FR3089583A1 - Transmission device between an energy source captured by a wind turbine or a tidal turbine and a generator driven by the latter - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un dispositif de transmission entre, d'une part, un axe (9) entraîné en rotation par une source d'énergie naturelle, de puissance irrégulière, captée par une éolienne (100) ou une hydrolienne, et d'autre part une génératrice de courant (11,14), caractérisé en ce qu’il comprend un limiteur de couple (12,19) intercalé entre l'axe (9) mis en mouvement par ladite source d'énergie naturelle et la génératrice de courant (11,14), limiteur dont le couple maximum transmissible à la génératrice (11,14) est égal ou inférieur à la valeur maximale du couple admissible par celle-ci (11,14). Figure pour l’abrégé : figure 1The invention relates to a transmission device between, on the one hand, an axis (9) rotated by a natural energy source, of irregular power, picked up by a wind turbine (100) or a tidal turbine, and on the other share a current generator (11,14), characterized in that it comprises a torque limiter (12,19) interposed between the axis (9) set in motion by said natural energy source and the current generator (11,14), limiter whose maximum torque transmissible to the generator (11,14) is equal to or less than the maximum value of the torque admissible by the latter (11,14). Figure for the abstract: Figure 1
Description
DescriptionDescription
Titre de l'invention : Dispositif de transmission entre une source d'énergie captée par une éolienne ou une hydrolienne et une génératrice entraînée par celle-ciTitle of the invention: Transmission device between an energy source captured by a wind turbine or a tidal turbine and a generator driven by the latter
[0001] La présente invention concerne un dispositif de transmission de l'énergie adapté à un véhicule maritime ou terrestre dont la source d'énergie principale est la puissance du vent, captée par une éolienne.The present invention relates to an energy transmission device suitable for a maritime or land vehicle whose main energy source is the power of the wind, captured by a wind turbine.
[0002] Le domaine d'application privilégié, mais non limitatif, est celui de la navigation en mer ou en eau douce.The preferred, but non-limiting, field of application is that of navigation at sea or in fresh water.
[0003] Toutefois le dispositif pourrait trouver un intérêt et des applications sur toutes sortes d'éoliennes subissant des rafales particulièrement violentes.However, the device could find an interest and applications on all kinds of wind turbines undergoing particularly violent gusts.
[0004] Le même dispositif trouve également une application, par analogie, pour réaliser la chaîne de transmission entre un rotor d’hydrolienne et son alternateur, ou plus généralement dès qu'un rotor mû par une source d'énergie de puissance irrégulière, en l'occurrence un courant d'eau, entraîne un alternateur.The same device also finds an application, by analogy, for producing the transmission chain between a tidal turbine rotor and its alternator, or more generally as soon as a rotor driven by an energy source of irregular power, in the occurrence of a current of water, drives an alternator.
[0005] Dans le cas des éoliennes terrestres l'énergie captée est généralement convertie en électricité. Un système de pilotage de l'éolienne régule son fonctionnement en fonction de la force du vent. L'éolienne entraîne un alternateur qui génère de l'énergie de fréquence et tension variables également en fonction de la vitesse du vent. Un système électrotechnique de conversion de puissance permet ensuite de délivrer la puissance à une tension et une fréquence stables.[0005] In the case of onshore wind turbines the energy captured is generally converted into electricity. A wind turbine control system regulates its operation according to the force of the wind. The wind turbine drives an alternator which generates energy of variable frequency and voltage also depending on the wind speed. An electrotechnical power conversion system then makes it possible to deliver the power at a stable voltage and frequency.
[0006] La variabilité de la force du vent amène à dimensionner l'alternateur de façon à supporter l'effet des rafales de vent ; celui-ci est donc forcément surdimensionné pour accepter des augmentations de tension si la vitesse de l'éolienne augmente pendant la rafale, ou des augmentations de courant si le système de contrôle maintient la vitesse de rotation de l'éolienne stable pendant la rafale, en augmentant le couple résistant exercé par l'alternateur.The variability of the wind force leads to dimensioning the alternator so as to withstand the effect of wind gusts; it is therefore necessarily oversized to accept increases in voltage if the speed of the wind turbine increases during the gust, or increases in current if the control system keeps the speed of rotation of the wind turbine stable during the gust, increasing the resistive torque exerted by the alternator.
[0007] Dans le cas d'une éolienne terrestre, la variabilité de vitesse de vent ne peut provenir que des phénomènes de rafales, elle est donc statistiquement prévisible. Comme ordre de grandeur, on peut retenir que les plus fortes rafales correspondent souvent à environ 60% d'augmentation de vitesse du vent par rapport au vent moyen.In the case of an onshore wind turbine, the variability in wind speed can only come from gust phenomena, so it is statistically predictable. As an order of magnitude, we can retain that the strongest gusts often correspond to approximately 60% increase in wind speed compared to the average wind.
[0008] Les donnes précises peuvent être déterminées par une campagne de mesures préalables à l'installation de l'éolienne, pour estimer au plus juste le surdimensionnement nécessaire.The precise data can be determined by a campaign of measurements prior to the installation of the wind turbine, to estimate as much as possible the necessary oversizing.
[0009] Notons que plus les éoliennes sont grandes, plus elles bénéficient d'un vent régulier et moins le ratio d'accélération du vent lors des rafales sera élevé.Note that the larger the wind turbines, the more they benefit from a regular wind and the lower the acceleration ratio of the wind during gusts will be high.
[0010] Le sur-dimensionnement nécessaire pour résister aux rafales, qui reste modéré, se traduit par une masse supérieure de l'alternateur, qui ne pose pas d'autres problèmes que de devoir dimensionner correctement l'installation : mât, fondations, etc. Mais il est d'importance.The over-sizing necessary to resist gusts, which remains moderate, results in a higher mass of the alternator, which poses no other problems than having to correctly size the installation: mast, foundations, etc. . But it is important.
[0011] Lorsque l'on utilise une éolienne embarquée comme source d'énergie principale d'un véhicule d'une manière générale et d'un bateau en particulier, la question du surdimensionnement de l'alternateur devient beaucoup plus délicate à traiter et beaucoup plus pénalisante.When using an on-board wind turbine as the main energy source for a vehicle in general and for a boat in particular, the question of oversizing the alternator becomes much more difficult to deal with and much more penalizing.
[0012] Première difficulté : il est impossible de déterminer un ratio maximum de sur-vitesse d'une rafale par rapport au vent moyen, étant donné que :First difficulty: it is impossible to determine a maximum overspeed ratio of a gust relative to the mean wind, given that:
[0013] - d'une part le véhicule / navire peut se trouver dans des lieux variables et que l'on ne peut pas tous les étudier ;- On the one hand the vehicle / ship can be in variable places and that we can not study them all;
[0014] - d'autre part le véhicule, du fait de son déplacement, peut quitter une zone abritée du vent et recevoir extrêmement brutalement un vent violent en une où quelques secondes, ne laissant pas le temps au système de régulation de moduler la puissance captée par féolienne.- on the other hand the vehicle, due to its movement, can leave an area sheltered from the wind and receive an extremely brutal strong wind in one or a few seconds, not giving the regulating system time to modulate the power picked up by wind turbine.
[0015] Deuxième difficulté : la première difficulté amènerait logiquement à surdimensionner très généreusement l'alternateur ; cela amènerait donc un supplément de masse important dans la partie haute du véhicule / navire. On crée donc un supplément de masse à mettre en mouvement, une dégradation de la stabilité du véhicule et un surcoût à l'achat de l'équipement et des systèmes électrotechniques de conversion de l'énergie.Second difficulty: the first difficulty would logically lead to generously oversize the alternator; this would therefore bring a significant additional mass in the upper part of the vehicle / vessel. We therefore create an additional mass to set in motion, a degradation of the stability of the vehicle and an additional cost with the purchase of equipment and electrotechnical energy conversion systems.
[0016] Troisième difficulté : si on surdimensionne effectivement très largement l'alternateur, son rendement dans son domaine normal de fonctionnement va se dégrader.Third difficulty: if we effectively oversize the alternator very widely, its performance in its normal operating range will deteriorate.
[0017] La présente invention permet de résoudre les problèmes mis en lumière ci-dessus et concerne à cet effet un dispositif de transmission entre, d'une part, un axe 9 entraîné en rotation par une source d'énergie naturelle, de puissance irrégulière, captée par une éolienne 100 ou une hydrolienne, et d'autre part une génératrice de courant 11,14, caractérisé en ce qu’il comprend un limiteur de couple 12,19 intercalé entre l'axe 9 mis en mouvement par ladite source d'énergie naturelle et la génératrice de courant 11,14, limiteur dont le couple maximum transmissible à la génératrice 11,14 est égal ou inférieur à la valeur maximale du couple admissible par celle-ci 11,14.The present invention solves the problems highlighted above and for this purpose relates to a transmission device between, on the one hand, an axis 9 rotated by a source of natural energy, irregular power , picked up by a wind turbine 100 or a tidal turbine, and on the other hand a current generator 11,14, characterized in that it comprises a torque limiter 12,19 interposed between the axis 9 set in motion by said source d natural energy and the current generator 11,14, limiter whose maximum torque transmissible to the generator 11,14 is equal to or less than the maximum value of the torque admissible by the latter 11,14.
[0018] De cette manière, on protège l'alternateur d'un excès d’énergie brutal en provenance de l'éolienne durant le temps nécessaire au système de régulation pour réagir.In this way, the alternator is protected from excess brutal energy from the wind turbine for the time necessary for the regulation system to react.
[0019] En cas de rafale très brutale et d’atteinte du couple nominal du limiteur, le système va permettre à l'éolienne de monter en vitesse pour limiter le couple capté et va dissiper l'excédent d'énergie par friction au niveau du limiteur de couple. Ce fonctionnement doit forcément être de courte durée, le temps nécessaire au système de contrôle pour réguler la puissance captée par l'éolienne, cette régulation pouvant se faire par exemple et de manière avantageuse par un système de pas variable des pales de l'éolienne.In the event of a very sudden gust and reaching the nominal torque of the limiter, the system will allow the wind turbine to speed up to limit the torque picked up and will dissipate the excess energy by friction at the level of the torque limiter. This operation must necessarily be of short duration, the time necessary for the control system to regulate the power picked up by the wind turbine, this regulation being able to be done for example and advantageously by a system of variable pitch of the blades of the wind turbine.
[0020] La capacité de dissipation d'énergie du limiteur de couple est un facteur à dimensionner très soigneusement en fonction des caractéristiques générales de l'éolienne et de son système de contrôle.The energy dissipation capacity of the torque limiter is a factor to be dimensioned very carefully according to the general characteristics of the wind turbine and its control system.
[0021] Avec un tel dispositif, on peut dimensionner l'alternateur pour un ratio de sur-vitesse (rafale maximum/vent moyen) nettement plus modéré (exemple 40%) et cohérent avec les données météorologiques globales de la zone géographique où le véhicule ou navire est supposé se déplacer.With such a device, one can size the alternator for an overspeed ratio (maximum gust / average wind) significantly more moderate (example 40%) and consistent with the global meteorological data of the geographical area where the vehicle or ship is supposed to move.
[0022] On ne demande plus à l'alternateur de supporter toutes les surventes mais seulement la grande majorité d'entre elles, les surventes exceptionnelles voyant leurs effets maîtrisés par le limiteur de couple. Ainsi :We no longer ask the alternator to support all the oversold but only the vast majority of them, the exceptional oversold seeing their effects controlled by the torque limiter. So :
[0023] - on limite le sur-dimensionnement de l'alternateur et sa masse ;- We limit the over-sizing of the alternator and its mass;
[0024] - on limite le sur-dimensionnement des dispositifs électrotechniques de conversion de l'énergie ;- We limit the over-sizing of electrotechnical energy conversion devices;
[0025] - on diminue le coût de l'ensemble ;- the cost of the assembly is reduced;
[0026] - on améliore le rendement énergétique global, notamment par vent faible ;- It improves the overall energy efficiency, especially in light winds;
[0027] - on diminue la masse du véhicule et on améliore sa stabilité.- the mass of the vehicle is reduced and its stability is improved.
[0028] Dans le cadre d'une application de l'invention à une éolienne, le dispositif est destiné plus particulièrement à alimenter un moteur électrique ou un accumulateur disposé sur un véhicule terrestre, maritime ou amphibie.In the context of an application of the invention to a wind turbine, the device is intended more particularly to power an electric motor or an accumulator disposed on a land, sea or amphibious vehicle.
[0029] C'est ainsi que le problème posé a été résolu par une application particulière, et surtout nouvelle d'un moyen connu, en l'occurrence le limiteur de couple.This is how the problem posed was solved by a particular, and especially new, application of a known means, in this case the torque limiter.
[0030] La description qui va suivre au regard des dessins annexés fera mieux comprendre l'invention, dessins dans lesquels :The description which follows with regard to the appended drawings will make the invention easier to understand, drawings in which:
[0031] [fig.l] représente une vue schématique globale du dispositif de transmission selon l'invention, appliqué par exemple à un navire ;[Fig.l] shows an overall schematic view of the transmission device according to the invention, applied for example to a ship;
[0032] [fig.2] représente une vue à échelle agrandie du dispositif selon la figure 1, selon un premier mode de réalisation ;[Fig.2] shows an enlarged view of the device according to Figure 1, according to a first embodiment;
[0033] [fig.3] représente une vue à échelle agrandie du dispositif selon la figure 1, selon une variante de réalisation.[Fig.3] shows an enlarged view of the device according to Figure 1, according to an alternative embodiment.
[0034] Selon la figure 1, le navire comporte une coque 1 avec représentation de sa ligne de flottaison 20, une motorisation pour sa propulsion : moteur 2, arbre 3 et hélice marine 4.According to Figure 1, the ship has a hull 1 with representation of its waterline 20, a motor for its propulsion: engine 2, shaft 3 and marine propeller 4.
[0035] Au-dessus des structures 5 du navire se place l'éolienne 100 désignée dans son ensemble, qui est supportée par une plateforme tournante 6, selon un sens de rotation RI ou R2, recevant une autre structure 7 porteuse de féolienne 100 proprement dite et de tous ses constituants. L'éolienne 100 comporte des pales 8 entraînant un arbre principal 9 maintenu sur la structure 7 par des paliers 10 qui permettent sa rotation.Above the structures 5 of the ship is placed the wind turbine 100 designated as a whole, which is supported by a rotating platform 6, in a direction of rotation RI or R2, receiving another structure 7 carrying the wind turbine 100 properly said and all of its constituents. The wind turbine 100 has blades 8 driving a main shaft 9 held on the structure 7 by bearings 10 which allow its rotation.
[0036] Selon l'une des réalisations A possibles, l'alternateur 11 est disposé en ligne avec l'arbre principal 9 de l'éolienne 100, selon l'axe XX', le limiteur de couple 12 se positionne alors entre l'arbre principal de l'éolienne 100 et l'arbre 13 de l'alternateur 11.According to one of the possible embodiments A, the alternator 11 is arranged in line with the main shaft 9 of the wind turbine 100, along the axis XX ', the torque limiter 12 is then positioned between the main shaft of the wind turbine 100 and the shaft 13 of the alternator 11.
[0037] Selon une autre réalisation B possible, représentée sur la même figure 1, l'alternateur est disposé sur la plateforme tournante 6, selon un axe YY'. On dispose alors des moyens d'entraînement mécaniques entre l'arbre principal 9 de l'éolienne 100 et l'arbre de l'alternateur 14, comme par exemple une chaîne de transmission 16 et des pignons 17,18. Le limiteur de couple 19 est intégré dans cet ensemble de transmission, comme précédemment. Il peut s’agir avantageusement d'un limiteur de couple à friction prévu par construction pour pouvoir recevoir un pignon de chaîne 18 ou une poulie de courroie (Non représentée).In another possible embodiment B, shown in the same figure 1, the alternator is arranged on the rotating platform 6, along an axis YY '. There are then mechanical drive means between the main shaft 9 of the wind turbine 100 and the alternator shaft 14, such as for example a transmission chain 16 and sprockets 17,18. The torque limiter 19 is integrated into this transmission assembly, as before. It can advantageously be a friction torque limiter provided by construction in order to be able to receive a chain sprocket 18 or a belt pulley (not shown).
[0038] Comme bien visible sur la figure 1, lesdits limiteur 19 et alternateur 14 sont disposés sur une ligne YY', décalée parallèlement par rapport à l'axe XX' de l'arbre 19 de l'éolienne, la transmission s’effectuant par l'intermédiaire d'une chaîne 16 interposée entre un pignon 17 solidaire de l'arbre 9 de l'éolienne 100 et un pignon solidaire 18 de l'arbre 15 de l’alternateur 14.As clearly visible in Figure 1, said limiter 19 and alternator 14 are arranged on a line YY ', offset parallel to the axis XX' of the shaft 19 of the wind turbine, the transmission taking place by means of a chain 16 interposed between a pinion 17 secured to the shaft 9 of the wind turbine 100 and a sprocket secured 18 to the shaft 15 of the alternator 14.
[0039] Selon les caractéristiques de l’alternateur, les composants mécaniques d'entraînement qui relient l'arbre 9 d’éolienne 100 à l'arbre d'alternateur 13 ou 15 peuvent aussi comporter un dispositif de multiplication ou de division de la vitesse de rotation (non représenté) qui peut être implanté en différentes positions selon les besoins de la réalisation particulière.Depending on the characteristics of the alternator, the mechanical drive components which connect the shaft 9 of the wind turbine 100 to the alternator shaft 13 or 15 may also include a speed multiplication or division device of rotation (not shown) which can be installed in different positions according to the needs of the particular embodiment.
[0040] La figure 2 illustre le détail de la réalisation A selon la figure 1, dans laquelle l'alternateur 11 monté sur la structure porteuse 7 est aligné avec l'arbre principal 9 d'éolienne 100 et comporte un limiteur de couple 12, comme décrit ci-après.FIG. 2 illustrates the detail of the embodiment A according to FIG. 1, in which the alternator 11 mounted on the support structure 7 is aligned with the main shaft 9 of the wind turbine 100 and includes a torque limiter 12, as described below.
[0041] Sur l'arbre 13 d'alternateur 11, est monté et solidarisé le premier corps 21 du limiteur 12 qui reçoit un flasque de serrage 22 mis en pression par un dispositif élastique 23, constitué par deux rondelles « Belleville », lui-même mis en pression par un écrou de réglage 24.On the alternator shaft 13 11, is mounted and secured the first body 21 of the limiter 12 which receives a clamping flange 22 pressurized by an elastic device 23, consisting of two washers "Belleville", him- even when pressurized by an adjusting nut 24.
[0042] Le flasque 22 exerce une force de pression sur les deux disques de friction 25, sur la pièce de jonction 26 pourvue de plots élastiques 27 et sur le premier corps 21 du limiteur. Les plots élastiques 27 sont positionnés dans des logements a,b du second corps 28 du limiteur 12, lui-même monté solidaire de l'axe principal 9 de l'éolienne 100. Ainsi la pièce de jonction 26 transmet les efforts entre l'arbre principal 9 de l'éolienne 100 et l'arbre 13 de l'alternateur 11 :The flange 22 exerts a pressing force on the two friction discs 25, on the junction piece 26 provided with elastic studs 27 and on the first body 21 of the limiter. The elastic studs 27 are positioned in housings a, b of the second body 28 of the limiter 12, itself mounted integral with the main axis 9 of the wind turbine 100. Thus the junction piece 26 transmits the forces between the shaft main 9 of the wind turbine 100 and the shaft 13 of the alternator 11:
[0043] - d'une part en coopérant de manière permanente avec le second corps 28 du limiteur qui lui imprime une rotation, synchrone à celle de l'arbre 9 d'éolienne 100 ;- On the one hand by cooperating permanently with the second body 28 of the limiter which gives it a rotation, synchronous with that of the shaft 9 of wind turbine 100;
[0044] - d'autre part en coopérant de manière conditionnelle avec les disques de friction 25 solidaires en rotation du premier corps 21 du limiteur 12, lui-même solidaire de l'arbre de l'alternateur : si l'éolienne 100 développe un couple supérieur à la valeur de réglage du limiteur 12, la pièce de jonction 26 se désolidarise des disques de friction 25 et l'énergie excédentaire est dissipée en chaleur.- secondly by cooperating conditionally with the friction discs 25 integral in rotation with the first body 21 of the limiter 12, itself integral with the shaft of the alternator: if the wind turbine 100 develops a torque greater than the setting value of the limiter 12, the junction piece 26 dissociates from the friction discs 25 and the excess energy is dissipated as heat.
[0045] La figure 3 illustre le détail de la réalisation B selon la figure 1, et diffère essentiellement de la réalisation A en ce que l'alternateur 14 est monté sur la plateforme tournante 6 et est entraîné par l'éolienne 100 au moyen d'une transmission par chaîne 16.Figure 3 illustrates the detail of embodiment B according to Figure 1, and differs essentially from embodiment A in that the alternator 14 is mounted on the rotating platform 6 and is driven by the wind turbine 100 by means of '' a chain drive 16.
[0046] Le limiteur de couple 19 comporte un corps 31 qui reçoit un flasque de serrage 32 mis en pression par un dispositif élastique 33, constitué par deux rondelles « Belleville », lui-même mis en pression par un écrou de réglage 34.The torque limiter 19 comprises a body 31 which receives a clamping flange 32 pressurized by an elastic device 33, constituted by two "Belleville" washers, itself pressurized by an adjusting nut 34.
[0047] Le flasque 32 exerce une force de pression sur les deux disques de friction 35, sur le pignon 36 qui reçoit la chaîne 16 et sur le corps du limiteur 31.The flange 32 exerts a pressing force on the two friction discs 35, on the pinion 36 which receives the chain 16 and on the body of the limiter 31.
[0048] La chaîne 16 est mise en mouvement par son engrènement sur le pignon menant 17 et transmet le mouvement de l'arbre principal 9 de l'éolienne 100 de manière constante jusqu'au pignon mené 18.The chain 16 is set in motion by its engagement with the driving pinion 17 and transmits the movement of the main shaft 9 of the wind turbine 100 constantly to the driven pinion 18.
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| FR1872488A FR3089583B1 (en) | 2018-12-07 | 2018-12-07 | Transmission device between an energy source captured by a wind turbine and a generator driven by it |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2018
- 2018-12-07 FR FR1872488A patent/FR3089583B1/en active Active
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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