Brevet FR2289764A1 — publié le 19760528

L'invention est relative à une éolienne à rotor à axe vertical portant à la périphérie des pales à surfaces exposées au vent. Une éolienne à axe vertical présente l'avantage de permettre une attaque directe du récepteur, mais dans les éoliennes connues les pales sont fixes et le rendement de l'installation est inférieur à celui des éoliennes à axe horizontal. Le faible rendement est essentiellement dû au fait que les pales ne sont actives que sur une demi-circonférence pendant leur déplacement dans la direction du vent et deviennent inactives ou même résstantes pendant le parcours sur l'autre demi-circonférence en direction du vent. La présente invention a pour but de remédier à cet inconvénient et de permettre la réalisation d'une éolienne à rotor à axe vertical à rendement accru. L'éolienne selon l'invention est caractérisée par le fait que chaque pale est montée à pivotement sur un pivot vertical porté par le rotor et que des moyens de commande de pivotement des pales orientent ces dernières en fonction de leur position par rap- port au vent, de manière à faire exercer aux pales un couple moteur maximal sur le rotor. L'orientation des pales permet d'accroître la poussée active du vent et la mise en drapeau des pales dans les zones où elles exerceraient un effet de freinage. A chaque position de la pale correspond une orientation optimale, et il ressortira de lt-exposé qui va suivre que l'orientation peut être dérivée du mouvement de rotation du rotor en donnant une vitesse angulaire d'orientation des pales moitié de celle du rotor et inversée par rapport à celle-ci. Les pales peuvent être en forme de panneaux rigides plats montés à pivotement sur un axe médian, mais le ren -dement peut être amélioré en utilisant des pales à surfaces courbes en un matériau flexible autorisant une inversion de la courbure et donc de la concavité de la pale au cours du mouvement de rotation du rotor.Une pluralité de pales sont réparties sur la périphérie du rotor, le nombre de pales étant bien entendu approprié à leurs dimensions afin d'éviter tout téléscopage des bords des pales en cours de rotation. L'éolienne selon l'invention permet de tenir compte de la direction du vent et fonctionne toujours à rendement maximal par simple modification de l'ôrientation initiale des pales. Cette modification peut être réalisée automatiquement, notamment à partir d'une girouette de détection de la direction du vent. L'éolienne selon l'invention-peut entraîner en rotation tout appareil, notamment une pompe, mais une application préférée consiste au chauffage d'eau par entraenement dtun agitateur disposé dans un réservoir d'eau ou de tout autre liquide à chauffer. La dimension de l'éolienne peut être adaptée au besoin d'une maison individuelle ou au contraire Aetre d'une taille suffisante pour une fourniture d'énergie importante suffisante au chauffage d'un ensemble d t immeubles. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de ltexposé qui va suivre de différents modes de mise en oeuvre de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 est une vue schématique en plan d'une éolienne selon l'invention; la figure 2 est une coupe suivant la ligne II-II de la figure 1; les figures 5, 5bis et 3ter représentent respectivement en une vue partielle analogue à celle de la figure 2 et en vues en plan différentes variantes de réalisation de la commande d'orientation des pales; la figure 4 est-une vue schématique en plan d'une girouette de commande d'orientation initiale des pales;; la figure 5 est une vue schématique en élévation d'une éolienne selon l'invention, appliquée à un chauffe-eau. Sur les figures, un rotor 10 claveté sur un arbre 12 est monté à rotation sur un support 14. Dans l'exemple illustré par les figures, le rotor 10 porte quatre pales 16, 18, 20, 22, réparties sur la périphérie et montées à pivotement sur des pivots ou axes, respectivement 24, 26, 28, 50. Les quatre pales 16 à 22 sont identiques et seule l'une d'entre elles, 16, sera décrite ciaprès. La pale 16 comporte un cadre 32 entre les montants duquel est fixé un panneau34 en un matériau flexible susceptible de prendre une position courbe sous l'action du vent. Le cadre 32 est as sujette à l'axe 24 sur lequel est clavetée une roue dentée 36 engrenant avec un pignon satéllite 38 coopérant avec une roue dentée centrale 40 clavetée sur le support 14.Le rapport de démultipli cation du système d'engrenage 36, 38, 40 est de deux, de telle manière qu'une rotation d'un tour du rotor 10 impose un pivotement de 1800 du cadre 32 par rapport au rotor 10. I1 est facile de voir qu'au cours de la rotation du rotor 10,la pale 16 par exemple prend successivement les positions illustrées par la figure 1 pour les pales 18, 20, 22. Le pignon central 40 est calé de telle manière que la pale 16 soit sensiblement perpendiculaire à la direction du vent indiquée par les flèches F sur la figure 1. Le panneau 54 de la pale 16 prend sous l'action du vent la position concave illustrée par la figure 1. Les pales 18 et 22 sont disposées en oblique de 450 par rapport à la direction du vent et les panneaux sont incurvés de la manière représentée.La pale 20 est en position de drapeau, le panneau changeant de courbure. Le dispositif selon les figures 1 et 2 fonctionne de la manière suivante Dans la position représentée sur la figure 1, la pale 16 est en position perpendiculaire à la direction du vent et exerce un couple'sur le rotor 10 entraîné en rotation dans la direction indiquée par la flèche Fl. La pale opposée 20 se déplace contre le vent, mais la résistance à l'avancement est faible, la pale étant en position de drapeau. Les pales 18, 22 en position oblique par rapport au vent, exercent toutes deux un couple moteur sur le rotor 10. En cours de rotation le système d'engrenage 36, 38, 40 oriente les pales 16 à 22 de manière à les positionner par rapport à la direction du vent pour engendrer un couple maximal d'entratnement du rotor 10.L'inversion de courbure du panneau s'effectue automatiquement lors du passage en position de drapeau correspondant à la position de la pale 20 sur la figure 1, et le matériau du panneau doit bien entendu être approprié à un tel changement de courbure. Un panneau à orientation variable selon l'invention exerce un couple moteur sur une course du rotor notablement supérieure à 1800 et même à 2700. Le rendement de l'éolienne selon l'invention est de ce fait accru et notablement supérieur à celui des éoliennes à pales fixes actives sur une course inférieure à 1800. Les panneaux 34 des pales 16 à 22 peuvent être de forme différente et la commande d'orientation des pales peut être réalisée d'une autre manière, par exemple par des renvois à pignons coniques ou de la manière représentée aux figures 3, par des systèmes à channe. Le système à channe, selon figure 3, dérive du système à satéllite illustré par la figure 2, la roue centrale 40 étant accouplée à la roue dentée 56 de la pale 16 par une channe 42. La démultiplication estobtenue par un rapport des diamètres des roues dentées 36, 40 égal à deux.On peut ainsi supprimer le pignon satéllite 38 mais il faut prévoir autant de roues centrales 40, 40', 40, 40n' | qu'il y a de pales, chaque roue centrale coopérant avec une chaîne de transmission du mouvement à une roue. On peut toutefois diviser le nombre de roues centrales par un facteur n en admettant que chaque channe 42, 42' attaque n roues dentées 56, de la manière représentée à la figure 5bis. On peut également assurer la synchronisation radiale entre la roue centrale 40 et une seule roue dentée 56, la synchronisation entre les roues 56 des différentes pales-étant ensuite assurée par une chaîne polygonale 52 faisant le tour de l'ensemble du système en s'engrenant sur des roues 44, 46, 48, 50 de même diamètre et clavetées sur les axes 24, 26, 28, 50 tel que schématisé à la figure 3 ter. Dans l'exposé précédent, la ou les roues centrales 40 sont supposées fixes mais il n'a pas été tenu compte d'une variation de la direction du vent F. I1 est évident que si cette dernière varie, la roue centrale 40 doit l'accompagner afin que les pales 16 à 22 continuent à bien se présenter en fonction non pas de références fixes mais du vent. Cela peut être obtenu facilement en rendant la roue centrale 40 mobile en rotation et en commandant cette rotation en fonction de la direction du vent F. I1 est avantageux de provoquer la rotation de la roue centrale 40 automatiquement en dérivant cette rotation de l'action du vent s'exerçant, de la manière représentée sur la figure 4, sur une girouette 84 solidaire de la roue centrale 40.La girouette 54 n'est pas en mesure de résister à un coupleimportant, mais il faut noter que le eouple s'exerçant sur la roue centrale 40 est la résultante des couples sur les pales 16 à 22, qui peuvent être maintenus relativement faibles si l'équilibrage des pales autour de leurs axes 24 à 50 est soigné. Dans le cas où un léger couple subsiste ce dernier peut être compensé par un faible calage initial de la girouette 54 de la manière représentée sur la figure 4, l'action du vent équilibrant le couple des différentes pales. Dans des modèles de rotor perfectionnés et de grandes dimensions, il est avantageux que la liaison angulaire entre la girouette 54 et la roue centrale 40 soit réglable, par exemple au moyen d'un système à vis sans fin (non représenté) commandable à partir du sol. L'orientation initiale des pales par rapport au vent peut ainsi être modifiée par une simple rotation de la roue centrale 40 de manière à régler le mouvement du rotor 10. Pour une position déterminée les couples exercés par les pales peuvent se compenser mutuellement, ce qui arrête la rotation du rotor 10. Pour une autre position, cette rotation peut être inversée. Dans un système à roues centrales 40, 40', 40n, 40"', chacune associée à l'une des pales 16 à 22 du type illustré par la figure 3, des moyens de réglage individuel (non représentés) peuvent être prévus permettant par exemple de mettre toutes les pales en drapeau. De tels réglages individuels ou communs à 1 t ensemble des pales permettent un réglage optimal de l'orientation de cellesci. Le nombre de pales N et leur largeur a doit bien entendu être choisi de manière à éviter tout accrochage au cours de la rotation, cette condition se limitant au respect de l'inégalité N.a inférieur ou égal à 2tri, R étant le rayon du rotor 10. Si la dimension -générale de l'appareil est fixée, notamment le rayon R du rotor, il reste encore un degré de liberté entre N et a, ce qui permet de concevoir des rotors ayant des pales petites et nombreuses ou grandes et peu nombreuses avec une optimisation devant tenir compte du phénomène de perturbations dans la direction du vent par les pales elles-mêmes. L'éolienne selon l'invention peut ëtre équipée de dispositifs de sécurité, par exemple de mise en drapeau automatique des pales en cas de dépassement d'un seuil critique de la vitesse du vent ou tout autre système approprié, par exemple de réduction de la surface des panneaux ou analogues. L'éolienne peut être utilisée pour ltentraRnement de tout appareil, notamment d'une génératrice électrique, mais il est préférable de prévoir une utilisation directe de l'énergie, par exemple par entratnement dtune pompe de refoulement d'eau dans un chanteau d'eau. Une application préférentielle concerne le chauffage notamment d'eau, de la manière illustrée schématiquement par la figure 5. L'axe 12 du rotor 10 passe à travers le toit 56 de la maison et pénètre dans un réservoir 58 contenant de l'eau. Sur l'axe 12 à l'intérieur du- réservoir 58 est fixé un agitateur ou hélice 60 qui par mise en mouvement de l'eau en provoque l'échauffement. Lleau peut être utilisée comme eau chaude ou dans tout système de chauffage central à circulation d'eau. Le liquide chauffé peut bien entendu être différent, notamment de l'huile. Un tel système de chauffage peut constituer un chauffage d'appoint, permettant une économie d'énergie appréciable. L'éolienne selon l'invention peut être utilisée à des échelles beaucoup plus grandes correspondant au besoin. L'invention ntest bien entendu nullement limitée aux modes de mise en oeuvre plus particulièrement décrits et représentés aux dessins annexés, mais elle s'étend bien au contraire à toute variante restant dans le cadre des équivalences. REVENDICATIONS 1. Eolienne à rotor à axe vertical portant à la périphérie des pales à surfaces-exposées au vent, caractérisée par le fait que chaque pale est montée à pivotement sur un pivot vertical porté par le rotor et que des moyens de commande de pivotement des pales orientent ces dernières en fonction de leur position, par rapport au vent, de manière a faire exercer aux pales un couple moteur maximal sur le rotor. 2. Eolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens de commande de pivotement des pales font pivoter les pales avec une vitesse angulaire moitié de la vitesse de rotation du rotor et inversée par rapport à celle-ci, de manière à placer en drapeau une pale se déplaçant contre le vent, perpendiculairement-au vent une pale en position symétrique se déplaçant dans la direction du vent et en oblique des pales en des positions intermédiaires. 3. Eolienne selon la revendication 2, caractérisée ce que la commande de pivotement des pales est dérivée de la rotation du rotor par une channe cinématique à démultiplication. 4. Eolienne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que chaque pale présente une surface courbe dont la courbure est susceptible d'être inversée au cours du mouvement de pivotement. 5. Eolienne selon la revendication 4, caractérisée par le fait que la surface active de la pale exposée au vent est en un matériau flexible autorisant une inversion de courbure sous l'action du vent. 6. éolienne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le pivot vertical de pivotement de la pale coincide sensiblement avec l'axe médian vertical de la pale, de manière à équilibrer cette dernière. 7. Eolienne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un détecteur de direction du vent pilotant lesdits moyens de commande de pivotement des pales, de manière à modifier l'orientation initiale des pales en fonction de la direction du vent. 8. éolienne selon les revendications 3 et 7, caractérisée par le fait qu'elle comporte une girouette détectant la direction du vent et attaquant ladite channe cinématique pour modifier automatiquement ladite orientation initiale. 9. éolienne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdits moyens de commande sont agencés pour permettre une commande additionnelle individuelle de chaque pale susceptible d'optimiser la position de la pale et de régler la vitesse du rotor. 10. Eolienne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle entraîne en rotation un agitateur plongé dans un réservoir contenant un liquide à chauffer.