preface - Réseau Cicle

PREFACE
A la lecture de ce petit exposé, Vous découvrirez une manière réaliste d’aborder
l’énergie du vent qui sans se soucier des réalisations alentours et des modes technologiques,
a eu comme seul but sa bonne utilisation.
L’important à mes yeux était l’intégration de tous les grands facteurs de rendement,
et gommer autant qu’il est possible les inconvénients de cette énergie.
Cela m’a conduit à rencontrer de multiples problèmes du à la fantastique et
imprévisible distorsion d’écoulement du vent en espace et temps limité, aspects d’une
question qu’aucune littérature technique antérieure ne laissait supposer l’existence. Même
silence aujourd’hui ce qui est bien regrettable et déplace technique et réflexion.
Le choix des paramètres que nous avons fait, les solutions techniques que nous
avons adoptées pourront vous paraître étranges. Ils ont été fait en toutes réalités en dehors
de toute école, en toute liberté de pensée et de jugement, suite à un long travail de
documentation, observations, réflexions, évolutions, et expérimentations.
Cet aérogénérateur représente une énorme somme de travail. Il est évident que j’ai
été favorisé par le fait que la décision en tout m’appartenait, ce qui devant les faits évitait
toutes temporisations inutiles et longues, tant sur le plan analyse des observations,
modifications des plans, mise en œuvres des évolutions, commandes des matériaux, façon et
remplacement des systèmes inadéquats, quelques soient les conditions météorologiques ce
qui me plaçais souvent hors des limites du raisonnable.
Cela a conduit surtout à la rencontre d’un immense scepticisme quand à la réussite
de cette entreprise, ensuite à la négation de notre réussite technique. .
Les résultats pratiques ont validés mes travaux, Vous pouvez voir en
fonctionnement cet aérogénérateur qui produit depuis plus de vingt ans sous des vents de 8
à 185 km/h, sans aucune surveillance de fonctionnement et arrêts pour tempêtes, s’adaptant
aux vents qui ne l’ont jamais surpris et mis en défaut.
1
UNE VIE !!!!
50 années d’accumulation de documentations, de réflexions d’élaborations
d’aérogénérateurs à pas variable.
20.000 heures d’étude, de dessins, de travaux d’atelier,
Plus de 1.700 heures de terrains dont plus de 1.100 heures sur pylônes
POUR LA REALISATION ET L’EVOLUTION DE :
4 petits aérogénérateurs de diamètres inférieurs à 3 mètres,
1945 - 1949
1 aérogénérateur diamètre 3 mètres
1950 - 1951
1 ………………………….3 mètres (jamais mis en service)
1 ………………………….5 mètres
05/1956 -10/1956
1 ………………….. ……. 5 mètres
04/1958 - 10/1981
qui a fonctionné pratiquement sans avaries entre ces dates et qui a été démonté
pour cause de vétusté et disponibilité d’emplacement
Réalisations faites dans le cadre de CARRE Jean, (entreprise en nom personnel)
3 aérogénérateurs diamètre 8 mètres
1983 –
tels que décrits dans cette exposé, réalisés dans le cadre G.I.E. AEROGENERATEURS
CARRE ;
Ce dernier programme a fait l’objet du contrat ANVAR N° A 8106021, avenant
du 04/07/1984 et du 11/01/85, des contrats avec la Caisse Régionale du Crédit Agricole
d’Auxerre en date des 26/01/1982 et 10/06/1985, de l’assistance de la Chambre de Commerce
et d’Industrie, de subvention du Conseil Régional, de l’A.F.M.E. pour essais de ces machines
au Centre National d’Essais Eolien de LANNION (C.N.E.E.L.), d’une Médaille d’Argent au
Salon International des Inventions de GENEVE.
Ont été résolus sur ces derniers aérogénérateurs tous les aspects techniques et de
comportements spécifiques des hélices éoliennes à pas variable instantané régulant par état
d’équilibre vers la mise en drapeau des pales* ;de ce fait autant qu’il est possible les problèmes
liés à l’exploitation du vent.
Oui, sous son vent nominal et au delà, cet aérogénérateur fonctionne en toute
sécurité, respectant sa vitesse nominal de rotation: à pleine charge, sous charge fractionnaire,
à vide, peut être brusquement déchargé, mais n’aime pas être en arrêt lorsque le vent souffle
et il ne sait pas fonctionner sans vent. !!
Des évolutions sont prévues, elles améliorerons de beaucoup ses performances
sans remettre aucunement en cause les acquis, provoquant même une diminution de charge
sur les structures.
*P.S. J’emploie cette définition par opposition aux régulations à pas variables commandés
qui par les temps nécessaires à une saisie aléatoire, transmission et exécution agissent en
situations parfois fausses mais toujours dépassées ; aux pas variables agissant en
décrochement.
2
INTRODUCTION
Les variations très rapides de la vitesse du vent opposée à l’inertie
des hélices éoliennes sont à l’origine des effets de « pompage » cause de
fatigue et de destruction de TOUS les aérogénérateurs.
Ceci est directement responsable de la rupture systématique des
hélices à pas variable régulant par état d’équilibre vers la mise des pâles
en drapeau.
Cet aérogénérateur comporte un système original de régulation à
pas variable instantané, il réalise le premier dispositif anti « pompage »
appliqué aux hélices éoliennes.
Ces dispositifs se sont révélés cent pour cent efficaces et fiables.
Au fil des jours et des semaines, l’inégalité de la répartition des vitesses du vent
rend l’énergie éolienne aléatoire.
Celle ci le sera moins si l’aérogénérateur possède un rendement élevé, commence
sa production par vents faibles et est capable de continuer à produire par tempêtes.
En site autonome, la probabilité d’avoir de l’énergie au moment désiré sera augmentée,
le besoin en capacité de stockage relativement moins conséquent.
Pour les installations couplées sur réseau, la déstabilisation de celui ci sera retardée.
La puissance maximum des ces aérogénérateurs étant facilement contrôlable, les frais
de raccordement se limiteront à la puissance nominale installée, la rentabilité en sera grandement
améliorée.
Par la réalisation d’une régulation à pas variable capable de suivre les fluctuations de
vitesse du vent, par la suppression des effets de « pompage » et de fatigues les accompagnant,
l’Innovation m’a permis de rendre fiable l’intégration des grands facteurs de rendement des
hélices éoliennes, tout en restant dans un cadre de contraintes limitées, d’où coût raisonnable.
3
Les performances d’une hélice éolienne sont principalement dépendantes des
paramètres suivants.
1)
LA FORME DE L’HELICE : convexe, plate ou concave.
La forme concave présentée coté pression est de loin la plus performante. Elle est
universellement adoptée sur les hélices marines.
Nous rappelons que les hélices éoliennes évoluant en vitesses soubsoniques sont
comme les hélices marines, soumises aux lois de la mécanique des fluides incompressibles.
2)
LA LARGEUR DES PALES :
Quelque soit la vitesse des pales, (il est évident qu’elle ne saurait être nulle car
l’énergie produite ne pourrait être que nulle), la conversion de la pression potentielle
recueillable en couple moteur, en énergie utilisable, est inversement proportionnelle à la
grandeur de l’angle d’incidence par rapport à l’angle compris entre le vent relatif et le plan de
déplacement.
Il est possible dans une certaine limite d’opter pour une vitesse de pale plus grande et
de diminuer sa largeur, mais cela correspond à un surcroît de contraintes face à une diminution
du moment d’inertie de section de pale, de plus cette proportionnalité angulaire devra demeurer
afin de garder une conversion honnête de l’énergie du vent.
La largeur et la vitesse à adopter reste un compromis technico-économique entre la
conversion inutile du vent entrant en fluide rotationnel, et la rotation utile de l’hélice à laquelle
s’oppose vitesse croissant la traînée plus grande du profil de la pale.
Une pale large, une incidence faible, réalise face aux variations rapides du vent une
instabilité explosive, nous l’avons rencontrée et trouvé solution.
3)
L’EXITENCE D’UN VRILLAGE DE PALE : ou gauchissement bien établi, dans la
limite du vent nominal optimalise la résultante efficace tout au long de la pale, et évite à celle
ci de se placer partiellement en situation de décrochement, de produire des écoulements
turbulents qui tendent à se propager au long du profil engendrant perte de portance et traînée.
Si une pale vrillée comme une pale large est facteur de rendement ; par une meilleure
conservation de l’énergie cinétique elle est aussi source accrue d’instabilité.
4)
LA HAUTEUR DU PYLONE : Pour une même site, la puissance récupérable, la
qualité de l’écoulement facteur de rendement et de moindre fatigue, sont directement liées à
la hauteur au dessus du sol.
La mise en application des ces paramètres n’est possible qui si une bonne
stabilité dynamique de l’hélice est assurée. Je l’ai réalisée.
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Spécificités de notre réalisation :
Aérogénérateurs à hélice à pas variable régulant vers l’effacement des pales par
équilibre entre un effet dynamique issu de la rotation tendant à amener les pales en drapeau
et une force élastique s’y opposant.
Disposition géométrique : La force issue de la rotation de l’hélice sollicitant la
pale pour effectuer son pivotement autour de son axe O O’ est réalisée par l’inclinaison de
cet axe vers l’avant, la construction d’une hélice conique, la face concave présentée au vent.
Déséquilibre de masse : Dans la limite de disponibilité potentielle énergétique
des vents, .pour que leur vitesse de rotation soit constante et non influencée par la charge , les
hélices éoliennes doivent pour leur pales, utiliser des profils à centre de poussée stable se situant
dans cette exigence à 0,25 de la profondeur de la pale, lieu où doit être implanté leur axe de
pivotement O O’.
Quelles que soient les techniques de construction utilisées, face aux contraintes
centrifuges, dans l’impossibilité de porter une masse sur la partie du profil située en avant de
cet axe, on ne pourra tant statiquement que dynamiquement équilibrer la masse M’ située en
opposition vers l’arrière.
Différence de rayon d’évolution : Le rotor étant conique, le calage en hélice
du profil de pale fait que dans un plan perpendiculaire a l’axe de pale O O’, la partie arrière du
profil M’ évolue en rotation autour de l’axe de l’hélice sur un rayon r’ supérieur à celui de la
partie avant r
Effets : Ce déséquilibre de masse, cette différence de rayon d’évolution entre
la partie située en arrière de l’axe de pivotement et celle située en avant de celui ci, engendre
lorsque la machine tourne un déséquilibre amenant la pale à tourner sur elle même vers la
mise en drapeau.
Régulation : A la vitesse nominale de rotation de l’hélice, des moyens de rappels
élastiques équilibrent la force crée par la rotation de celle ci et ces différences.
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.
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INSTABILITES
Dans une hélice, la corde du profil de pale possède un angle par rapport à son plan de
rotation. Il est faible à son extrémité, important vers sa base. Dans une hélice à pas variable
il s’accroît lorsque la régulation entre en fonction.
Il en résulte que la masse M’ non équilibrée évoquée précédemment n’évolue pas dans
le plan P contenant l’axe O O’ de pivotement du profil, mais dans un pan P’ différent qui s’en
éloigne à mesure que le vent croit et que les pales s’ouvrent.
Tout ralentissement de l’hélice, de la pale, dont de la masse M’, provoque de la part de
celle ci une force qui étant déportée par rapport à son point d’application (axe O O’) engendre
un effet occasionnel et supplémentaire tendant à ouvrir le pas et à amener celle ci en position
d’ouverture totale.
Suite au démarrage et à l’accélération de l’hélice, elle dépassera sa vitesse nominale.
En réaction elle ouvrira exagérément créant une inversion d’incidence et de portance,
une décélération de l’hélice.
Accélération et décélération proviennent plus généralement des variations de vitesse
du vent où d’une brusque mise en charge.
L’hélice réceptrice devient propulsive sa décélération entretient et accroît son pas
négatif la masse M’ devenant de plus en plus perturbante les plans d’évolutions s’éloignant.
Ce processus prend fin lorsque l’énergie cinétique de l’hélice est pratiquement
disparue.
(La pale se comporte exactement comme la portière de votre voiture que vous avez
oublier d’accrocher: en accélération elle ira vers la fermeture, au freinage elle s’ouvrira toute
grande.)
Expérimentation vécue avant l’Innovation.
Sur la machine que nous avons réalisée, la largeur de pale qui fait quelle tourne à vide
en bout de pale avec une incidence inférieure à O° 30’, à pleine charge 3° ; l’inversion
d’incidence était très rapide. La largeur, le gauchissement de la pale éloignant la masse M’ de
son plan d’application et induisant une meilleurs conservation de l’énergie cinétique de l’hélice,
l’apparition de cette instabilité à vide sur cette machine apparaissait en dessous d’un vent de
8 mètres/seconde.
Sur ce site très turbulent, le cycle décrit ci dessus se déroulait avec une période
d’une vingtaine de secondes, provoquant des balancements brutaux du pylône dont les
oscillations à son sommet pouvait atteindre 0,80 à 1 mètre d’amplitude.
Ce fut sur le moment un rude coup sur mon moral, le sentiment d’un immense
fiasco !! Deux jours d’observations et de réflexions me firent comprendre le problème, le
cinquième jour, la solution était en vue, le dixième les fournitures commandées, un mois
après je mettais en place le nouveau dispositif.
Paradoxalement, outre le résultat, il en résultait des grandes simplifications.
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Afin de casser cette instabilité dynamique, et que les structures n’en subissent
plus les effets, j’ai contré cette force parasite issue de la masse M’ non équilibrée sans
contraintes centrifuges supplémentaires.
PRINCIPE :
Un dispositif sensible à l’accélération et décélération engendrant une force qui
s’oppose à la masse M‘ et ayant pour caractéristiques d’être:
NEUTRE :
au regard des fatigues centrifuges
SUPPLEMENTAIRE : autre que les moyens équilibrant la régulation.
OCCASIONEL :
n’agissant qu’en temps d’accélération et décélération
de l’hélice pour ne pas perturber l’équilibre assurant
sa vitesse nominale.
PROPORTIONNELLE : suivant l’accélération ou décélération.
INSTANTANEE :
afin de ne pas permettre le commencement du processus
ce qui occasionnerait fatigues et pertes de production.
Ces exigences ont été réalisées en opposant à cette masse M’ non équilibrée une
autre masse en opposition d’effets.
Elle est constituée par un anneau inertiel A, libre en rotation par rapport à l’hélice
et la chaîne de puissance, mais monté solidaire du plateau coaxial à l’axe de rotation de
l’hélice réalisant la synchronisation du pas des pales.
La liaison des pâles avec ce plateau est telle qu’un ralentissement relatif de celui ci
(due à une accélération de l’hélice par le vent ou suppression de charge) entraîne une
ouverture du pas des pales.
Une accélération relative (ralentissement de l’hélice, baisse de vent ou mise en
charge) a pour effet une fermeture du pas.
A la vitesse nominale de l’hélice, l’ensemble de la régulation étant en état
d’équilibre, le moyen constitué par cet anneau agit sans efforts et sans délais et réalise
un réel pilotage face aux fantasmes du vent. Il empêche rigoureusement toute inversion
de fonction (pompage), surpression et fatigue anormale de l’ensemble.
Les résultats ont dépassés mes espérances, jusqu'à permettre de sectionner la ligne
électrique en pleine charge sans qu’apparaisse de balancement sur les structures ni de
variations dans la vitesse de l’hélice.
Analyse de situation parfaite, pas de prise de mesure du vent sur trous d’air ou
survitesse, pas d’action en temps différé, décrochement aérodynamique rigoureusement
inutile.
Panne du système !!!!!
A t-on déjà vu un volant tomber en panne ???
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CARACTERISTIQUES de la machine visible en fonctionnement
Hélice amont conique face concave présentée au vent.
Surface balayée
Diamètre
Vitesse de rotation
Régulation à pas variable automatique à vitesse fixe
Hélice amont orientation par dérive
Nombre de pales
Profil constant NACA 23012
Profondeur du profil
Gauchissement de la pale
Vent de démarrage spontané
Vent de début de production à la période
Vent nominal
50 m2
8 mètres
83 t/mn
3
600 m.m
29 °
2,5 m/s
4 m/s
10,2 m/s
(A fonctionné sans dommage au Centre National d’Essais Eolien de Lannion lors
de la tempête qui a ravagé la Bretagne par des vents dépassant 185 km/h)
Multiplicateur et alternateur :
Monobloc suspendu et entraîné par éléments élastiques.
Multiplicateur BREVINI ED. 2045 (totalement inadapté)
Double trains épicycloïdal flottant.
Rapport
Alternateur LEROY SOMMER ACT A 161O Synchrone
Puissance
Courant alternatif triphasé 50 hz 220 / 380 volts
18,08/1
12 KW
PYLONE
Mono tubulaire haubané
Hauteur
33 mètres
10
Evolutions prévues suite à nos expérimentations sur ce type de modèle.
(les modifications qu’il me conviens de faire mentions sont rédigées en gras)
Hélice amont conique, face concave présentée au vent.
Surface balayée
80 m2
Diamètre
10 mètres
Vitesse de rotation
9 radians
85 t/mn
Régulation à pas variable automatique à vitesse fixe
Hélice amont, orientation par dérive
Nombre de pales
3
Profil à largeur constante 23018 à 23008 en périphérie.
Profondeur du profil
600 mm
Gauchissement de la pales
25°
Vitesse de vent démarrage spontané
2,30 m/sec
Vitesse de vent de début de production
3,25 m/sec
Vitesse de vent nominale
8,50 m/sec
Vitesse de limite de production et de résistance machine
70
m/sec
Multiplicateur et alternateur :
Groupe monobloc suspendu et entraîné par éléments élastiques
Multiplicateur spécial à grande capacité de réserve d’huile, double
trains épicycloïdal flottant à combinaisons autocorrectives et divers.
Rapports
Puissance
50 périodes
18,031/1
60 périodes
21,466/1
12, kw
Courant alternatif 220/380 volts triphasé.
Pylône mono tubulaire haubané et galvanisé. Hauteur :
35, mètres
Cette machine sera l’évolution de celle décrite.
Par une nouvelle approche technologique vers le moindre coût, par de
nouvelles innovations vers de plus grandes performances elle deviendra l’aérogénérateur de
demain.
L’étude en est pratiquement terminée, les plans bouclés.
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