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FR2814504A1 - Hydraulic speed controller for wind-powered generator rotor with fixed-pitch blades comprises pump connected to rotor shaft and flow regulator - Google Patents

Hydraulic speed controller for wind-powered generator rotor with fixed-pitch blades comprises pump connected to rotor shaft and flow regulator Download PDF

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Abstract

The speed controller consists of a positive displacement pump (9) of fixed capacity, connected to a shaft (4) driven by the rotor (1), and a flow regulator (6) on the output side of the pump, between the pump and a rotary receiver (7). The flow regulator controls the speed of the pump which, in turn, governs the rotation of the shaft and rotor to a selected maximum speed.

Description

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- domain de l'invention : La présente invention concerne un dispositif hydraulique pour limiter ou réguler, en fonction de la force du vent, la vitesse de rotation des rotors d'éoliennes à pales à pas fixe ou aérogénérateurs de toutes puissances équipés de pales à pas fixe et d'un procédé permettant de ramener au sol toute la machinerie de puissance, de réglage, et de contrôle. - Field of the Invention: The present invention relates to a hydraulic device for limiting or regulating, as a function of the force of the wind, the rotational speed of the rotors of wind turbines with fixed pitch blades or wind turbines of all powers equipped with blades not fixed and of a process allowing to bring back to the ground all the machinery of power, adjustment, and control.

- Caractéristique des réalisations antérieures : Des réalisations antérieures avec ce dispositif ou ce procédé sont inconnues. - Characteristic of previous achievements: Previous achievements with this device or process are unknown.

Toutes les éoliennes industrialisées produisant de l'électricité sont constituées par des pales qui tournent autour d'un moyeu horizontal. Ce moyeu est relié à un multiplicateur et à une génératrice située à l'intérieur de la nacelle. La nacelle renferme les composants mécaniques et électriques, elle est située au sommet

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d'un pylone. (Fig. 1) On distingue actuellement trois technologies essentielles pour limiter la vitesse de rotation du rotor des éoliennes. All industrialized wind turbines producing electricity are constituted by blades which rotate around a horizontal hub. This hub is connected to a multiplier and a generator located inside the nacelle. The nacelle contains the mechanical and electrical components, it is located at the top
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of a pylon. (Fig. 1) There are currently three essential technologies to limit the speed of rotation of the rotor of wind turbines.

1-Système à masselottes : (Figure 2) Utilisé sur des machines de petite puissance, jusqu'à environ 6OkW. Lorsque la vitesse limite de rotation est atteinte, sous l'effet de la force centrifuge des masselottes (M), liées mécaniquement aux pales (1), s'écartent en modifiant l'angle de ces dernières ce qui a pour effet de freiner le rotor et de le ralentir. 1-Weight system: (Figure 2) Used on low power machines, up to around 6OkW. When the limit speed of rotation is reached, under the effect of the centrifugal force of the weights (M), mechanically linked to the blades (1), deviate by modifying the angle of the latter which has the effect of braking the rotor and slow it down.

2-Pas variable : Un vérin hydraulique ou électrique, fait varier l'angle des pales en fonction de la vitesse du vent. Ce dispositif est utilisé pour les aérogénérateurs de forte puissance. A partir de 150 kW environ.

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2-Variable pitch: A hydraulic or electric jack, varies the angle of the blades depending on the wind speed. This device is used for high power wind turbines. From around 150 kW.
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3-Pas fixe électromagnétique : Uri frein électromagnétique agit directement sur un disque solidaire de l'arbre entraîné par les pales. La puissance de freinage est régulée en fonction de la vitesse du vent. Ce dispositif est utilisé pour les aérogénérateurs de forte puissance. A partir de 150 kW environ. 3-Fixed electromagnetic pitch: Uri electromagnetic brake acts directly on a disc secured to the shaft driven by the blades. The braking power is regulated according to the wind speed. This device is used for high power wind turbines. From around 150 kW.

Dans tous les cas les dispositifs connus sont réalisés avec des systèmes de transmission mécaniques situés dans une nacelle au sommet du mat. (Voir fig. l) - Lacunes ou inconvénients des réalisations antérieures : -Petites éoliennes. Les systèmes de régulation par masselottes et ressorts sont rudimentaires et imprécis. On observe des vibrations et plus particulièrement des emballements lors des"décrochages"c'est à dire lors du découplage de la génératrice avec le réseau électrique. Le mécanisme toujours situé au sommet du pylone impose une structure lourde ou un mat haubané. In all cases, the known devices are produced with mechanical transmission systems located in a nacelle at the top of the mast. (See fig. L) - Gaps or drawbacks of previous achievements: -Small wind turbines. The control systems with weights and springs are rudimentary and imprecise. Vibrations are observed, and more particularly runaway during "stalls", that is to say when the generator is decoupled from the electrical network. The mechanism always located at the top of the pylon imposes a heavy structure or a guyed mast.

- grosses éoliennes. Les différents systèmes existants sont réalisés avec des

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e 10 % W moyens de régulation électriques ou électroniques sophistiqués et compliqués. Les temps de réponse sont relativement long lors des variations intempestives de la vitesse du vent ce qui se traduit par une rotation irrégulière et des à-coups. Toute la machinerie est située au sommet du mat, dans une nacelle, ce qui nécessite une structure de support très lourde. - large wind turbines. The various existing systems are made with
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e 10% W sophisticated and complicated means of electrical or electronic regulation. Response times are relatively long during untimely variations in wind speed, which results in irregular rotation and jolts. All the machinery is located at the top of the mast, in a nacelle, which requires a very heavy support structure.

Dans les différentes réalisations antérieures les ensembles mécaniques sont In the various previous embodiments, the mechanical assemblies are

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situés dans une nacelle au sommet d'un mat qui peut atteindre 80 mètres de hauteur. Les inconvénients majeurs sont : les difficultés de maintenance, de montage, les mats sont lourds et couteux
Le système et le procèdé selon l'invention permettent de remédier à ces inconvénients. located in a nacelle at the top of a mast which can reach 80 meters in height. The main drawbacks are: maintenance and mounting difficulties, the masts are heavy and expensive
The system and method according to the invention overcomes these drawbacks.

But de l'invention : - a partir d'un moyen simple obtenir une vitesse constante et régulière du rotor d < l'éolienne indépendamment de la vitesse du vent.  Object of the invention: - from a simple means to obtain a constant and regular speed of the rotor of the wind turbine independently of the wind speed.

- amener toute la machinerie de production d'énergie et les systèmes de régulation au pied de l'éolienne.  - bring all the energy production machinery and regulation systems at the foot of the wind turbine.

- par une transmission hydraulique intercalée entre le rotor et générateurs assurer une souplesse de fonctionnement sans à-coups ni vibrations.  - by a hydraulic transmission interposed between the rotor and generators ensuring flexibility of operation without jerks or vibrations.

- transformer l'énergie éolienne en énergie mécanique, thermique, ou électrique.

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- transform wind energy into mechanical, thermal or electrical energy.
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- allèger sensiblement la structure du mat ou pylône. - significantly lighten the structure of the mast or pylon.

- faciliter les interventions de montage et de maintenace. - facilitate assembly and maintenance work.

- Les moyens de l'invention La figure 3 représente le principe de régulation. Le rotor (1) accouplé à un renvoi d'angle (2) entraine par l'intermédiaire de l'arbre de transmission (4) une pompe volumétrique (9) située au pied de l'éolienne. Au moyen d'un appareil de débit (6) monté sur le refoulement de cette pompe le volume d'huile refoulé est dosé en imposant à celle-ci la vitesse de rotation désirée. La pompe (9) étant solidaire du rotor la vitesse de rotation des pales (1) est contante et régulière. Le moteur hydraulique (7) alimenté par la pompe pourra entraîner suivant l' application choisie une génératrice électrique, et toute machine à entraînement rotatif par exemple pompe à eau, compresseur d'air, etc. Le moteur (7) pourrait être remplacé par une soupape de pression (non représentée) qui par effet de laminage transformerait puissance transmise en énergie thermique. La soupape (8) permet de limiter la puissance maximale de l'éolienne en actionnant le frein (10). - The means of the invention Figure 3 shows the principle of regulation. The rotor (1) coupled to a bevel gear (2) drives through the transmission shaft (4) a positive displacement pump (9) located at the foot of the wind turbine. By means of a flow device (6) mounted on the discharge of this pump, the volume of oil discharged is metered by imposing on it the desired speed of rotation. The pump (9) being integral with the rotor, the speed of rotation of the blades (1) is constant and regular. The hydraulic motor (7) supplied by the pump can drive an electric generator, depending on the application chosen, and any machine with rotary drive, for example water pump, air compressor, etc. The motor (7) could be replaced by a pressure valve (not shown) which by rolling effect would transform transmitted power into thermal energy. The valve (8) limits the maximum power of the wind turbine by actuating the brake (10).

-Exemple détaillé de réalisation Figure 4
La figure 4 représente un schéma hydraulique de base pour des éoliennes de forte puissance. En marche normale la pompe (9) est entraînée par l'arbre vertical (4). Le volume de fluide refoulé par cette pompe, est proportionnel à sa vitesse de rotation et inversement. Par un moyen de réglage du débit (6), mécanique ou électrique, le volume refoulé par la pompe est ajusté pour obtenir la vitesse de rotation désirée de la pompe. Le moteur hydraulique (7) est alimenté en débit constant, sa vitesse de rotation est constante. Suivant les applications le moteur peut être à cylindrée fixe ou variable. La puissance maximale transmissible par -Detailed example of embodiment Figure 4
FIG. 4 represents a basic hydraulic diagram for high power wind turbines. In normal operation the pump (9) is driven by the vertical shaft (4). The volume of fluid delivered by this pump is proportional to its speed of rotation and vice versa. By means of flow adjustment (6), mechanical or electrical, the volume delivered by the pump is adjusted to obtain the desired speed of rotation of the pump. The hydraulic motor (7) is supplied with constant flow, its speed of rotation is constant. Depending on the applications, the motor can be of fixed or variable displacement. The maximum power transmissible by

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l'éolienne dans, cette configuration de schéma, est limitée par la soupape (8) qui est règlée à une pression correspondant à la puissance maximale de la machine.
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the wind turbine in this diagram configuration is limited by the valve (8) which is adjusted to a pressure corresponding to the maximum power of the machine.

Lorsque la puissance maximale est atteinte (vitesse du vent supérieure à 90 km/h par exemple) la pression dans le circuit monte au-dela de la pression de tarage de la soupape (8), celle-ci s'ouvre, déverrouille le clapet (12) et libère l'embrayage frein à depression (10). Le rotor s'immobilise. Dés que le frein (10) est mis sous pression au moyen de l'accumulateur (13) ou de la pompe auxiliaire (17), le rotor est débloqué et la rotation peut reprendre. L'immobilisation du rotor peut

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également s'obtenir en fermant le régulateur (6). La pompe (17) peut selon l' application être à commade manuelle ou électrique. Un moyen de refoidissement (14) peut être prévu et entraîné hydrauliquement en prélevant une partie du débit du circuit principal par la valve de débit (1 l). En ajustant en permanence le débit de la valve (6) proportionnellement à la vitesse du vent il peut être transmis au moteur (7) la puissance optimale captée par l'éolienne - Avantages : - Régulation de vitesse simple, précise, fiable. When the maximum power is reached (wind speed greater than 90 km / h for example) the pressure in the circuit rises above the setting pressure of the valve (8), it opens, unlocks the valve (12) and releases the vacuum brake clutch (10). The rotor comes to a standstill. As soon as the brake (10) is pressurized by means of the accumulator (13) or the auxiliary pump (17), the rotor is released and rotation can resume. The immobilization of the rotor can
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also obtained by closing the regulator (6). The pump (17) can be manual or electric depending on the application. A cooling means (14) can be provided and driven hydraulically by taking part of the flow from the main circuit by the flow valve (1 l). By continuously adjusting the flow rate of the valve (6) in proportion to the wind speed it can be transmitted to the motor (7) the optimal power captured by the wind turbine - Advantages: - Simple, precise, reliable speed regulation.

-Les réglages de vitesse du rotor ou l'arrêt s'effectuent depuis le sol.  -The rotor speed adjustments or stopping are made from the ground.

- Energie hydraulique ou thermique disponible sans réseau électrique.

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- Hydraulic or thermal energy available without electrical network.
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- Le ou les récepteurs/générateurs peuvent être situés à distance. - The receiver (s) / generators can be located remotely.

- L'essentiel du machinisme étant au sol : . Sécurité pour les techniciens de montage ou de maintenance . Réduction sensible du poids du mat . Gain sur le temps d'intervention en cas de panne - Le dispositif et le procédé selon l'invention peut être utilisé pour la réalisation des éoliennes de toutes puissances à partir de 2000 W et jusqu'à 2000 kW environ. - Most of the machinery being on the ground:. Safety for assembly or maintenance technicians. Significant reduction in the weight of the mat. Gain on intervention time in the event of a breakdown - The device and method according to the invention can be used for making wind turbines of all powers from 2000 W and up to approximately 2000 kW.

- variante : - Selon une variante non illustrée un multiplicateur de vitesse peut être situé au pied du mât entre l'arbre de transmission (4) et le frein (10).  - variant: - According to a variant not illustrated, a speed multiplier can be located at the foot of the mast between the transmission shaft (4) and the brake (10).

- La pompe peut éventuellement être située dans la nacelle, dans ce cas la transmission de puissance vers le pied de l'éolienne s'effectue par des flexibles hydrauliques ou par des tuyauteries rigides raccordées à un joint tournant qui assure l'interfaçage entre la la nacelle orientable et le pied du mât.  - The pump can possibly be located in the nacelle, in this case the power transmission to the foot of the wind turbine is made by hydraulic hoses or by rigid pipes connected to a rotating joint which ensures the interfacing between the steerable gondola and mast base.

-Utilisations potentielles : Production d'énergie : électrique, hydraulique, thermique ou mécanique.  -Potential uses: Energy production: electrical, hydraulic, thermal or mechanical.

- Dessins : Figure 5 Projet EOLIENNE 15 à 50 kW - Drawings: Figure 5 WIND POWER project 15 to 50 kW

Claims (7)

REVENDICATIONS 1-Dispositif hydraulique, suivant figure 3, permettant de règler et réguler la vitesse de rotation des rotors d'éoliennes à pales à pas fixe de toutes puissances, puis de transformer l'énergie du vent en énergie hydraulique caractérisé en ce qu'il est composé d'une pompe volumétrique (9) à cylindrée fixe accouplée à un arbre (4) entraîné par le rotor (1) de l'éolienne et d'un moyen de débit (6) monté au refoulement de cette pompe. 1-Hydraulic device, according to FIG. 3, making it possible to regulate and regulate the speed of rotation of the rotors of wind turbines with fixed pitch blades of all powers, then to transform the energy of the wind into hydraulic energy characterized in that it is composed of a volumetric pump (9) with fixed displacement coupled to a shaft (4) driven by the rotor (1) of the wind turbine and a flow means (6) mounted on the discharge of this pump. 2-Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le volume de fluide ainsi engendré par la pompe (9) alimente un récepteur rotatif (7).  2-Device according to claim 1 characterized in that the volume of fluid thus generated by the pump (9) feeds a rotary receiver (7). 3-Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le moyen de débit (6) en dosant le volume du fluide refoulé par la pompe (9) impose à celle-ci une vitesse de rotation désirée.  3-Device according to claims 1 and 2 characterized in that the flow means (6) by metering the volume of the fluid discharged by the pump (9) imposes on the latter a desired speed of rotation. 4-Dispositif selon les revendications 1,2 et 3 caractérisé en ce que la pompe (9) régulée en vitesse de rotation par le moyen de débit (6) impose à l'arbre de transmission (4) et au rotor (1) une vitesse de rotation maximale choisie.  4-Device according to claims 1,2 and 3 characterized in that the pump (9) regulated in rotation speed by the flow means (6) imposes on the transmission shaft (4) and the rotor (1) a maximum rotational speed chosen. 5-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la pompe (9) est située au pied du mât de l'éolienne et est entraînée en rotation par l'intermédiaire de l'arbre de transmission (4).  5-Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the pump (9) is located at the foot of the wind turbine mast and is rotated by means of the transmission shaft (4). 6-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la machinerie de puissance, pompe (9) moteur (8), et les moyens de régulation de vitesse normale par (6) et maximale par (8) sont situés au sol.  6-Device according to any one of the preceding claims characterized in that the power machinery, pump (9) motor (8), and the normal speed regulation means by (6) and maximum speed by (8) are located at ground. 7-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le récepteur ou moteur hydraulique (7) transforme l'énergie mécanique pour entrainer selon l'application des génératrices électriques, ou thermiques, ou toute machine rotative. 7-Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the receiver or hydraulic motor (7) transforms the mechanical energy to drive according to the application of the electric or thermal generators, or any rotary machine.
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