LU83611A1 - Appareil et procede pour produire de l'energie electrique en utilisant l'energie eolienne - Google Patents

Description

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Appareil et procédé pour produire de l'énergie électrique en utilisant l'énergie éolibnne.

T-a présente invention concerne l'exploitation de l'énergie éolienne pour la production d'énergie électrique à 5 fréquence constante.

La principale difficulté que l'on rencontre » chaque fois que l'on veut exploiter l'énergie éolienne pour produire de l'énergie électrique, provient de l'extrême variabilité du vent, * i lequel est mal adapté pour répondre à une demande d'énergie 10 qui suit des tendances tout à fait différentes. On a suggéré et essayé divers systèmes d'accumulation avec des résultats assez bons, mais ces syslornes sont sujets à des conditions qui sont souvent très restrictives et très coûteuses à la fois du point de vue de leur construction et de leur utilisation 15 pratique.

Selon la présente invention, on obtient un appareil produisant de l'énergie électrique par utilisation de l'énergie

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éolienne, cet appareil comprenant un rotor entraîné par le vent (que l'on appellera plus simplement rotor éolien) et une source 20 de force motrice qui sont reliés tous deux à un générateur électrique par l'intermédiaire d'un différentiel de manière que ipendant l’utilisation, le générateur tourne à une vitesse sensiblement constante.

La présente invention fournit également un procédé 25 pour produire de l'énergie électrique à une fréquence constante en utilisant l'énergie éolienne, procédé dans lequel un rotor éolien est couplé à une source de force motrice ainsi qu'à un générateur électrique que l'on maintient à une vitesse constante au moyen d'un mécanisme faisant la somme des vitesses angulaires 30 et comprenant un différentiel dont le porte-sate11 itesest relié au générateur et dont les deux demi-arbres sont reliés l'un à la force motrice et l'autre au rotor d'éolienne.

En utilisant l'appareil de la présente invention, il est possible d'engendrer de l'énergie avec des caractéristiques 35 plus uniformes et on peut affirmer que, dans certaines limites, __7 la contribution du rotor éolien à l'énergie totale produite -7? * 2 1 tend à soulager la tâche de la source de force motrice auxi- liaire (qui est autre qu'un rotor ijolien).

L'énergie électrique produite par l'appareil comprenant la source de force moLrice, le rotor éolien et l'alternateur, 5 peut être fournie à un réseau d'usagers en parallele avec un * réseau électrique de forte puissance réglé sur une fréquence constante, ou bien elle peut alimenter un réseau local auquel sont branchés d'autres générateurs. Dans le premier cas, les i . caractéristiques électriques et mécaniques de l'appareil ]0 doivent être telles qu'il soit possible d'avoir un couplage - stable qui n'applique pas au réseau des charges i-ëactives . En utilisant l'énergie éolienne uniquement comme source d'énergie (c ' est-a-dire par couplage direct d'un rotor éolien avec un générateur synchrone ou un générateur à induction puis au réseau) 15 on pourrait obtenir ce résultat, mais il ne serait pas possible d'exploiter au maximum l'énergie éolienne dans une plage de vitesse prédéterminée et, de ce fait, le rendement moyen global du système serait faible. On pourrait penser qu'il serait possible de résoudre un tel problème simplement en utilisant des 20 dispositifs tels que des rotors à pâles mobiles ou des systèmes de régulation compliqués; toutefois, de tels dispositifs ont des prix de revient et d'exploitation élevés.La présente invention, au contraire, permet d'utiliser, entre autre, des rotors éoliens du type à pâles fixes qui sont robustes et 25 fiables. La source de force motrice peut être n'importe quelle source de force motrice selon les sources de force motrice ^ disponibles localement.

„ Lorsque l'appareil de la présente invention est relié à un réseau de forte puissance, il est préférable d'utiliser comme 30 générateur, un générateur synchrone. Dans ce cas, un réseau qui, du point de vue électrique, se comporte comme un générateur de tension idéale à une fréquence constante, est capable d'absorber toute l'énergie produite; l'interaction entre les champs tournants du stator et du rotor entraînent un couple de synchro-35 nisation qui exige comme condition nécessaire pour maintenir un état stable, que la vitesse angulaire de l'axe mécanique du I générateur synchrone soit égale à une valeur bien déterminée N b (vitesse de synchronisme).

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La caractéristique du couple de synchronisation est habituellement telle qu'elle assurq la stabilité d'un tel état stable une fois qu'il a été atteint sur une connexion parallèle. Si l'appareil doit alimenter des usagers fortement dispersés 5 (par exemple des ateliers, des immeubles ou des fermes) par ' l'intermédiaire d'un réseau local non branché à d'autres alternateurs, on peut utiliser d'autres types de générateurs électriques, c'est-à-dire des générateurs qui ne sont pas des géné-- rateurs synchrones. Ainsi, par exemple, on peut utiliser des 1Ό générateurs à induction. De toute façon, la production d'énergie électrique a une fréquence constante, lorsque l'énergie doit être fournie à un réseau isolé, exige que l'on utilise un dispositif supplémentaire de régulation de fréquence et que l'on dispose d'installationsélectriques>de faible priorité (par 15 exemple des installations de pompage d'eau) pour Être modulée si besoin est.

On va maintenant décrire à titre d'exemple la présente invention en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 est une représentation schématique d'un 20 · aj)pareil selon la présente invention; la figure 5 est une représentation schématique d'un dispositif d'asservissement destiné à être utilisé dans la , présente invention; et les figures 2A, 2B, 3A, 3B, 4A, 4B et 4C sont des 25 graphiques qui sont expliqués dans la description ci-dessous.

En se référant à la figure 1, on voit que l'accouplement ·· mécanique des trois éléments constitutifs, à savoir un générateur - synchrone 2, une source de force motrice 4 et un rotor éolien 1 est obtenu grâce à l'utilisation d'un différentiel 3 dont le 30 porte-satelli tea engrène avec un pignon conique présent sur l'arbre d'entrée du générateur 2. Les deux satellites du différentiel 3 sont montés fous sur le porte-satellites, tandis que les deux pignons solaires du différentiel 3 sont montés de façon rigide sur les demi-arbres respectifs dont l'un est relié 35 à la source de force motrice 4 et dont l'autre est relié au rotor éolien 1. Dans un tel accouplement, le différentiel 3 agit comme un dispositif qui fait la somme des vitesses angu-lai res de sorte que, en modifiant de façon appropriée la vitesse 4

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de rotation de la source de force motrice 4, on peut tenir compte des variations de la vitessp de rotation du rotor éolien 1 en transférant au générateur synchrone 2 un entraînement égal à la somme des entraînements instantanés engendrés par la source 5 4 de force motrice et le rotor éolien 1, à une vitesse angulaire * constante.

Les figures 2A et 2B montrent respectivement la variation du couple Z et la puissance Y engendrées par le rotor éolien (du type à pâles fixes) en fonction de la vitesse du vent et, .10 par conséquent, de la vitesse angulaire W du rotor. Sur la figure 2B, on a tracé en plus une droite qui relie les points de puissance maximale du rotor éolien.

Les figures 3A et 3B montrent respectivement la variation des mêmes paramétres, c’est-à-dire le couple Z et la puissance Y, 15 pour un type particulier de source de force mo Lr i c e (no tamisent un moteur à combustion interne) en fonction de la vitesse angulaire X du moteur pour différentes valeurs de l'énergie fournie au moteur.

En raison de la largeur de la partie de la courbe earac-20 téristique qui peut être exploitée dans le cas d'un moteur à combustion interne, il est possible, pour chaque vitesse de vent déterminée, de régler l'appareil lui-même sur une condition d’état stable de sorte que la vitesse angulaire correspond à une puissance mécanique maximale à l'arbre du rotor éolien. On 25 peut obtenir ce résultat en asservissent l'énergie fournie à la source de force motrice 4 de manière que la vitesse angulaire . X de celle-ci atteigne, dans n'importe quel cas donné, la valeur . qui correspond à la valeur recherchée pourla vitesse angulaire W du rotor.

30 Plus particuliérement, en sachant que dans le cas d'un branchement à un réseau électrique à fréquence fixe, il doit exister, pour chaque fonctionnement dans des conditions stables de l'appareil, une constante k (où k = X+W), il est possible d'obtenir les caractéristiques" de fonctionnement voulutsd'un 35 dispositif d'asservissement pour la régulation de la source de force motrice 4. Pour chaque valeur de la vitesse du vent, il I existe une valeur bien déterminée de W (par exemple W*) à laquelle correspond la puissance maximale Y pouvant être * t , 5 « obtient a partir du rotor Éolien (figure AB). Dans ces conditions} un couple donné Z* est engeqdrë par l'arbre du rotor éolieH (figure 4A).

L'équilibre éLabli par le différentiel assure la géné-5 ration Par la source de force motrice A d'un couple égal à \ Z*. Si une famille particulière de courbes caractéristiques existe dans le cas où, par exemple, la source de force motrice A est un moteur diesel, il est possible, en règle générale, * . de trouver parmi ces courbes une courbe pour laquelle correspond 10 une certaine valeur (par exemplecC ) du débit de l'écoulement (vîtes36 moteur) pour laquelle le couple produit est égal à Z*, c’est-à-dire à laquelle la vitesse angulaire de la source de force motrice est X* (ou X* = K-W*) (figure AB).

Il est ainsi possible de tracer, point par point, un ]5 diagr.*"ime tel *lue celui représenté sur la figure 4C où, pour une p*aSe particulière, correspond, pour chaque valeur de X égal ? x , une valeurcC = c^ du débit d’alimentation (vitesse du moteuj) de la source de force motrice (caractéristique de fonc-tionmluent du dispositif d’asservissement).

2o Un mode de réalisation du dispositif d'asservissement utilijC dans la présente invention est représenté sur la figurt ^ pour le cas où la source de force motrice A est un moteur diese'· Ce dispositif consiste en un tachymètre 5, un injecteur 6 de ,arburant et un dispositif 7 de commande d'injecteur.

25 Si on désire exploiter la plage de vent la plus large possil^e» depuis le vent le plus faible jusqu'au vent le plus violer!» il est nécessaire, dans le premier des deux cas décrits ici, d’utiliser une source de force motrice ayant une puissance de so,lie comparable à la puissance de sortie maximale du rotor 30 éolier et> dans ce cas, avec des brises assez fortes, la puissance produite par la source A de force motrice prédominerait sur c<He produite par le rotor éolien 1. Ceci est loin d'être ce qu est souhaitable, car la production de l'énergie électrique est ο’!-θηυ6 avec les meilleurs rendements par des stations 35 élect iques de plus grande taille. Toutefois, en ajustant de i. f aç on sppropri ée la plage d'exploitation (en laissant "tourner v f} fou" e rotor éolien dans le cas de brises très faibles et en mette*! "en drapeau" le rotor éolien dans le cas de coup&de vent * 6 très vielenls) il est possible d'obtenir une exploitation moyenne des deux sources d'énergie avec!un pourcentage de 30% au moins en ce qui concerne la source 4 de force motrice et avec le complément en ce qui concerne le rotor éolien 1. Ceci se 5 traduirait par une génération d'énergie moyenne égale à trois % fois celle engendrée par la source de force motrice et les économies de source classique d'énergie sont évidentes.

Si l'appareil est branché au réseau local, le rotor “ éolien et la source de force motrice doivent avoir une puissance . Ί0 nominale de sortie comparable à la puissance maximale requise par le réseau local.

Le dispositif d'asservissement permet d'utiliser l'énergie provenant de la source de force motrice avec un degré plus ou moins grand selon l'énergie produite par le rotor 15 éolien. Un équilibre d'énergie entre l'énergie produite et l'énergie absorbée (une condition qui est essentielle pour maintenir toute condition d'état stable) peut être obtenu, comme on l'a souligné ci-dessus, en modulant la demande des utilisateurs à faible priorité ä l'aide d'un dispositif de régulation 20 supplémentaire qui maintient constante la vitesse angulaire du 1 générateur électrique.

Il est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des variantes ou des modifications peuvent y être apportées 25 dans le cadre de la présente invention.

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Claims (4)

1. Appareil pour produire dè 1 energie électrique en utilisant l’énergie éolienne, caractérisé par le fait qu'il comprend un rotor éolien (1) et une source de force motrice 5 (A) tous deux reliés à un générateur électrique (2) par l'in- _ üermédiaire d'un différentiel (3) de sorte que,pendant l'utilisation, le générateur tourne à une vitesse sensiblement constante .

2. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé par 10 le fait que la source de force motrice est un moteur à combustion interne.

3. Appareil suivant la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen pour déterminer la vitesse du moteur et un moyen pour faire varier l'admission de combustible 15 du moteur en fonction de ladite vitesse déterminée. A. Procédé pour produire de l'énergie électrique à une fréquence constante en utilisant l'énergie éolienne, caractérisé par le fait que l'on couple un rotor éolien (1) à une source de force motrice (A) et à un générateur électrique (2) 20 qui est maintenu a une vitesse constante au moyen d'un mécanisme faisant la somme des vitesses angulaires et comprenant un différentiel (3) dont le porte-satellitesest relié au générateur et dont 1es - demi-arbres sont reliés, un ä la source de force motrice et l'autre au rotor éolien.

5. Procédé suivant la revendication A, caractérisé par le fait que pour obtenir une commande entre la vitesse de rotation du rotor éolien et la vitesse de rotation de la source de force motrice, on utilise un dispositif de mesure de vitesse relié à la moitié d'arbre de la source de force motrice et au 30 contrôle d'alimentation de cette source de force motrice, grâce à quoi on peut régler l'alimentation en fonction de la vitesse du rotor éolien de manière que le rotor éolien fonctionne avec un rendement maximal . —--