Brevet FR2288233A1 — publié le 19760514

-DE SCRIPT ION- Rotor éolien a aubes à orientation commandée. La présente invention concerne les machines a axe vertical transformant en énergie mécanique l'énergie éolienne. Les machines de ce genre, à axe vertical et aubes orientables, sont conçues généralement de façon à présenter leur plus grande surface au vent dans leur parcours moteur et leur plus faible profil au vent dans leur parcours contre le sens de celui ci, ceci est généralement obtenu par une déformation ou une rotation sur elles-mémes provoquée par le vent lui-même, dès lors que l'orientation de l'aube par rapport au vent contrarie la rotation de la machine. Le mouvement des aubes n'étant pas commandé mtcaniqaeaent leur détérioration est rapide du fait des chocs qu'elles subissent.Ces aubes sont souvent de forme complexe mais invariable en fonction de la vitesse du vent offrant donc une surface constance a l'action de celui-ci et quelle que soit sa vitesse, il s'ensuit une détérioration rapide de la machine en cas de tempête. Le dispositif suivant l'invention permet d'éviter ces inconvénients. L'orientation des cadres porteurs d'aubes suivant la direction du vent par un asservissement commandé par une girouette donne à ceux-ci un mouvement continu et régulier sans chocs ni à-coups. Les cadres se présentant de profil puis de face au vent, la prise du vent sur ceux-ci est minimale dans le trajet du cadre contre le vent, et maximale dans le trajet du cadre au vent. Les aubes en s'sorientant automatiqueient sous la force-du vent et en présentant d'autant moins de surface que celui-ci est violent, permettent sans annuler la puissance captée dlévi- ter la détérioration de la machine en cas de tempête. D'autre part, la girouette n'a pour fonction que d'indiquer au système d'asservissement la direction du vent et non d'orienter toute la machine face au vent comme c'est le cas dans les machines classiques, ses dimensions sont donc réduites ce qui permet d'éviter un encombrement excessif et des forces d'inertie importantes dans le cas de vents instables. Le dispositif suivant l'invention comprend un rotor à axe vertical formé d'un fut en tube ou structure métallique et de deux structures métalliques planes fixées perpendiculairement au fût en chacune de ses extrémités et de façon à ce que l'ensem- ble soit dynamiquement équilibré.Ce rotor peut librement tourner sur un axe vertical, il comporte une butée et des paliers de soutien dont la partie mobile est fixée sur le rotor et la partie fixe est fixée sur une structure fixe, telle que tour, pouvant présenter une partie verticale concentrique du fût et de hauteur sensiblement égale ou supérieure si l'on prévoit de }'hL Le rotor comprend au moins un cadre à axe- vertical ti ~ rotation dans deux paliers fixés à l'aplomb l'un de l'autre sur l'une et l'autre des deux structures en boùt du fût.Ce cadre est commandé en rotation par l'intermédiaire d'une transmission Z et d'un asservissement qui conjugue ltorientation du cadre avec celui de la girouette dans le mouvemeat-de rotation du rotor de façon à ce que dans sa trajectoire circulaire le cadre se présente de profil au vent pendant un demi tour et radialement au rotor pendant le demi tour suivant, les demi circonférences parcourues étant délimitées par le diamètre parallèle à la direction du vent. Selon une autre réalisation de l'invention, le cadre est solidaire en rotation dans le rapport de 1 à 2 et ce par l'inter mXd4aire d'une transmission classique à channe, arbre et couples de pignons coniques, hydraulique, ou arbre électrique, d'un moyeu à axe vertical proche de l'axe du rotor, libre en rotation dans un palier fixé sur une des structures métalliques (ici et dans la suite de l'exposé on se fixera à titre d'exemple la structure supérieure) de façon donc à ce que le moyeu tourne sur lu - même de un tour quand le cadre pivote de /2 tour dans le même sens de rotation. Selon une autre réalisation de l'invention ce moyeu est axe mandé en rotation sur lui-meme par un asservissement sensiblc - changement de direction du vent et lui faisant faire, dans le mouvement de rotation du rotor, un tour sur lui-mme quand, à direction de vent constante, le rotor exécute sur 1/2 tour sur lui même.Selon une autre réalisation de l'invention cet asservissement se compose d'un secteur denté centre-sur l'axe du rotor engrénant avec une roue intermédiaire tournant datas un palier fixé sur la structure supérieure, engrénant elle-mFme avec une roue dentée de diamètre moitie de celui du secteur-dent6, fixée sur le moyeu et concentriquement à celui-ci d'une part, et d'autre- part d'un tourillon vertical excentré formant manivelle soli daire du moyeu, guidé par une came à axe vertical avec laquelle il est en contact constamment, taillé dans un plateau horizontal centré sur l'axe du rotor. Selon une autre réalisation de l'invention ce plateau comporte une pale radiale excentrée fixée sur lui par un bras, formant girouette. Quand le rotor tourne autour de son axe, la girouette étant supposée immobile la roue intermédiaire, qui engrène avec le secteur denté pendant un demi tour de rotor, entraîne le moyeu dans le sens contraire de rotation du rotor, lui faisant faire simultangent un tour sur lui-même quand le rotor fait un demi tour, simultanément le cadre commandé par le moyeu realise un demi tour sur lui-même dans le sens contraire de rotation du rotor. Le cadre s'est donc, pendant ce demi tour du rotor, déplacé sur une demie circonférence et parallèlement à lui-même. Dans ce mouvement, le tourillon excentré sur le moyeu décrit autour de l'axe du rotor, une demie ellipse suivant laquelle est taillée la came qui lui sert de guide. Au départ de ce mouvement, le cadre est calé parallèlement à la girouette (donc radialement) le parcours qu'il réalise est celui contre le vent auquel il se présente de profil, à la fin du msxveswnt il se retrouve en position radiale et diamétralement opposée à la position de début de mouvement. Au début du demi tour suivant du rotor, la roue intermédiaire dégrène du secteur denté et des lors le cadre reste fixe sur son axe gardant sa position radiale de départ de ce second mou vement, il offre alors une prise au vent proportionnelle au si nQs de l'angle de\rotation du rotor. Pendant ce mouvement, le tourillon excentré sur le moyeu décrit autour de l'axe du rotor un demi cercle suivant lequel est taillé la came qui le guide Dans cette phase active du mouvement, le cadre est soumis à un couple variable qui tend à le faire pivoter sur son axe, ce couple est transmis au moyeu qui ne tourne pas grâce au couple produit par la réaction d'appui de la came sur le tourillon faisant fonction de manivelle, cette réaction est radiale au rotor et ne provoque donc d'autre couple résistant à la rotation du rotor que celui dû aux frottements du système came tourillon. Une variante de l'invention consiste a remplacer le secteur dents par un secteur à friction entrainant la roue intermédiaire par friction sur une roue prévue à cet effet et fixée concentri quement à la roue intermédiaire. Ainsi qu'il apparaît dans cette description, le secteur denté et la came, centrés sur l'axe du rotor, peuvent être communs à plusieurs cadres disposés régulierement dans le rotor et reliés chacun à un moyeu comme il est dit plus haut. S'il y a au moins deux cadres, il se trouve qu4à tout instant l'un d'entre eux est de profil au vent faisant ainsi fonction de girouette, les transmissions et asservissements étant reversibles on peut dans ce cas supprimer la girouette. Si la partie demi circulaire ae la came est indispensable pour servir de guide au tourillon, pendant le demi tour du rotor où le secteur et la roue intermédiaire n'engrènent pas ensemble, il est évident que la partie semi elliptique ne l'est pas, le tourillon décrivant cette courbe de part sa fixation excentrée sur le moyeu. Par contre, il sera utile de réaliser tout ou partie de cette courbe à chaque extrémité de la partie semi circulaire pour faciliter l'engrènement et le dégrènement du secteur denté et des roues intermédiaires. Suivant une autre réalisation de l'invention, chaque cadre est composé d'au moins un montant vertical, tube ou profilé, ou de plusieurs reliés entre eux par des traverses horizontales. Suivant une autre réalisation de l'invention chaque cadre comprend au moins une aube. Chaque aube est réalisée en un matériau très léger, sa section est bi-triangulaire, composée par deux trapèzes isocèles de hauteur différente et de bases égales accolées, elle comporte un axe longitudinal perpendiculaire à cette section passant par la base commune aux deux triangles. Une réalisation de l'invention est que chaque aube est constituée d'un axe en matériau léger ou métal léger, aluminium par exemple, sur lequel est soudée une structure légère, l'ensemble étant enrobée de mousse de polyuréthane ou de polystyrène expansés suivant la section bi-triangulaire décrite ci-avant une feuille mince métallique, plastique ou tissée, en aluminium par exemple, étant collée sur la surface de l'aube et d'une façon continue pour en augmenter la résistance à la flexion et protéger la matière de la pluie. Chaque aube est montée.sur son cadre par des paliers soutenant son axe horizontalement et fixés sur les montants du cadrede façon à ce que deux aubes adjacentes soient bord à bord et que leurs sections soient, vues de profil, disposées symétrique ment par rapport au bord commun. Suivant une autre réalisation de l'invention les axes des aubes sont reliées en rotation, deux a deux, par des liens élastiques de façon à ce que dans leur mouvement de rotation ; inverse l'un de l'autre, des liens soient tendus en fonction de leur angle de rotation. Pour cela, sur chaque axe est fixé et perpendiculairement à celui-ci au moins un disque en un point du pourtour duquel est fixé une extrémité du lien élastique, ressort à boudin ou sandow par exemple, et sur le pourtour duquel il s'enroule dans une gorge prévue à cet effet, l'autre extrémité étant identiquement reliée au disque de l'axe de l'aube correspondante dans le même sens d'enroulement. Une réalisation de l'invention est que le disque est périphériquement taillé suivant une courbe appropriée, correspondant à la variation désirée de la tension du lien par rapport à la variation angulaire de rotation des aubes. Les aubes étant excentrées sur leur axe, la poussée du vent crée sur elles un couple équilibré par la tension du lien élastique. Aux grandes vitesses du vent les aubes peuvent atteindre la position horizontale pour laquelle elles offrent une résistance minimum, ce qui constitue leur protection. Chaque cadre présente alternativement au vent chacune de ses deux faces ; il est donc nécessaire de relier chaque disque d'axe d'aube son homologue par un lien élastique symétrique de celui décrit précédemment. Les disques d'axes d'aubes sont donc reliés deux à deux par deux liens élastiques identiques, fixés sur eux, et s'y enroulant dans le même 'sens. Une réalisation de l'invention est que le rotor entraîne par une transmission classique un générateur de courant électrique. Les dessins annexés illustrent, a titre -d'exemple, un mode de réalisation du dispositif conforme à la présente invention, la fle- che V représente le sens du vent. Tel qu'il est représenté, le dispositif comprend (PLI-3, Fig.1) un fût 1 comprenant desu bras radiaux 2, tournant autour d'un pivot fixe 4. Les bras 2 comportent des paliers dans lesquels tourne un cadre 3 relié par la roue dentée 10 et la chaîne 20 à la roue dentée 9 solidaire de la roue dentée 8 et du mane ton excentré il porté par un bras 23 fixé comme les roues 8 et 9 sur l'axe 24 tournant dans un palier fixé par le bras 2. L'arbre 24 et les pièces 8,9, et 23 forment le moyeu cité dans la description. La roue 8 entraîne la roue intermédiaire 7 cui engrène avec le secteur denté 6 fixé sur l'axe 5 tournant dans un palier ménagé dans le pivot 4, sur cet axe 5 est fixé le disque 12 dans lequel est taillé la rainure qui sert de guide au maneton 11 fixé sur le bras 23, sur ce disque est fixé la girouette 13. La figure 2 représente en plan le secteur 6 la roue intermédiaire 7 le moyeu composé des roues 8 et 9, et du bras 23, du maneton 11 et de la roue 10 fixée sur l'axe du cadre. La figure 3 (PL II-3) représente en vue de dessus six positions du bras 23 et du maneton 11 dans leur mouvement autour du pivot 4 : Du point D au point E par le parcours elliptique, le maneton 11, commandé par le secteur 6 et les roues 7 et 8, a réalisé un tour autour de l'axe 24 dans le même sens, faisant faire au cadre un demi tour sur lui-même et ce pendant que le rotor réalise un demi tour dans le sens contraire, le cadre reste donc parallèle à lui-même dans ce mouvement. Du point E au point D, par le parcours circulaire, le maneton 11 ne tourne pas autour de l'axe 24, le cadre garde alors sa position radiale pendant ce mouvement. Le dispositif représenté en PL III - 3 Fig. 4, est un cadre 3 muni de 2 aubes 14 fixées à des axes 15 tournant dans des palier portés par les montants du cadre 3, et portant fixés sur eux des disques a-gorge 17 reliés entre eux par des liens élastiques 18 (Fig. 6) ces liens sont fixés aux disques par des goupilles 19. Les aubes sont constituées par l'axe 15, les renforts 16, la mousse, de polyuréthane par exemple, 22 et recouvertes de la couche raidisseuse et étanche 21. En cas de vent violent, les aubes pivotent en sens contraire créant une ouverture entre elles et exerçant une tension sur le lien élastique 18 jusqu'à la position d'équilibre. La figure 7 représente un schéma d'un rotor à quatre cadres. Le dispositif, objet de l'invention peut être utilisé comme source motrice pour toutes applications adaptées à l'intermittence du vent et notamment à la production de courant électrique qui peuj être utilisé ou stocké par les moyens connus. - REVENDICATIONS Machine rotative à axe vertical et aubes à orientation commandée, destinée à transformer l'énergie éolienne en énergie mécanique, caractérisée par le fait que les aubes offrent au vent leur plus faible surface dans leur parcours résistant et leur plus grande surface dans leur parcours moteur, et qu'elles diminuent cette surface exposée en fonction de l'augmentation de la force de ce lui-ci afin de ne pas être détruites en cas de tempête. 2-Dispositif suivant la Revendication 1. Caractérisé par le fait que le cadre porteur d'aubes est orien tédans la rotation du rotor et suivant sa position, par une transmission et un asservissement dépendant d'une girouette con centrique au rotor. 3-Dispositif suivant la Revendication 2. Caractérisé par le fait que la transmission et l'asservissement se composent d'une transmission de mouvement de rotation entre l'axe du cadre et un moyeu à axe vertical, dans le rapport de 2 à 1 du moyeu vers le cadre, dans le même sens de rotation, et que l'asservissement est réalisé par un secteur denté concentrique du rotor solidaire de la girouette, entraînant dans le même sens que lui, le moyeu dans le rapport de 1 à 2 du secteur vers le moyeu et ce à l'aide d'une roue dentée intermédiaire, les moyeux, roue intermédiaire et axe du cadre tournant dans les paliers fixés sur un bras radial du rotor. ~ 4-Dispositif suivant la Revendication 3. CarstErisé par le fait que le moyeu porte un tourillon excentré décrivant une demi ellipse dans le parcours du cadre de profil au vent et un demi cercle dans le parcours du cadre radialement au rotor, et que 'ce tourillon suit une rainure à effet de came taillée suivant ces courbesraccordées l'une à l'autre dans un plateau centré sur le rotor, portant la girouette ou reliée di rectement à elle. 5-Dispositif suivant la Revendication 4. Caractérisé par le fait que pour un rotor comprenant plusieurs cadres, la girouette est supprimée ou réduite en dimension ne servant alors qu'à assurer le démarrage de la machine toujours dans le même sens. 6-Dispositif suivant la Revendication 5. C=iDtérisé par le fait que chaque cadre comprend au moins deux aubes orientables sur un axe horizontal. 7-Dispositif suivant la Revendication 6. Caractérisé par le fait que chaque aube pre%ente un profil bi trapézoidal asymétrique. 8-Dispositif sui7ant la Revendication 7. Caractérisé par le fait que les aubes sont montées deux a deux de façon symétrique, par rapport à leur bord commun, les surfa ces excentrées les plus grandes étant adjacentes. 9-Dispositif suivant la revendication 8. Caractérisé par le fait que les axes des aubes sont reliés deux à deux dans leur rotation inverse par des liens élastiques ex centrés, créant un couple résistant à leur rotation et ce dans chaque sens. 10-Dispositif suivant la Revendication 9. Caractérisé par le fait que le profil des cylindres sur les quels s'enrouLent les liens élastiques est déterminé de façon à donner au lien la tension créant le couple résistant égal au couple créé par le vent sur Iraube et dans l'inclinaison de cel le-ci qui correspond au maximum de prise au vent admise en fonc tion de sa résistance propre et de la vitesse du vent considé rée Il-Dispositif suivant la Revendication 10. Caractérisé par le fait que les aubes sont réalisées en mousse synthétique, en polyuréthane ou polystyrdne expansés, par ex emple, enrobant une structure Légère en métal ou tout autre matériau léger, et par le fait que cette mousse est recouverte sur toute sa surface et sans discontinuité, d'une couche adhé rente formée par une matière tissée inextensible, ou d'une fi bre de matière plastique, ou encore une feuille métallique en aluminium par exemple, afin de réaliser une armature augmentant sa résistance à la flexion et de protéger l'aube de liteau et des matières corrosives.