5 is a graph showing the aerodynamic torque generated by the rotor in feathering timing configuration as a function of the angular position of the rotor 4 (dotted line) relative to the wind direction, and the aerodynamic thrust experienced by the rotor 4 in feathering timing configuration according to the angular position of the rotor 4 (solid line) relative to the direction of the wind.
  • the right scale corresponds to the aerodynamic torque and the left scale corresponds to the aerodynamic thrust.
  • a stable equilibrium angular position PES corresponds to the passage of the aerodynamic torque from a positive value to a negative value with the convention of signs for the angular positions of the rotor relative to the direction of the wind and the aerodynamic torque as shown in FIG. 5.
  • This stable equilibrium angular position PES corresponds to the minimum aerodynamic thrust PM generated by the rotor 4 on a lathe.
  • the stable equilibrium angular position PES is here unique.
  • the rotor in feathering timing configuration here comprises an unstable equilibrium angular position PEI which mathematically corresponds to the passage of the aerodynamic torque from a negative value to a positive value with the convention of signs for the angular positions of the rotor relative to wind direction and aerodynamic torque as shown in Figure 5.
  • a possible method for determining a feathering timing configuration, by computer simulation from a digital model of the rotor, includes iteratively implementing the following steps by an optimization algorithm:
  • step (e) calculating the aerodynamic thrusts associated with the stable equilibrium angular positions of the rotor; (f) recording, for the calibration configuration considered, the maximum aerodynamic thrust among the aerodynamic thrusts calculated in step (e) if there are several angular positions of stable equilibrium of the rotor.
  • the optimization algorithm repeats steps (a) through (e) by changing the blade pitch configuration at each iteration to minimize the aerodynamic thrust calculated in step (e).
  • step (e) can be modified to include the calculation of aerodynamic thrusts associated with an angular range around each angular position of stable equilibrium of the rotor.
  • the amplitude of the wind direction range considered (+/- 8 0 , +/- 20 0 7) depends on the wind speed to be considered.
  • An example of a typical feathering timing configuration for a twin-rotor 4 rotor wind turbine 2 such as that illustrated in FIG. 1 is a stall angle of -12 ° for a blade and a stall angle of + 23 ° for other blade, for a range of wind direction range of +/- 8 °.
  • optimization of the stall configuration is performed using as a criterion the aerodynamic thrust generated by the rotor in the feathering timing configuration and the stable equilibrium angular position.
  • a feathering calibration configuration can be determined by multi-criteria optimization.
  • the stability of the rotor around the stable equilibrium angular position is proportional to the slope of the aerodynamic torque around the stable equilibrium angular position.
  • VIV Vortex Induced Vibrations
  • the control system 42 is configured to implement a power generation process, implemented under wind conditions allowing energy production, and a method of shutting down the wind turbine, set in motion. for example in conditions of high wind, for example in the case of instructions sent by an operator via the supervision system, or in the event of loss of remote connection with the supervision system 48 and / or with the electrical network 28 .
  • control system 42 is configured to control the wind turbine 2 based on data from the wind condition measuring device 46 and / or data from the supervision system 48.
  • the pilot 42 controls the chock control system 22 and / or the generator 18 to generate electricity.
  • the shutdown method comprises a step of stopping the rotating rotor, and then a step of feathering the rotor.
  • the control system 42 controls the stall system so as to wedge the blades 14 in an aerodynamic braking configuration, in which each blade 14 is oriented so as to form an airbrake, that is, that is, in order to generate a very low or even strong aerodynamic torque, so that once the mechanical losses of the rotational rotor guide system and the integrated power conversion system 29 are reduced, the resulting mechanical torque rotor 4.
  • control system 42 connects the switches 40 to disconnect the generator 18 of the power converter 34 of each branch 32.
  • control system 42 controls the electrical system 46 to connect the generator 18 to the load bank 38 emergency brake to brake the rotor 4. This connection is implemented for example in case of loss of the connection to the electricity network 28.
  • control system 42 controls the pitch control system 22 to place the blades 14 in the feathering timing configuration.
  • the stall control system 22 controls the passage of the blades 14 in feathering timing configuration when the rotor 4 is close to the stable equilibrium angular position.
  • the rotor 4 by the setting positions of the feathering blades, is positioned alone and passively in its angular position of equilibrium stable under the effect of wind.
  • the pitch control system 22 controls the passage of the blades 14 in feathering timing configuration when the rotor 4 rotates at a speed of rotation lower than a feathering threshold.
  • the rotor 4 In the feathering step of the rotor 4, the rotor 4 is left free to rotate so that it can orientate itself with respect to the direction of the wind. In case of rotation of the rotor 4 or wind direction change, the rotor 4 tends to return itself to the stable equilibrium angular position relative to the direction of the wind. The rotor 4 returns to its angular position of stable equilibrium with respect to the wind direction in a passive and autonomous manner.
  • control system 42 controls the electrical system 26 to connect the generator 18 to a resistive load bank 36 for feathering.
  • the load balancing bank 36 allows the rotation of the rotor 4, but brakes the rotor 4 when it starts to rotate.
  • the generator 18 converts the rotational kinetic energy of the rotor 4 into electrical energy, and each load bank 36 connected to the generator 18 dissipates the electrical energy produced by the generator 18 due to the rotation of the rotor 4 and thus prevents the rotor 4 does not take speed in rotation.
  • the rotor 4 rotates slowly to return to its stable equilibrium angular position.
  • the feathering setting configuration makes it possible to keep the rotor 4 in a stable equilibrium angular position with respect to the wind direction, the stable equilibrium angular position limiting the forces generated (notably the aerodynamic thrust) by the rotor 4 and the wind turbine 2, without having to provide a powerful friction braking system or a locking system for locking the rotor 4 in rotation.
  • the resistive braking of the rotor 4 during the shutdown of the wind turbine makes it possible to maintain the stability of the rotor 4 completely passively.
  • the fact of allowing the rotor 4 to rotate during the shutdown allows the rotor 4 to orient itself in relation to the wind direction when the latter changes, which consequently makes it possible to reduce the forces induced by the rotor 4 on the support structure 6.
  • the wind turbine 2 is kept stationary autonomously and completely passive, without the need to intervene externally.
  • the shutdown of the wind turbine 2 can be triggered in the event of loss of connection with the supervision system 48 and / or loss of the connection to the electrical network 28.
  • the feathering method allows at the wind turbine 2 to standstill autonomously and completely passively, including in the event of loss of communication with the remote monitoring system 48 and / or loss of the connection to the electricity network. in flag is simple to implement, reliable and inexpensive.
  • a power storage device 52 for example a battery or a pressure accumulator, is arranged to supply energy to a stall control device 22, for example according to which the stall control device 22 possesses an electric or hydraulic actuator.
  • a fail-safe auxiliary stall control device comprises, for example, a spring which is kept prestressed in normal operation, so that the auxiliary stall control device does not act on the blade, and which is released in case of control of the blade. feathering, to wedge the blade into the feathering pattern.
  • an energy storage device is preferred over the use of an auxiliary fail-safe piloting control device, since the energy storage device makes it possible to have an energy reserve for pilot the calibration of blades successively in aerodynamic braking configuration and then in feathering configuration.
  • the shutdown process and the wind turbine are not limited to the described embodiments. Variations are conceivable.
  • the generator 18 in short circuit, by short-circuiting the windings of its stator, without providing a load bank separate from the generator 18.
  • the resistive load bank 36 of feathering is optional and can be omitted.
  • a load bank 36 separate from the generator 18 makes it possible to provide a load bank 36 whose resistance is specially sized for energy dissipation during feathering.
  • the use of a load bank 36 separate from the generator 18 makes it possible to cool the load bench 36 more easily, for example by means of an air-cooling type cooling system, without risk of the generator overheating. 18 which is a more critical component.
  • the emergency braking load bench is optional and can be omitted. It can be replaced or supplemented by a friction brake device acting on the rotor.
  • wind turbines can be carried by the same support structure, in particular a floating support structure.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Wind Motors (AREA)

Abstract

Ce procédé comprend une étape de mise en drapeau du rotor (4) de l'éolienne (2) à axe vertical, comprenant le calage de pales (14) selon une configuration de calage dans laquelle chaque pale (14) a un angle de calage respectif et dans laquelle le rotor (4) possède une unique position angulaire d'équilibre stable relativement à la direction du vent, en laissant le rotor (4) libre de tourner pour s'orienter par rapport à la direction du vent.

Description

Procédé de mise à l'arrêt d'une éolienne à axe vertical et
éolienne à axe vertical correspondante
La présente invention concerne le domaine des éoliennes à axe vertical, et en particulier un procédé de mise à l'arrêt d'une éolienne à axe vertical, comprenant une étape de mise en drapeau du rotor de l'éolienne à axe vertical.
Lorsque les vitesses de vent sont trop élevées pour permettre la production d'énergie électrique à l'aide d'une éolienne à axe vertical, il est possible de mettre l'éolienne à l'arrêt en arrêtant le rotor de l'éolienne à axe vertical et en bloquant le rotor pour empêcher toute rotation.
Pour ce faire, il est possible d'utiliser un système de freinage comprenant des freins à frictions. Pour des raisons de sécurité, les freins à frictions sont de préférence passifs, de sorte qu'ils s'activent et bloquent le rotor en cas de perte d'alimentation.
Alternativement, le rotor peut être bloqué en rotation par un système de verrouillage dont le principe est basé sur l'introduction d'un plot à tête conique coulissant dans un support fixe pour s'engager dans un logement femelle usiné dans un composant du rotor, comme par exemple le disque de frein.
Si le système de freinage et/ou le système de verrouillage doivent être utilisés lors des périodes de préservation (i.e. les périodes lors desquelles l'éolienne est maintenue à l'arrêt), leur dimensionnement est réalisé en considérant des couples aérodynamiques générés par le rotor sous l'action du vent, qui peuvent s'avérer être très importants lors des conditions de tempête ayant des périodes de retour annuelles ou cinquantenaires, de sorte que le système de freinage et/ou le système de verrouillage sont largement dimensionnés, encombrants, difficiles à implanter, lourds et onéreux.
Par ailleurs, la direction du vent pouvant varier fortement lors des tempêtes, et le positionnement du rotor ne pouvant être contrôlé lors de périodes de préservation lors desquelles il se peut que l'éolienne ne puisse pas être commandée à distance, par exemple en cas de perte de connexion à un réseau de communication. Dans ces conditions, la poussée aérodynamique du rotor ne peut être contrôlée et peut alors atteindre des valeurs très importantes nécessitant un surdimensionnement de la structure de support, flottante ou non, portant l'éolienne, pour garantir sa stabilité.
Un des buts de l'invention est de proposer un procédé de mise à l'arrêt d'une éolienne à axe vertical, comprenant une étape de mise en drapeau du rotor permettant de concevoir une éolienne plus légère et moins onéreuse, permettant de limiter la poussée aérodynamique générée par le rotor de manière passive afin d'éviter tout surdimensionnement de la structure de support, flottante ou non. A cet effet, l'invention propose un procédé de mise à l'arrêt d'une éolienne à axe vertical comprenant un rotor possédant des pales à calage variable, comprenant une étape de mise en drapeau du rotor comprenant le calage des pales selon une configuration de calage dans laquelle chaque pale a un angle de calage respectif et dans laquelle le rotor possède une unique position angulaire d'équilibre stable relativement à la direction du vent, en laissant le rotor libre de tourner pour s'orienter par rapport à la direction du vent.
Le procédé comprend en option une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- l'étape de mise en drapeau comprend le freinage du rotor par conversion de l'énergie cinétique de rotation du rotor en énergie électrique et la dissipation de l'énergie électrique ;
- l'étape de mise en drapeau comprend le freinage du rotor par mise en court- circuit d'un générateur électrique couplé au rotor ;
- l'étape de mise en drapeau comprend le freinage du rotor par connexion d'un générateur électrique couplé au rotor à au moins un banc de charge ;
- la position angulaire d'équilibre stable du rotor relativement à la direction du vent correspond à un minimum de poussée aérodynamique du rotor induite sur une structure de support de l'éolienne à axe vertical par le rotor ou par un ensemble de rotors tous portés par la même structure de support ;
- il comprend, préalablement à l'étape de mise en drapeau, une étape de freinage aérodynamique du rotor comprenant le calage des pales selon une configuration de calage de freinage aérodynamique telle que les pales fonctionnent comme des aérofreins ;
- les angles de calage des pales sont sensiblement identiques dans la configuration de calage de freinage aérodynamique.
- il comprend l'utilisation de l'énergie stockée dans un dispositif de stockage d'énergie prévu sur l'éolienne pour déplacer les pales en configuration de calage de mise en drapeau ;
- il comprend le calage de chaque pale dans la configuration de calage de mise en drapeau par activation d'un dispositif de commande de calage à sûreté intégrée.
L'invention concerne également une éolienne à axe vertical configurée pour la mise en œuvre d'un procédé tel que défini ci-dessus.
Elle concerne en particulier une éolienne à axe vertical comprenant un rotor possédant des pales à calage variable et des dispositifs de commande de calage des pales permettant de caler chaque pale individuellement, un générateur électrique couplé au rotor pour convertir la rotation du rotor en énergie électrique, et un système électronique de pilotage pour commander les dispositifs de commande de calage des pales du rotor, le système de pilotage étant programmé pour la mise en œuvre d'un procédé de mise à l'arrêt d'une d'éolienne à axe vertical comprenant une étape de mise en drapeau du rotor tel que défini ci-dessus.
L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la Figure 1 est une vue schématique de face d'une éolienne à axe vertical ;
- la Figure 2 est une vue schématique de dessus d'une liaison bras-pale entre un bras et une pale du rotor de l'éolienne à axe vertical de la Figure 1 ;
- la Figure 3 est une vue schématique d'une chaîne électrique de l'éolienne à axe vertical de la Figure 1 ;
- la Figure 4 est une vue schématique d'un système électronique de pilotage de l'éolienne à axe verticale de la Figure 1 ; et
- la Figure 5 est un graphique illustrant le couple aérodynamique généré par le rotor de l'éolienne à axe vertical et la poussée aérodynamique générée par le rotor et subie par la structure de support en fonction de la position angulaire du rotor.
L'éolienne 2 à axe vertical de la Figure 1 comprend un rotor 4 monté à rotation autour d'un axe de rotation A sensiblement vertical sur une structure de support 6 flottante.
Dans la suite de la description, les termes « vertical », « horizontal », « supérieur », « inférieur », « haut » et « bas » s'entendent par référence à la direction verticale de l'axe de rotation A du rotor 4 de l'éolienne 2.
La structure de support 6 est flottante. Ainsi, l'éolienne 2 est flottante et peut être installée sur une étendue d'eau, par exemple en mer ou sur un lac. La structure de support 6 est de préférence amarrée ou ancrée au fond de l'étendue d'eau.
La structure de support 6 comprend une structure flottante 8 et un mât 10 porté par la structure flottante 8. La structure flottante 8 est ici représentée schématiquement par un flotteur de type « bouée-crayon ». En pratique, pour offrir plus de stabilité, elle peut comprendre plusieurs flotteurs espacés en étant reliés entre eux par des poutres ou entretoises, la structure de support étant en outre éventuellement rigidifiées par des bracons.
Le rotor 4 comprend un moyeu 12 et plusieurs pales 14 réparties angulairement autour de l'axe de rotation A du rotor 4, de préférence uniformément. Le rotor 4 comprend ici deux pales 14 diamétralement opposées. En variante, le rotor 4 comprend plus de deux pales, par exemple trois pales réparties à 120° autour de l'axe de rotation A ou quatre pales réparties à 90° autour de l'axe de rotation A.
Chaque pale 14 est propre à générer une portance. Chaque pale 14 présente un profil alaire et possède un intrados et un extrados s'étendant entre un bord d'attaque et un bord de fuite.
Chaque pale 14 est portée par au moins un bras 16 reliant cette pale 14 au moyeu 12, ici par une paire de bras 16. Chaque bras 16 est lié à la pale 14 qu'il porte à distance des extrémités de cette pale 14.
L'éolienne 2 comprend un générateur 18 électrique couplé au rotor 4 pour convertir l'énergie cinétique de rotation du rotor en énergie électrique. Le générateur 18 est ici placé en haut du mât 10, à proximité du moyeu 12, sous ce dernier.
Comme illustré sur la Figure 2, les pales 14 sont à calage variable. Chaque pale 14 est orientable autour d'un axe de calage C individuel, de façon à modifier l'angle de calage de la pale 14, qui est l'angle, dans un plan horizontal donné, entre la corde de la pale 14 et la tangente à la trajectoire décrite par l'axe de calage C dans le plan horizontal considéré. La corde de la pale 14 est le segment de droite reliant le bord d'attaque 14C et le bord de fuite 14D de la pale 14.
Chaque pale 14 est ici liée à chaque bras 16 qui la porte par une liaison bras-pale 20 articulée autorisant une rotation de la pale 14 par rapport au bras 16 autour de l'axe de calage C de la pale 14.
L'éolienne 2 comprend un système de commande de calage 22 permettant de commander individuellement le calage de chaque pale 14. Le système de commande de calage 22 comprend par exemple un dispositif de commande de calage 24 individuel associé à chaque pale 14, pour commander le calage de cette pale 14.
Chaque dispositif de commande de calage 24 comprend par exemple au moins un actionneur 25 agencé pour faire pivoter la pale 14 autour de son axe de calage C. L'actionneur 25 est par exemple un vérin hydraulique, un vérin électrique ou un moteur électrique éventuellement associé à un réducteur de vitesse. L'actionneur 25 illustré sur la Figure 2 est un vérin électrique.
Comme illustré sur la Figure 2, l'actionneur 25 est disposé entre la pale 14 et un bras 16 portant la pale 14. Chaque dispositif de commande de calage 24 comprend un ou plusieurs actionneurs 25, par exemple un seul actionneur 25 agencé entre la pale 14 et un des bras 16 portant la pale 14 ou plusieurs actionneurs 25, chacun agencé entre la pale 14 et un bras 16 respectif parmi les bras 16 portant la pale 14. Comme illustré sur la Figure 3, l'eolienne 2 comprend un système électrique 26 connectant électriquement le générateur 18 à un réseau électrique 28.
Le système électrique 26 comprend un système de conversion de puissance 29 comprenant un transformateur 30 électrique connecté au générateur 18 par deux branches 32 en parallèle. Chaque branche 32 comprend un convertisseur de puissance 34 connecté entre le générateur 18 et le transformateur 30 électrique.
Les deux branches 32 fonctionnent en parallèle. Si une des 2 branches est en défaut, il est encore possible de fonctionner sur une seule branche en mode « dégradé » lors duquel la puissance de la machine est gardée inférieure à la puissance nominale du générateur. En variante, le système électrique 26 comprend une seule branche.
L'éolienne 2 possède au moins un banc de charge 36, 38 résistif connecté au générateur 18 en dérivation de chaque branche 32.
Chaque banc de charge 36, 38 permet de dissiper de l'énergie électrique produite par le générateur 18 sous forme de chaleur lorsqu'elle est connectée au générateur 18. Ceci permet de freiner le générateur 18 et donc le rotor 4 auquel le générateur 18 est couplé.
Chaque banc de charge 36, 38 comprend au moins une résistance électrique 39.
Le générateur 18 et le système électrique 26 sont ici triphasés, et chaque banc de charge
36, 38 comprend un pont à trois résistances en étoile.
Chaque branche 32 comprend ici deux bancs de charge 36, 38 connectés au générateur 18 en parallèle de chaque convertisseur de puissance 34, les deux bancs de charge 36, 38 étant adaptés pour générer des puissances de freinage différentes.
Un banc de charge 36 de mise en drapeau est prévu pour assurer un freinage du rotor 4 pendant une étape de mise en drapeau de l'éolienne et un banc de charge 38 d'urgence est prévu pour assurer un freinage d'urgence du rotor 4, notamment pour dissiper l'énergie en cas de perte de la connexion de l'éolienne 2 au réseau de communication 50 et/ou au réseau électrique 28.
La résistance de banc de charge 36 de mise en drapeau et celle du banc de charge 38 de freinage d'urgence sont dimensionnées différemment. La résistance du banc de charge 38 de freinage d'urgence est dimensionnée pour produire un grand couple résistif à des vitesses de rotation plus élevées que celle du banc de charge 36 de mise en drapeau.
Le système de conversion de puissance 26 comprend des interrupteurs 40 disposés pour commander la connexion du générateur 18 sélectivement à chaque convertisseur de puissance 34 et à chaque banc de charge 36, 38. Comme illustré sur la Figure 4, l'éolienne comprend un système électronique de pilotage 42 adapté pour commander le générateur 18, les dispositifs de commande de calage 22 et le système de conversion de puissance 26.
Le système de pilotage 42 comprend une unité électronique de commande 44 adaptée pour commander le générateur 18, les dispositifs de commande de calage 22 et le système de conversion de puissance 26 en fonction de données fournies par un dispositif de mesure de conditions de vent 46 et/ou de données provenant d'un système de supervision 48 distant communiquant avec l'unité de commande 44 par l'intermédiaire d'un réseau de communication 50.
Le dispositif de mesure de conditions de vent 46 comprend par exemple une girouette et un anémomètre. Le dispositif de mesure de conditions de vent 46 est de préférence disposé sur l'éolienne 2 ou à proximité, pour mesurer les conditions de vent locales.
Le système de supervision 48 permet à un opérateur d'envoyer des instructions au système de pilotage 42 en fonction par exemple de prévisions météorologiques.
En fonctionnement, le rotor 4 de l'éolienne 2 génère un couple aérodynamique lorsqu'il subit l'action du vent. Le couple aérodynamique généré par le rotor 4 dépend du calage des pales 14. Le rotor 4 génère en outre inévitablement une poussée aérodynamique horizontale.
Le rotor 4 de l'éolienne 2 possède par conception une configuration de calage de mise en drapeau, dans laquelle chaque pale est calée avec un angle de calage respectif de telle sorte que le rotor possède au moins une position angulaire d'équilibre stable relativement à la direction du vent.
Une position angulaire du rotor relativement à la direction du vent est une position « d'équilibre » si le couple aérodynamique qui s'exerce alors sur le rotor s'annule à cette position angulaire.
De plus, cette position angulaire est dite « stable » si le rotor revient de lui-même à cette position angulaire après une petite perturbation de la position angulaire du rotor ou suite à une variation de la direction du vent.
De préférence, la position angulaire d'équilibre stable est unique. En outre, de préférence, la position angulaire d'équilibre stable correspond à un minimum de poussée aérodynamique générée par le rotor 4 pour la configuration de calage de mise en drapeau.
En configuration de calage de mise en drapeau avec une unique position angulaire d'équilibre stable, au moins deux pales du rotor sont calées avec des angles de calage différents l'un de l'autre. Dans le cas d'un rotor à deux pales, les deux pales du rotor sont calées avec des angles de calage différents l'un de l'autre. Dans le cas d'un rotor ayant plus de deux pales, dans un mode de réalisation particulier, toutes les pales du rotor sont calées avec des angles de calage différents les uns des autres.
La Figure 5 est un graphique représentant le couple aérodynamique généré par le rotor en configuration de calage de mise en drapeau en fonction de la position angulaire du rotor 4 (trait pointillé) relativement à la direction du vent, et la poussée aérodynamique subie par le rotor 4 en configuration de calage de mise en drapeau en fonction de la position angulaire du rotor 4 (trait continu) relativement à la direction du vent. L'échelle de droite correspond au couple aérodynamique et l'échelle de gauche correspond à la poussée aérodynamique.
Une position angulaire d'équilibre stable PES correspond au passage du couple aérodynamique d'une valeur positive à une valeur négative avec la convention de signes pour les positions angulaires du rotor relativement à la direction du vent et le couple aérodynamique tels que représentés sur la Figure 5. Cette position angulaire d'équilibre stable PES correspond à la poussée aérodynamique minimale PM générée par le rotor 4 sur un tour. La position angulaire d'équilibre stable PES est ici unique.
Le rotor en configuration de calage de mise en drapeau comprend ici une position angulaire d'équilibre instable PEI qui correspond mathématiquement au passage du couple aérodynamique d'une valeur négative à une valeur positive avec la convention de signes pour les positions angulaires du rotor relativement à la direction du vent et le couple aérodynamique tels que représentés sur la Figure 5.
Un procédé possible pour déterminer une configuration de calage de mise en drapeau, par simulation informatique à partir d'un modèle numérique du rotor, comprend la mise en œuvre itérative des étapes suivantes par un algorithme d'optimisation :
(a) détermination d'une configuration de calage des pales initiale, dans laquelle chaque pale possède un angle de calage individuel ;
(b) calcul du couple aérodynamique généré par le rotor pour toutes les positions angulaires du rotor (relativement à la direction du vent) pour la configuration de calage considérée ;
(c) détermination des positions angulaires d'équilibre du rotor associées à la configuration de calage des pales considérées ;
(d) élimination des positions angulaires d'équilibre instable ;
(e) calcul des poussées aérodynamiques associées aux positions angulaires d'équilibre stable du rotor ; (f) enregistrement, pour la configuration de calage considérée, de la poussée aérodynamique maximale parmi les poussées aérodynamiques calculées à l'étape (e) s'il existe plusieurs positions angulaires d'équilibre stable du rotor.
L'algorithme d'optimisation réitère les étapes (a) à (e) en changeant de configuration de calage des pales à chaque itération, afin de minimiser la poussée aérodynamique calculée à l'étape (e).
Pour des raisons de sécurité et afin de répondre aux exigences des normes et des recommandations/codes de dimensionnement des éoliennes selon lesquelles des variations de direction de vent doivent être considérées, l'étape (e) peut être modifiée pour comprendre le calcul des poussées aérodynamiques associées à une plage angulaire autour de chaque position angulaire d'équilibre stable du rotor. L'amplitude de la plage de direction du vent considérée (+/-80 ; +/-200 ...) dépend de la vitesse de vent à considérer.
Un exemple de configuration de calage de mise en drapeau type pour une éolienne 2 à rotor 4 bipale telle que celle illustrée sur la Figure 1 est un angle de calage de -12° pour une pale et un angle de calage de +23° pour l'autre pale, pour une amplitude de plage de direction de vent de +/- 8°.
Dans T'exemple illustré ci-dessus, l'optimisation de la configuration de calage est effectuée en utilisant comme critère la poussée aérodynamique générée par le rotor dans la configuration de calage de mise en drapeau et à la position angulaire d'équilibre stable.
Il est possible de prendre en compte d'autres critères, et de déterminer une configuration de calage de mise en drapeau par une optimisation multicritère.
Il est par exemple possible de prendre en compte la stabilité du rotor autour de la position angulaire d'équilibre stable. Mathématiquement, la stabilité est proportionnelle à la pente du couple aérodynamique autour de la position angulaire d'équilibre stable.
Lorsque l'on prend en compte une plage angulaire de direction de vent, il est possible de considérer la minimisation de la poussée aérodynamique sur la plage angulaire de direction du vent, en prenant en compte par exemple la poussée aérodynamique moyenne sur la plage angulaire de direction du vent considérée.
II est par exemple possible de prendre en compte les vibrations induites par le vent, ou plus précisément par des phénomènes d'échappement tourbillonnaire (ou VIV pour « Vortex Induced Vibrations » en anglais) sur les pales 14, qui apparaissent lorsque le vent est fort et que le rotor 4 est immobile en rotation. Ces vibrations peuvent en effet générer des contraintes importantes sur les pales 14 ou le rotor 4 en général.
Ainsi, il est possible de déterminer une configuration de calage de mise en drapeau par une optimisation multicritère prenant en compte la stabilité de la position angulaire d'équilibre stable du rotor, la poussée aérodynamique générée par le rotor à la position angulaire d'équilibre stable, éventuellement en tenant compte d'une plage angulaire de direction de vent, et les vibrations induites par les phénomènes d'échappement tourbillonnaire (VIV).
Le procédé de détermination d'une configuration de calage de mise en drapeau indiqué ci-dessus est donné uniquement à titre d'exemple. D'autres procédés sont envisageables.
Le système de pilotage 42 est configuré pour mettre en œuvre un procédé de production d'énergie, mis en œuvre dans des conditions de vent permettant une production d'énergie, et un procédé de mise à l'arrêt de l'éolienne, mis en œuvre par exemple dans des conditions de vent fort, par exemple en cas d'instructions envoyées par un opérateur via le système de supervision, ou en cas de perte de connexion à distance avec le système de supervision 48 et/ou avec le réseau électrique 28.
Dans le procédé de production d'énergie, le système de pilotage 42 est configuré pour piloter l'éolienne 2 en fonction des données provenant du dispositif de mesure de conditions de vent 46 et/ou des données provenant du système de supervision 48. Le système de pilotage 42 commande le système de commande de calage 22 et/ou le générateur 18 pour générer de l'électricité.
Le procédé de mise à l'arrêt comprend une étape d'arrêt du rotor en rotation, puis une étape de mise en drapeau du rotor.
Dans l'étape d'arrêt, le système de pilotage 42 commande le système de calage de manière à caler les pales 14 dans une configuration de freinage aérodynamique, dans laquelle chaque pale 14 est orientée de manière à former un aérofrein, c'est-à-dire de manière à générer un couple aérodynamique très faible, voire même résistant, de sorte qu'une fois les pertes mécaniques du système de guidage du rotor en rotation et du système de conversion de puissance 29 intégrées, le couple mécanique résultant freine le rotor 4.
Par ailleurs, de préférence, le système de pilotage 42 connecte les interrupteurs 40 pour déconnecter le générateur 18 du convertisseur de puissance 34 de chaque branche 32.
En variante ou en option, le système de pilotage 42 commande le système électrique 46 pour connecter le générateur 18 au banc de charge 38 de freinage d'urgence pour freiner le rotor 4. Cette connexion est mise en œuvre par exemple en cas de perte de la connexion au réseau électrique 28. Dans l'étape de mise en drapeau du rotor 4, le système de pilotage 42 commande le système de commande de calage 22 pour placer les pales 14 dans la configuration de calage de mise en drapeau.
De préférence, le système de commande de calage 22 commande le passage des pales 14 en configuration de calage de mise en drapeau lorsque le rotor 4 est proche de la position angulaire d'équilibre stable.
Alternativement, si cela n'est pas le cas, le rotor 4, de par les positions de calage des pales de mise en drapeau, se positionne seul et de manière passive dans sa position angulaire d'équilibre stable sous l'effet du vent.
De préférence, le système de commande de calage 22 commande le passage des pales 14 en configuration de calage de mise en drapeau lorsque le rotor 4 tourne à une vitesse de rotation inférieure à un seuil de mise en drapeau.
Dans l'étape de mise en drapeau du rotor 4, le rotor 4 est laissé libre de tourner de manière à pouvoir s'orienter par rapport à la direction du vent. En cas de rotation du rotor 4 ou de changement de direction du vent, le rotor 4 tend à retourner de lui-même à la position angulaire d'équilibre stable par rapport à la direction du vent. Le rotor 4 retourne à sa position angulaire d'équilibre stable par rapport à la direction du vent de manière passive et autonome.
Dans l'étape de mise en drapeau du rotor 4, le système de pilotage 42 commande le système électrique 26 pour connecter le générateur 18 à un banc de charge résistif 36 de mise en drapeau.
Le banc de charge 36 de mise en drapeau autorise la rotation du rotor 4, mais freine le rotor 4 lorsque celui-ci se met à tourner. Le générateur 18 convertit l'énergie cinétique de rotation du rotor 4 en énergie électrique, et chaque banc de charge 36 connecté au générateur 18 dissipe l'énergie électrique produite par le générateur 18 du fait de la rotation du rotor 4 et empêche ainsi que le rotor 4 ne prenne de la vitesse en rotation.
Ainsi, le rotor 4 tourne lentement pour retourner à sa position angulaire d'équilibre stable. La configuration de calage de mise en drapeau permet de maintenir le rotor 4 dans une position angulaire d'équilibre stable par rapport à la direction du vent, la position angulaire d'équilibre stable limitant les efforts générés (notamment la poussée aérodynamique) par le rotor 4 et l'éolienne 2, sans avoir à prévoir un système de freinage à friction puissant ou un système de verrouillage pour bloquer le rotor 4 en rotation. Le freinage résistif du rotor 4 pendant la mise à l'arrêt de l'éolienne permet de maintenir la stabilité du rotor 4 de manière totalement passive. Le fait de laisser la possibilité au rotor 4 de tourner pendant la mise à l'arrêt permet de laisser le rotor 4 s'orienter de lui-même par rapport à la direction de vent lorsque celle-ci change, ce qui consécutivement permet de diminuer les efforts induits par le rotor 4 sur la structure de support 6.
L'éolienne 2 est maintenue à l'arrêt de manière autonome et totalement passive, sans qu'il soit nécessaire d'intervenir extérieurement. En particulier, la mise à l'arrêt de l'éolienne 2 peut être déclenchée en cas de perte de connexion avec le système de supervision 48 et/ou de perte du raccordement au réseau électrique 28. Ainsi, le procédé de mise en drapeau permet à l'éolienne 2 de se maintenir à l'arrêt de manière autonome et totalement passive, y compris en cas de perte de communication avec le système de supervision 48 distant et/ou de perte du raccordement au réseau électrique 28. Le procédé de mise en drapeau est simple à mettre en œuvre, fiable et peu onéreux.
Pour permettre de mettre le pales en configuration de calage de freinage et en configuration de calage de mise en drapeau, en particulier en cas de perte de connexion au réseau électrique 28, il est possible, dans un mode de mise en œuvre, d'utiliser de l'énergie stockée dans un dispositif de stockage d'énergie électrique ou mécanique disposé sur l'éolienne 2 pour fournir de l'énergie à un dispositif de commande de calage 22.
Sur la Figure 2, un dispositif de stockage d'énergie 52, par exemple une batterie ou un accumulateur de pression, est agencé pour alimenter en énergie un dispositif de commande de calage 22, selon par exemple que le dispositif de commande de calage 22 possède un actionneur électrique ou hydraulique.
En variante ou en option, pour mettre le pales en configuration de calage de mise en drapeau, il est possible de prévoir sur l'éolienne des dispositifs de commande de calage auxiliaires à sûreté intégrée, qui sont commandés par le système de pilotage 42, par exemple en cas de perte de connexion avec le système de supervision 48 et/ou de perte du raccordement au réseau électrique 28, et prévu pour caler chaque pale 14 avec son angle de calage respectif de la configuration de calage de mise en drapeau.
Un dispositif de commande de calage auxiliaire à sûreté intégrée comprend par exemple un ressort qui est maintenu précontraint en fonctionnement normal, de sorte que le dispositif de commande de calage auxiliaire n'agit pas sur la pale, et qui est libéré en cas de commande de mise en drapeau, pour caler la pale dans la configuration de mise en drapeau.
L'utilisation d'un dispositif de stockage d'énergie est préférée à l'utilisation d'un dispositif de commande de calage auxiliaire à sûreté intégrée, car le dispositif de stockage d'énergie permet de disposer d'une réserve d'énergie pour piloter le calage des pales successivement en configuration de freinage aérodynamique puis en configuration de mise en drapeau.
Le procédé de mise à l'arrêt et l'éolienne ne sont pas limités aux modes de réalisation décrit. Des variantes sont envisageables.
Pour réaliser la dissipation d'énergie pendant la mise en drapeau, il est possible de mettre le générateur 18 en court-circuit, en court-circuitant les bobinages de son stator, sans prévoir de banc de charge distinct du générateur 18. Ainsi, le banc de charge résistif 36 de mise en drapeau est optionnel et peut être omis.
Cependant, l'utilisation d'un banc de charge 36 distinct du générateur 18 permet de prévoir un banc de charge 36 dont la résistance est spécialement dimensionnée pour la dissipation d'énergie pendant la mise en drapeau. En outre, l'utilisation d'un banc de charge 36 distinct du générateur 18 permet de refroidir le banc de charge 36 plus facilement, par exemple à l'aide d'un système de refroidissement de type aéroréfrigérant, sans risque de surchauffe du générateur 18 qui est un composant plus critique. Ces remarques s'appliquent également au banc de charge 38 de freinage d'urgence.
Le banc de charge de freinage d'urgence est optionnel et peut être omis. Il peut être remplacé ou complété par un dispositif de freinage à friction agissant sur le rotor.
Par ailleurs, plusieurs éoliennes peuvent être portées par une même structure de support, en particulier une structure de support flottante. Dans ce cas, il est possible de déterminer des configurations de calage des éoliennes permettant de minimiser la poussée aérodynamique totale exercée par l'ensemble des éoliennes sur la structure de support.

Claims

REVENDICATIONS
1 .- Procédé de mise à l'arrêt d'une éolienne (2) à axe vertical comprenant un rotor (4) possédant des pales (14) à calage variable, comprenant une étape de mise en drapeau du rotor comprenant le calage des pales (14) selon une configuration de calage dans laquelle chaque pale (14) a un angle de calage respectif et dans laquelle le rotor (4) possède une unique position angulaire d'équilibre stable relativement à la direction du vent, en laissant le rotor (4) libre de tourner pour s'orienter par rapport à la direction du vent.
2.- Procédé de mise en drapeau selon la revendication 1 , l'étape de mise en drapeau comprenant le freinage du rotor (4) par conversion de l'énergie cinétique de rotation du rotor en énergie électrique et la dissipation de l'énergie électrique.
3. - Procédé de mise en drapeau selon la revendication 1 ou la revendication 2, l'étape de mise en drapeau comprenant le freinage du rotor (4) par mise en court-circuit d'un générateur (18) électrique couplé au rotor.
4. - Procédé de mise en drapeau selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'étape de mise en drapeau comprenant le freinage du rotor (4) par connexion d'un générateur (18) électrique couplé au rotor (4) à au moins un banc de charge (36).
5.- Procédé de mise en drapeau selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la position angulaire d'équilibre stable du rotor (4) relativement à la direction du vent correspond à un minimum de poussée aérodynamique du rotor induite sur une structure de support de l'éolienne à axe vertical par le rotor (4) ou par un ensemble de rotors tous portés par la même structure de support.
6.- Procédé de mise en drapeau selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant, préalablement à l'étape de mise en drapeau, une étape de freinage aérodynamique du rotor (4) comprenant le calage des pales (18) selon une configuration de calage telle que les pales (18) fonctionnent comme des aérofreins.
7. - Procédé de mise en drapeau selon la revendication 6, dans lequel les angles de calage des pales (14) sont sensiblement identiques dans la configuration de calage de freinage aérodynamique.
8. - Procédé de mise en drapeau selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant l'utilisation de l'énergie stockée dans un dispositif de stockage d'énergie (52) prévu sur l'éolienne pour déplacer les pales en configuration de calage de mise en drapeau.
9. - Procédé de mise en drapeau selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant le calage de chaque pale dans la configuration de calage de mise en drapeau par activation d'un dispositif de commande de calage à sûreté intégrée.
10. - Eolienne à axe vertical comprenant un rotor (4) possédant des pales (14) à calage variable et des dispositifs de commande de calage (24) des pales permettant de caler chaque pale (14) individuellement, un générateur (18) électrique couplé au rotor pour convertir la rotation du rotor en énergie électrique, et un système électronique de pilotage (42) pour commander les dispositifs de commande de calage (24) du rotor (4), le système de pilotage (42) étant programmé pour la mise en œuvre d'un procédé de mise à l'arrêt d'une d'éolienne à axe vertical comprenant une étape de mise en drapeau du rotor (4) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
PCT/EP2016/072762 2015-09-24 2016-09-23 Procede de mise a l'arret d'une eolienne a axe vertical et eolienne a axe vertical correspondante WO2017051007A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1559025A FR3041710B1 (fr) 2015-09-24 2015-09-24 Procede de mise a l'arret d'une eolienne a axe vertical et eolienne a axe vertical correspondante
FR1559025 2015-09-24

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017051007A1 true WO2017051007A1 (fr) 2017-03-30

Family

ID=54366448

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2016/072762 WO2017051007A1 (fr) 2015-09-24 2016-09-23 Procede de mise a l'arret d'une eolienne a axe vertical et eolienne a axe vertical correspondante

Country Status (2)

Country Link
FR (1) FR3041710B1 (fr)
WO (1) WO2017051007A1 (fr)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2481756A1 (fr) * 1979-11-21 1981-11-06 Courcel Daniel Dispositifs de regulation automatique et de protection des pales du rotor d'aerogenerateurs a axes verticaux
DE19544400A1 (de) * 1995-11-29 1997-06-05 En Umwelt Beratung E V I Einrichtung zur Einstellung der Blätter von Vertikalachs-Rotoren für den Schwachwindanlauf und für die Überlastabschaltung
US20040041405A1 (en) * 2001-11-08 2004-03-04 Kazuichi Seki Fluid power generator
WO2012032547A2 (fr) * 2010-09-10 2012-03-15 V Rajagopal Raghunathan Mécanisme de commande du pas des pales d'une éolienne

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2481756A1 (fr) * 1979-11-21 1981-11-06 Courcel Daniel Dispositifs de regulation automatique et de protection des pales du rotor d'aerogenerateurs a axes verticaux
DE19544400A1 (de) * 1995-11-29 1997-06-05 En Umwelt Beratung E V I Einrichtung zur Einstellung der Blätter von Vertikalachs-Rotoren für den Schwachwindanlauf und für die Überlastabschaltung
US20040041405A1 (en) * 2001-11-08 2004-03-04 Kazuichi Seki Fluid power generator
WO2012032547A2 (fr) * 2010-09-10 2012-03-15 V Rajagopal Raghunathan Mécanisme de commande du pas des pales d'une éolienne

Also Published As

Publication number Publication date
FR3041710A1 (fr) 2017-03-31
FR3041710B1 (fr) 2017-12-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2441963C (fr) Procede et dispositif de regulation d'une eolienne
ES2551896T3 (es) Procedimiento de operación de una planta de turbina eólica en condiciones de vientos fuertes
US9353730B2 (en) Wind energy devices, systems, and methods
EP3462017B1 (fr) Commande de lacet autonome d'urgence pour une éolienne
US20080084068A1 (en) Wind turbine operating apparatus and operating method
EP2715125B1 (fr) Parc éolien et procédé de fonctionnement d'un parc éolien
US20130259686A1 (en) System and method for controlling a wind turbine
US20100295304A1 (en) Method and apparatus for grid loss ride-through for wind turbine pitch control system
KR20100014797A (ko) 다중 발전기 풍력 터빈 및 작동 방법
WO1998040627A1 (fr) Eolienne a attaque directe basse vitesse
CN110192317B (zh) 控制与自换向转换器的电力交换
EP2963286A1 (fr) Éolienne et procédé pour l'arrêter
WO2013083886A1 (fr) Dispositif et procédé de protection d'une éolienne en cas d'événement de vents violents et une éolienne pourvue d'un tel dispositif
JP6227490B2 (ja) ダウンウインド型風車及びその停止方法
WO2017051007A1 (fr) Procede de mise a l'arret d'une eolienne a axe vertical et eolienne a axe vertical correspondante
KR101475274B1 (ko) 풍력발전기의 피치 제어 시스템 및 그 방법
WO2021121499A1 (fr) Supervision de lacet
JP2022526318A (ja) 風力タービン
Sirotkin et al. Mathematical modeling of wind turbine brake system
RU2727541C2 (ru) Система регулировки угла наклона лопасти ветротурбины, способ управления системой регулировки угла наклона и ветротурбинная система
MX2007011442A (es) Metodo y dispositivo para frenar el rotor de una planta de energia eolica.
FR2962498A1 (fr) Aerogenerateur a axe horizontal, comprenant un automate pour piloter un effacement progressif de la nacelle en fonction de la vitesse du vent.
FR2944835A1 (fr) Dispositif de production d'electricite a partir d'une source motrice a vitesse variable, et dispositif de stockage inertiel d'energie et eolienne ainsi equipees
EP2657516B1 (fr) Aérogénérateur comprenant un ralentisseur électro-magnétique pour ralentir la vitesse de rotations des pales
US11754039B1 (en) Load dependent autonomous yaw control for a wind turbine

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16777609

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: CONSTATATION DE LA PERTE D'UN DROIT CONFORMEMENT A LA REGLE 112(1) CBE (OEB FORM 1205N EN DATE DU 28/06/2018)

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 16777609

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1