Brevet FR2344728A1 — publié le 19771014

L'invention se rapporte aux capteurs d'énergie éolienne. Les éoliennes sont en général, constituées par des roues métalli- ques à pales, d'axe horizontal, montées au sommet d'un pylône. De nombreux problèmes se posent lorsqu'il s'agit de construire des unités de grande puil#sance (Plusieurs Mégawatts) et. notamment ruptures des pales en fatique, nécessité d'utiliser des multiplicateurs de vitesse mecamiques de rapport élevé et de rendement médiocre pour entraîner la génératrice difficulté de réalisation et d'entretien, hauteur importante des installations, variation de la puissance, complexité des dispositifs d'orientation dans le vent et de protection contre les tempetes. La présente invention a pour but de s'affranchir de ces inconvénients et de permettre l'exploitation à grande échelle de l'énergie éolienne, au moyen d'installations de faible hauteur, simples à construire, d'entretien peu onéreux et susceptibles d'atteindre des puissances du même ordre qu'une centrale thermique (plusieurs centaines de Mégawatts). Elle a pour objet un capteur d'énergie éolienne, caractérisé par la combinaison, à une roue à aubes d'axe vertical, d' une pluralité de couloirs ju@taposés au niveau du sol et confor més de manière que leurs portions d'entree soient orientées dans la direction du vent et que leurs portions de sortie débouchent, à incidence sensiblement constante, sur une partie au moins de la périphérie de la roue à aubes. L'invention a encore pour objet un moteur éolien carac térisé par la combinaison d'un capteur du type susvisé à un alternateur à entrefer axial. Elle a finalement pour objet une installation d'exploi- tation, à grande échelle, de l'énergie du vent, caractérisée par la combinaison de plusieurs moteurs éoliens du type susvisé, dont les couloirs sont juxtaposés en ligne et dont les roues à aubes sont accouplées entre elles. D'autres particularités, ainsi que les avantages de l'invention apparaîtront clairement à l'aide de la description ci-après. Au dessin annexé La figure 1 est une vue schématique, en perspective, d'un moteur éolien suivant l'invention la figure 2 représente schémat#quement, en coupe hori zontale, le capteur dont il est muni la figure 3représente un dispositif de régulation à aubes d'orientation variable la figure 4 est une vue de profil d'un moteur éolien comportant un alternateur à entrefer axial la figure 5 est une vue fragmentaire de l'induit d'un tel alternateur ; et la figure 6 est une vue fragmentaire de la turbine et des couloirs d'injection, montrant des panneaux orientables assurant l'obturation totale ou partielle des couloirs1 en cas de vent fort. Le capteur d'énergie éolienne représenté, très schéma tiquement, aux figures 1 et 2, comprend, à titre d'exemple, dix couloirs, tels que 1, 2, débouchant, à incidence constante, sur toute la périphérie d'une roue à aubes 3 d'axe vertical X'X. On a représenté, en 4, un organe de guidage au sol, qui coopère avec un organe de guidage complémentaire, non figuré, porté par la base des couloirs, pour permettre ltorientation de l'ensemble par rapport à la direction V du vent. Ces moyens d'orientation pourront autre omis dans les régions où existe un vent dominant. La turbine comprend une couronne extérieure d'aubes à orientation fixe (4, 5, Fig. 2) et une couronne intérieure d'aubes (6, 7) montées pour osciller autour d'un axe médian. La figure 3 est une vue, à plus grande échelle, de l'ex- trémité d'un couloir. On voit qu'entre les parois 8-9 du couloir sont montés trois déflecteurs 10-11-12 agencés pour orienter l'air injecté sur les aubes à orientation fixe (13-14-15). Celles-ci sont prolongées, avec un intervalle, par les aubes d'orientation variable (16-17-18), lesquelles peuvent osciller autour d'axes médians (16a, 17a, 18a). Une tige (16b) solidaire de l'axe (16a) et terminée par une masse (16c) peut osciller en agissant sur une extrémité d'un ressort (16d) dont l'autre extrémité (16e) est fixe par rapport à la roue à aubes. Les déflecteurs d'orientation sont également visibles à la figure 2 (er 19-20). Au-dessus de la surface supérieure des couloirs, deux déflecteurs 21-22 destinés à créer une zone de dépression sont disposés autour d'une ouverture pratiquée au-dessus de la turbine. Les couloirs- comportent avantageusement (figure 1) une chambre d'entrée (AB) dont la section antérieure de prise de vent est notablement plus grande que la section postérieure dtinjec- tion. A titre d'exemple, pour une section de prise de vent de 30 m de haut et de 100 mètres de long (10 couloirs de 10 m) et une sec- 2 tion d'injection de 500 m (ce qui correspond à la surface d'une turbine de 8 m de haut et de 62,5 m de circonférence extérieure), on obtient ainsi une multiplication par 6 de la vitesse du vent à son entrée sur la turbine. La turbine ayant environ 20 m de diamètre moyen, étant attaquée par exemple par un vent de 10 m/s x 6 = 60 m/s et tournant à 30 tours/mn, il en résulte une vitesse relative de poussée de 28,6 m/s. On peut montrer que, compte tenu des pertes, la puis sance disponible avec un tel capteur sera de l'ordre de 20 MW. La grande section d'entrée des couloirs et la forme des parois, minimisent les turbulences. La puissance élevée est due au fait que les couloirs captent une énorme masse d'air en mouvement, l'accélèrent et la distribuent, avec l'incidence optimum, sur toute la périphérie de la turbine (ou, en variante, sur une partie de celle-ci) La cons- truction de l'ensemble est peu onéreuse, les-couloirs pouvant être constitués de panneaux préfabriqués. Pour obtenir une grande vitesse relative de poussée, et réduire les couples de frottement, il faut évidemment utiliser une faible vitesse de rotation. Il est alors peu intéressant d'associer, à une telle turbine, un alternateur de type classique dont le rotor et le stator sont cylindriques et coaxiaux. Il a déjà été proposé, pour augmenter sans difficulté le nombre de pôles et permettre ainsi d'obtenir du courant à la fréquence de 50 Hz sans devoir utiliser un multiplicateur de vitesse, de réaliser une disposition axiale de l'entrefer. La figure 4 représente la chambre d'entrée 23 d'un couloir et montre les deux couronnes d'aubes (24, d'orientation fixe, 25, d'orientation variable) de la turbine. Un rotor plat 26, solidaire de la roue de la turbine, comporte par exemple 100 paires de pôles tels que 2728 juxtaposés et alternés sur toute la périphérie du rotor et associés chacun à une bobine inductrice. Le stator 29, également plat et disposé en regard du rotor, est par exemple réalisé comme représenté à la figure 5, par 200 encoches où vont s'imbriquer deux enroulements décalés, figure en 30-31. Pour un diamètre moyen de 15,28 m du rotor de cet alternateur, le pas polaire sera de 0,48 m, ce qui est facile à réaliser. On a représenté, à la figure 4, un panneau, 32, monté pivotant autour d'un axe vertical, entre la chambre d'entrée 23 et la portion d'injection du couloir. La figure 6 montre que ces panneaux sont agencés pour assurer la continuité des parois des couloirs lorsqu'ils sont orientés parallèlement à celles-ci et pour obturer complètement les couloirs lorsqu'ils sont orientés perpendiculairement à leurs parois. Lorsque le vent devient trop fort, on peut ainsi, soit fermer complètement les couloirs, soit, en inclinant plus ou moins les panneaux, réduire par laminage la vitesse de l'air admis dans les portions d'injection des couloirs. Ce réglage grossier étant fait, la régulation automatique de la vitesse de la turbine en fonction de la vitesse du vent est obtenue grâce à l'orientation que prennent les aubes variai bles sous l'action de la force centrifuge. Pour les vents faibles, les deux aubes sont sensiblement en prolongement ; pour les vents forts, l'aube variable se met en drapeau et n'agit plus ; aux vents violents, l'aube variable peut même s'inverser. L'expérience a montré que, pour des variations de - 65 % de la vitesse du vent autour d'une vitesse de 30 Km/h, la variation de la vitesse du rotor à l'équilibre ne dépasse pas 12 % à couple résistant constant. Il y a également auto-rôgula tion vis à vis des variations du couple résistant. L'association de plusieurs moteurs éoliens du type représenté aux figures 1 et 2 s'effectue très simplement en juxtaposant les groupes de couloirs et en associant une turbine à cha- que groupe, les roues de ces turbines étant accouplées entre elles par exemple au moyen d'une chaîne. La valeur moyenne de lténergie captée par l'ensemble des groupes de couloirs d'une telle installation est pratiquement constante1 malgré les variations de la vitesse du vent en chaque point. Il en résulte que la puissance électrique engendrée par les alternateurs respectivement entraînées par les turbines est elle-meme pratiquement constante. La présence d'une zone de dépression, due aux déflecteurs 21-22, au-dessus de la turbine et au cône inférieur 33, favorise la sortie de l'air décéléré sous la forme d'un tourbillon ascendant, ce qui permet sa reprise en charge par les couches su périeures du vent et sa ré-utilisation par un autre capteur placé plus loin. On évite ainsi que cet air ne vienne perturber le fonctionnement des capteurs suivants. Il va de soi que diverses variantes d'exécution des dispositifs décrits et représentés peuvent être imaginées par l'homme de 1 'Art, sans sortir des limites de l'invention. REVENDICATIONS 1. Capteur d'énergie éolienne, caractérisé par la combinaison, à une roue à aubes d'axe vertical, d'une pluralité de couloirs juxtaposés au niveau du sol et conformés de manière que leurs portions d'entrée soient orientées dans la direction du vent et que leurs portions de sortie débouchent, à incidence sensiblement constante, sur une partie au moins de la périphérie de la roue à aubes. 2. Capteur d'énergie éolienne selon la revendication 1, carac térisé en ce que les portions d'entrée desdits couloirs sont une section droite notablement plus grande que celle des portions de sortie. 3. Capteur d'énergie éolienne selon les revendications 1 ou 2, caractérisé par des déflecteurs fixes d'orientation de l'air in jecté sur des aubes, montés entre les parois des couloirs dans lesdites portions de sortie. 4. Capteur d'énergie éolienne selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé par un ou plusieurs déflecteurs disposés autour d'une ouverture ménagée dans la surface supérieure des couloirs au-dessus de la roue à aubes et agencés pour faciliter la sortie de l'air décéléré dans une direction favorable à sa récupération par les couches supérieures du vent. 5. Capteur d'énergie éolienne selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 4, caractérisé en ce que la roue comprend deux couronnes concentriques, l'une composée d'aubes à orientation fixe, l'autre d'aubes à orientation variable, ces dernières ayant chacune un axe d'oscillation solidaire d'une tige terminée par une masse reliée à une extrémité d'un ressort fixé par son autre extrémité. 6. Capteur d'énergie éolienne selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 5, caractérisé par des panneaux montés pivotants dans les parois des couloirs et agencés pour assurer, dans l'une de leurs positions extrêmes, la continuité desdites parois et, dans leur autre position extrême, l'obturation complète des cou- loirs. 7. Moteur éolien caractérisé par la combinaison d'un capteur conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6 à un alternateur à entrefer axial. 8. Installation d'exploitation à grande échelle de lténergie du vent, caractérisée par la combinaison de plusieurs moteurs éo liens conformes à la revendication 7, dont les couloirs sont jux- taposés en ligne et dont les roues à aubes sont accouplées entre elles.