Brevet FR2286952A1 — publié le 19760430

La présente invention concerne des améliorations techniques susceptibles d'entre apportées à la construction de l'éolienne de type classiaue (roue à pales à axe hori zontal et dans le sens du vent),en vue d'accroitre sensiblement son rendement global et par la' même sa puissance par unité de surface exposée. L'éolienne traditionnelle est généralement constituée d'un certain nombre de pales radiales situées à intervalles angulaires réguliers autour d'un axe. Ces pales sont disposées face au vent selon un angle de réception déterminé et, de nar leur forme trapézoidale,leur largeur augmente au fure et à mesure que lton s'éloigne de l'axe de manière à compenser l'écartement des pales entre elles, lequel aummente lui aussi dans le même sens. Ainsi le vent exerce une poussée en chaque noint de la sur face de réception occupée par les pales. Toutefois cette action du vent est reçue et transformée très différemment selon qu'elle s'exerce en un point proche de l'axe ou au contraire en un point éloigné de l'axe.En effet, alors que le vent arrive à la méme vitesse en même tens sur toute la surface de l'éolienne et ereree la méme pres sion uniforme en chaque point de réception, chacun de ces points par contre fuit laté ralement à une "vitesse de fuite"ou vitesse de défilement très variable selon que oe point est proche ou éloigné de l'axe de rotation. n résulte de ce mode de construe tion des écarts de rendement considérables d'une extrêmité à l'autre des pales de l'éolienne et d'une façon générale un rendement tout à fait médiocre pour la mageure partie de la surface exposée.Cela est dû prlncipalement au défaut d'uniformité tant en ce qui concerne le fractionnement de la masse d'air en mouvement captée par l'éo- lienne qu'en ce qui concerne le temps de frottement de cette masse d'air sur les différentes parties de la surface des pales. Par ailleurs,pour des raisons de construction,et aussi par manoue total d'inté rêt du point de vue rendement,toute la partie centrale de l'éolienne est laissée libre et le vent traverse ainsi une surface souvent importante sans y étre intercep- té,ce qui est très préjudiciable à la puissance globale fournie par rasnort à la surface occupée. Les différents dispositifs et aménagements suivant l'invention visent à éliini ner au mieux tous ces inconvénients. Ils permettent notamment a) de tendre vers une uniformisation acceptable,appliquée à tous les points de la sur face de réception,du rapport de défilement,c'est à dire du rapport entre la vitesse de défilement du noint de réception et la vitesse du vent.(En fait c'est sur cette notion que l'on doit s'appuyer dans la recherche du rendement uniformisé point par point). b) de tirer parti très valablement de la force du vent exercée sur toute la nartie centrale de l'éolienne. c) d'une façon générale d'atteindre une puissance optimum pour l'ensemble de l'éo- lienne,par rapport à la surface exposée,et oe suivant une "fourchette" très étalée de la vitesse du vent. L'invention est illustrée d'une manière générale par la figure t qui est un as pect d'ensemble vu de l'avant,et par la figure 2 qui est une coupe suivant l'axe de l'éolienne. La disposition des pales sur l'ensemble de la surface de réception est réalisée suivant 1 'invention, selon un fractiornement à la fois circulaire et radial aussi détaillé que possible (voir figure 1). Au lieu d'avoir une seule série de pales disposées autour de l'axe,nous avons plusieurs rangées de pales de dimentions rédui- tes,disposées en anneaux circulaires concentrioues (p,o ,r) ,le tout dans un même plan. chaque anneau occupe une portion ovale du rayon et ainsi toutes les pales sont d' ega- le longueur radiale (e). De plus la disposition circulaire des pales est réalisée de manière à ce que I 1on ait à tous les niveaux rigoureusement le même intervalle moyen (i)entre deux pales consécutives. Dans le cas illustré sur les figures 1 et 2,nous avons trois anneaux c'est à dire trois rangées concentriques de pales(u,q,r) avec DE1=E2F1=F2G= e. Les lettres A, B et C désignant les milieux de ces trois segments, si par construction nous avons comme dans le cas présent OA = 2x, OB = 3x et OC = 4x, et si nous disposons par er- emple 48 pales sur l'anneau (p),nous en disnoserons 72 sur l'anneau (q) et 96 sur l'anneau (r) de maniére à respecter le rapport 2,3,4. Ainsi l'intervalle (i) compris entre les milieux de deux pales consécutives quelles qu'elles soient,est toujours rigoureusement le même. Ainsi suivant l'invention l'ensemble de la surface de réception de I l'éolienne est divisée en un très grand nombre de petites cellules de réception, (dans l'illustration de la figure 1 au total 216),toutes identiques bien que disposées à des niveaux différents du rayon : Chacune d'elle comporte une pale standardisée présentant au vent la même surface et le mme angle de réception. Le fractionnement de la masse d'air arrivant sur la surface de réception est ainsi réalisé d'une manière relativement régulière,puisoue les écarts d'intervalles entre deux pales successives d'un point à un autre de cette surface ne peuvent plus varier que dans des proportions très faibles. Il ne reste plus @u'un facteur à uniformiser,à savoir le rapport de défilement,lequel varierait Si tous les anneaux étaient solidaires les uns des au-tres ,proportionnellement à la distance entre le point de réception et l'axe de rotation. I1 convient pour cela oue toutes les pales soient entrainées par le vent,non nlus à la même vitesse angulaire de rotwetion,mais à la même vitesse moyenne de défilement tangentiel. Dans ce but les différents anneaux sont concus suivant l'invention de façon à ce ou'ils tournent à des vitesses moyennes de défilement identiques, c'est à dire nécessairement à des vitesses de rotation différentes, et ce suivant une relation mathématique bien déterminée : le rapport des vitesses de rotation de deux anneaux l'un nar rapport à l'autre est inversement pro- nortionnel au rannort de leur rayon moyen. Plus un anneau est rapproché de l'axe de rotation,xlus il tourne vite et inversement. Les rapports constants de vitesse de rotation des anneaux les uns par rapport aux autres sont assurés en permanence grâ@@ à @@ système de transmission mécanique à démultiplication (t),reliant chacun des anneaux soit directement à l'arbre (figure3), soit à l'anneau suivant (figure 4),l'anneau extérieur étant lui seul solidaire de l'arbre dans les deux cas. Dans l'illustration présente,(figures 1,2,3 et 4),&alpha;C/&alpha;A, égal à l'inverse de OC/OA, vaut donc 2/4 soit ,c'est à dire que A fait deux tours pendant que C en fait un.De même,&alpha;C/&alpha;B,inverse de OC/OB,vaut 3/4 c'est à dire que B fait quatre tours pendant que C en fait trois,ou bien eue B fait s de tour soit 1,33 tour pendant que C en fait un, d'où la table de rapports,à suivre scrupuleusement pour la réalisation des engrenages : &alpha;A = 2 &alpha;B=1,33 &alpha;C=1 Si les rapports de vitesse de rotation définis sont bien respectés,la vitesse de défilement est ainsi pratiquement la même en tout point de la surface de réception de l'éolienne et de ce fait on peut contrôler valablement cette vitesse de défilement de l'ensemble ainsi constitué,en chargeant plus ou moins l'arbre moteur selon le ré- gi@e du vent, afin d'obtenir à tous les régimes la puissance maximum. n est à noter que les anneaux de pales peuvent ainsi suivant l'invention être reproupés par deux ou plusieurs pour leur rotation. La fiiure 5 illustre le cas d'usa éolienne constituée de 6 anneaux formant deux groupes de 3. Suivant une réalisation de l'invention, on améliore encre la puissance obtenue en faisant varier automatiquement la largeur (ou profondeur) des pales en fonction de la vitesse du vent. Dans ce cas chaque pale est constitue de plusieurs parties coulissant les unes dans les autres dans le sens de la profondeur,comme illustré sur les figures 6 et 7. La partie extérieure (a) est fixée an bâti de l'annean porteur et la partie intérieure (c) est reliée an dispositif de commande,(servo-mécanisme électro-pneumatique par exemple),lequel agit simultanément et avec la même amplitude (d) sur toutes les pales de l'éolienne. La figure 6 montre le dispositif en largeur de pales minimum um et la figure 7 en largeur de pales maximum. Suivant une réalisation de l'invention, un déflecteur de forme aérodynamique (f) est disposé à l'avant de l'éolienne,centré sur l'axe carme il est montré figure 2 de manière à couvrir toute la partie centrale non exploitée. Son but est de dévier le vent de cette sone où il ne peut pas être utilisé, vers la surface de réception proprement dite,et ce en le freinent la loins possible. Sa forme,de coupe parabolique, est étudiée à cet t effet avec le plus grand soin, et la matière de son revêtement ex- térieur est la plus lisse possible. Suivant une réalisation de l'invention, le déflecteur central est conçu à gXo- métrie variable, c'est à dire qu'il peut à volonté et automatiquement se déployer ou se rétrécir, depuis la bordure intérieure w de la surface de réception jusqu'à un niveau voisin N de sa bordure extérieure. L'intérêt de ce dispositif variable,précisé par expérimentation, est fondé sur la loi physique du couple de forces et sur l'im- portance relative de la perte d'énergie provoquée par le frottement dd à la déviation du vent : Plus la force du vent est exercée loin de l'axe de l'éclienne,plus la puissance obtenue à l'arbre est importante.Dans la mesure où le gain de puissance par déviation du vent vers la périphérie est supérieur à la perte de puissance par frettement, la balance est positive et la déviation augmente la puissance de l'éolienne. L'angle d'ouverture souhaitable est déterminé expérimentalement selon la vitesse du vent et il ne fait pas de doute que par très grand vent le fait de dévier les forces au marimum vers la bordure tout à fait extérieure de la surface de réception augmen- te considérablement la puissance disponible à l'arbre de l'éolienne. DRns lune des réalisations de ce déflecteur central à géométrie variable,l'ar- mature de celui-ci est constituée par une série de supports rigides (8) de forme appropriée disposés en rond à intervalles réguliers autour de l'axe. Ces supports sont regroupés d'une part à l'avent autour d'une calotte (h) sur laquelle ils sont en (u), d'autre part à l'intérieur autour d'un coulisseau (k),chaque support (s) étant relié au coulisseau (k) en deux articulations (v) et (w) par une biellette (1). L'ensemble de cette structure est recouverte d'une enveloppe réalise avec une matière élastique et résistante,laquelle doit suivre le déploiement ou le rétrécissement impliqué sans se détériorer ni se plisser, en conservant toujours la forme voulue et en offrant au vent une résistance minimale. La position d'ouverture du déflecteur (f) est commandé automatiquement, selon un programme établi en fonction de la vitesse du vent, par un servo-mécanisme (r) actionnant un vérin (y) ,pneumatique ou autre, leouel vérin donne au coulisseau (k) la position souhaitée sur l'axe. Dans le cas où l'invention est réalisée avec déflecteur central à géométrie variable, les anneaux de pales intérieurs peuvent ttre le cas échéant débrayés automatiquement au moyen dtun dispositif approprié, lorsque la base du déflecteur les recouvre, de manière à ce qu'ils ne freinent pas inutilement la rotation de l'ensemble. Suivent une réalisation de l'invention, l'éolienne comporte en outre un déflee- teur périphérique fixe (E), soit de section droite tronc-cônique ou légèrement galbée, disposé tout autour de la surface de réception comme indicé sur les Figures I et 2, et destiné surtout en cas de grand vent, o retenir en direction de la surface de réception les masses d'air déviées par le déflecteur central. R E V E N D I C A T I O N S 1) Machine à vent ou éolienne constituée essentiellement d'une roue à pales radiales dont l'axe horizontal se place dans le sens du vent. Cette éolienne est caractérisée par le fait que la force du vent, déviée d'une partie plus ou moins grande de la surface occupée, est exploitée sur l'ensemble de la surface de réception proprement dite d'une manière uniformisée et adaptée aux variations de cette force. 2 ) MaChine selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la surface de réception est fractionnée le plus possible aussi bien dans le sens radial oue dans le sens circulaire s Les pales, toutes identiques et de dimentions réduites, sont disposées à intervalle constant en plusieurs rangées concentriques. 3 ) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les rangée cofr- centrioles de pales sont entrainées, séparément ou par groupes, à une vitesse moyenne de défilement tangentiel commune,c'est à dire à des vitesses de rotation différentes d'une rangée à l'autre ou d'un groupe de rangées à l'autre, grâce à un système de transmission mécanique reliant ces rangées ou ces groupes de rangées soit entre eux ou directement à l'arbre,selon des rapports de démultiplication choisis. 4 ) Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que les pales constituées de plusieurs parties coulissant les unes par rapport aux autres dans le sens de la profondeur que l'on fait varier autosatiquement selon la vitesse du vent de manière à prolonger son action à souhait. 5 ) Machine selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la force du vent est déviée du milieu de la surface occupée vers la surface de réception proprement dite, et symétriquement par rapport à l'axe, par un déflecteur central fixe de forme aérodynamique. 6 ) Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le déflecteur central est à géométrie variable, se déployant et se rétrécissant automatiquement selon la vitesse du vent. Sa structure est ootposée de longerons galbés,disposés en rond autour de l'axe et articulés à l'aaant. Ces longerons sont écartés de l'are ou ramenés vers celui-ci,tous ensemble,par des biellettes réunies autour d'un dispositif central coulissant sur l'axe. La structure est recouverte d'une enveloppe élastique et lisse épousant bien dans tous les cas la forme et la dimention requises. 7 ) Machine selon la revendication 1, caractérisée par le fait nu'elle comporte un déflecteur périphérique.