Brevet FR2324896A1 — publié le 19770415

Cette invention concerne la secteur de la domestication de l'éner- gie éolienne en vue de produire de l'électricité. L'état de la technique,dans le secteur considéré,est impropre à la domestication industrielle de l'énergie éoliennes Le dispositif,suivant l'invention,vise à util@ser une énergie planétaire ,de domestication élémentaire,n'entraînant pas l'altération du milieu qui nous dcnna ve--e% tous permit es vivre,pour produire,à très faible coût et en très grande quantité,de l'énergie électrique. En choisissant de construire cetts "TOUR VIVE" sur un édifice constituant son assise,par exemple une usine de production et de liquéfaction d'oxygène et d'hydrogène obtenus par électrolyse de l'eau,il vise,de surcroît, à ne coûter aucune emprise au sol.Toute la surface d'emprise de la tour pourrait être profilée en cuvette pour retenir l'sau de pluie à fin de son t lectroltse. La pluie et le vent sont deux grandes résultantes de l'action solaire sur notre planète.Si l'on a su domestiquer la pluie,en canalisant l'écoulement et en créant des barrages hydro-électriques,le vent n'a trouvé,en face de lui,que des installations sans envergure,hormis un rotor géant,bi-pales ne pouvant constituer um front de captage à l'image de l'immportance d'un barrage hydro-électrique. Dans le vent,cette masse d'air énorme en mouvement,est concentrée une énerrie puisée sur des étendues immenses exposées à l'action solaire.A mon avis c'est à travers l'énergie éolienne que l'exploitation de l'énergie solaire pour produire de l'électricité est la plus rentable.La hauteur du front d'é- volution du vent est importante,ce qui représente une énergie élevée per mètre carré au sol. Par les moyens de l'invention,et de la technologie d'aujourd'hui orientée vers des matériaux légers et robustes,tant à la rupture qu'à la corrosion, permettant de réaliser des rotors éoliens sensibles aux vents legers et robustes aux vents violents,on peut produire des quantités importantes d'é- lectricité à faible coût,ce qui pourrait bien ouvrir l'ère des piles à combustible. La durés de oie du dispositif est de l'ordre de centaines d'années avec des moyens,en personnel et en matériel,insignifiants pour le fonctionnement et l'entretien. Les oflts d'exploitations,comparés,de la chaleur solaire et de la chaleur atomique issue de matériaux fissiles déterrés,sont dans un rapport équivalent,existant,entre le divin et le diabolique,entre la sublime et l'insensé. Le dispositif s'élève en une tour métallique,de@préférence au des sus d'un édifice d'utilit4.CQtte tour comprend une ostature,très aérée,com- posée d'éléments tubulaires disposés verticalement,et d'éléments disposés horizontalement constituant des segments d'espacement et de rigidité ha- cun exprimant un arc du cercle déterminant la circonférence de la tour. L'ossature de cette tour comprend,donc,des cerclages solidarisant les co- lonnes constituées des éléments tubulaires supperposés.Ce quadrillage de l'ossature réalise un filet de mailles rigides dont chaque maille est des tinse à contenir un rotor éolien,de dimensions modestes,à axe vertical. Ce rotor éolien comprend un arbre creux sur lequel sont fixées,en disposition radiaire,des armatures portant des écrans sur lesquels agit la poussée du vent.Tout les rotors éoliens,qui se confondent en un même axe vertical,sont couplés entre-eux pour mouvoir le rotor d'un générateur électrique. Si l'on édifiait une "TOUR VIVE" de 300 mètres de hauteur avec un diamètre de 100 mètres,comprenant des rotors écliens de 1,90m de hauteur et 2,80m de diamètre,avec une distance entre axes de 3,14m,chaque générateur électrique serait couplé à 150 rotors éoliens,et la tour aurait un potentiel de 100 de ces générateurs.L'ensemble des générateurs sera situé dans une galerie circulaire appartenant à l'édifice porteur. L'aération visuelle de la tour,sera assurée par l'emploi de matériaux transparents destines plus spécialement aux écrans des rotors.La tour pourra offrir,en plus de son électricité,l'attrait artistique en ayant recours à des transparences teintées.Pour que l'ensemble resté lumineux il faudra se limiter à la transparence pure alternée avec des teintes dorées ou ocre ce qui sera au plus bel effet avec le mouvement des rotors.Ce temple de vie, se conjuguant à la Nature par la main de l'homme,se parera de mille éolats de lumière aux teintes de feu. Cette caractéristique de captage cellulaire de l'énergie éolienne,avec l'appoint de matériaux transparents,aurait pu conduire à choisir l'un de ces autres titres pour l'inventions - Front cellulaire,transparent,de captage de l'énergie éolienne. - Filet éolien (du fait de la transparence de l'ensemble). ASPECTS TECHNIQUES.La figure 1est un apperçu,en coupe longitudinale ,de la structure de l'ossature,oû apparaît la technique d'assemblage sans que ce dessin ne représente les détails ni ne respecte les proportions entre élémentB.Y est représente le segment d'espacement et de rigidité 1,élément plat qui comprend à chaque extrémité un demi-cylindre 2 perpendiculaire au plan principal de l'élément. Ces demi-cylindres Sont réunis l'un contre l'autre par le tube-tuteur 3 qui les enserre.Ainsi,tous les éléments de l'ossature sont intimement liés. La figure 2 est une vue en élévation représentant le tube tuteur 3 en pression sur deux segments d'espacement et de rigidité 1 qu'il réunit,et le percement 4 surmonté d'un lamage destiné à loger le roulement supportant le rotor éolien et le maintenant en position. Sur la figure 3 l'on peut distinguer le trou conique 5 destiné à recevoir une goupille conique 6,filetée en un bout,se logeant entre les deux segments d'esDacement de l'assemblage,tirée par un écrou prenant appui sur une face de ces segments pour rattraper le faible Jeu d'assemblage et en assurer sa rigidité. La liaison entre arbres-rotor s'effeotue rigidement sans pièce de fixation. On a recours à un arbre de transmission court,décolleté,denté à chacune de ses extrémités dont une des dentures est filetée(figures 4,5et6)pour recevoir une bague filetée 7 destinée à déplacer l'arbre de transmission se logeant initialement dans le roulement 8 pour pénétrer dans l'une des extrémités de chaque rotor voisin.Cet arbre de transmission ayant son épaulement,lisse,en contact du roulement.###### Le roulement stinterponant entre deux rotorséoliens est maintenu élastiquement dans son logement pour absorber les variations de position,mêmes très légères,pouvant exister de maille à maille au sein d'une ossature qui n'est pas de rigidité absolue. Ainsi,les rotors éoliens ne participent pas à la rigidité de la tour,ce qui n'entraîne pas de résistances de friotion supplémentaires à celles decoulant de la masse da oes rotors. CHOIX DU ROTOR A AXE VERTICAL. Avantages:Il permet un front de captage imposant,développé en hauteur qui fournit une énergie élevée par mètre carré au sol.Sn effet,on a la possibilité de coupler des rotors éoliens en série,sans pièze mobile de liaison,n'entraînant pas de perte de rendement ni d'usure,à l'inverse du recours à des engrenages,et de choisir des rotors de dimensions modestes permettant le robustesse dans la légàreté;faible masse entraîne faible friction, faible masse et robustesse entraient sensibilité aux vents légers et sécurité aux vents forts,fiabilité,tout en obtenant,par cette serie,un rotor éolien géant possédant un volant d'inertie important*facteur de régulation. Inconvénients:Le rotor éolien à axe vertioal ne présente pas ses plans de captage uniformément au vent;en rotation ses plans connaîssent des phases d'efficacité variables pour l'entraînement du rotor,d'où l'intérêt de choix bien étudiés pour ce type de rotor éolien. CHOIX DES RCRANS DE CAPTAGE.Ecran fixe sur son support ou pivotant sur un axe vertical. L'efficacité des écrans de captage s'appuit sur leur légèreté,leur aptitu de à affronter les vents violents,la qualité de leur comportement aérodynamique. Dans la gamme des matériaux transparents il y a le verre et les matières synthétiques;on peut les utiliser en structure compacte ou aérée. Des matériaux simples ou élaborés ne manquent pas,actuellement,alliant légèreté et robustesse. ECRAN A PIVOTEMENT VERTICAL. Il se subdivise en volets,pivotant sur un axe vertical.Les figures 7,8,9 sont des vues de dessus,schématiques,d1un rotor,comprenant des écrans de captage de deux volets,représenté en trois positions différentes avec des volets fermés 9 et d'autres ouverts 10 relativement à la direction du vent. Chacun de ces écrans détermine un plan de captage. Inconvénients:insignifiants;l'usure qui pourrait découler de la mobilité des volets est insignifiante du fait de leur faible masse et des matériaux de frictipn en prdsence,par exemple,axe de verre tournant dans un logement bagué rilsan.Il est apparent que tous les plans de captage ne participent pas simultanément à l'entrainement du rotor.Considéré unitairement ce pourrait entre un inconvénient mais,groupés en un front circulaire,ça devient un avantage en permettant un vent de fuite conséquent récupéré par le front arrière. Avantages:bon rendementset sécurité du fait de plans de captage déformables sous les fortes poussées du vent,oomme il va Outre exposé ultérieurement. L'écoulement du vent favorisé par les volets pivotants est profitable au front de captage arrière. ECRAN FIXE,SANS PIVOTEMENT VERTICAL.Reoours à la forme curviligne suivant la figure 10. Avantages (à déterminer à l'essai. Incenvénients ( Pour le reniement énergétique de l'un ou l'autre rotor éolien,les plans de captage ne sont pas contigus à l'arbre;la dynamique de fonctionnement bénéficie de cette aération centrale des rotors,qui favorise l'écoulement du vent en supprimant des turbulences parasites,tout en allégant le rotor et en améliorant le bras de levier de la force agissante.Le coût du rotor s'en trouve,également,allègé. La figure 11 représente,àtitre purement d'exemple,un rotor éolien à axe vertical composé d'un arbre creux. sur lequel sont fixées,en disposition radiaire,quatre armatures dont ohaoune porte trois rangées de volets pivotant constituant un front de captage.L'armature est creuse,8 profil aérodynami- que,structurée pour supporter les contraintes qui lui seront imposées,éven- tuellement remplie d'un matériau cellulaire,expansé,pour absorber les vi brations possibles dues à l'action du vent.On peut alléger le rotor en limitant le nombre de fronts de captage à trois,ceci,pour tendre à augmenter sa sensibilité aux vents de faible débit. on peut,aussi,fractionner chacun de ces fronts de captage en plusieurs plans distincts,étagés sur toute la hauteur du front,et espacés angulairement.D'un rotor de trois fronts de captage,on obtient six plans de captage distincts,en fractionnant chaque front en deux demi-fronts complémentaires deux à deux espacés de 60 degrés, ce qui parait assurer une meilleure continuité de captage.La figure 12 est une vue partielle représentant troie des six plans de captage.Chaque plan de captage comprend un ou plusieurs volets pivotants. L'armature peut avoir ces autres formes représentées par les figures 13 et 14.Un support ayant une élasticité en torsion peut etre employé pour l'armature à fin d'assurer un dégagement de sécurité du plan de captage sous les fortes poussées du vent.A titre d'exemple,la queue de l'armature des volets,en forme de fourche,se loge dans le support 11,figure 13,solidaire de l'arbre du rotor.Cette armature est asservie au support par une lameressort logée entre les deux roulements à aiguilles 12 permettant une rotation de sécurité du plan de captage sous les fortes poussées du vent.La figure 15 est une lue en bout qui représente la disposition entre le support 11,la queue 13 de l'armature et la lame-ressort 15. En fait,avec des matériaux résistants à la rupture,structurés en oonséquence,et des plans de captage de faible dimensions,les vents violents de- vraient être bien supportés. Pour reprendre les valeurs d'un rotor éolien de 1,90m de hauteur et 2,8Om de diamètre,nous aurons des écrans de captage d'une surface de 0,90m de longueur et 0,60m de hauteur pour l'exemple de la figure 11,ou 0,90 X 0,90 pour la figure 12,chacun fixé L une armature de deux supports de 1,33m de longueur;fixés sur un arbre de 0,13 à 0,15m de diamètre extérieur.Donc des contraintes suppostables pour chaque plan de captage et l'armature.En appréciant le poids de chaque rotor éolien@à660 kg,chaque colonne de rotors représente une charge de 9 tonnes supportêe par 150 roulements étagés sur toute la hauteur de la colonne. Pour réduire les effets contrariants des déflexions du vent au contact des plans de captage,ceux-ci peuvent être perméables pour permettre un écoulement direct du vent et nom totalement déflecté ce qui,par ailleurs,amorti les"coups de vent".La page,présente,redaotylographiée,a été allégé de trois lignes. 2 3 Suivant l'importance de lalargeur des volets,ceux-oi peuvent être réalisés d'une série de cylindres ou demi-cylindres,creux,transparents,très légèrement espacés,solidarisés par une nervare supérieure et inférieure,le tout pouvant entre obtenu par moulage.Contre les vents violents,l'élément en figure 16 est constitué d'une âme rigide 16 solidaire d'une lamelle souple 17 qui,sous les fortes poussées du vent,se déforme pour augmenter la perméabilité du plan de captage,ae qui est illustré en figure 17.Les volets peuvent être de faible largeur et ne comprendre qu'un seul de ces éléments individuellement pivotant(-figure 16).Encore,ces volets peuvent être parallèlépipédiques,comprendre des percements dans un relief alvéolé,réalisés à partir d'un matériau de faible épaisseur,rigide,transparent,ou réalisés à partir d'un tissage de fibrea de verre ou de fibres synthétiques trans parentes,éventuellement recouveru d'une résine.Tout écran souple sera pris dans une monture dont les bordures,supdrieures et inférieures,auront le profil représenté en 18,figure 18 et 19,planche V.Lors de la fermeture des volets,sous la poussée du vent,oes bordures viennent en pression sur deux appuis arrondis 19 appartenant à l'armature porteuse des volets.Ces bordures,en partie encastrdes,et en pression sur les appuis,soulagent la monture des contraintes du vent,interdisant aux volets de se déformer et autorisant une monture légère pour les écrans tissés. Les schémas des figures 7,8 et 9 nous ont représenté le comportement des volets durant@le mouvement du rotor pour constater que,pendant 180 degrés les volets sont fermés,et pendant les 180 degrés suivants ils s'ouvrent pour se refermer progressivement.Supposons que le rotor soit arrêté aveo la position des volets (suivant la figure 20)déterminée par la direction du dernier souffle,et que le vent se lève à l'opposée de cette direction. Les volets fermés vont s'ouvrir,et les volets ouverts vont ou ne vont pan ne fermer.Optons pour le cas inhabituel des volets ouvert qui tendent, sous la poussée du vent,à pivoter dans le sens opposé à celui de leur fermeture. La figure 21 nous montre que ces volets se dérobent en position arbre en se profilant parallèlement à la direction du vent et que le rotor ne pourra être mû.Limitons l'ouverture angulaire des volets à 140 degrés, figure 22. Cotte fois,les volets ne peuvent plus se profiler parallèlement au vent,lequel aura prise sur des plans de captage,et le rotor pourra entre mû.Ce positionnement inhabituel des volets cesse après une rotation du rotor de 180 degrés.Le rotor en mouvementwles volets s'ouvrent dès que la poussée du vent qui les maintenait fermés est inférieure à la poussée relative à la rotation du rotor.Ces volets,de faible masse,tont s'ouvrir rapidement et leur mouvement sera stoppé par deux butées élastiques. En souflerie pourront être testée les objets suivants: -le type d'armature, -le nombre de volets pivotants par plan de captage;(En employant deux ou six volets par plan de captage de 90 X 60 centimètres,ou 90 X 90,on obtient des volets de 45 X 60 ou 45 X 90 centimètres et 15 X 60 ou 15 X 90), -le type de volet, -la résistance d'ensemble aux"coups de vent", -les interferences entre deux rotors éoliens voisins pouvant altérer le rendement d'ensemble en fonction du sens de rotation de l'un par rapport à l'autre,et des positions relatives des plans de oaptage,on pourra tester deux retors cote à cote,supperposés et l'un derrière l'autre par rapport à la direction du vent,en modifiant la disposition et le nombre des plans de captage. Pour que l'intensité de l'énergie éolienne soit exploitée au mieux,il faudrait que le front de captage cellulaire soit un plan rectiligne perpendiculaire à l'orientation du vent,ce qui suppose que ce front de captage soit mobile pour s'orienter en fonotion de la direction du vent.Compte-tenu de la masse,et de la stabilité nécessaire à l'édifice,il ne peut être envisagé sa mobilité.On est donc conduit à opter pour un front de captage fixe stable,orienté à tous vents,et le choix se porte sur la tour.Elle offre l'avantage de la stabilité,de se présenter uniformément quelque soit l'o- rientation du vent en provoquant,par son contour curviligne,les effets aé- rodynamiques qui dynamisent l'écoulement du vent à travers les retors. Si l'on observe le positionnement des rotors éolienswoote à cote,disposés en cercle,figure 23 qui ne représente qu'une partie de la périphérie de la tour,on aboutit à considérer qu'il y a intérêt à alterner deux à deux,siii- vLnt la figure 24,la rotation des oolonnes de rotors pour permettre une meilleure ne ration des rotors situés dans le seoteur tangentiel relatif à la direction du vent. Les segments d'espacement et de rigidité ##,figure 3,comprennent une coulisse 20 pour l'évolution d'une cabine d'intervention pour le contr8le et l'entretien des rotors éoliens.Cette cabine sera située au sommet de la tour sur une voie circulaire. Un moyen de freinage doit être installé au niveau de chaque générateur électrique pour l'immobilisation individuelle des colonnes de rotors éoliens lors d'interventions qui se feront par vent nulle ou faible. EN CONCLUSION,le présent effort inventif est une intervention qui a la prétention de montrer combien l'exploitation à tous prix (prix le plus élevé en exploitation,en répercussions) de la recherche,de ces ingénieux chas seurs de cibles,peut 8tre diabolique en aboutissant à l'emploi d'une éner gie issue d'une activité de destruction atomique,d'un niveau d'activité n'existant plus à l'état naturel à la surface de notre planète.L'énergie atomique émet un rayonnement mortel pour toute vie cellulaire.C'est parce-que notre planète ne connaissait plus cette activité atomique,que la vie cellulaire a pu apparattre et se développer. On déterre les matériaux de cette activité,pour nous conforter... Si la chaleur est souroe de vie,elle l'est quand elle ne brûle pas;d'où les bienfaits du soleil,cette boule de feu que l'on apprécie à distance. Le vent est sans manifestation d'artifioegil n'est ni feu,ni explosion. Ne devant pas son existence aux laboratoires,il est négligé,et pourtant: le vent possède beaucoup d'énergie d'une disponibilité exceptionnelle.On connait des périodes de sècheresse alors que rares sont les périodes sans vent;un vent léger suffit pour un front de captage important et sensible. C'est ainsi qu'il nous survole,le front haut,comme défiant notre capacité intelleotuelle propre à produire des biens sans inconfort.Si il est capricieux,qu'à cela ne tienne;un cours d'eau ne l'est'il pas@On emploie de l'énergie électrique chère pour recyclerwpsr pompage,les eaux d'écoulement d'un barrage hydro-électrique.L'énergie éolienne pourrait faire le même travail et pour pas chère.De là,en partant d'une énergie bon marché,on peut créer des stations hydro-éleotriques en circuit Sermé.Il suffit de trouver un relief adéquate,d'amener l'eau dans ce réservoir naturel adapté par la main de l'homme.Les sites ne doivent pas manquer en région montagneuse.Leau peut être obtenue par forage là où passe une rivière souterraine.L'apport de l'eau en un lieu désertique est source de vie.Ces lacs artificiels créent des micro-climats d'incidence favorable,assouplissant l'aridité d'un milieu. On n donc lk,le moyen d'assur@ sans- dommage,notre indépendance énergétique. avec l'avènement des piles à oombustible chacun sera plus à même de maîtri- ser sa consommation@ énergétique oontrairement aux pratiques privilégiaires actuelles qui veulent que,plus l'on oonsomme moins l'on paie chère ment le kilo- watt-heure. Chaque commune pourrait avoir sa "TOUR VIVE"avec son usine de production et de liquéfaction d'oxygène et d'hydrogène,ce qui contribuerait à fixer la main-d'oeuvre rurale qui,par la souplesse des horaires de travail pourra, pour une partie,être polivalente entre l'usine et la ferme et,par ailleurs, offrirn à chacun de nous un peu plus de choix pour fixer notre cadre et notre type de vie. REVENDICÂTIONS 1-Dispositif groupant en un seul support des rotors éoliens pour former un front inportant de captage de l'énergie éolienne destinée à la production d'électricité,caractérisé en ce que le groupement est réalisé sur l'étendue périphérique d'une tour métallique délimitée par son osssture dont les éléments constitutifs sont assemblés intimement par emboîtement pour former un filet de mailles rigideswohacune permettant de fixer un rotor éolien de dimensions modestes. 2-Dispositif,selon la revendication 1,caractérisé en ce que la technique d'assemblage intime,simple,sûre,pratique,s'assure en plus d'une goupille conique filetée en un bout,encastrée entre les deux segments hori zontaux de l'assesblage,tirée par un écrou en appui sur une face de ces segxents,pour réaliser la rigidité de 11 assemblage. 3-Dispositif,selon la revendication 1caractérisé en ce que chacun des rotors éoliens est constitué d'un arbre portant des aubes non contiguës à l'arbre et disposées en rayons,chacune de ces aubes étant réalisée en un ou plusieurs volets dont l'axe géométrique de pivotement est vertical. 4-Dispositifselon la revendication 1caractérisé en ce que tous les rotors éoliens,slignés verticalement en un meme axe,sont soutenus individuellement par un roulement,lequel est utilisé en plus à la stabilisation du rotor qui lui est inférieur,l'ensemble de ces rotors étant solidarisé pour constituer une unité d'entraînement d'un générateur électrique. 5-Dispositif,selon la revendication i,carsctérisé en ce que les rotors éoliens sont réalisés avec le concours de matériaux de transparence neutre et/ou teintée laissant passer la luxière,en particulier solaire, pour estomper la masse du dispositif et en faire,de surcroit,un objet artistique s'exprimant par le Jeu de lumières animées par le mouvement des retors. 6-Dispositif,selon les revendications i et 3,caractérisé en ce que chacun des rotors éoliens a son arbre qui est creux et cannelé aux extré- mités,avec des aubes qui font front au vent sur toute la hauteur de l'arbre,en un seul plan vertical,ou en deux plans verticaux distincts angulairement. 7-Dispositif,selon les revendications 1 et 3,caractérisé en ce que les rotors éoliens assurent leur sécurité de résistance,aux vents violents, du fait que chacune des aubes comprend un support horizontal à fonction de pivot et un moyen de liaison élastique,de sorte que sous les fortes poussées du vent,l'aube pivote pour n'opposer qu'une résistance flexible au vent,et/ou une déformation relative,temporaire1du corps des volets qui est flexible de part et d'autre d'une aie rigide. 8-Dispositif,selon les revendications 1 et 3,caractérisé en ce que les rotors éoliens ont leurs plans de captage perméables pour accrocher le vent et lui fournir des voies d'écoulement direct éliminant ou atténuant les effets parasites des déflections du vent au contact des plans de captage. 9-Dispositif,selon les revendications 1 et 4,caractérisé en ce que cette solidarisation des rotors éoliens,relative à leur rotation,est ef fectuée deux à deux par le doyen d'un arbre de transmission conçu pour satisfaire à une liaison rigide et amovible,permettant d'encastrer au plus juste chacun des rotors éoliens relativement à une raille on réservant la possibilité de l'extraire sang gène,liaison obtenue par un arbre cylindrique,court,épaulé,denté à chacune de ses extrémités dont l'une des dentures est filetée pour recevoir une bague filetée.L'arbre de transnission complété de la bague,est en partie introduit dans le roulement et l'arbre du rotor inférieur,pour être les par la bague prenant appai sur le rouleient,de sorte à ce que l'arbre de transmission pénètre dans l'arbre du mentor supérieur jusqu'à ce que l'épaulement de l'arbre de transmission soit situé au coeur du roulement. 10-Dispositif, selon les revendications 1 et 4,caractérisé en ce que le roulement,s'interposant entre deux rotors éoliens,est fixé élastiquement dans son logement. 11-Dispositif,selon la revendication 1caractérisé en ce que l'assise de la tour est un édifice d'utilité commerciale et/ou d'habitation,de sorte que par son seul fait la tour ne coûte pas d'emprise au sol,et que le sommet de cette assise a une forme de cuvette pour concentrer l'eau de pluie aux fins de son électrolyse.