Brevet FR2286292A1 — publié le 19760423

La présente invention a pour objet un dispositif destiné à capter l'énergie des vents, encore appelée énergie éolienne, essentiellement dans le but de la transformer en énergie électrique. La solution généralement retenue pour capter l'énergie des vents est l'utilisation d'une hélice d'axe horizontal, orientable suivant la direction du vent. Ce type d'éolienne présente des inconvénients et il est en particulier encombrant, lourd, inesthétique et non extensible. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients et à cet effet elle fournit un dispositif de conception mécanique simple qui présente, par rapport aux réalisations connues, l'avantage d'etre léger, compact, extensible à souhait à partir d'un élément standard, et de pouvoir être placé d'une façon très esthétique sur le toit d'une maison particulière, d'une usine, d'un barrage, d'un immeuble ou de tout autre bâtiment. le dispositif selon l'invention est essentiellement constitué par au moins un rotor monté sur un axe sensiblement perpendiculaire a' la direction du vent et portant à sa périphérie au moins une pale dont l'axe de symétrie, également axe de rotation, est parallèle à l'axe du rotor et est lié à des moyens de transmission prévus de manière que chaque pale décrive autour de son axe une rotation sur elle-m8me â une vitesse angulaire égale à la moitié de celle du rotor. Pour obtenir un fonctionnement correct, les moyens de transmission précités sont en outre agencés de manière que le plan de chaque pale se trouve normalement sensiblement parallèle à la direction du vent lorsque son axe rencontre l'une des extrémités d'un diamètre fixe perpendiculaire à la direction du vent. le dispositif comprend par exemple deux pales se présentant en général obliquement par rapport à la direction du vent, l'orientation des pales obtenues par les moyens de transmission précités étant telle que l'action du vent sur ces pales provoque la rotation permanente du rotor, dans un sens invariable. Il est à noter que chaque pale n'effectue qu'un demi-tour sur ellemême à chaque rotation d'un tour du rotor; cependant le profil symétrique de la pale lui permet de se retrouver dans une position identique à sa position initiale après cette rotation d'un demi-tour. L'énergie mécanique recueillie sur l'arbre du rotor peut être transmise à une génératrice électrique dont la puissance est bien entendu fonction des dimensions et du nombre des pales, le rotor portant, par exemple, deux pales diamètralement opposées dont les plans restent à tout instant perpendiculaires. Une puissance élevée peut être obtenue en accouplant plusieurs rotors identiques, par exemple en les montant bout-àbout sur un arbre commun. Suivant les modes de réalisation, les axes de rotation des pales sont soit horizontaux, soit verticaux. Dans le cas d'axes horizontaux, il convient d'orienter ces axes perpendiculairement à la direction des vents dominants. Dans le cas d'axes verticaux, ces derniers se trouvent automatiquement perpendiculaires à la direction du vent, quelle que soit cette direction. Dans une forme de réalisation particulière de l'invention, l'une au moins des pales est liée à des moyens de transmission comprenant un pignon normalement fixe, coaxial à l'arbre du rotor, un second pignon porté par l'axe de la pale et ayant un nombre de dents double de celui du premier pignon, et une chaîne sans fin ou une courroie crantée reliant ces deux pignons. I1 est par exemple prévu un pignon normalement fixe, coaxial à l'arbre du rotor, pour l'entraînement en rotation de chaque pale. D'autres réalisations des moyens de transmission pour l'entraine- ment en rotation des pales restent possibles et elles seront signalées plus loin. Dans le cas d'une réalisation avec pales à axes horizontaux, des moyens peuvent être prévus pour modifier la position angulaire du ou des pignons coaxiaux à l'arbre du rotor, selon la force du vent. On peut ainsi réaliser un contrôle de la vitesse du rotor. Dans le cas d'une réalisation avec pales à axes verticaux, des moyens, par exemple un gouvernail, peuvent être prévus pour modifier la position angulaire du ou des pignons coaxiaux à l'arbre du rotor, selon la direction du vent, de manière que le plan de chaque pale se trouve sensiblement parallèle à la direction du vent lorsque son axe rencontre l'une des extrémités d'un diamètre fixe perpendiculaire à la direction du vent. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le rotor est disposé à l'intérieur d'une construction munie, sur l'une au moins de ses faces, d'auvents d'inclinaison règlable permettant le contrôle de l'entrée de l'air. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d' exemples non limitatif s, deux formes d'exécution de ce dispositif destiné à capter l'énergie des vents Figure 1 est un schéma de principe de l'invention, montrant les positions sudcessives d'une pale au cours de son mouvement; Figure 2 est une vue de face, avec coupes partielles, d'une première réalisation avec axe horizontal, munie de deux pales; Figure 3 est une vue en coupe transversale de cette réalisation, suivant 3-3 de figure 2; Figure 4 est une vue de face, avec coupes partielles, montrant la partie inférieure d'une réalisation similaire à celles des figures 2 et 3 mais avec axe vertical. La figure 1 représente schématiquement les positions successives, indiquées par les chiffres romains I à VIII, d'une pale 1 du dispositif selon l'invention. Vue en projection sur un plan perpendiculaire à son axe de symétrie 2, la pale 1 apparaît comme un segment de droite dont le milieu tourne, dans le sens indiqué par une flèche 2, autour d'un point fixe o, en décrivant un cercle 4. La pale 1 possède un mouvement de rotation propre autour de son axe 2, mouvement dont la vitesse angulaire est égale à la moitié de la vitesse angulaire de l'axe 2 autour du centre o, de sorte que - Lorsque 1' axe 2 a effectué un quart de tour (position III), la pale 1 a tourné de 450. - Lorsque l'axe 2 a effectué un demi-tour (position V), la pale 1 a tourné de 9001 - Lorsque l'axe 2 a effectué trois-quarts de tour (position VII), la pale 1 a tourné de 1350. - lorsque l'axe 2 a effectué un tour complet (retour à la position I), la pale 1 a tourné de 1800. Ce mouvement-est par exemple obtenu en prévoyant un pignon fixe 2 centré au point o, un pignon 6 lié à l'axe 2 et ayant un nombre de dents double de celui du pignon 2, et une channe sans fin 2 reliant les pignons 5 et 6. Pour fonctionner convenablement, le dispositif doit être normalement orienté de telle façon que, si la direction du vent eSt celle indiquée par des flèches 8, la pale 1 se trouve paral lèle à la direction du vent lorsque son axe 2 rencontre l'une des extrémités du diamètre 9 perpendiculaire à la direction du vent. Il en résulte que la pale 1 se trouve perpendiculaire à la direction du vent lorsque son axe 2 rencontre l'autre extrémité du diamètre 9. Les réalisations pratiques représentées aux figures 2 à 4 comprennent deux pales rectangulaires 1 et 1' dont les axes respectifs 2 et 2' restent à tout moment diamètralement opposés. Dans le mode d'exécution des figures 2 et 3, les axes 2 et 2' sont horizontaux. Un support 10 de forme connue comporte deux paliers Il et 12 dans lesquels peut tourner un arbre horizontal JI muni, à ses extrémités, de deux bras radiaux 14 et X parallèles. Les extrémités du bras 14 portent des paliers 16 et 16', tandis que les extrémités du bras JI portent des paliers 2 et 22y, tous ces paliers étant équidistants de l'axe de l'arbre 13. Cet ensemble mobile est désigné,dans la suite,par le terme '1rotor". Les paliers 16 et 2 , situés en vis-à-vis, supportent l'axe 2 de la pale 1; de même, les paliers 16' et 17' supportent l'axe 2' de la pale 1'. Il est à noter que ces axes 2 et 2' sont à la fois axes de rotation et axes de symétrie pour les pales respectives î et 1'. Le support 10 porte, concentriquement au palier 11, deux pignons à chaîne fixes et de mêmes dimensions 5 et . L'axe 2 porte un pignon à chaîne 6 dont le nombre de dents est double de celui des pignons 2 et y, et une chaîne sans fin 2 relie les pignons 2 et 6. De même, l'axe 2' porte un pignon à chaîne 6' dont le nombre de dents est égal à celui du pignons 6, et une seconde chaîne sans fin 71 relie les pignons 5' et 6'. Au montage, les pales 1 et 1' sont placées perpendiculairement l'une à l'autre etliées en rotation par les pignons et chaînes précités, elles restent par la suite toujours perpendiculaires au cours de leur mouvement. La figure 3 représente ce dispositif à l'intérieur d'une construction spéciale comportant un toit 18, des auvents 19 pour l'entrée de l'air et des auvents 20, sur la face opposée, pour la sortie de l'air. Les auvents 19 peuvent tourner autour de leurs axes horizontaux 21 et sont commandés en synchronisme au moyen d'une barre verticale 22 articulée à des leviers solidaires des différents auvents. Un volet J2 disposé face auvent, au sommet de la construction, et solidaire d'un levier coudé 24 articulé autour d'un axe horizontal i2, commande la barre 22 par l'intermédiaire d'une bielle 26. La figure 4 représente, très partiellement, une réalisation similaire à celle des figures 2 et 3 mais avec deux pales 1 et 1' dont les axes respectifs 2 et 2' sont verticaux. Le double pignon 5 , au lieu d'être fixe par rapport au support 10 comme dans le cas précédent, est monté libre en rotation autour de son axe grâce à des paliers supplémentaires i2. Ce double pignon est solidaire d'une tige radiale 28 portant, à son extrémité libre, un gouvernail 29. Le principe de fonctionnement du dispositif selon l'invention est illustré par la figure 1 qui permet de constater que le vent, dont la direction est représentée par les flèches 8, est sans action sur une pale 1 se trouvant dans la position I, tandis que pour toutes les autres positions la force F exercée par le vent sur la pale se décompose en une force tangentielle Ft provoquant la rotation de la pale, et par suite de l'ensemble du rotor, dans le sens de la flèche 3, et en une force f située dans le plan de la pale et par conséquent sans effet sur cette dernière. Dans le cas d'un rotor portant au moins deux pales, il y a en permanence au moins une pale qui transmet la force du vent au rotor, provoquant sa rotation.L'arbre JI du rotor porte par exemple une poulie 30 (voir figure 2) qui entraîne une génératrice électrique, non représentée. Dans le cas des figures 2 à 4 où le rotor porte deux pales 1 et 1', on note que l'ensemble est constamment équilibré, statiquement et dynamiquement, sous réserve que le rotor le soit et que les pales tournent autour de leur centre de gravité. Après une rotation d'un demi-tour du rotor, la pale 1' prend la position initiale de la pale 1 et vice-versa; après une rotation d'un tour complet, chaque pale a tourné sur elle-même d'un demi-tour seulement mais, en raison de son profil symétrique, elle revient à une position identique à sa position initiale,et ceci explique la permanence du mouvement. Si les axes 2 et 2' des pales 1 et 1' sont horizontaux (cas des figures 2 et 3), les auvents JI mobiles autour de leurs axes horizontaux 21 permettent de contrôler l'entrée de l'air, suivant la force du vent qui, frappant le volet g2, commande par l'intermédiaire du levier 24, de la bielle 26 et de la barre 22, la position des auvents 2. A titre de sécurité, ce dispositif de régulation peut être prévu de manière que la fermeture des auvents soit complète en cas de tempête. Il est bien entendu que le double pignon 2 5' est normalement fixe. Cependant pour des réalisations importantes il n'est guère possible de construire le toit 18 et les auvents 3 et, pour régulariser la vitesse de rotation du rotor, en fonction de la force du vent, on peut désolidariser le double pignon 3 5' du support 10 et le rendre mobile en rotation, sa position angulaire pouvaqt être modifiée par un dispositif de commande manuel, mécanique ou autre. Par vent normal, la position du pignon est choisie de telle façon que les pales 1 et 1' soient verticales lorsque leur axe atteint sa position haute.Si la vitesse du vent augmente, on fait tourner le double pignon 2 5' dans un sens ou dans l'autre, pour modifier la positian des pales de manière à diminuer le couple de rotation s'exerçant sur l'ensemble des pales. Le cas-limite est celui où l'on a fait tourner ce double pignon d'un quart de tour, ce qui décale les pales de 450 par rapport à leurs positions normales. Ainsi les deux pales se trouvent, à un certain moment, inclinées de 450 par rapport à la direction du vent, le rotor occupant alors une position stable (pour imaginer plus facilement cette position, on peut se référer à la figure 1 et considérer que les deux pales occupent les positions III et VII, le vent venant de la droite). Cette position permet d'empêcher la rotation du rotor, en cas de tempête. Il est possible d'accoupler plusieurs unités à axe horizontal similaires à celle représentée aux figures 2 et 3, en rendant leurs rotors solidaires d'un arbre commun, pour réaliser des installations de puissance élevée. Une autre possibilité d'extension consiste à réaliser des constructions à étages". Les réalisations à axe horizontal permettent donc d'obtenir de grandes puissances mais elles ne sont pas orientables, ou du moins le sont difficilement. Leur utilisation est par suite surtout intéressante dans les régions où existe une direction de vents dominante. En plaçant l'arbre JI du rotor verticalement (cas de la figure 4), on peut orienter facilement les pales pour que l'énergie des vents puisse être captée quelle que soit leur direction. Cette orientation correcte des pales est obtenue automatiquement, dans l'exemple coxnsidéré, au moyen du gouvernail gi solidaire du double pignon 2 . Cependant des moyens très différents peuvent être prévus pour modifier, dans le même but, la position de ce double pignon. Comme il va de soi et comme il résulte de ce qui précède, l'invention ne se limite pas aux seules ormes d'exécution de ce dispositif décrites cidessus Titre d'exemples non limitatifs; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation. C'est ainsi notamment que les moyens 9e transmission, constitués par des chaînes sans fin et des pignons dans les exemples de réalisation représentés au dessin, peuvent être remplacés par d'autres mécanismes permettant d'imposer aux pales le même mouvement de rotation sur elles-mêmes +On peut d'abord imaginer de commander une seule'des pales par un pignon simple, coaxial à 1' arbre Jl du rotar, et non pas par un pignon double. la seconde pale est alors entraînée par la première, au moyen d'une transmission de rapport 1/1, pouvant être réalisée par exemple par deux pignons ayant même nombre de dents, reliés par une chaîne sans fin située du même côté que la première ou du côté opposé.Cette solution est avantageuse dans le cas d'un rotor portant un nombre de pales élevé, l'invention ne se limitant nullement au cas d'un rotor à deux pales. Les pignons et chaînes peuvent encore être remplacés par tout système d'entraînement "positif" assurant une parfaite synchronisation des mouvements, notamment : roues dentées reliées par des courroies crantées, engrenages de rapport 1/2 avec un pignon coaxial à l'arbre Jl du rotor, un pignon porté par l'axe de la pale et un pignon intermédiaire obligatoire pour obtenir le sens de rotation désiré. Enfin, si l'on se reporte à la figure 1, on constate et on démontre facilement, en considérant les angles inscrits dans le cercle 4, que le prolongement de la pale 1 passe constamment par l'une des extrémités du diamètre 2. On pourrait donc concevoir un système de glissières ou similaires obligeant le plan de chaque pale à passer par ce point fixe pour toute position de la pale, en lieu et place des moyens de transmission indiqués plus haut. - REVENDICATIONS - lo - Dispositif destiné à capter l'énergie des vents, caractérisé en ce qu'il est constitué par au moins un rotor monté sur un axe sensiblement perpendiculaire à la direction du vent et portant à sa périphérie au moins une pale dont l'axe de symétrie, également axe de rotation, est parallèle à l'axe du rotor et est lié à des moyens de transmission prévus de manière que chaque pale décrive autour de son axe une rotation sur elle-même à une vitesse angulaire égale à la moitié de celle du rotor. 2. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de transmission précités sont en outre agencés de manière que le plan de chaque pale se trouve normalement sensiblement parallèle à la direction du vent lorsque son axe rencontre l'une des extrémités d'un diamètre fixe perpendiculaire à la direction du vent. 3. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'une au moins des pales est liée à des moyens de transmission comprenant un pignon normalement fixe, coaxial à l'arbre du rotor, un second pignon porté par l'axe de la pale et ayant un nombre de dents double de celui du premier pignon, et une chaîne sans fin ou une courroie crantée reliant ces deux pignons. 4o - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il est prévu un pignon normalement fixe, coaxial à l'arbre du rotor, pour l'entraînement en rotation de chaque pale. 50 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il est prévu un seul pignon normalement fixe, coaxial à l'arbre du rotor, pour l'entraînement en rotation d'une seule pale qui est reliée à toutes les autres pales par des moyens de transmission de rapport égal à 1/1 portés par le rotor0 6. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que l'une au moins des pales est liée à des moyens de transmission formés d'engrenages comprenant un pignon normalement fixe, coaxial à l'arbre du rotor, un pignon porté par l'axe de la pale, et au moins un pignon intermédiaire permettant d'obtenir le sens de rotation convenable, l'ensemble de la transmission ayant un rapport de 1/2. 7. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'une au moins des pales est liée à un système de glissières ou similaires obligeant le plan de cette pale à passer par un point fixe, situé sur le cylindre décrit par les axes des pales, pour assurer l'entratnement en rotation de ces dernières. 8. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que des moyens sont prévus pour modifier la position angulaire du ou des pignons coaxiaux à l'arbre du rotor, selon la force du vent. 9. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les axes de rotation des pales sont horizontaux. 10. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les axes de rotation des pales sont verticaux. 11. - Dispositif selon la revendication 10 et l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que des moyens, par exemple un gouvernail, sont prévus pour modifier la position angulaire du ou des pignons coaxiaux à l'arbre du rotor, selon la direction du vent, de manière que le plan de chaque pale se trouve sensiblement parallèle à la direction du vent lorsque son axe rencontre l'uns des extrémités d'un diamètre fixe perpendiculaire à la direction du vent. 12. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rotor porte deux pales diamètralement opposées dont les plans restent à tout instant perpendiculaires. 13. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rotor est disposé à l'intérieur d'une construction munie, sur l'une au moins de ses faces, d'auvents d'inclinaison règlable permettant le contrôle de l'entrée de l'air. 14. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de rotors accouplés.