Brevet FR2303967A1 — publié le 19761008

La captation de l'énergie cinétique de l'air naturellement en mouvement stef- fectue généralement à l'aide d'un rotor comportant des surfaces réceptrices sur lesquelles l'air en mouvement exerce des forces aérodynamiques provoquant un couple entravant en rotation le rotor, lequel peut lui-même mouvoir toute machine réceptrice susceptible dutiliser directement l'énergie mécanique rotative ainsi disponible, ou de la transformer en une autre forme d'é- nergie, notamment:: - électrique (alternateur, dynamo) - fluidique (pompe, compresseur) - thermique (frein, pompe à chaleur) Une éolienne comportant des surfaces réceptrices fixes en dimensions présente l'inconvénient d'exiger son incorporation dans un ensemble (éolienne f pylone f machine réceptrice) apte à subir les efforts et à absorber la puissance correspondant au maximum de la plage utilisable des vitesses vent. II en résulte généralement l'obligation de dimensionner l'ensemble de telle sorte que l'investissement nécessaire nrest pleinement exploité que durant une faible fraction de l tannée, tout régime de vent inférieur au maximum de la plage utilisable entraînant une exploitation en sous puissance. Cet inconvénient peut être évité en rendant variable en dimensions les surfaces réceptrices, soit manuellement (exemple très ancien : les moulins à vent), soit gâte à un dispositif de régulation automatique. Ltensemble (éolienne + pylône + machine réceptrice) peut alors être dimensionné en vue d'une utilisation à puissance constante pour toute vitesse vent supérieure à un seuil minimum, autorisant ainsi une rentabilité optimale des investissements. La supériorité d tune éolienne comportant des surfaces réceptrices variables en dimensions étant ainsi justifiée, il apparait nécessaire de rechercher à optimaliser encore la rentabilité lors du choix de la vitesse minimum de vent capable de fournir la puissance requise. Ce choix résultera de ltoptimalisa- tion du quotient: - coût des surfaces réceptrices - énergie captée annuellement qui sont, ltun et autre, d'autant plus élevés que la vitesse vent minimum adoptée sera plus faible.En effet, plus faible sera la vitesse vent minimum capable de fournir la puissance requise, et plus importantes seront les direz sions des surfaces réceptrices, donc leur coût, mais, d'autre part, plus fréquents seront les vents atteignant ou dépassant cette vitesse, et plus grande sera l'énergie captée annuellement (celle-ci correspondant au produit de la puissance par le temps annuel durant lequel le vent atteint ou dépasse la vite minimum). Il apparait ainsi très souhaitable de pouvoir disposer drune nature de surfaces réceptrices permettant dtadopter des dimensions importantes au moindre coût. I1 apparait que la voile souple tendue entre des membrures constitue actuellement le type de surfaces réceptrices entraînant un coût minimum par unité de surface. Llintérêt des surfaces réceptrices variables en dimensions et constituées de voiles souples tendues entre des membrures étant ainsi justifié, il apparat nécessaire d'adopter un choix concernant la variation de calage généralement nécessitée par le caractère essentiellement variable de la vitesse du vent, entraitant une variation d'incidence relative lorsque le rotor tourne à vitesse constante. Pour la vitesse vent minimum, le calage adopté doit évidemment corresponcke à une incidence relative permettant la meilleure efficacité aérodynamique. Mais, pour les vitesses vent supérieures, la réduction en dimensions des surfaces réceptrices peut tolérer une réduction de Itefficacité aérodynamique, cette réduction d'efficacité pouvant être compensée par une moindre réduction des dimensions des surfaces réceptrices. II ne subsiste alors plus que la nécessité de se prémunir contre le phénomène de décrochage ou détérioration brutale du coefficient de portance Cz. La complexité drun dispositif de variation du calage uniquement destiné à éviter le décrochage, nous incite à préférer l'adoption d'un type de surface réceptrice insensible au décrochage sur la totalité de la plage des incidences relatives correspondant à la plage des vitesses vent utilisables. II apparait donc finalement souhaitable de disposer dtun type de surfaces réceptrices pour éoliennes: - variables en dimensions - constituées de voiles tendues entre des membrures - insensibles au décrochage aux incidences relatives utilisées permettant d obtenir trois résultats - exploitation à pleine puissance de la machine réceptrice sur la totalité de la plage des vitesses vent utilisables - réduction du coût au mètre carré des surfaces réceptrices - réduction du coût de l'éolienne par suppression de tout dispositif de variation du calage concourant tous les trois à améliorer le quotient r énergie annuelle captée concourant tous les trois à améliorer le quotient: cou de tinvestissem ent ces objectifs sont atteints par l tadaptation à éolienne de surfaces réceptrioes constituées drune aile souple (figure 2) comportant une voile (1) réalisée en un matériau souple (généralement toile naturelle ou synthétique) tendue entre trois membrures concourantes en Itune de leurs extrémités (2) et dénommées: - bords d'attaque (3) et (4) pour les deux membrures extérieures à la troisième - quille (5) pour la membrure intérieure aux deux autres. La voile forme ainsi deux surfaces réceptrices élémentaires, incurvées entre les membrures, évoquant chacune la forme drun V et utilisant en commun la membrure intérieure ou quille (5), laquelle constitue le seul élément de la surface réceptrice rigidement fixé au rotor. L'ensemble des quilles forme un polygone centré sur l'axe du rotor. Les deux membrures extérieures ou - bords d'attaques (3) et (4) peuvent pivoter autour de leur intersection commune (2) avec la quille (5), autorisant ainsi une variation de 1 taisre soumise aux effets aérodynamiques du vent, variation adaptée à la valeur de la vitesse vent. La mailleure efficacité aérodynamique devant être obtenue pour la vitesse vent minimum capable de fournir la puissance requise, donc, lorsque la surface réceptrice est déployée au maximum, il est généralement souhaitable d'adopter pour cette configuration une géométrie conforme à celle de l'aile souple dite Rogallo, dont les caractéristiques de portance et trainée en fonction de l'incidence sont indiquées sur la figure 2.On notera le bon comportement aux variations d'incidence : Cz # 0,8 entre 28 et 55 , ce qui rend la voile insensible au décrochage lorsque la vitesse vent augmentant entraîne un accroissement de l'incidence relative, d tautant plus que, simultanément, le repliement de la voile entraîne un pivotement de la génératrice supérieure de l'extrados, réduisant l'accroissement de l'angle d'incidence de cette génératrice.Le rotor comporte un dispositif de régulation destiné à maintenir constante la vitesse de rotation par action sur l'angle formé par la quille avec les bords d'attaque tendant à faire varier l'aire soumise aux effets du vent, donc les forces aérodynamiques, donc le couple, dans le sens opposé à l'écart de vitesse de rotation ayant initié cette action. Ainsi que sur la plupart des éoliennes, un dispositif complémentaire assure ltorientation du rotor face au vent: - soit par un plan vertical solidaire du rotor tendant à se placer dans le lit du vent - soit par une hélice tournant dans un plan vertical et provoquant le pivotement du rotor par rapport au pylône jusqu'à ce que l'hélice cesse d'erre entraînée par le vent, son plan de rotation coïncidant alors avec la direction du vent. - soit par tout autre système. Les figures 3, 4, 5, 6 et 7 représentent un exemple non limitatif de réalisation d'une éolienne équipée de surfaces variables en dimensions. Le rotor en construction triangulée (poutrelles et cables) tournant autour d'une fusée (6) comporte essentiellement: - un moyeu (7) tubulaire porté par deux roulements (8) et (9) et une butée (10) (voir figure 5 pour repères (9) et (10)). L'arrière du moyeu comporte une poulie à plusieurs gorges transmettant le couple par courroie à une plus petite poulie, assurant ainsi une première mul tiplication. - six bras pseudo-radiaux (11) en construction métallique - - six poutrelles (12) en construction métallique fixées aux extrémités des bras (11). L'attache déportée des bras (11) sur le moyeu (7) et l'indéformabilité de l'en- semble bras (11) avec poutrelles (12) permettent la transmission du couple au moyeu, lequel n'est ainsi sollicité en torsion que sur une courte longueur. - six cables (13) encaissant en traction lteffort axial qu'ils transmettent de la jonction (11) avec (12) à l'extrémité avant du pylône horizontal (1 4). - un pylone horizontal (14) en construction métallique transmettant au moyeu (7) l'effort axial reçu des cables (13) et 615) (voir ci-après fonction des cables (15)). - six surfaces réceptrices (16) chacune constituée d'une voile souple dont : . la quille est constituée par la poutrelle (12) dont la face avant est entouréé par la toile les bords d'attaque sont constitués de deux poutrelles (17) et (18) en cons truction métallique, articulées au sommet sur (12) et reliées entre elles par le cable (15) s'enroulant autour d'une poulie fixée à ltextrémité avant du pylone horizontal (14) auquel sont ainsi transmis les efforts axiaux. A noter que les cables (13) et (15) aboutissent à l'extrémité avant du pylône (14) dans des plans décalés de 300 et que de ce fait ils n'interfèrent nullement. six dispositifs de variation des surfaces réceptrices: sous l'effet du vent, l'aile souple tend naturellement à se refermer par rapprochement des bords d'attaque vers la quille. Un ressort à lames (non représenté) est donc nécessaire pour compenser ce phénomène et maintenir écartés les bords drattaque dont le rapprochement doit pouvoir répondre uniquement aux sollicitations du dispositif de régulation. Au cours du rapprochement des bords d'attaque, le cable (15) de longueur totakévidemment fixe provoque un faible (négligeable quant à ses consé quences aérodynamiques) déplacement vers l'arrière des deux bords dwat- taque. La seule précaution à prendre pour tenir compte de ce phénomène est drincliner en conséquence lraxe d'articulation des bords d'attaque sur la quille. Le rapprochement des bords drattaque entraidant la variation des surfaces réceptrices est commandé par le cable (19) se subdivisant en deux brins: - l'un actionnant directement le bord d'attaque extérieur - l'autre actionnant le bord d'attaque intérieur après sleXtre enroulé autour de la poulie (20) fixée à la poutrelle (12) Le dispositif de régulation, chargé de maintenir constante la vitesse de rotation par action sur les six cables (19) est constitué - de la couronne (21) comportant six bras radiaux auxquels sont fixés les câbles (19). Cet ensemble couronne - bras, bien que tournant avec le rotor, peut pivoter par rapport à celui-ci de quelques dizaines de degrés et provoquer ainsi le déplacement (traction) des câbles (19). - du pignon (22) engrenant avec le secteur denté intérieur à la couronne (21) dont il provoque ainsi le pivotement relatif par rapport au rotor. - de la poulie (23) solidaire de (22) entralnée en rotation (dans un sens ou dans 1 'autre) par la courroie trapézoidale (24), elle-même entraidée par friction sur la fusée (6) lors du déplacement (dans un sens ou dans l'autre) du plateau (25). - du plateau (25) supportant les galets (26) (27) et (28) positionnant la courroie (24). Ce plateau est susceptible de pivoter autour de l'axe commun au pignon (22) et à la poulie (23) sous l'action du câble (29) solidaire des masselottes (30) et (31). - des masselottes (30) et (31) opposées (pour compenser l 'action de la gravité) et soumises à l'action de la force centrifuge par leur position proche du grand diamètre du rotor. Le câble (29) est enroulé autour de deux poulies folles (32) solidaires du rotor. Le réglage du dispositif de régulation (en particulier de l'écart admis sur la vitesse de rotation) s'effectue par déplacement suivant les flèches des deux galets (26) et (27). Le troisième galet (28) permet de régler la tension de la courroie. Le boitier (33) solidaire du moyeu et contenant le dispositif de régulation doit évidemment comporter des orifices permettant le passage du câble (29). Ltensemble soutenant le rotor et pouvant pivoter autour de l'axe du pylône ver- tical est essentiellement constitué de - la fusée proprement dite (6) de conception tubulaire sauf l'extrémité avant intérieure au dispositif de régulation, et chargée d'assurer deux fonctions: aptitude à entraider par friction la courroie (24) dans une gorge prévue à cet effet. transmission de l effort axial communiqué par le rotor. - solidaire de la fusée, le boitier (34) pivotant autour du sommet du pylône et surmonté d'une boite d'engrenages (35) assurant, grâce à un couple conique entravé par la poulie (36) un second étage multiplicateur une transmission du couple à un arbre vertical intérieur au pylône. - solidaire du boitier (34) soit un plan vertical (37) assurant la rotation de la fusée entrainant l'orien station du rotor face au vent soit tout autre dispositif réalisant cette fonction. La conception du rotor permettant le haubanage du pylône, celui-ci peut être réalisé en construction métallique légère, son rôle étant limité à la transmis sion des efforts verticaux. A la partie basse du pylône, une seconde boite d'engrenages (38) comportant un couple conique permet de transmettre horizontàlement le couple par un ar bre à cardan jusqutà un local proche abritant la machine réceptrice. Le di mensionnement du rotor et des surfaces réceptrices est calculé pour la vi tesse vent minimum capable de fournir la puissance requise, toute vitesse vent supérieure entralnant une réduction des dimensions destinée à maintenir constante la vitesse de rotation. Pour simplifier le calcul, nous admettrons que la projection face au vent de traire totale des surfaces réceptrices est équivalente à l'aire du cercle tangent aux quilles. A titre d'exemple, le calcul sera effectué en adoptant les caractéristiques aérodynamiques de l'aile dite Rogallo. Enfin, nous utiliserons les unités du système métrique légal et désignerons par: - r : rayon du rotor tangent aux quilles des surfaces réceptrices - v : vitesse du vent minimum capable de fournir la puissance désirée k . uotient vitesse périphérique du rotor au rayon r g vitesse du vent minimum - kv: vitesse périphérique du rotor au rayon r #r : vitesse relative du vent (voir figure 8) - N : vitesse de rotation en tours/minute 30 kv N = X r - n : nombre de surfaces réceptrices - S: aire d'une surface réceptrice. Par hypothèse S CIr r2 n - i : incidence relative pour vitesse vent v ou angle formé par la quille avec le vecteur - c : calage de la quille ou angle formé par la quille avec le vecteur vitesse périphérique (contenu dans le plan de rotation) - à noter que c = arc tgk + i. 2 - R: résultante aérodynamique par surface réceptrice pour vitesse vent = v - Fz : composante aérodynamique de portance par surface réceptrice pour vitesse vent = v Fz est normale à la vitesse relative #r et a pour intensité Fz =1 Cz# 5v2 (1+k2) 7 avec Cz = 0,85 (pour i = 280 voir fig 2) P = 1,293 S = # r2 n F@ = 1 726 r2v2 (1 + @2) nv (1 Fx: composante aérodynamique de trainée par surface réceptrice pour vi tesse vent = v. Fx est parallèle au vent relatif et a pour valeur Fx = 1/6 Fz pour i = 280 (finesse = 6: voir figure 2) - Ft : force entraidant le rotor en rotation (voir figure 8) angle de projection Fz sur Ft: arc tg k angle de projection Fx sur Ft : complément arc tg k droù Ft = Fz cos arc tg k - Fx sin arc tg k Ft = Fz (cos arc tg k - 1 sin arc tg k) 6 r2v2 Ft = 1,726 (1 + k2) (cos arc tg k -1/6 sin arc tg k) n - G: couple moteur # = n r Ft = 1,726 r3v2 (1 + k2) (cos arc tg k - 1/6 sin arc tg k) - # : puissance disponible # = # #N = # 30 # = 1,726 r2v3 (k + k3) (cos arc tg k -1/6 sin arc tg k) Voir figure 9 La fonction de k exprimée par (k + k3) (cos arc tg k -1/6 sin arc tg k) présente un maximum atteignant S, 45 pour k = 3,75 (arc tg k = 75 ) avec une pente décroissant rapidement pour k > 3, 75 pour s'annuler pour k = 5, 85 (arc tg k = 80020,). Il est donc prudent d'adopter une valeur de k nettement inférieure à l'optimum théorique 3, 75.En outre, si on préfère choisir c = 0 dans un but de simplification technologique, on adoptera arc tg k = # - i 2 900 - 280=620, donc k = 1, 88, ce qui donnera, à l'expression ) (k+k3) (cos arc tg k - 1/6 sin arc tg k) la valeur 2, 745 Dans cette hypothèse c = 0, l'expression de la puissance se réduit à = 4,74 r2v3 L'expression du couple #=## se réduit à =2,52 r3va 30 kv L'expression de la vitesse de rotation N = se réduit à N = 17,95v/r # r A titre d'exemple, une éolienne de puissance # = 100 k W comporte un rayon r (rayon tangent aux quilles) de 12, 99 m pour vitesse vent mini v = 5 m/s avec N = 6, 9 t/mn 7, 84 m pour vitesse vent mini v = 7 m/s avec N = 16 t/mn 5, 38 m pour vitesse vent mini v = 9 m/s avec N = 30 t/mn Le choix de la vitesse vent mini v s'effectue en considérant que lténergie annuelle captée sera proportionnelle au produit de la puissance par la probabilité que le vent atteigne ou excède v. Si, en un lieu donné cette probabilité peut s'exprimer par o, 0075 x 1,39 (16-v) (formule empirique correspondant pratiquement à la situation moyenne du territoire français), l'énergie annuelle captée est proportionnelle à 4,74 r2v3 x 0,0075 x 1,39 (16-v) 2 donc à r2 x 1,39(16-v) v3 Donc. pour une meme quantité d'énergie captée annuellement r est inversement proportionnel à Cette fonction croit d'abord très rapidement puis plus lentement jusqu'à v = 9, 1 m/s, valeur au delà de laquelle elle décroît. Par rapport à sa valeur maxi pour v = 9, 1 m/s, cette fonction atteint 33 % pour v = 2m/s, 52 % pour v =3m/s, 80 % pour v = 5m/s et 95 % pour v=7m/s. Pour capter annuellement une même quantité d'énergie, on préfèrera généralement adopter v = 5m/s plutôt que 9m/s en surdimensionnant de 25 % le rotor, la fréquence de fonctionnement de l'éolienne à 5m/s étant multipliée par 3, 73, ce qui divise par 3, 73 la puissance de la machine réceptrice et éventuellement la capacité du dispositif de stockage d'énergie si celui-ci est nécessaire. De toutes manières, il apparait évident qu vil est inutile d'adopter une vitesse vent mini de fonctionnement v supérieure à 7m/s, vitesse à laquelle r nrexcède pratiquement que de 5 % sa valeur pour v = 9m/s, ce qui permet en contrepartie de réduire de près de 50% la puissance de la machine réceptrice. Lrinvention précédemment décrite est applicable à toute situation justiciable de l'emploi d'éoliennes d'autres types, y compris de nombreuses situations où celles-ci s'avèreraient non rentables, la principale supériorité de l'éolien- ne objet de la présente invention résidant en son faible coût rapporté à l'unité d'énergie captée. REVENDICATIONS 1. Eolienne comportant des surfaces réceptrices d'énergie aéraulique carac térisées par le fait quelles sont constituées chacune par une voile souple ten due entre trois membrures concourantes en lune de leurs extrémités, la dit voile formant ainsi deux surfaces réceptrices élémentaires, incurvées entre les membrures, évoquant chacune la forme d'un V et utilisant en commun la membrure intérieure aux deux autres. 2. Surface réceptrice éolienne suivant revendication 1 caractérisée par le fait que les deux membrures extérieures à la troisième peuvent pivoter autour de leur intersection commune avec la troisième de sorte à modifier traire so mise aux effets aérodynamiques du vent. 3. Surface réceptrice d'éolienne suivant revendication 2 caractérisée par le fait que la variation dataire soumise aux effets aérodynamiques du vent est réalisée de sorte à maintenir sensiblement constante la vitesse de rotation du rotor pour toute vitesse vent supérieure à la vitesse minimum capable d ment tramer le rotor en délivrant la puissance requise. 4. Rotor éolienne équipé de surfaces réceptrices suivant revendication 3 caractérisé par le fait qu'il comporte des poutres disposées de sorte à constituer un polygone régulier centré sur ltaxe du rotor, chaque poutre étant solidaire de, ou constituant la membrure intérieure de l rune des surfaces réceptrices. 5. Suivant une variante, rotor d'éolienne suivant revendication 4, caractérisé par le fait que chaque sommet du polygone est lié au moyeu, d'une part par un cable aboutissant à l'avant du dit moyeu et d'autre part par une biellette pouvant être en construction métallique, aboutissant à l'arrière du dit moyeu, en un point déporté par rapport à l'axe. La non coplanéité de la biellette et de l'axe du moyeu et l'indéformabilité de ltensemble constitué par les poutres disposées en polygone, les cables et les biellettes, permettent la transmission du couple moteur depuis les surfaces réceptrices jusqurà l'arrière du moyeu. 6. Suivant une variante, rotor éolienne suivant revendication 5 caractérisé par le fait que les efforts parallèles à son axe et exercés sur les membrures extérieures sont reportés au moyeu par un cable reliant les deux membrures extérieures en s'enroulant autour d'une poulie solidaire de l'avant du moyeu. 7. Suivant une variante, rotor éolienne suivant revendication 6 caractérisé par le fait que le déplacement des membrures extérieures est commandé par un cable dont l tune des extrémités se subdivise en deux brins, chacun actionnant une membrure extérieure, ltun directement, l'autre après s'être enroulé autour drune poulie solidaire de la membrure intérieure, et dont l'autre extrémité est solidaire dZune couronne pivotant par rapport au moyeu sous l'action du dispositif de régulation. 8. Suivant une variante, rotor éolienne suivant revendication 7 caractérisé par le fait que le pivotement de la couronne solidaire des câbles provoquant ? déplacement des membrures extérieures est actionné par une courroie entras née par friction sur la fusée lorsque la dite courroie vient en contact avec la fusée par suite de son déplacement commandé par des masselottes soumises à la force d'inertie centrifuge.