Brevet FR2290583A1 — publié le 19760604

La présente invention a pour objet les dispositifs du type : " m o t e u r à v e n t " permettant d'utiliser l'énergie du vent De nombreux dispositifs sont connus qui poursuivent ce même but et l'atteignent avec un rendement plus ou moins bon ainsi que des moyens plus ou moins coûteux . Le plus connu d'entr'eux est certainement le moulin à vent ancestral , auquel s'est substituée l'éolienne à roue à pales hél icoidales qui trouva un perfectionnement dans les aérogénérateurs munis d'une hélice à deux pales qui ont permis d'améliorer le rendement. Mais de tels dispositifs présentent tous l'inconvénient d'offrir leur plan de rotation perpendiculaire à la direction du vent, la rotation des pales se faisant sous l'effort de la seule composante tangentielle de la force du vent. Cette composante est toujours faible par rapport à la composante orthogonale au plan de la roue ou de l'hélice . De sorte que d'une part le rendement est généralement faible, ce qui ne permet que rarement l'utilisation des vents inférieurs à 8m/s , et d'autre part la rigidité des pales doit être grande pour résister à la composante orthogonale qui devient rapidement très importante dès que le vent dépasse la vitesse de 14m/s Ceci oblige à prévoir des dispositifs complexes de freinage ou de variation du pas de la voilure , variation automatique ou manuelle qui a pour but de réduire la surface motrice en modifiant l'angle d'attaque, ou même de l'annuler pour provoquer l'arrêt complet lorsque le vent dépasse une certaine vitesse .Cette incapacité d'être utilisé par grand vent est un inconvénient grave puisque l'on sait que l'énergie recueillie est proportionnelle au cube de la vitesse du vent. C'est donc se priver du maximum d'énergie potentielle. D'autres dispositifs connus sont du type moulinet à axe vertical et à aubes fixes incurvées. Le rendement de tels dispositifs est toujours médiocre, le couple de rotation étant proportionnel à la différence des pertes de charge que présente chacune des aubes diamétralement opposées. Ce couple est donc toujours relativement faible par rapport à la surface des aubes, quelle que soit la courbe qui leur soit donnée en vue d'accroc ire cette différence de pertes de charge . Si donc ces appareils présentent l'avantage de ne nécessiter aucune modification de leur orientation lors du changement de direction du vent, leur rendement est toujours faible et n'a pas permis de les adopter comme source d'énergie importante. Le dispositif objet de l'invention permet d'éviter ces inconvé nients . Dans celui-ci en effet la force exercée par le vent sur ses élé ment s moteurs est directement tangentielle dans le plan de rotation de la roue qui est toujours parallèle à la direction du vent et qui n'est de ce fait soumis à aucune force orthogonale . De sorte qu'un tel dispositif peut être utilisé de façon continue , quelle que soit la vitesse du vent, même si elle est très grande, ce qui permet, comme on l'a vu , de recueillir une énergie considérable tant par la continuité de son action quels que soient les vents auxquels il est soumis, que par son usage même par vents de tres grandes vitesses.En outre un tel dispositif peut être de construction légère, puisqu'il n'est jamais soumis à des forces résultantes orthogonales à son plan de rotation Pour cela la roue à axe horizontal, qui constitue l'essentiel dudit dispositif, est munie d'aubes radiales, planes, formées de deux parties symétriques articulées le long de chaque rayon de ladite roue et qui, déployées, forment un plan qui peut se présenter perpendiculaire à la direction du vent, lui offrant une résistance maxima . A ce même instant l'aube diamétralement opposée se présente automatiquement entièrement rétractée, n'offrant de ce fait qu'une résistance minima au vent.De sorte qu'un couple de rotation est ainsi créé par suite de la différence de surface existant entre les aubes diamétralement opposées à chaque instant où successivement l'une d'elles est perpendiculaire à la direction du vent Car,au cours du cycle complet autour de l'axe de la roue, chaque aube passe alternativement de l'état effacé , lorsqu'elle va contre la direction du vent, à un état déployé, lorsqu'elle peut aller dans le même sens que lui, ce qui permet à chacune d'elles d'être entraînée par le vent à une vitesse qui est fonction de sa propre vitesse Le dessin annexé illustre, à titre d'exemple seulement, un mode de réalisation de l'objet de l'invention. La figure 1 est une vue schématique en élévation d'une roue à aubes à surface variable cycliquement, vue selon son plan de rotation. Les figures 2 et 3 sont des vues schématiques en élévation de profil du même dispositif . La figure 2 le montre du côté amont par rapport à la direction du vent . La figure 3 le montre du côté aval. La figure 4 est une vue schématique cavalière partielle montrant deux aubes diamétralement opposées dans leur position réciproque par rapport à la direction du vent Tel qu'il est représenté le dispositif comporte une roue dont l'axe 1 est horizontal et dont le moyeu 2 est muni à sa périphérie des rayons 3 . Chacun d'eux porte un couple de pales 4 et 5 , librement articulées sur ledit rayon 3, qui forment ensemble l'une des aubes du sys terne . Chacune de ces pales porte un dispositif 6 muni de préférence à son extrémité d'un contrepoids 7 . Ledit dispositif a pour but de situer le centre de gravité de chaque pale hors du plan de ladite pale et au delà du rayon 3 sur lequel elle est articulée .Ici, ce dispositif 6 est réalisé, à titre d'exemple, à l'aide d'un plat de métal solidaire de la pale et convenablement cintré de façon à porter le contrepoids 7 au delà du rayon supportant la pale correspondante. On constate qu'ainsi, sous l'effet de la seule gravité, lorsque la roue tourne dans le sens indiqué par la flèche, ( ici le sens inverse des aiguilles d'une montre ) , les pales 4 et 5 se déploieront spontanément , durant leur cheminement ascendant ( ici à droite de la figure 2 ) pour être complètement déployées dès qu'elles auront atteint une position horizontale , et se replieront spontanément durant leur cheminement descendant,( ici à gauche de la figure 2 ), pour être complètement repliées dès qu'elles auront atteint une position horizontale Le profil de chaque pale, constitué d'une feuille plane d'un matériau homogène ou composite, rigide et léger est tel que , lorsque chaque pale est repliée parallèlement au plan de là roue, elle se juxtapose à ses voisines de façon qu'ensemble toutes les pales couvrent pratiquement toute la surface de ladite roue. En ce qui concerne le centre de gravité de chaque pale articulée, dont il vient d'être parlé, on peut remarquer que s'il était maintenu en crncidence avec le centre géométrique de la pale correspondante, ou tout au moins à l'intérieur de sa surface, le même cycle de déploiement et de repliage spontanés des pales s'opérerait , mais selon un processus inverse, c'est-à-dire qu'elles se déploieraient dans leur cheminement descendant, ( à gauche de la figure 2 ) , et se replieraient dans leur chemine - ment ascendant . Le cycle se déroulerait donc de façon semblable mais décalé de 1800 .Et on constate que si dans le cas prévu ici le vent représenté par la flèche V rencontre les pales déployées dans la partie supérieure de la roue, donc dans la partie libre de toute entrave et où le vent atteint naturellement sa vitesse maxima, dans le cas inverse le vent rencontrerait les pales déployées dans la partie basse de la roue, donc dans la partie où se situent les infrastructures supportant la roue et tous les autres mécanismes nécessaires à l'utilisation de l'énergie recueillie, ce qui diminerait d'autant le rendement général, d'autant plus qu'à ce niveau plus proche du sol la vitesse du vent est aussi plus faible On remarque de plus qu'à tout moment la force du vent contribue à faire déployer les pales durant tout le temps moteur du cycle, et contribue à les faire replier lorsqu'elles se. trouvent dans le secteur opposé, ce qui contribue à améliorer le rendement de l'ensemble, le vent et la gravité agissant dans le même sens pour provoquer l'articulation des pales autour du rayon qui les porte. Donc la roue étant ainsi équipée et son plan étant orienté paral lèle à la direction du vent, on comprend que la force du vent s'exercera directement et successivement sur chacune des pales au moment où elle se trouvera totalement déployée à la partie supérieure de la roue, créant ainsi un couple de rotation continue, la force antagoniste supportée à chaque instant par l'aube diamétralement opposée n'étant que très faible, puisque celle-ci se trouvera en position rempliée. La vitesse de rotation ainsi obtenue ne dépendra que de la vitesse du vent et sera d'autant mieux adaptée au vent animé d'une grande vitesse que la roue utilisée sera plus grande puisque sa vitesse angulaire sera d'autant plus faible pour une même vitesse linéaire de sa périphérie. Un tel dispositif est complété par un système qui permet d'assurer de façon constante la symétrie des mouvements de chacune des pales qui forment une aube, afin de maintenir constamment dans une direction tangentielle au plan de rotation de la roue la résultante des forces que le vent exerce sur chacune desdites pales- de- part et d'autre d'un même rayon . Ce - système comporte un bras entretoise 8, reliant chacun des rayons entre eux, sur lequel circule librement une chappe 9 sur laquelle sont librement articulées en deux positions diamétralement opposées les deux tringles 10 et 11 dont l'autre extrémité de chacune est elle-même articulée sur la face de chacune des pales formant une aube . Ainsi les pales formant chaque aube sont reliées entre elles et leur mouvement par rapport au rayon 3 qui les porte est obligatoirement identique pour chacune d'elles de part et d'autre de celui-ci L'axe 1 d'une telle roue est monté sur un étrier, monté lui même sur un pivot vertical qui permet de maintenir le plan de la roue toujours parallèle à la direction du vent par tout moyen connu . L 'éner- gie recueillie par la roue est transmise à l'organe d'utilisation ( dynamo par exemple ) par tout moyen convenable et connu accouplé à l'axe 1 Une telle roue, toujours orientée parallèlement au vent et dont tous les organes aérodynamiques sont parfaitement symétriques par rapport au plan médian de ladite roue, ne subira donc jamais un effort orthogonal à ce plan ; ses organes ne nécessitent donc pas la rigidité nécessaire dans les éoliennes de type connu, ce qui réduit leur poids et du même fait leur prix de revient . En outre la force du vent étant toujours orientée dans le plan de rotation de la roue, celle-ci peut supporter des vitesses de vent élevées sans distorsion, ce qui permet son appui cation à des vents supérieurs à 15m/sec. , ce qui autorise, pour une même surface, la récupération d'une énergie éolienne considérablement plus grande que dans les dispositifs de types connus, sachant que l'énergie recueillie est fonction du cube de la vitesse du vent. On peut donc atteindre une grande puissance efficace pour un encombrement , donc un coût, réduit La régulation de la vitesse de rotation pour une vitesse déterminée du vent est par ailleurs rendue possible, ainsi que l'arrêt total du dispositif, lorsque cela est nécessaire . Pour cela la course de chacune des chappes 9 , qui reste libre sur le bras 8, peut être limitée sur ce bras par un ergot 14 courant sur ledit bras et pouvant être manoeuvré par tout moyen connu tel qu'un vérin hydraulique prenant appui sur le rayon adjacent, ou un filin 15 courant le long dudit bras et du rayon 3 qui porte la pale correspondante pour atteindre le moyeu évidé 2 qui contient un treuil électrique sur lequel est arrimée l'extrémité de chacun des filins lr correspondant à chacune des aubes et qui peut être manoeuvré indépendamment de la rotation de la roue .De sorte que la manoeuvre de cet ergot 14 permet de limiter la course de la chappe 9 sur le bras 3 sur lequel ladite chappe reste malgrè tout libre , ce qui a pour effet de limiter l'ouverture des pales formant chaque aube . On peut donc ainsi contrôler la surface soumise au vent, donc la vitesse de la roue pour une même vitesse de vent . On peut même ainsi , par la manoeuvre de l'ergot 14, immobiliser simultanément toutes les pales en position fermée, ce qui a pour effet de provoquer l'arrêt de la roue On voit donc que l'on peut à volonté , de façon manuelle ou automatique, limiter le déploiement des pales et même le supprimer , ce qui permet de limiter la surface de l'aube opposée au vent et même de l'annuler .On peut donc ainsi réduire à volonté la force éolienne recueillie, de même que l'on peut arrêter complètement la, roue en maintenant toutes les aubes complètement repliées. On remarque que même dans ce dernier cas la roue, dont le plan sera toujours orienté dans la direction du vent, n'offrira qu'une résistance minima à celui-ci Avec un tel dispositif on peut donc aisément moduler la vitesse de la roue de façon à la maintenir, si nécessaire, constante indépendamment de la vitesse du vent Ce dispositif peut être complété par un cône accélérateur précédant les aubes motrices dans le sens du vent qui se trouve ainsi accéléré au niveau desdites aubes, accroissant par le fait même l'énergie reçue qui est fonction du cube de la vitesse du vent.Un tel accélérateur est constitué par un tronc de cône creux paraboloidal dont la petite ouverture est orientée vers les aubes motrices et proches d'elles et dont la surface de sortie couvre un secteur de la roue d'au moins 450 Il est bien entendu que l'étendue de l'invention n'est pas limitée à l'exemple, ou aux exemples, de réalisation qui en ont été décrits, toute variante, considérée comme équivalence, ne pouvant en modifier la portée. L'invention peut être utilisée comme moteur à vent et constitue, à puissance égale, un dispositif éolien de construction plus économique que les dispositifs connues, et qui, indépendamment de son rendement propre, permet de recueillir une énergie plus -iniportante tant par la continuité de son action quelle que soit la vitesse du vent, même élevée, auquel il est soumis, que précisément par sa possibilité de recueillir l'énergie déployée par les vents violents , énergie que l'on sait proportionnelle au cube de leur vitesse. REVENDICATIONS 10) - Dispositif permettant de recueillir l'énergie éolienne, Caractérisé par le fait que la surface des éléments sur lesquels s'exerce la force du vent est cycliquement variable, de telle manière que cette surface se présente maxima lorsque le plan desdits éléments se trouve orthogonal à la direction du vent et est susceptible de se déplacer dans le même sens que lui, et se présente minima lorsque le plan desdits éléments se trouve orthogonal à la même direction du vent mais est entraîné dans le sens contraire à la direction du vent 20) - Dispositif selon la revendication 1, Caractérisé par le fait que les éléments, dont la surface est cycliquement variable, sont constitués par des aubes radiales formées de deux pales symétriques , solidaires par paires d'un rayon fixé à la périphérie d'un moyeu tournant librement sur un axe horizontal. 30) - Dispositif selon la revendication 2, Caractérisé par le fait que chacune des pales situées d'un même côté de la roue par rapport au plan formé par les rayons et identiques entre elles sont constituées d'une feuille plane d'un matériau homogène ou composite rigides et légers, de forme telle que lorsqu'elles sont rabattues parallèlement au plan de la roue, elles se juxtaposent l'une à côté de l'autre pour couvrir la totalité de la surface de la roue, leur nombre étant toujours supérieur à 3 40) - Dispositif selon la revendication 3, Caractérisé par le fait que chaque paire de pales symétriques peuvent se déployer par rotation autour du rayon qui les porte jusqu'à former un plan continu orthogonal au plan de la roue, et se replier jusqu'à être parallèles entre elles et parallèles au même plan de ladite roue 50) - Dispositif selon la revendication 4, Caractérisé par le fait que le mouvement relatif des pales autour du rayon qui les porte est obtenu par simple gravité au cours de la rotation des rayons dans le plan vertical autour de l'axe de ladite roue. 60) - Dispositif selon la revendication 5, Caractérisé par le fait que le centre de gravité de chaque pale mobile autour de chaque rayon est déplacé à l'extérieur de la surface de ladite pale, au delà dudit rayon par rapport à celle-ci, au moyen d'un bras fixé à chacune desdites pales et portant à son extrémité libre la masse nécessaire pour assurer le déplacement suffisant dudit centre de gravité 70) - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, Caractérisé par le fait que les pales articulées formant une aube sont reliées -par deux tringles égales à une chappe qui coulisse librement sur un bras reliant le rayon qui porte ladite aube au rayon adjacent, chacune desdites tringles étant librement articulée à chacune de ses extrémités d'une part sur ladite chappe et d'autre part sur ladite pale 80) - Dispositif selon la revendication 7, Caractérisé par le fait que la longueur de la course libre de ladite chappe sur le bras reliant deux rayons adjacents peut être limitée, jusqu'à être annulée, par un ergot courant sur ledit bras et pouvant être manoeuvré, indépendamment de la rotation de la roue, soit par un vérin hydraulique, soit par un filin longeant le rayon portant l'aube correspondante et atteignant un treuil électrique situé dans le moyeu de la roue et pouvant être commandé extérieurement, soit manuellement, soit automatiquement 90) - Dispositif selon l'ensemble des revendications précédentes, Caractérisé par le fait que la roue ainsi formée est montée sur un étrier portant son axe horizontal, ledit étrier étant lui-même mobile librement autour d'un axe vertical, ce qui permet à ladite roue d'être constamment orientée dans le vent par tout moyen convenable et connu le dispositif de réception de l'énergie ainsi produite prenant son mouvement sur ledit axe horizontal 100) - Dispositif selon l'ensemble des revendications précédentes, Caractérisé par le fait que ladite roue est munie en amont, par rapport à la direction du vent, au niveau des pales déployées, d'un tronc de cône creux, paraboloidal, à large ouverture orientée vers ladite roue, dont il laisse la libre rotation, le débouché dudit tronc de cane ayant une surface pouvant couvrir un secteur périphérique de la roue au moins égal à 450 sur les aubes duquel le vent traversant ledit tronc de cône est accéléré