Brevet FR2261427A1 — publié le 19750912

La présente invention est relative à une machine éolienne destinée à entraîner tout dispositif, et en particulier une génératrice électrique. On connaît déjà de telles machines, puisque lton utilise depuis très longtemps lténergie du vent pour animer des pompes ou des meules, par l'intermédiaire de moulins à vent ou de roues éeliennes. Malbeureusement, ces dispositifs connus, auxquels on a encore recours de nos jours du fait de leur économie d'utilisation et de leur caractère aubconev présentent toujours un encombrement important si i on veut leur donner une puissance convenable : du fait de leur conception gfinérale rustique, I élément capteur d'énergie étant simplement constitué par une roue à aubesmaintenue face au vent, il est en effet indispensable, dlune part, de donner à l'élé- ment capteur un diamètre important et, d'autre part, de le placer à une distance importante du sol, là où les vents sont plus rapides. Ceci réserve pratiquement Itusage de tels dispositifs à des exploitations agricoles, par exemple, où leur encombrement est moins gênant et où leur utilisation eSt parfois indispensable pour des raisons d'isolement ; par contre, leur utilisation par des particuliers, à des fins domestiques, ou leur utilisation sous forme mobile, par exemple en vue d'alimenter en électricité un chantier ou un poste émetteur isolé, semble totalement exclus Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients en proposant une machine éolienne dont itencombrement soit considérablement réduit , à puissance équivalente. Ce but est atteint, selon l'invention, en placent l'élément capteur d'énergie au niveau de ltétranglement d'un tube venturi dont l'axe est orienté suivant la direction du vent, et en réalisant de préférence cet élément capteur sous la forme d'une turbine comprenant une suceession de roues à aubes rotatives alternées avec des roues à aubesfixes orientant le flux d'air. Du fait de l'amplification i la vitesse du vent dans le tube venturi et de l'utilisation rationnelle de l'énergie dont on dispose, on peut ainsi réaliser une machine dont la puissance soit tout à fait utilisable sans qu'elle atteigne pour autant des dimensions incompatibles avec son usage domestique ou avec sa réalisation sous forme mobile. Ces avantages s'ajoutent naturellement aux avantages connus des machines éoliennes, à savoir la gratuité de l'énergie de base et la possibilité d'économiser une source d'énergie rare et onéreuse (pétrole, charbon, gaz, etc...), ces dernières étant de plus généralement polluantes, une grande simplicité de réalisation et d'entretien influant favorablement s u r le prix de revient global, une autonomie totale permettant une utilisation dans des zones totalement isolées,etc... En outre, l'utilisation préférée de la machine selon llin- vention pour produire de ltélectricité-permet de décharger le réseau public et d'économiser ainsi doublement, en permettant à llusager et de produire gratuitement une part de son électricité en réduisant la consommation en matières actuellement utilisesà cet effet. Dans le cas particulier d'unite de production d'électricité mobile il faut signaler en outre que le fonctionnement d'une telle machine est particulièrement propre et silencieux, sans que 1 ' on ait recours auKfiltrs et ausdisp ositifs dlinsonorisation nécessaires au groups électrogèns habituellement utilises dans ces conditions. La machine éolienne selon l'invention est caractérisée en ce qu'elle comporte un tube venturi , dont l'axe est orienté suivant la direction du flux d'air, une turbine disposée coaxialement à l'intérieur du tube, au niveau de l'étranglement de ce dernier, et des moyens de couplage de la turbine avec l'utilisation. Selon un autre mode de réalisation de la machine selon llin- vention, la turbine entraîne directement en rotation une machine électrique tournante logée dans son prolongement, à l'intérieur du tube. Selon une autre caractéristique importante de la machine éolienne selon 1 ' invention, la turbine comprend une alternance de roues à aubs rotatives, destinée transformer le mouvement du flux d'air en mouvement de rotation, et de roues à aubes fixes, solidaires de la paroi du tube et destinéw à orienter le flux d'air. L'invention sera mieux comprise si l'on se réfère à la description ci-dessous, relative à un mode de réalisation particulier de la machine, ainsi qu'au dessin annexé, qui fait partie intégrante de cette description. La figure unique montre une vue d'un exemple de machine éolien ne selon 1 invention, en coupe verticale suivant 1 l'axe du tube venturi Cette figure montre, en 1, un tube venturi de révolution autour d'un axe 2 orienté suivant la direction 3 du vent. Ce tube comprend une partie centrale 4, sensiblement cylindrique, interca lée entre une partie amont convergente 6, orientée face au vent, qu'elle a pour role-d'accélérer, et une partie aval divergente 7, créant une dépression en aval de la partie centrale 4. Au niveau de cette partie centrale 4, qui forme un étranglement et correspond donc à la zone de plus grande vitesse du flux d'air, le tube 1 renferme intérieurement une turbine 5 également axée sur l'axe 2. Selon un mode de réalisation préféré illustré, la turbine 5 est formée d'une alternance de roues à aubes rotatives 8 à 16 et de roues à aubes fixes 17 à 24, réalisées par exemple par emboutissage ou par moulage en tout matériau. Ici, les roues rotatives 8 à 16 sont solidarisées entre elles au moyen d'un arbre longitudinal 25, d'axe 2, sur lequel elles sont enfilées parallèlement entre elles et perpendiculairement à sa direction générale. La fixation s ' effectue par tout moyen connu, et par exemple par serrage contrôlé par écrou et rondelle qui permet un montage et démontage facile. Comme le montre la tigure,l'arbre 25 assure simultanément le positionnement des roues rotatives 8 à 16 à l'intérieur du tube. A cet effet, il est monté à rotation, à proximité de son extrémité avant 26 et de son extrémité arriere 27, dans des paliers 28 et 29 portés respectivement par un flasque transversal avant 30 et par un flasque transversal arrière 31 tous deux solidaires ici d'un anneau cylindrique 32 épousant la périphérie intérieure de la partie centrale 4 du tube 1 et rendu solidaire de celle-cipar des clavettes judicieusement disposées, telles que 33 et 34 ; en outre, l'un au moins des paliers 28 et 29, et par exemple ce dernier, est conçu de façon à résister aux efforts orientés suivant l'axe 2, et par conséquent à maintenir des roues rotatives 8 à 16 dans une position longitudinale constante. Naturellement, les flasques 30 et 31 sont conçus de façon à opposer un minimum de résistance au flux d'air : par exemple, le flasque avant 30 est muni, vers l'avant, d'un couvercle aérodynamique 35 cachant le palier 28 ; on peut de plus leur donner la forme d'ailettes directrices afin de compléter l'action des roues fixes 17 à 24, dont le rôle est d'orienter le flux d'air de façon optimale. Ces roues fixes sont ici conçues de façon analogue aux roues mobiles 8 à 16, si ce n'est qu'elles sont solidaires du cylindre 32 à leur périphérie, et qu'elles offrent, au niveau de l'arbre 25, un dégagement suffisant pour permettre la libre rotation de celui-ci. I1 est à noter que l'orientation des pales des roues mobiles et l'orientation des pales des roues fixes ne sont pas nécessairement constantes d'une extrémité de la turbine à l'autre : en effet, on peut leur donner une orientation constante fonction de la vitesse moyenne du vent à 1 'intérieur de la turbine, ou encore une orientation variant progressivement de l'une des extrémités de celle ci à l'autre afin de tenir compte de la perte d'énergie progressive du vent. Cette orientation peut encore être réglable. Suivant les cas, un tel dispositif peut être utilisé pour entraîner une machine réceptrice quelconque, entraînée en rotation par la turbine 5 par l'intermédiaire de tout moyen de couplage connu, ou encore, comme il est illustré, pour entraîner une machine électrique tournante logée à l'intérieur même du tube 1, dans le prolongement de la turbine 5. Ici, la génératrice d'électricité 36, constituée par exemple par un alternateur à excitation continue séparée, est logée dans la partie aval divergente 7 du tube taxée sur l'axe 2 de façon à permettre l'entraînement direct de l'arbre 37 de son rotor par l'extrémité arrière 27 de l'arbre 25, un accouplement élastique 38 assurant la liaison. Le star et les éléments fixes de la génératrice 36 sont quant à eux portés par un support 39 les reliant au cylindre 32, celui-ci portant par conséquent toute la partie mécanique de la machine, ce qui facilite considérablementme interven- tion éventuelle en permettant de dégager du tube 1, en une seule opération, l'ensemble formé par la turbine et l'appareil entrai- née en rotation. Quel que soit le dispositif entraîné par la turbine, il est préférable de prévoir des moyens permettant de réguler la vitesse de rotation de cette dernière. Dans l'exemple illustré, ces moyens comprennent une dynamo tachymétrique 40 se greffant sur lecorps de l'alternateur 36 et commandant, par l'intermédiaire de relais logés par exemple dans un boîtier 41 placé à l'extérieur du tube, la marche ou d'un ensemble moto-réduc teur (non représenté) agissant sur ltorien- tation de volets 43 à 46 susceptibles de fermer ou d'ouvrir totalement ou partiellement ltentrée du tube 1. On a représenté ici quatre volets 43 à 46 d'axe horizontal disposés symétriquement par rapport au plan de symétrie horizontal du tube 1 et couplés de façon à rester constamment symétriques, pour que les efforts qu'ils reçoivent du vent s'équilibrent. La fermeture de l'entrée du tube 1 peut également être provoquée, selon un mode de réalisation préféré, par un dispositif de sécurité agissant en cas de déplacement axial anormal du rotor de la turbine ou en cas de défaut électrique. Dans l'exemple illustré, l'élément détecteur d'un déplacement axial anormal est constitué par un poussoir 47 logé dans le couvercle 35 du flasque avant 303 ce poussoir est placé dans le prolongement de l'arbre 25 et en contact avec l'extrémité avant 26 de celui-ci de façon à transmettre son éventuel mouvement de translation à un boîtier à contact 48 fermant ou ouvrant le circuitd'ali- mentation du moto-réducteur commandant l'orientation des volets 42 à 46. De préférence, le moto-réducteur et son circuit d'alimentation sont choisis tels que l'on dispose de deux vitesses de la fermeture des volets : une première vitesse, lente, est utilisée lors des variations d'orientation des volets en vue d'une régulation de la vitesse de rotation de le turbine, une deuxième vitesse plus rapide assurant la fermeture immédiate des voletsolorsque le poussoir 47 détecte un déplacement axial anormal du rotor. I1 est à noter que, pour alimenter en électricité le motoréducteur évoqué ci-dessus, on peut avoir avantageusement recours au courant électrique produit par la génératrice 36, dOnt - on redresse une partie dtune part en vue de réaliser l'excitation et d'autre part en vue de charger un accumulateur tampon (non représenté), permettant de disposer en permanence d'un minimum d'énergie. Le courant continu ainsi produit et accumulé est également utilise, selon le mode de réalisation préféré que l'on a illustré, en vue d'assurer une modification d'orientation de l'axe du tube lors d'un changement dans la direction du vent. En effet, de préférence, la machine éolienne selon l'invention est mobile en rotation autour d'un axe fixe 49, ici disposé verticalement et matérialisé par un tube cylindrique 50dans l'extrémité supérieure duquel s'engage un tourillon vertical 53 solidaire du tube ventun 1 ; un roulement 52 est interposé entre l'extrémité supérieure 51 du tube 50 et le tube venturi 1 de façon à faciliter la rotation. Le maintien du tube venturi 1 sur le tube 50 est complété par un jeu de galets 54 dont les axes de rotation sont co-planaires et orientés perpendiculairement par rapport à l'axe 49, ce jeu de galets étant centré sur cet axe 49 de façon à se déplacer, lorsque le tube venturi 1 pivote autour de ltaxe 49, à l'intérieur dsun chemin de roulement annulaire 55 solidaire du tube 1 et disposé perpendiculairement à l'axe 49. Selon un mode de realisation préféré de la machine éolienne selon l'invention, ce pivotement du tube venturi 1 est provoqué automatiquement, par l'intermédiaire d'un moto-réducteur 56 alimenté par la batterie tampon et attaquant, par l'intermédiaire d'un pignon denté 57, une couronne annulaire 58 constituée ici par l'un des bords du chemin de roulement 55 ; la fermeture ou l'ouverture du circuit d'alimentation demoto-reducteur 56 est ici provoquee par un élément 59 détecteur de l'orientation du vent. Ce détecteur est ici réalisé sous la forme d'une girouette 60 placée à la partie supérieure du tube 1 et susceptible de rotation par rapport à celui-ci, autour de l'axe 49. La girouette 60 est porteuse d'un doigt radial 61 susceptible de se déplacer, lorsqu'elle tourne consécutivement à un changement de direction du vent, entre deux contacts fixes par rapport au tube 1, et de fermer l'un d'entre eux, chacun de ces contacts fermant le circuit d'alimentation du moto-réducteur 56 de façon à provoquer la rotation du tube 1 autour de l'axe 49 dans un sens tel que l'axe 2 du tube pivote sur (. la direction indiquée par la girouette 60 ; lorsque 1 a coïncidence est atteinte, le doigt 61 quitte le contact, et le circuit d'alimentation du moto-réducteur 56 stouvre. Dans la mesure où le débattement du doigt 61 entre les deux contacts peut etre faible, ce dispositif assure une coincidence constante entre l'axe 2 du tube 1 et la direction du vent. Dans le cas de ce mode de réalisation, où le tube venturi 1 est susceptible de pivoter autour d'un axe 49, la liaison électrique entre la génératrice 36 et l'extérieur est de préférence assurée par un jeu de balais 62, fixé au tube 1, frottant sur un jeu de bagues collectrices 63 solidaire du tube 50. De même, la liaison électrique entre les contacts du détecteur 59 d'orientation du du vent et le moto-réducteur 56 est également assurée par des balais 64 frottant sur des bagues fixes 65 portées par le tube 50. La machine selon l'invention pouvant être adaptée à de nombreux cas particuliers d'utilisation, sans d'ailleurs que lton sorte pour autant du cadre de la présente demande, des moyens par lesquels elle est supportée peuvent être très variés. On a représenté ici un mode de réalisationsion lequel le tube support 50 est maintenu par une ossature triangulée 66 solidaire par pincement de ce tube 50, (bit elle permet un réglage en hauteur cette ossature 66elle-même portée par un jeu de tubes 67 dont les extrémités inférieures sont réunies par une platine d'appui reposant , par l'intermédiaire d'une bille, sur une pièce analogue fixée au sol, ou sur le toit d'un bâtiment, ou encore sur le plateau d'un camion (ces éléments connus ne sont pas représentés); l'ensem- ble est haubané par des câbles tels que 48, qui sont d'une part ancrés au sol et d'autre part accrochés à la partie supérieure des tubes tels que 67, au niveau de leur articulation sur 1 'ossature triangulée 66. Un tel mode de réalisation du support de la machine selon l'invention permet d'une part d'éviter toute contrainte de flexion dans les supports et d'autre part d'établir facilement la verticalité de l'axe 49, et l'horizontalité de l'axe 2 du tube venturi 1. Naturellement, le mode de réalisation de la machine décrite ci-dessus ne constitue qu'un exemple non limitatif, cette machine pouvant notamment être complétée par des-dispositifs accroissant sa sécurité de fonctionnement, ou par des dispositifs tendant à améliorer son rendement. En ce qui concerne 1es dispositifs de contrôle et de sécurité, on a représenté, par exemple, une lampe clignotante 42 fixée à la partie supérieure de la girouette 60, cette lampe constituant un témoin de fonctionnement de la machine. I1 est à noter que les dispositifs de sécurité éventuels peuvent être alimentés par 11 accu- mulateur tampon déjà cité, c'est-à-dire par la machine elle-même, qui constitue un ensemble totalement automone. En vue de l'amélioration des performances de la machine, on peut par exemple munir la sortie du tube 1 de lames anti-tourbillonnaires évitant tout freinage et d'aires de dépression, aménagées dans les parois du tube 1, pour augmenter la vitesse de ltair à travers la turbine 5. Etant donné le rendement surface-puissance de la machine selon l'invention, bien superieur à celui des machines éoliennes actuellement connues, il est possible de réaliser des installations de petite ou de moyenne puissance sous un encombrement raisonnable par exemple, des calculs ont montré que l'on pouvait ainsi construire des machines d'une puissance de trois K W par un vent de 36kmXh sans que les dimensions du tube venturi dépassent 1 m 50 en longueur et 1 m 20 en diamètre maximal. Une puissance de 15 MW semble tout à fait possible avec une machine de dimension suffisante sans que cette valeur constitue d'ailleurs une limite a priori infranchissable. En outre, il est possible de grouper plusieurs machines selon l'invention en une unité de production de grande puissance. REVENDICATIONS 1) Machine éolienne, caractérisée en ce qu'elle comporte - un tube venturi, dont l'axe est orienté suivant la direction du vent, - une turbine disposée coaxialement à 1 l'intérieur du tube, au niveau de l'étranglement de celui-ci, - des moyens de couplage de la turbine avec l'utilisation. 2) Machine éolienne, destinée à produire de l'électricité, caractérisée en ce qu'elle comporte - un tube venturi, dont l'axe est orienté suivant la direction du vent, - une turbine disposée coaxialement à l'intérieur du tube, au niveau de ltétranglement de celui-ci, - une machine électrique tournante, logée à l'intérieur du tube, dans le prolongement de la turbine, et entrainée en rotation par. cette dernière. 3) Machine éolienne selon la revendication 2, caractérisée en ce que la machine électrique est un alternateur de type à excitation continue séparée. 4) Machine éolienne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la turbine comporte une alternance de roues à aubes rotatives, destinées à transformer le mouvement du flux d'air à l'intérieur du tube en mouvement de rotation, et de roues à aubes fixes, solidaires de la paroi du tube et destinées à orienter le flux d'air. 5) Machine éolienne selon l'une quelconque des revendicatons précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens pour réguler sa vitesse de rotation. 6) Machine éolienne selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens pour réguler sa vitesse de rotation comprennent une dynamo tachymétrique, entrainée en rotation par la turbine, des volets d'admission d'air, susceptibles de fermer totalement ou partiellement ltentrée du tube, et des moyens pour commander la fermeture ou 1 ' ouverture en fonction des données de la dynamo. 7) Machine éolienne selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens pour provoquer la fermeture de du par temple l'entrée du tuneen cas de déplacement axial anormal du rotor de la turbine ou en cas de défaut électrique. 8) Machine éolienne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qutelle est susceptible de piéter autour d'un axe fixe, afin d'autoriser un changement d'orientation de l'axe du tube venturi en fonction d'un changement de la direction du vent. 9) Machine éolienne selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens pour provoquer automatiquement son changement d'orientation lors d'un changement d'orientation du vent. 10) Machine éolienne selon la revendication 9 caractérisée en ce que les moyens pour provoquer son changement d'orientation comportent un organe détecteur de la direction du vent, un ensemble moteur agissant sur l'orientation de la machine, et des contacts électriques, commandés par l'organe détecteur et susceptibles de provoquer la fermeture ou l'ouverture du circuit d'alisentation de l'ensemble moteur. 11) Machine éolienne selon lune quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif accumulateur d'électricité rendant son fonctionnement automone.