Eolienne de production d’énergie non intermittente, à hélices contrarotatives auto-protégéesNon-intermittent power generation wind turbine with self-protected counter-rotating propellers
DESCRIPTIONDESCRIPTION
Le domaine technique de l’invention concerne un ensemble éolien de production, de stockage et de distribution non intermittente d’énergie à puissance variable (Figures 1 et 2). Les éoliennes classiques produisent de l’énergie intermittente, avec un stockage sur batterie qui implique des contraintes liées à leur renouvellement. Par ailleurs, pour les vents forts, elles nécessitent des interventions pour mise en sécurité (mise en drapeau des pâles, voir abaissement du mât). L’invention concerne en particulier un dispositif éolien capable non seulement de produire une quantité d’énergie électrique de base en continu quelle que soit la puissance du vent, mais également de stocker celle produite grâce au vent pour permettre la production d’électricité à la demande, dans la Mte du stock d’énergie disponible. Un premier ensemble de dispositifs transforme l’énergie du vent en électricité (1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9,10,13, 14, 15, 17, 18) ou, à la demande et pilotée par l’armoire de commande (16), en fluide comprimé à stocker (1, 2, 3,4, 5, 6, 8, 9,10,11,12, 20, 22, 23). En complément, un dispositif de production d’électricité à partir de fluide comprimé (21, 19, 15, 16, 17, 18) permet de répondre instantanément aux variations de la demande d’énergie. Un dispositif de production continue d’électricité à l’aide d'aimants permanents (7) permet lui de répondre aux besoins de faible puissance, tels que les équipements en veille ou de commande. L’ensemble constitue une somme de fonctionnalités capable de répondre aux besoins d’énergie électrique continus de faible ou moyenne puissance tout comme aux demandes variables de plus forte puissance, et selon les ressources immédiatement mobilisables ou en stock. L’ensemble éolien est composé d’une ou plusieurs paires d’hélices contrarotatives, empilables par module (3, 6), permettant un assemblage et un démontage rapides et précis, tout en garantissant une continuité de liaison fonctionnelle pour les axes et la structure. Les rotations inversées des hélices et équipements associés, ont vocation à réduire lés vibrations et l’intensité des moments de couples au sein du dispositif. Les hélices peuvent être de type vertical ou horizontal différents (Savonius, Darrieus, Hélicoïdal...) ou de nombre de pâles différents. Les mouvements de rotation horaire et antihoraire de chaque train d’hétices sont transmis au moins en un point à chacun des deux arbres coaxiaux (8, 10), générant ainsi un mouvement contrarotatif des deux axes. Suivant la puissance de l’ensemble éolien, les hélices peuvent être synchronisées électro-mécaniquement (roues dentées, capteurs et régulateurs de vitesse...). Dans le cas d’un ensemble éolien à axe vertical, la limitation de la vitesse de rotation se fait par un dispositif mécanique, de type carapace mobile en deux parties (1 avant et 4 arrière), actionné par la force du vent. Les extensions de la carapace arrière (4), actionnées par la pression d’un vent fort, entraînent non seulement l’obturation automatique et progressive de la sortie d’air, mais également, par le biais d’un système mécanique simple, par biellette, ressort ou poulie-câble, la fermeture coordonnée des deux parties de la carapace avant (1>, ce qui réduit le débit d’air entrant et donc la vitesse de rotation des hélices. Les éléments mobiles, obturateurs (1,4) de la carapace, coulissent dans des rails prévus à cet effet en partie haute et basse du châssis (2), afin de protéger les hélices (3, 6) de la survitesse, tout en permettant le maintien de leur rotation à pleine vitesse. Les extensions de la carapace arrière (4), ont également une fonction d’empennage pour l’orientation automatique de l’ouverture des éoliennes face au vent. Le flux d’air canalisé en engouffrement par la carapace avant (1) formant déflecteur d’Entrée principal, ainsi que les déflecteurs d’Entrée complémentaires (5) est amené à subir une accélération de par la forme bombée du plancher et du toit du châssis venturi (2) contenant l’hélice. L’orientation dans le sens de rotation de l’hélice, du flux d’air entrant, peut être favorisée par les déflecteurs complémentaires (5). Les pales d’hélice peuvent également faire (’obfet de formes adaptées, favorisant leur efficacité : courbe et creuse, plus large vers l’extérieur, plus fine vers le centre, pour le type Savonius par exemple, à géométrie variable ou fixe. Les deux arbres contrarotatifs permettent d’augmenter le rendement du compresseur de fluide (11) en utilisant au mieux l’énergie du vent transmise par les pales et les axes, mettant ainsi en contrarotation différentes parties du système. Le fluide comprimé est transféré par conduit toute pression vers le régulateur (20) qui limite la pression de stockage dans la cuve (23). Une purge de fond de cuve et sa vanne de commande, permette la vidange, le remplissage externe ou les essais de pression. Des vannes d’isolement et des filtres, viennent compléter le dispositif. Suivant les contraintes d’emprise du site d’implantation, tel cuve de stockage (23) peut être attenante à l’ensemble du dispositif, incluse dans la tour, ou positionnée de manière dissociée avec des liaisons par câbles et canalisations. Les deux arbres (8 et 10) permettent également la mise en mouvement contrarotatif du rotor et du stator d’un alternateur (15), permettant ainsi un gain de rendement par rapport à une éolienne classique équivalente, et subissant un vent identique. La variation de vitesse de rotation de l’un ou des deux arbres coaxiaux (8,10) peut être lissée et entretenue par un ou deux disques à inertie (9), de grande dimension et formé par un matériau de haute densité ; la régulation de la vitesse peut être complétée par un dispositif de freinage (14) à commande électrique ou mécanique. La liaison éolienne-altemateur et éofienne-compresseur, peuvent être progressivement engagées par un système d’embrayage (13), agissant sur l’un ou les deux axes. La puissance électrique de base constante du système (non intermittente pour une durée pouvant dépasser plusieurs mois) est obtenue par une ou plusieurs paires de disques alternateurs (7) animées en rotation par des aimants permanents, ou à bobines autoalimentées ou équivalent, avec ou sans synchronisation mécanique ou électrique, des parties en mouvement, et raccordées à un dispositif de régulation électrique (16) permettant l’adaptation selon la tension ou la fréquence du signal électrique demandé. Un ensemble éolien à tour, implanté sur un sol non déformable sous la charge du dispositif, ne nécessite pas de haubans extérieurs à la structure rigide (22, 23), la rigidification des éléments assemblés (2, 22, 23) est obtenue par la mise en tension de câbles ou de raidisseurs internes, selon la nature du sol et l’intensité des vents attendus. Pour des vents habituellement observés durant les tempêtes ou cyclones de la zone d’implantation, le dispositif, qui auto-protège les parties sensibles (hélices), ne nécessite pas de démontage partiel ou total, de calfeutrage ou mise en drapeau, des parties fonctionnelles. Le dispositif peut être assemblé sous forme de tour éolienne, ou décomposés en plusieurs parties fonctionnelles (châssis et hélice sur un ouvrage support, local technique et cuve déportés), pour la production d’énergie de faible à moyenne puissance. Le dispositif est démontable pour favoriser la maintenance, le dépannage rapide ou le transport de chaque partie fonctionnelle. Le local technique (22) contenant les armoires de commandes, de télégestion et équipements principaux, peut être d’accès sécurisé par une porte renforcée pourvue d’un verrouillage multipoints. Pour la production de plus de puissance, le dispositif peut faire l’objet d’un assemblage de plusieurs tours pour former une ferme éolienne terrestre, fixe ou déplaçable ou un dispositif maritime flottant, sur la base d’une ou de plusieurs structures ancrées en mer et résistantes à la houle.The technical field of the invention relates to a wind farm for the production, storage and non-intermittent distribution of energy with variable power (Figures 1 and 2). Traditional wind turbines produce intermittent energy, with battery storage that involves constraints related to their renewal. In addition, for strong winds, they require interventions for safety (feathering of the blades, see lowering of the mast). In particular, the invention relates to a wind turbine device capable not only of producing a basic amount of electrical energy continuously regardless of the power of the wind, but also of storing that produced by the wind to allow the generation of electricity at the wind. demand, in the Mte of available energy stock. A first set of devices transforms wind energy into electricity (1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 13, 14, 15, 17, 18) or, upon request and driven by the control cabinet (16), compressed fluid to store (1, 2, 3,4, 5, 6, 8, 9,10,11,12, 20, 22, 23). In addition, a device for producing electricity from compressed fluid (21, 19, 15, 16, 17, 18) makes it possible to respond instantaneously to variations in the energy demand. A device for the continuous production of electricity by means of permanent magnets (7) enables it to meet the needs of low power, such as standby or control equipment. The set constitutes a sum of functionalities capable of meeting the needs of continuous electrical power of low or medium power as well as the variable demands of higher power, and according to the resources immediately mobilizable or in stock. The wind turbine is composed of one or more pairs of counter-rotating propellers, stackable per module (3, 6), allowing a fast and precise assembly and disassembly, while guaranteeing a functional link continuity for the axes and the structure . The inverted rotations of the propellers and associated equipment are intended to reduce the vibrations and the intensity of the torque moments within the device. The propellers can be of different vertical or horizontal type (Savonius, Darrieus, Helicoidal ...) or different number of pale. The clockwise and counterclockwise rotation movements of each train of hetches are transmitted at least at one point to each of the two coaxial shafts (8, 10), thus generating a counter-rotating movement of the two axes. Depending on the power of the wind generator, the propellers can be electro-mechanically synchronized (gears, sensors and speed regulators ...). In the case of a wind turbine with vertical axis, the limitation of the speed of rotation is by a mechanical device, mobile type shell in two parts (1 front and 4 rear), powered by the force of the wind. The extensions of the rear shell (4), actuated by the pressure of a strong wind, cause not only the automatic and progressive closing of the air outlet, but also, by means of a simple mechanical system, by connecting rod, spring or rope pulley, the coordinated closure of the two parts of the front shell (1>, which reduces the air flow entering and therefore the speed of rotation of the propellers .The movable elements, shutters (1,4) of the carapace, slide in rails provided for this purpose at the top and bottom of the frame (2), to protect the propellers (3, 6) of the overspeed, while allowing the maintenance of their rotation at full speed. extensions of the rear shell (4), also have an empennage function for the automatic orientation of the opening of the wind turbines facing the wind.The flow of ducted air engulfing by the front shell (1) forming deflector Main entrance, as well as Complementary entry baffles (5) is caused to undergo an acceleration due to the curved shape of the floor and the roof of the venturi frame (2) containing the propeller. The orientation in the direction of rotation of the helix, the flow of air entering, can be promoted by the complementary deflectors (5). The propeller blades can also be of suitable shapes, favoring their efficiency: curved and hollow, wider towards the outside, thinner towards the center, for the Savonius type for example, with variable or fixed geometry. two counter-rotating shafts make it possible to increase the efficiency of the fluid compressor (11) by making the best use of the wind energy transmitted by the blades and the axes, thereby counteracting different parts of the system. pressure to the regulator (20) which limits the storage pressure in the tank (23) A tank bottom purge and its control valve allows emptying, external filling or pressure testing. and filters, complete the device.According to the constraint constraints of the implantation site, such storage tank (23) may be adjacent to the entire device, included in the tower, o u positioned in a dissociated way with connections by cables and pipes. The two shafts (8 and 10) also allow the counter-rotating movement of the rotor and the stator of an alternator (15), thus allowing a gain in efficiency compared to an equivalent conventional wind turbine, and undergoing an identical wind. The rotational speed variation of one or both coaxial shafts (8, 10) can be smoothed and maintained by one or two large inertia disks (9) formed of a high density material; the speed regulation can be supplemented by a braking device (14) with electrical or mechanical control. The wind-alternator and eofienne-compressor link can be progressively engaged by a clutch system (13), acting on one or both axes. The constant basic electrical power of the system (non-intermittent for a period that may exceed several months) is obtained by one or more pairs of alternator discs (7) rotated by permanent magnets, or self-powered coils or equivalent, with or without mechanical or electrical synchronization, moving parts, and connected to an electrical regulating device (16) allowing adaptation according to the voltage or frequency of the electrical signal requested. A wind tower assembly, implanted on a non-deformable ground under the load of the device, does not require outer shrouds to the rigid structure (22, 23), the stiffening of the assembled elements (2, 22, 23) is obtained by the tensioning of cables or internal stiffeners, according to the nature of the ground and the intensity of the expected winds. For winds usually observed during storms or cyclones in the area of implantation, the device, which self-protects sensitive parts (propellers), does not require partial or total disassembly, caulking or feathering, functional parts . The device can be assembled as a wind tower, or broken down into several functional parts (chassis and propeller on a support structure, technical room and remote tank), for the production of energy of low to medium power. The device is removable to promote maintenance, quick troubleshooting or transport of each functional part. The technical room (22) containing the control cabinets, remote management and main equipment, can be secured access by a reinforced door provided with a multipoint lock. For the production of more power, the device can be assembled several turns to form a land-based fixed or movable wind farm or a floating maritime device, based on one or more structures anchored in sea and resistant to swell.
Brève présentation des figuresBrief presentation of the figures
Figure 1 : Coupe de face du principe de tour éolienneFigure 1: Face section of the wind tower principle
Figure 2 : Vue de dessus d’une éolienne, mouvements d’air et fermeture de la carapace LEGENDE (Figures 1 et 2) : 1 Déflecteur Entrée, carapace avant 2 Châssis venturi 3 Hélice 1 rotation à droite (ici Savonius) 4 Empennage, carapace arrière 5 Multi-déflecteurs d’Entrée d’air 6 Hélice 2 rotation à gauche (ici Savonius) 7 Alternateur disque à aimants permanents 8 Arbre 1 rotation à droite 9 Disque à inertie 10 Arbre 2 rotation à gauche 11 Compresseur (ici multiétages) 12 Clapet antiretour de fluide 13 Embrayage 14 Frein 15 Alternateur de puissance 16 Armoire électrique de régulation et de commande et télégestion 17 Armoire électrique de protection et de distribution 18 Raccordement utilisateur 19 Moteur de l'alternateur de puissance 20 Régulateur d’entrée de cuve 21 Régulateur d’entrée du moteur d’alternateur 22 Structure porteuse rigide (local technique) 23 Cuve de stockage de fluide comprimé 24 Vanne de purge et prise de raccordement de fluide compriméFigure 2: Top view of a wind turbine, air movements and closing of the LEGENDE shell (Figures 1 and 2): 1 Entrance deflector, front carapace 2 Venturi chassis 3 Propeller 1 right rotation (here Savonius) 4 Empennage, rear shell 5 Air inlet multi-deflectors 6 Propeller 2 left-hand rotation (here Savonius) 7 Alternator permanent magnet disc 8 Shaft 1 clockwise rotation 9 Inertia disk 10 Shaft 2 left-hand rotation 11 Compressor (here multistage) 12 Fluid check valve 13 Clutch 14 Brake 15 Power generator 16 Electrical cabinet for control and remote control 17 Electrical cabinet for protection and distribution 18 User connection 19 Power alternator motor 20 Tank inlet controller 21 Alternator motor input regulator 22 Rigid support structure (technical room) 23 Compressed fluid storage tank 24 Purge valve and fluid connection port PRINTED