CH703018A2 - Système éolien d'entraînement d'un générateur par deux hélices contrarotatives. - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne une configuration d’une éolienne munie de deux hélices (10, 11) contrarotatives. Les hélices sont placées des deux côtés du mât et entraînent une génératrice (8) par l’intermédiaire d’un multiplicateur planétaire. Ce multiplicateur fait partie intégrante du rotor de la génératrice. Ce type de configuration est particulièrement avantageux lorsque l’on cherche à augmenter le rendement aérodynamique du système d’entraînement et à accroître la quantité d’énergie obtenue sur une surface allouée à une ferme éolienne.

Description

[0001] La présente invention concerne l’entraînement d’une génératrice électrique ou d’un autre dispositif nécessitant une source d’énergie provenant d’une éolienne. Elle se caractérise par la présence de deux hélices contrarotatives placées des deux cotées du mât qui entraînent une seule génératrice dont l’axe de rotation est parallèle à l’axe de rotation des hélices.

[0002] Le sens de rotation opposé des hélices est obtenu par des profils aérodynamiques appropriés. La régulation du nombre de tours de chaque hélice peut se faire de façon similaire aux solutions connues jusqu’à présent.

État d’art

[0003] Selon la pratique courante, les éoliennes commercialisées actuellement possèdent une seule hélice. Théoriquement, le rendement aérodynamique de l’entraînement par une hélice ne peut pas dépasser 59.6% (selon Betz, 1926). Dans la pratique, ce résultat est encore plus faible (env. 45%-50% dans les meilleures conditions). Le rendement maximal ne concerne que la vitesse du vent optimale du point de vue du nombre de pales et de leur d’aérodynamique. Le rapport de vitesse du sommet de la pale et celle du vent se situe dans ce cas-là pour un rotor tripal autour de 6-7. Une solution avantageuse pour augmenter le rendement maximal et augmenter la plage des rendements optimum d’une éolienne consiste à concevoir un système à deux hélices contrarotatives. Du fait d’un certain éloignement de deux hélices, le rendement total d’un tel dispositif est supérieur à la limite de Betz qui, à la base s’applique à une surface perpendiculaire à la direction du vent relative à une seule hélice.

[0004] Plusieurs documents présentent déjà des méthodes ou des systèmes d’entraînement à deux hélices. Un des plus anciens, proposé par Schönball (US Patent 3 974 396), décrit un dispositif ou une hélice entraînant un rotor avec une autre hélice entraînant le stator d’une génératrice. D’autre part, il prévoit une possibilité de combinaison des stators et des rotors pour pouvoir régler l’excitation électrique de la génératrice et influencer en même temps la vitesse de rotation des hélices. En ce qui concerne la chaîne cinématique, ledit brevet prévoit une liaison mécanique entre deux hélices.

[0005] L’autre brevet connu: US patent 5 506 453 de McCombs décrit un arrangement avec deux hélices, entraînant directement le rotor et le stator d’une génératrice. La régulation du nombre de tours d’ensemble peut se faire par un mécanisme agissant sur l’inclinaison des pales ou un autre dispositif.

[0006] Les deux brevets d’Appa: US Patent 6 127 739 et 6 278 197 sont basés sur un principe similaire par rapport au brevet de McCombs en ce qui concerne l’entraînement de la génératrice. La différence par rapport aux brevets précédents se situe dans la construction des pales; celles-ci possèdent des canaux longitudinaux permettant le passage de l’air qui est aspiré au centre de rotation et éjecté à l’extrémité des pales par la force centrifuge. La direction de la sortie de l’air est tangentielle à la circonférence décrite par les extrémités des pales. Ceci a été prévu pour augmenter le rendement aérodynamique de l’hélice.

[0007] Le brevet de Shin US Patent 5 222 924 prévoit les deux hélices de taille différente placées des deux cotés du mât. À la différence de notre invention, la génératrice est placée verticalement et la liaison cinématique entre deux hélices possède un rapport de transmission fixe. Par conséquent, il n’est pas possible de régler séparément la vitesse de rotation de chaque hélice. Ceci entrave la possibilité de trouver un point de fonctionnement optimal de l’éolienne.

[0008] Le brevet de Debleser US Patent: 6 504 260 prévoit une configuration à double hélice contrarotative qui entraîne de façon directe deux génératrices séparées sans aucune liaison cinématique entre elles.

[0009] Le brevet de Wacinski US Patent: 7 384 239 décrit une configuration à une double hélice contrarotative qui se caractérise par un emplacement de deux hélices de même côté du mât qui entraînent une seul génératrice.

Nouvelle invention

[0010] Les configurations préférentielles conformes à notre invention sont illustrées par les figures suivantes: <tb>Fig. 1<sep>montre une vue générale de l’éolienne construite selon le présent brevet. <tb>Fig. 2<sep>montre la section passant par l’arbre principal d’une configuration avec un multiplicateur épicycloïdal placé à l’intérieur d’un rotor d’une génératrice de type RFPM (Radial Flux Permanent Magnet). <tb>Fig. 3<sep>montre la section passant par l’arbre principal d’une configuration avec un multiplicateur épicycloïdal placé dans un rotor d’une génératrice de type AFIPM (Axial Flux Interior Permanent Magnet).

[0011] La fig. 1 montre l’arrangement préférentiel selon le présent brevet: les deux hélices 10 et 11 qui possèdent un diamètre différant, tournent en sens contraire. Elles sont placées de deux côtés du mât tubulaire 9. La génératrice se trouve à l’intérieur de la nacelle 8.

[0012] Conformément à la fig. 2, la première hélice 10 est supportée par l’arbre 12. Ledit arbre est guidé par les roulements (paliers) 22 et 23. L’autre hélice (11) est supportée par l’arbre 13 qui à son tour est guidé par les roulements (paliers) 14 et 16. Les paliers 16 et 23 sont solidaires au carter tournant 24 qui, a son tour, remplit la partie interne du rotor 25. Le carter 24 est entraîné par la roue solaire 26 de l’engrenage planétaire. Sa rotation est déterminée par le mouvement des satellites 27 et la couronne 28. Le port-satellite 17 est cinématiquement lié à l’hélice 10 et la couronne 28 à la deuxième hélice (11). La couronne 28 et un port satellite 17 tournent dans le sens opposé. Selon la configuration préférentielle, le rotor avec ces aimants 29 est guidé par les roulements (paliers) 21 et le stator 20 est fixé sur la structure de la nacelle 8. L’accouplement 30 est prévu pour permettre la transmission de la puissance et le positionnement adéquat entre le carter tournant 24 et le rotor 25.

[0013] Selon l’autre variante telle que montré sur la fig. 3 le système possède les mêmes caractéristiques techniques. La différence principale consiste à remplacer la génératrice à flux radial (RFPM) par celle qui est à flux axial (AFIPM). Comme dans le premier système, les hélices sont connectées respectivement à la couronne 28 et au port satellite 17 du multiplicateur. Les aimants 29 sont fixés sur la partie verticale des deux côté du carter du multiplicateur. Les deux stators 20 sont fixés sur les supports liés à la nacelle 8.

[0014] Selon les configurations proposées, la vitesse de rotation du rotor de la génératrice sera proportionnelle à la somme des vitesses de chaque hélice, soit: ω19 ~ |ω10| + |ω11|

[0015] Dès lors, les trois couples de rotation sont liés par la relation suivante: M12 + M25 = M13Où respectivement:

[0016] M12est le couple provenant de l’hélice 10 agissant sur l’arbre 12

[0017] M13est le couple provenant de l’hélice 11 agissant sur l’arbre 13

[0018] M25est le couple de la roue solaire qui entraîne le rotor 25.

[0019] On peut en déduire que les couples M12 et M13ne sont pas égaux et, par exemple, la différence pour la multiplication i=10 est d’ordre de 10%.

[0020] Selon l’autre variante, le nombre de pales dans chaque hélice est différent et le diamètre de chacune est différent.

[0021] En cas de nécessité, les hélices sont arrêtées par des freins 18 et 19.

Avantage de la présente invention:

[0022] Un premier avantage est de proposer un dispositif permettant d’augmenter le rendement aérodynamique d’une éolienne. Ceci se traduit par la possibilité d’extraire plus d’énergie d’une surface de terre/mer allouée pour une ferme éolienne.

[0023] Un autre avantage de l’invention est de proposer une solution où l’augmentation de la puissance passe par l’addition de la vitesse relative de rotation des hélices et non pas par l’augmentation du couple traversant la chaîne cinématique lié à l’augmentation de la longueur des pales. Étant donné que la masse et la grandeur du multiplicateur sont déterminées par le couple transmissible et le nombre d’étages de multiplication pour la puissance donnée, la grandeur du multiplicateur peut être considérablement diminuée.

[0024] L’avantage suivant consiste à maintenir à un niveau similaire la réaction mécanique du système d’entraînement sur le mât malgré l’augmentation de la puissance. Ceci vient du fait que la réaction dans la direction du vent augmente, mais que la réaction due au couple engendré par une hélice et reprise par l’autre hélice et le système reste en quasi-équilibre dans le plan perpendiculaire à la direction du vent.

[0025] L’avantage supplémentaire consiste en ce que le freinage de deux hélices est fait de sorte que le couple de freinage provenant d’une hélice est compensé par le couple de l’autre - d’où un faible effort sur le châssis de la nacelle par rapport à la solution à une hélice. Un avantage supplémentaire consiste en ce que le multiplicateur tourne autour de son propre axe central favorisant ainsi un échange thermique avec l’air ambiant, d’où la possibilité de diminuer fortement voire supprimer le système de refroidissement.

Claims (6)

1. Système d’entraînement d’une éolienne à deux hélices contrarotatives placées des deux côtés du mât, comprenant un multiplicateur de type épicycloïdal caractérisé en ce que deux arbres dudit multiplicateur sont connectés aux hélices respectives et le troisième arbre, qui a la vitesse rapide, est connecté directement au rotor, ou constitue la partie intégrante du rotor d’une génératrice électrique,

2. Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que la génératrice est de type à flux magnétique radial.

3. Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que la génératrice est de type à flux magnétique axial.

4. Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que chaque hélice peut avoir un diamètre et un nombre de pâles différents.

5. Système caractérisé en ce que la synchronisation mécanique ou électronique du mouvement des hélices est introduite.

6. Une ferme éolienne caractérisée en ce qu’elle est constituée d’au moins une installation suivant au moins l’une des revendications précédentes.