FR2912786A1 - Procede pour produire de la chaleur et reguler la vitesse d'une eolienne - Google Patents

Abstract

Procédé pour produire de la chaleur et réguler la vitesse d'une éolienne, qui consiste à faire toumer des aimants permanents (1) à proximité d'une plaque en cuivre (3). L'intensité du freinage et de la chaleur produite est fonction du nombre et de la puissance des aimants, de leur éloignement du cuivre, et de la vitesse de rotation du disque porteur (7). Un automate (2) ajuste la position des aimants par rapport au cuivre en pilotant un moteur pas à pas ou linéaire (8). En fonction du but à atteindre (une vitesse constante ou une production de chaleur maximale) et en fonction des impulsions envoyés par le capteur de puissance et de vitesse de rotation (5), l'automate calcule la distance optimum entre les aimants et le cuivre. Le cuivre transmet sa chaleur à un fluide caloporteur (6). Ce procédé très simple permet une complète récupération de l'énergie éolienne sous forme de chaleur. Mais il peut aussi servir à réguler la rotation des turbines sans avoir recours à un réseau, pour une utilisation immédiate de l'électricité produite.

Description

-1- L'invention est celle d'un procédé pour convertir en chaleur et

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.

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.

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.

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).

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

Claims (8)

REVENDICATIONS

1) Procédé pour produire de la chaleur grâce au vent et réguler la vitesse de rotation d'une éolienne, caractérisé par l'utilisation du vent pour mettre en 5 mouvement des aimants permanents à proximité d'une surface en cuivre ou d'un alliage quelconque qui posséderait un rendement thermique élevé.

2) Procédé selon la revendication 1 caractérisé par un déplacement circulaire des aimants fixés à un disque.

3) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé 10 par une modification de l'intensité de l'induction en réduisant ou augmentant la distance entre les aimants et la surface de cuivre.

4) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par une augmentation de l'induction avec la vitesse grâce à l'action de la force centrifuge (Fig.4). 15

5) Procédé selon la revendication 1 caractérisé par des aimants (1) fixées à un cylindre tournant (15) qu'un chariot (10) traversé par un tube en cuivre (16) recouvre plus ou moins. (Fig. 5, 6, 7).

6) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par une modification de l'intensité de l'induction en réduisant et augmentant le 20 nombre d'aimants en contact avec le cuivre... en déplaçant simplement un chariot. (Fig. 1, 2, 5, 6, 7, 8).

7) Procédé selon l'une quelconque des revendications de 1 à 3 caractérisé par un arbre coulissant équipé de 8 roulettes (31) qui sont maintenues et guidées par une forme (32) à l'intérieur de l'arbre tubulaire (4). 25

8) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par l'utilisation d'un capteur de vitesse de rotation et de puissance (Fig. 10) constitué par un pignon (24), lié à une bague (26) par des ressorts (25) et une bobine (27) recevant les impulsions des aimants (28) et (29), fixés au pignon et à la bague.