-1- L'invention est celle d'un procédé pour convertir en chaleur etThe invention is that of a process for converting into heat and
réguler l'énergie du vent. Le chauffage par éolienne n'est pas nouveau. il aurait été inventé par Jacques Clausin qui en publia un dessin dans les Cahiers techniques du Moniteur , de juin 1979 (d'après le livre de Robert Frédérick Les ressources énergétiques de notre planète Editions Dangles 1984, page 219). Le rotor (de l'éolienne de Mr Clausin) est directement relié à une roue à ailettes tournant dans un récipient calorifugé empli d'huile minérale. Les ailettes, en frottant, forment frein et dégagent de la chaleur qui échauffe l'huile. Dit le livre. Le procédé de Mr Clausin découlerait donc de l'expérience de Joule et d'une production de chaleur grâce au frottement. Vérification faite, il faut beaucoup d'énergie mécanique pour élever la température d'un liquide de cette façon-là. Plus récemment, des essais ont été réalisés avec des alternateurs produisant de l'électricité qui circule dans une résistance chauffante. Mais ces essais en sont restés au stade expérimental, son rendement étant médiocre. Le procédé de la présente invention est fondée sur des expériences montrant qu'une plaque de cuivre s'échauffe quand elle est soumise aux variations d'un champ magnétique. De plus, il se produit des forces qui s'opposent au mouvement responsable de cet échauffement. Les métaux et alliages qui ne sont pas ferromagnétiques (comme l'aluminium ou le cuivre) sont plus facile à utiliser et s'échauffent davantage que les métaux qui le sont. Les matériaux qui résistent le moins à l'électricité sont, paradoxalement, ceux qui produisent le plus de chaleur. L'argent devrait donc être encore plus calorique que le cuivre mais il est beaucoup plus cher. regulate wind energy. The heating by wind is not new. it was invented by Jacques Clausin who published a drawing in the Cahiers techniques du Moniteur, June 1979 (from the book by Robert Frederick The energy resources of our planet Editions Dangles 1984, page 219). The rotor (from Mr Clausin's wind turbine) is directly connected to a finned wheel rotating in an insulated container filled with mineral oil. The fins, rubbing, form brake and release heat that heats the oil. Said the book. Mr Clausin's process would therefore be based on Joule's experience and heat production thanks to friction. Verification done, it takes a lot of mechanical energy to raise the temperature of a liquid that way. More recently, tests have been carried out with generators producing electricity that circulates in a heating resistor. But these tests have remained at the experimental stage, its performance being mediocre. The process of the present invention is based on experiments showing that a copper plate heats up when subjected to variations in a magnetic field. In addition, forces occur that oppose the movement responsible for this warm-up. Metals and alloys that are not ferromagnetic (such as aluminum or copper) are easier to use and heat up more than metals that are. The materials that are the least resistant to electricity are, paradoxically, the ones that produce the most heat. Money should be even more caloric than copper but it is much more expensive.
L'une des spécificités du procédé est donc l'utilisation du vent pour mettre en mouvement des aimants permanents à proximité d'une surface en cuivre ou d'un alliage quelconque qui posséderait un rendement thermique élevé, dans le but de produire de la chaleur ou pour contrôler finement la vitesse de rotation d'une éolienne. One of the specificities of the process is the use of wind to move permanent magnets close to a copper surface or any alloy that would have a high thermal efficiency, in order to produce heat or to finely control the speed of rotation of a wind turbine.
Les avantages de ce procédé par rapport aux méthodes classiques de chauffage avec l'induction sont nombreux : Il utilise des aimants permanents et n'a donc pas besoin de bobines et d'électroaimants. Il est-très efficace à des fréquences inférieures à 1 KHz (au lieu des 25 KHz du chauffage à induction 2912786 -2- traditionnel). Le cuivre n'étant pas attiré par les aimants, ils peuvent tourner très près de sa surface et n'ont pas besoin d'être très puissants pour être productifs. Le procédé permet une régulation facile de la vitesse des éoliennes sans avoir recours à des freins qui s'usent. Pourvu d'un automate qui gère la puissance de 5 l'induction, le procédé permettra une récupération complète de l'énergie des vents d'un site, des plus faibles au plus puissants. Les mesures comme les calculs montrent que les génératrices électriques installées sur les éoliennes actuelles ne récoltent qu'une faible partie de l'énergie des vents (une énergie qui dépasse de beaucoup celle calculée à 10 partir de leur vitesse moyenne). Quand une éolienne est équipée d'une génératrice qui fonctionne avec des vents de 8 m/s, elle ne produit pas d'électricité avec des vents moins rapides, et pas plus d'électricité s'ils vont plus vite. Il en résulte que même lorsqu'une génératrice est bien adaptée à son site, sa production énergétique est entre 2 et 3 fois plus faible que celle fournie par 15 le vent, quel que soit le rendement de l'éolienne. Les génératrices électriques actuelles ne sont pas faites pour adapter leur production aux très grandes variations de l'énergie des vents. Avec les procédés actuels, les 2/3 de l'énergie de l'énergie éolienne des sites n'est pas récupérée. Les génératrices électriques sont non seulement des convertisseurs qui ne produisent pas en 20 permanence, mais elles sont des machines qui ne savent pas adapter leur puissance à celles des vents, même quand elles tournent à plein régime. Grâce au procédé de cette invention, l'énergie du vent est transformée en chaleur en adaptant la force d'un frein magnétique à chaque vitesse de vent pour que le produit de la vitesse de rotation par le couple soit toujours le plus 25 élevé possible. Le point de puissance maximum étant caractérisé par une vitesse de rotation en charge égale au 16/27 de la vitesse à vide (limite de Betz). Avec ce procédé, on peut donc envisager un chauffage éolien économiquement rentable sur les sites ventés, et une exploitation des toitures d'immeubles pour produire de l'eau chaude. Mais ce procédé nous permettra 30 aussi d'obtenir du courant stabilisé en fréquence et tension, sans passer par un réseau électrique, un onduleur et des batteries, ce qui est particulièrement intéressant pour l'alimentation en électricité des zones isolées. Le procédé de la présente invention est donc : Soit un moyen pour 2912786 -3- convertir entièrement l'énergie du vent en chaleur grâce à l'induction ; soit un moyen pour obtenir une production électrique stabilisée avec de la chaleur en plus. Le procédé permet une amélioration du rendement de différents types d'éoliennes, et peut convenir à d'autres sources d'énergie. 5 Les différentes formes, que le procédé peut prendre, découlent autant de l'usage prévu (production d'électricité ou de chaleur) que des choix d'installation : Sur quel site ? Pour quelle éolienne ? La chaleur émise dépend principalement de la fréquence et de l'intensité du champ. Or, ces deux paramètres sont fonction du nombre d'aimants, de leur puissance, de la 10 distance qui les sépare du cuivre et de leur vitesse de leur rotation. Il en résulte une grande diversité de formes possibles. La forme la plus simple est celle d'un disque où sont fixés des aimants qui tournent en dessous d'une plaque en cuivre immobile à la base d'une cuve. C'est un simple déplacement circulaire, des aimants fixés à un disque. Dans ce 15 cas, le procédé ne permet pas une régulation de la vitesse de rotation, et ne s'adapte pas parfaitement aux différentes puissances des vents. Mais, les aimants nécessaire (entre 50 et 100 x 10-6 Wb) étant peu coûteux, il est possible de les installer en nombre pour obtenir des fréquences élevées avec des vitesses de rotation faibles. 20 Une forme plus élaborée du procédé consiste à doter les dispositifs utilisés de masselottes qui, grâce à la force centrifuge, soulèvent le plateau porteur d'aimants. Les variations de la vitesse de rotation de l'éolienne produisent donc une modification de l'intensité de l'induction en réduisant ou augmentant la distance entre les aimants et la surface de cuivre. Il se produit une 25 augmentation de l'induction avec la vitesse grâce à l'action de la force centrifuge, et donc, une augmentation de la production de chaleur et un plus important freinage. Mais sous cette forme aussi, l'adaptation à toutes les vitesses de vents n'est pas parfaite et le rendement global en souffre. De plus, cette forme ne permet pas de choisir une vitesse de rotation précise pour 30 produire de l'électricité. Une autre forme consiste à doter les dispositifs d'un automate qui pilote l'intensité du freinage en fonction de la vitesse du vent : Soit dans le but d'obtenir une énergie maximale en sortie, soit pour stabiliser la vitesse de 2912786 -4- rotation des arbres. Cette forme comprend différentes déclinaisons, l'intensité du freinage étant modulable de différentes façons : en augmentant le nombre d'aimants ; en les rapprochant davantage du cuivre ; en déplaçant le cuivre par rapport aux aimants ; en faisant l'inverse. 5 Suite à différentes expérimentations 3 méthodes de régulation ont été remarquées pour leur efficacité et simplicité Dans la première, l'éolienne fait tourner un cylindre portant des aimants avec des pôles alternés. Ce cylindre crée l'échauffement d'un tube de cuivre qui traverse une chaudière mobile montée sur des rails. La modulation du freinage 10 et de l'échauffement est produite par le déplacement de la chaudière (ou du chariot qui porte la chaudière). Le chariot se positionne en fonction de la vitesse du vent grâce à un moteur pas à pas ou linéaire piloté par un automate. Dans la seconde, l'éolienne fait tourner un plateau sur lequel des aimants sont fixés. Un chariot portant une citerne avec une base en cuivre recouvre plus 15 ou moins le plateau tournant, produisant ainsi une induction, un échauffement et un freinage plus ou moins important. La troisième méthode est plus innovante. Elle comporte un axe tubulaire tournant à une vitesse suffisante pour utiliser moins d'aimants. Elle nécessite un deuxième axe qui porte le disque supportant les aimants. Cet axe est 20 entraîné en rotation par le premier et peut coulisser à l'intérieur de lui . Le procédé permet d'obtenir, grâce à un moteur pas à pas ou linéaire commandé par un automate, en fonction de la vitesse de rotation et des forces actives et réactives, un déplacement du disque par rapport à la plaque de cuivre. Les dessins annexés illustrent l'invention. 25 Les figures 1 et 2 illustrent une forme très simple du procédé. Les figures 3 et 4 illustrent une forme de régulation avec la force centrifuge. La figure 5 représente une version à chariot du procédé avec des aimants fixés à un cylindre tournant, et un tuyau en cuivre installé dans une cuve mobile qui peut plus ou moins recouvrir les aimants. 30 La figure 6 représente cette version animée par une hélice. La figure 7 représente la même version, mais animée par une éolienne ayant un axe vertical. La figure 8 représente une forme de régulation à l'aide d'un chariot mobile, 2912786 -5- avec des aimants tenus par un disque. La figure 9 illustre une régulation fondée sur le déplacement d'un disque monté sur un arbre coulissant. La figure 10 représente une méthode simple pour déterminer la puissance 5 maximum utilisable dans chaque intervalle de temps. La figure 11 est une vue en coupe du procédé qui permet le coulissement des axes en rotation. La figure 12 est une vue de dessus des axes et du disque avec ses aimants. En référence à ces dessins, les figures 1 et 2 nous montrent que le 10 procédé peut fonctionner sans régulation électronique. Dans ce cas, il n'a besoin que d'un disque (7) lié à un axe vertical tournant (9), sur lequel sont fixés des aimants permanents (1) ; et d'un liquide caloporteur (6) chauffé par une plaque de cuivre (3). Sur ces figures, nous voyons que la cuve de liquide est installée sur un chariot (10) maintenu et guidé par des rails (11) 15 positionnées dessus et dessous les roues, pour que la force de l'induction ne puisse pas retourner le chariot. Nous voyons qu'une modification de l'intensité de l'induction est possible en réduisant et augmentant le nombre d'aimants en contact avec le cuivre. Nous pouvons donc moduler d'une façon simple l'induction au sein du cuivre en augmentant et diminuant le nombre d'aimants 20 actifs, en déplaçant simplement un chariot. Une autre forme de régulation entièrement automatique est illustrée par les figures 3 et 4. Nous voyons qu'elle utilise des masselottes (12) qui, grâce aux tringles (13) et à la force centrifuge, rapprochent les aimants du cuivre d'autant plus que l'éolienne tourne plus vite. Sur ces figures, nous voyons que le 25 coulissement nécessaire est obtenu avec des rouleaux (14). La figure 5 illustre une deuxième façon d'obtenir une modulation avec un chariot. Les aimants (1) sont fixés à un cylindre tournant (15) qu'un chariot (10) traversé par un tube en cuivre (16) recouvre plus ou moins. Le tube n'est pas une obligation. L'expérimentation ayant montré qu'une rotation des aimants 30 sous une tôle en cuivre courbée est suffisante. Quantité de formes de cuves et de chariots sont donc possibles. Remarquons que la méthode utilise une pompe (17) pour faire circuler le liquide caloporteur (6), ce qui permet d'alléger le chariot et réduire la puissance du moteur (18). -6- La figure 6 montre comment ce procédé peut être installé avec une hélice, un multiplicateur de vitesse (19), et une génératrice (20). La figure 7 montre une installation avec l'axe d'une éolienne verticale (9), une multiplication par 81 de sa vitesse de rotation grâce à des galets (21) et une courroie (22). Elle est équipée d'un anémomètre (23) qui, en transmettant à l'automate (2) une information numérique sur la vitesse du vent, lui permet de placer le chariot (10) au meilleur emplacement, grâce au moteur pas à pas (18). La figure 8 montre une installation à chariot fondée sur un disque (7). lI comporte les mêmes éléments. The advantages of this process over conventional induction heating methods are numerous: It uses permanent magnets and therefore does not need coils and electromagnets. It is very effective at frequencies below 1 KHz (instead of the 25 KHz of the traditional 2912786 -2- induction heater). Since copper is not attracted by magnets, they can rotate very close to the surface and do not need to be very powerful to be productive. The method allows easy regulation of the speed of wind turbines without the use of brakes that wear out. Equipped with an automaton that manages the power of induction, the method will allow a complete recovery of the wind energy of a site, from the weakest to the most powerful. Measurements such as calculations show that the electric generators installed on current wind turbines only harvest a small part of the wind energy (an energy that far exceeds that calculated from their average speed). When a wind turbine is equipped with a generator that operates with winds of 8 m / s, it does not produce electricity with slower winds, and no more electricity if they go faster. As a result, even when a generator is well adapted to its site, its energy output is between 2 and 3 times lower than that provided by the wind, regardless of the efficiency of the wind turbine. Current electric generators are not made to adapt their production to very large variations in wind energy. With current processes, 2/3 of wind power energy from sites is not recovered. Electric generators are not only converters that do not produce permanently, but they are machines that do not know how to adapt their power to those of the winds, even when they are running at full speed. By the method of this invention, the wind energy is converted into heat by adjusting the force of a magnetic brake at each wind speed so that the product of the rotational speed by the torque is always as high as possible. The maximum power point being characterized by a load rotation speed equal to 16/27 of the idle speed (Betz limit). With this process, we can therefore consider an economically profitable wind heating on windy sites, and an operation of roofs of buildings to produce hot water. But this process will also allow us to obtain stabilized current in frequency and voltage, without going through an electrical network, an inverter and batteries, which is particularly interesting for the supply of electricity to isolated areas. The method of the present invention is therefore: Either means for converting entirely the energy of the wind into heat through induction; is a way to obtain a stabilized electrical production with additional heat. The process improves the efficiency of different types of wind turbines, and may be suitable for other energy sources. 5 The different forms, which the process can take, derive as much from the intended use (production of electricity or heat) as from installation choices: On which site? For which wind? The heat emitted depends mainly on the frequency and intensity of the field. However, these two parameters are a function of the number of magnets, their power, the distance which separates them from the copper and their speed of rotation. This results in a great diversity of possible forms. The simplest form is that of a disc in which are fixed magnets which turn under a stationary copper plate at the base of a tank. It's a simple circular displacement, magnets attached to a disc. In this case, the method does not allow a regulation of the speed of rotation, and does not adapt perfectly to the different wind powers. But, the necessary magnets (between 50 and 100 x 10-6 Wb) being inexpensive, it is possible to install them in number to obtain high frequencies with low speeds of rotation. A more elaborate form of the process consists in providing the devices used with weights which, thanks to the centrifugal force, lift the magnet carrying plate. Variations in the rotational speed of the wind turbine therefore produce a change in the intensity of the induction by reducing or increasing the distance between the magnets and the copper surface. There is an increase in induction with velocity due to the action of centrifugal force, and thus an increase in heat output and greater braking. But in this form too, adaptation to all wind speeds is not perfect and overall performance suffers. In addition, this form does not allow to choose a precise rotation speed to produce electricity. Another form is to equip the devices with a controller that controls the intensity of braking according to the wind speed: Either in order to obtain maximum energy output, or to stabilize the speed of 2912786 -4- rotation of trees. This form includes various variations, the braking intensity being adjustable in different ways: by increasing the number of magnets; by bringing them closer to copper; moving the copper relative to the magnets; by doing the opposite. Following various experiments, three methods of regulation have been noted for their efficiency and simplicity. In the first, the wind turbine rotates a cylinder carrying magnets with alternating poles. This cylinder creates the heating of a copper tube which passes through a mobile boiler mounted on rails. The modulation of the braking and the heating is produced by the displacement of the boiler (or the carriage which carries the boiler). The truck is positioned according to the wind speed thanks to a stepper or linear motor controlled by a PLC. In the second, the wind turbine turns a plate on which magnets are attached. A trolley carrying a tank with a copper base covers more or less the turntable, thus producing induction, heating and more or less significant braking. The third method is more innovative. It has a tubular axis rotating at a speed sufficient to use fewer magnets. It requires a second axis that carries the disk supporting the magnets. This axis is rotated by the first and slidable within it. The method makes it possible to obtain, by means of a stepper or linear motor controlled by an automaton, a function of the speed of rotation and the active and reactive forces, a displacement of the disk with respect to the copper plate. The accompanying drawings illustrate the invention. Figures 1 and 2 illustrate a very simple form of the process. Figures 3 and 4 illustrate a form of regulation with centrifugal force. Figure 5 shows a carriage version of the process with magnets attached to a rotating cylinder, and a copper pipe installed in a movable vessel which can more or less cover the magnets. Figure 6 shows this version driven by a helix. Figure 7 shows the same version, but animated by a wind turbine having a vertical axis. Figure 8 shows a form of regulation using a movable carriage, with magnets held by a disc. Figure 9 illustrates a regulation based on the displacement of a disc mounted on a sliding shaft. Figure 10 shows a simple method for determining the maximum usable power in each time interval. Figure 11 is a sectional view of the method which allows the sliding of the axes in rotation. Figure 12 is a top view of the axes and the disc with its magnets. With reference to these drawings, Figures 1 and 2 show that the method can operate without electronic regulation. In this case, it only needs a disc (7) connected to a rotating vertical axis (9), on which permanent magnets (1) are fixed; and a coolant (6) heated by a copper plate (3). In these figures, we see that the liquid tank is installed on a carriage (10) held and guided by rails (11) 15 positioned above and below the wheels, so that the force of the induction can not return the carriage . We see that a change in the intensity of induction is possible by reducing and increasing the number of magnets in contact with copper. We can therefore modulate in a simple way the induction within the copper by increasing and decreasing the number of active magnets, by simply moving a carriage. Another form of fully automatic regulation is illustrated in Figures 3 and 4. We see that it uses weights (12) which, thanks to the rods (13) and the centrifugal force, bring the magnets closer to the copper even more that the wind turbine turns faster. In these figures, we see that the necessary sliding is obtained with rollers (14). Figure 5 illustrates a second way of obtaining a modulation with a carriage. The magnets (1) are attached to a rotating cylinder (15) which a carriage (10) traversed by a copper tube (16) covers more or less. The tube is not an obligation. The experiment having shown that a rotation of the magnets 30 under a curved copper sheet is sufficient. Many tank shapes and trolleys are possible. Note that the method uses a pump (17) to circulate the coolant (6), which lighten the truck and reduce the power of the engine (18). Figure 6 shows how this method can be installed with a propeller, a speed multiplier (19), and a generator (20). Figure 7 shows an installation with the axis of a vertical wind turbine (9), a multiplication by 81 of its rotational speed by means of rollers (21) and a belt (22). It is equipped with an anemometer (23) which, by transmitting to the automaton (2) a numerical information on the speed of the wind, enables it to place the carriage (10) in the best location, thanks to the stepper motor ( 18). Fig. 8 shows a disk-based carriage installation (7). It includes the same elements.
La figure 9 illustre une installation à disque équipée d'une régulation avec un axe coulissant. Le disque (7) est monté sur un axe qui coulisse dans l'axe tubulaire (4). Les détails de ce procédé sont dans les prochaines figures. Nous voyons que le moteur (8) est lié par une tige et un roulement au disque (7). En fonction des instructions de l'automate (2), il abaisse ou élève le disque, ce qui contribue à rapprocher plus ou moins les aimants (1) de la plaque en cuivre (3). L'automate calcul cette modulation à partir des instructions du capteur de vitesse de rotation et de puissance (5). La figure 10 illustre le capteur de vitesse de rotation et de puissance constitué par un pignon (24), lié à une bague (26) par des ressorts (25). Le procédé comprend une bobine (27) recevant les impulsions des aimants (28) et (29), fixés au pignon et à la bague. On comprend que le temps séparant 3 impulsions consécutives correspond à la durée d'un tour ; et que le rapport entre le temps qui s'écoule entre 2 impulsions et la durée d'un tour est proportionnel à l'allongement des ressorts (pour les 2 plus proches impulsions). Figure 9 illustrates a disk installation equipped with a regulation with a sliding axis. The disc (7) is mounted on an axis which slides in the tubular axis (4). The details of this process are in the following figures. We see that the motor (8) is connected by a rod and a bearing to the disk (7). According to the instructions of the automaton (2), it lowers or raises the disk, which contributes to bring more or less magnets (1) of the copper plate (3). The controller calculates this modulation from the instructions of the speed and power sensor (5). FIG. 10 illustrates the rotational speed and power sensor consisting of a pinion (24) connected to a ring (26) by springs (25). The method comprises a coil (27) receiving the pulses of the magnets (28) and (29) attached to the pinion and the ring. It is understood that the time separating 3 consecutive pulses corresponds to the duration of a turn; and that the ratio between the time that elapses between 2 pulses and the duration of a revolution is proportional to the elongation of the springs (for the 2 nearest pulses).
Or, l'allongement des ressorts est proportionnel à l'intensité de l'effort que la machine doit fournir pour entraîner le disque. A intervalle régulier l'automate calculera en fonction de ces informations la position du disque pour que le rendement soit maximal. Les figures 11 et 12, illustre un procédé pour que l'arbre (30) qui porte le disque (7) puisse à la fois être entraîné en rotation avec une force importante et avoir la possibilité de coulisser grâce à un faible effort. Pour cela, l'arbre coulissant est équipé de 8 roulettes (31) qui sont maintenues et guidées par une forme (32) à l'intérieur de l'arbre tubulaire (4). 2912786 -7-Grâce à sa simplicité, le procédé de la présente invention peut conquérir sa place dans le monde de l'éolien. Il nous démontre qu'il est possible d'exploiter tous les vents à leur puissance maximum. 5 However, the lengthening of the springs is proportional to the intensity of the effort that the machine must provide to drive the disc. At regular intervals the automaton will calculate according to this information the position of the disk so that the yield is maximum. Figures 11 and 12 illustrate a method for the shaft (30) carrying the disc (7) can both be rotated with a large force and have the ability to slide through a low effort. For this, the sliding shaft is equipped with 8 rollers (31) which are held and guided by a shape (32) inside the tubular shaft (4). Because of its simplicity, the method of the present invention can conquer its place in the world of wind power. It shows us that it is possible to exploit all the winds at their maximum power. 5