Brevet FR2390595A1 — publié le 19781208

La présente invention se rapporte à un dispositif de récupération d'énergie éolienne. Les dispositifs dè ce tvpe connus à ce jour sont pourvus d'un rotor unique et de moyens de transmission de l'énergie récupérée par le rotor. La récupération de l'énergie éolienne est cependant très réduite car le vent quitte les pales du rotor avec une vitesse importante, de sorte qu'une certaine quantité d'énergie cinétique récupérable n'est pas récupérée. I1 en résulte que le dispositif doit être d'un treks grand diamètre et , de ce fait, il est également très fra gile. Au cas oil un vent très fort souffle, l'appareil au lieu de présenterl'avantage de la récupération, est exposé à de grands risques de détérioration. Le but de la présente invention est de pallier ces inconvénients en proposant un dispositif de récupération d'énergie éolienne caractérisé par lue fait qu'il comporte un ensemble de turbines chacune pourvue d'un rotor à pales soit d'une part une turbine centrale et, autre part, de turbines satellites placées autour de la turbine centrale, des moyens d'orientation des courants d1air à l'intérieur de-l'ensemble des turbines, des moyens pour concentrer l'effort de rotation des rotors des turbines satellites sur le rotor de la turbine -centrale et des moyens-d'orientation de l'ensemble des turbines selon la direction du vent. Un tel dispositif de récupération de l'énergie éolienne présente de très nombreux avantages. Le courant d'air sortant avec une certaine vitesse de la turbine centrale est orienté sur les turbines satellites de manière que presque la totalité de l'énergie cinétique du vent entrant dans l'appareil est récupérée~. Un nombre plus ou moins grand de turbines satel lites peut être utilisé selon la force des vents dominants de la région, dans un appareil de dimensions transversales, en plan horizontal, bien plus réduites que pour les appareils de ce type connus à cejour. L'appareil présente une construction très robuste du fait de l'association des rotors central et satellites allongés axialement en position verticale. PQur-les mêmes dimensions transuersales en plan horizontal et encombrement du terrain, des appareils de diverses puissances peuvent être conçus par extension sur la verticale, en hauteur. L'inventlon sera ben comprise d'après la descrip- tion de plusieurs formes- d'exécution préférées, mais nullement limitatives et le dessin annexé, dont La figure 1 est une vue schématique, en coupe transversale horizontale selon la ligne I-I de la figure 2 d'un dispositif de récupération de l'énergie éolienne selon la pré- sente invention. La figure 2 est une vue schématique, partiellement arrachée, en coupe verticale selon la ligne II-II de la figure 1, du même dispositif selon l'invention proposée et La figure 3 est une vue schématique des moyens de type différentiel selon la présente invention. Le dispositif de récupération d'énergie éolienne, selon la présente invention, est composé d'un ensemble de turbines comportant chacune un rotor à pales, & savoir une turbine centrale et au moins une, généralement plusieurs et en nombre approprié, de turbines satellites placées autour de la turbine centrale et de moyens d'orientation de l'écoulement des courants d'air à l'intérieur de l'ensemble pour les conduire vers les pales actives des rotors des turbines et protéger de leur action les pales inactives. De ce fait, l'énergie cinétique du vent est récupérée.Le dispositif comprend en outre des moyens pour concentrer lleffort de rotation des rotors des turbines satellites sur le rotor de la turbine centrale à partir de laquelle, l'énergie est soit consommée, soit accumulée temporairement, respectivement par un consommateur d'énergie ou un accumulateur, via des moyens de transmission d'énergie. Le dispositif comprend également des moyens d'orientation de 1'ensemble des turbines selon la direction du vent afin d'assurer une efficacité maximale à la récupération de l'énergie. La turbine centrale comporte d'une part un pilier 1 axial , d'axe vertical et de forme générale cylindrique de révolution , monté fixe ou amovible a l'aide d'une embase 2 et , d'autre part , un rotor central 3 de même axe que le pilier 1 , en un matériau résistant . Ce rotor central 3 comprend, en premier lieu, un élément central 4 cylindrique d'axe vertical entourant coaxialement et monte à rotation libre sur le pilier 1 , supporté sur une console 5 solidaire du pilier 1 par l'intermédiaire de moyens de roulement 6 et, en second lieu, une pluralité de pales rigidement fixées à l'élément central 4, allongées dans le sens axial du rotor,orientées en plan horizontal radialement, présen tant de préférence, dans ce sens radial, une certaine courbure, toutes orientées dans un même sens. Ces pales 7, dont le nom bre n'est pas limitatif, s'étendant sur, préférentiellement tout ou seulement partie de la hauteur du rotor central 3 et radialement également sur une distance non limitative à partir de l'axe de l'élément central 4. Les turbines satellites comprennent chacune un rotor satellite 8, formé d'-un arbre central 9 d'axe vertical, rigidement associé à un certain nombre non limitatif de pales secondaires 10, allongées dans le sens de l'axe de l'arbre, orientées en plan horizontal radialement, de même que les pales de la turbine centrale. Les pales des rotors satellites 8 présentent également de préférence mais de manière non limitative, radialement une courbure. Toutes les courbures des pales secondaires 10 d'un même rotor satellite 8 sont orientées dans le même sens Les moyens d'orientation de l'écoulement des courants d'air 11 sont judicieusement placés autour du rotor central 3 et au voisinage des rotors satellites 8 afin de canaliser ces courants pour faire tourner les rotors. Ils comprennent autour du rotor central 3 deux déflecteurs 12a et 12b verticaux, de forme générale incurvée, à concavité tournée vers le rotor 3 en entourant ainsi les pales 7, diamétralement opposés par rapport à l'axe du rotor 3 et séparés l'un de l'autre pour former une entrée d'air '3 orientée tan gentiellement au rotor et une sortie d'air 15, approximati- vement diamétralement opposée à l'entrée d'air i4. Les moyens d'orientation comprennent au voisin > - ge des rotors satellites 8 des éléments déflecteurs 13 placés de manière à conduire le courant d'air entrant laté ralement par rapport aux déflecteurs lisa, 12b, sur toute la largeur de l'appareil, contre les pales actives des rotors satellites tout en protegeant les pales inactives. Le fonctionnement du dispositif selon la présen te invention est le suivant : Le courant d'air attaque le dispositif dans sa partie médiane selon la flèche centrale fl . Les déflecteurs 12a, 12b l'orientent sur les pales 7 actives du rotor cen tral 3, dont la concavité est tournée vers la flèche fî Les autres pales, inactives, tournant le dos au courant d'air, sont protégées de l'effet actif de ce courant d'air par le déflecteur 12b. Le rotor central 3 tourne donc dans le sens de la flèche f2. Le courant d'air chargé d'énergie cinétique sort par la sortie d'air 15 dans le sens des flèches f et attaque les rotors satellites 8. Les éléments déflecteurs 13 l'orien tent de manière guc seules les pales actives de ces rotors, c' est-a-dire cel concavité tourne vers le courant d'air soient sollicites , les autres pales, inactives ne l'étant pas. Le-courant d'air sortant de l'appareil dans le sens des flèches fq est très faible n'étant presque plus chargé d'éner- gie cinétique. L'appareil est également attaqué latéralement selon les flèches latérales f5. Ces écoulements latéraux desquels le rotor central 3 est préservé par les déflecteurs 12a et 12b, sont dirigés par les faces extérieures des déflecteurs 12a, 12b et par un déflecteur 12c latéral adjacent au déflecteur 12b, ainsi que par les divers éléments déflecteurs 13, sur les pales secondaires 10 actives des rotors satellites 8, dont les pales inactives de ce rotors sont protégées. Les rotors satellites 8 de part et d'autre du rotor central 3 sont ainsi mis en rotation et le courant- d'air sortant de l'appareil dans le sens des flèches f6 n'est presque plus chargé d'énergie cinétique. Les rotors satellites 8 pourvus d'éléments déflecteurs 13 peuvent être placés en tout point autour du rotor central 3 à condition que soient ménagées non seulement une entrée d'air 14 dans rotor central 3, mais également des entrées latérales d'air 16a et 16b. Les moyens pour concentrer l'effort de rotation 17 des rotors satellites 8 sur le rotor 3 peuvent être constitués par exemple d'un pignon 1 & conique. de chaque rotor satellite 8 solidaire coaxialement de l'arbre central 9 et de moyens de type différentiel1 selon la figure 3 , retransmettant l'effort de rotation de chaque rotor satellite 8 au rotor satellite voisin. Deux rotors satellites voisins ainsi reliés tournent alors dans le même sens Les rotors satellites sont alors divisés en deux groupes, ceux de la moitié gauché de l'appareil tournant dans un sens et ceux de la moitié droite en sens contraire. Les deux arbres centraux 9 des deux- rotors satellites voisins appartenant chacun à l'un de ces groupes sont chacun pourvu d'un pignon 20, ces deux pignons 20-engrenant entre eux. Les moyens 17 comportent ensuite des moyens de transmission 19 de l'effort de rotation de l'un des arbres centraux 9 au rotor central 3 constitués par exemple, selon la figure 2, par un pignon conique 18 solidaire coaxialement de l'arbre central 9 de l'un des rotors satellites 8 et d'un pignon conique central 21 solidaire coaxialement de l'élément central 4 du rotor central 3, reliés par un -arbre 22 à pignons coniques d'extrémité 23. Un pignon conique 18, un pignon conique central 21 et un arbre 22 à pignons-d'extrémite 23, peuvent également être pourvus à l'une, à l'autre ou aux deux parties extrêmes d'un arbre central 19 et de l'élément central 4 du rotor central 3. On observera que le rotor satellite 8 à partir duquel le mouvement de rotation est transmis au rotor central 3 doit, selon une telle forme d'exécution, tourner en sens opposé de celui du rotor central 3. Les moyens de transmission de l'effort de rotation 19 peuvent également être constitués dTun pignon simple monté sur l'arbre central 9 et d'un autre pignon simple monté sur l'élément central 4 du rotor central 3, la transmission de l'effort se faisant entre ces deux pignons simples par une chaine. Tout autre moyen approprié de transmission de l'effort de rotation des rotors satellites 8 au rotor central 3 est dans le cadre de laprésente invention Les efforts de rotation concentrée sur le rotor central 3 de la turbine centrale, sont transmis à un consomma teur ou un accuvmulateur d'énergie à l'aide de moyens de trans mission de l'énergie récupérée constitués par exemple par un pignon conique 24 d'un arbre de prise d'effort 25, venant en prIse sur le pignon conique central 21. L'arbre de prise d'ef fort 25 est l'arbre d'un générateur électrique, d'une pompe Qu de tout autre consommateur d'énergie approprié, non figuré ou l'arbre d'entrée d'un accumulateur.Celui-ci peut être consti tué d'un contrepoids monté à coulissement vertical en regard d'au moins un pilier vertical denté; d'un moteur solidaire du contrepoids utilisant l'énergie récupérée par le dispositif et entraînant un pignon en prise sur le pilier vertical denté et d'une génératrice solidaire du contrepoids engrenée avec le contrepoids en roue libre à la montee et entrainée en mouvement par le contrepoids lorsque celui-ci descend pour tourner et produire de l'énergie. Les moyens d'orientation 26 des rotors 3 et 8 selon la direction du vent sont constitues par une cage 27 en barreaux assemblés par tout moyen approprié à savoir un nombre non limitatif de barreaux circulaires 28 concentriquement assemblés en un plan supérieur 29 et un plan inférieur 30 horizontaux, réunis par des barreaux radiaux 31 horizontaux dans ces plans et fermés par des planches nour mieux capter les courants d'air ainsi que des barreaux marginaux 32, verticaux sur le pourtour de la cage, reliant entre eux les plans supé- rieur 29 et inférieur 30. Des entretoises 33 Deuvent être utilisées pour renforcer l'assemblage de ces barreaux sous forme d'une cage 27 rigide. Les plans supérieur 29 et inférieur 30 nrésentent au centre un espace libre par sunoression des barreaux radiaux 31 à l'intérieur des barreaux circulaires 28a du plus petit diamètre. Le diamètre intérieur de ces barreaux 28a est tel que la cage 27 puisse être placée coaxialement au pilier 1, les barreaux 28a constituant un guidage lorsque cette cage 27 tourne autour du pilier. Les barreaux formant le plan intérieur 30 sont pourvus sur leurs faces extérieures de roues 34 roulant sur deux rails 35 circulaires, concentriques, centrés sur 1 t axe du pilier 1 donc du rotor central 3. Le rail 35 le plus rapproché de l'axe du pilier l peut être posé par exemple sur la console 2a du pilier 1. Le rail 35 le plus éloigné du pilier 1 est posé par exemple sur des consoles 35a soutenues par un certain nombre non limitatif des piliers marginaux 36 posés de manière fixe ou amovible sur le sol, au même niveau que la console ia du pilier 1. Les piliers marginaux- 26 supportent également à la hauteur de la partie supérieure et inférieure de la cage 27, des rails circulaires 27b sur -lesquels roulent en appui des rouleaux 27c de guidage de la cage 27. Les barreaux des plans inférieur 30 et supérieur 29 servent de support autant aux arbres centraux 9 des rotors satellites 8 des turbines satellites, par des moyens appropriés à roulements pour supprimer les frottements dans la rotation sous l'effort du vent des rotors satellites 8, qu'aux moyens dtorientation des courants d'air -11 et à des paliers 40 des arbres 22, etc. Les piliers marginaux 36 supportent à une certaine hauteur au-dessus du sol une couronne dentée 37 -d'engrenage,- à denture intérieure. La cage 27 supporte, sur les consoles 27a, un certain nombre non limitatif de moteurs d'orientation 38, dont l'axe de rotation est solidaire d'un pignon d'orientation 39 engrenant avec la couronne 37. Les moteurs d'orientation 38 sont tous commandés simultanément et en synchronisme par un dispositif d'asservissement à un palpeur du sens d'orientation du vent, notamment un cerveau électronique, afin de faire tourner la cage 27 et l'amener à chaque instant dans une position telle que l'entrée d'air 14 centrale et les entrées latérales 16 d'air soient exposées directement face à la direction du vent, donc dans la position la plus favorable à la récupération de L'énergie éolienne. L'invention prévoit également des moyens du type différentiel permettant de "compenser" les différences de vitesse entre les turbines. D'autre part, il est facultativement prévu ou un ou plusieurs paravents amovibles permettant de masquer tout ou partie des turbines à l'action-du vent; Enfin, il peut être prévu des moyens de chauffage du dispositif évitant que celui-ci ne soit "grippé" par temps froid. Les moyens de type différentiel permettant de "compenser les différences de vitesse entre les turbines selon la présente invention sont constitués d'un-arbre de coulissement 41 soutenu à- ses deux parties extrêmes par des paliers 42. Cet arbre de coulissement 41 est solidaire à l'une de ses parties extrêmes d'un pignon de transmission de l'effort de rotation, par exemple un pignon conique 41a en prise avec un pignon conique 18a d'un arbre central 9a d'un rotor 8. L'arbre de coulissement 41, de forme générale cylindrique est pourvu sur sa face extérieure d'un nombre quelconque non limitatif de rainures hélicoïdales 43. Ces moyens de type différentiel sont également constitués d'une gaine 44, creuse, de forme générale cylindri- que à section circulaire, pourvue sur sa face extérieure de canelures d'engrenage 45 longitudinales, en sens axial. Cette gaine 44 est solidaire a chacune de ses deux extrémités ouvertes, d'un disque 46 frontal pourvu dans son centre d'une découpe étoilée 47 laissant libre accès de l'extérieur vers l'intérieur à la gaine 44 creuse. La forme et les dimensions des découpes étoilées 47 sont telles que l'arbre de coulissement 41 puisse s'insérer dans la gaine 44 par ces découpes étoilées, les zones pleines du disque 46 ménagées entre les rayons découpés de la découpe étoilée 47 s'insérant dans les rainures hélicoïdales 43 avec un faible jeu radial par ran- port à l'axe de la gaine 44.Une telle disposition permet donc à la gaine 44 de se déplacer en rotation par rapport à l'arbre de coulissement 41, mais seulement en accusant en même temps une translation axiale par rapport à 1' arbre de coulissement 41 selon la longueur du pas d'hélice des rainures hélicoïdales 43. Afin de limiter cette translation axiale de la gaine 44 une butée de fin de course 48 est prévue du côté de l'une des parties extrêmes de l'arbre de coulissement 41. Du coté de l'autre des parties extrêmes de l'arbre de coulissement 41 , un ressort 49 de compression est prévu entourant avec jeu latéral l'arbre de coulissement 41 et appuyant par llune de ses extrémités sur le disque 46 frontal et par l'autre extrémité sur un disque cran d'arrêt 5Q auquel le ressort 49 est solidaire et qui,- à- son tour,, est solidaire de l'arbre de coulìssement 41* Les moyens de type différentiel selon la présente invention, comportent en outre un arbre 51 supporté égaiement par des paliers 42 et portant solidaìre,-une roue dentée 52 en prise avec les canelures d'engrenage 45 de la gaine 44 L'arbre 51 est également solidaire -à l'une de ses parties extrêmes d'un pignon de retransmission de l'effort de rotation, par exemple un pignon conique 51a en prise avec un pignon conique 18b d'un arbre central 9b d'un rotor 8* Selon la présente invention, la gaine 44 à canelures d'engrenage 45 est actionnée en rotation par la roue dentée 52 recevant son mouvement de rotation à partir de l'arbre centrale 9b.La gaine 44 en action comprime le. ressort 49 en glissant axialement sur- l'arbre de coulissement 41 à l'encontre de ce ressort 49 qui entraîne l'arbre de coulissement 41 et le pignon 41a, à énergie différée, plus ou moins vite selon la résistance qu'elle oppose. I1 est de toute évidence que la présente invention admet de nombreuses variantes d'exécution, par exemple selon le nombre, les dimensions du complexe et la distribution des turbines satellites par rapport à la turbine centrale, les moyens de concentration des efforts de rotation des rotors satellites sur le rotor central, les moyens de transmission de ces efforts à partir de certains éléments du dispositif aux autres éléments, etc. Le complexe selon la présente invention saurait de toute évidence avoir, selon la force des vents prédominants de la région une autre distribution des rotors satellites par rapport au rotor central, par exemple au lieu d'une disposition concave, concentrique au rotor central, une disposition convexe, notamment latérale par rapport à celui-ci. Ce complexe selon prEsente-invention saurait également être appliqué à la récupération de l'énergie des courants d'eaux des rivières, des fleuves ou des marées. De telles variantes du dispositif proposé ne sauraient en aucun cas affecter l'esprit de la présente invention. REVENDICATIONS 1.- Dispositif de récupération énergie éolienne caractérisé par le fait qu'il comporte un ensemble de turbines chacune pourvue d'un rotor à pales sont, d'une part, une turbine centrale et, d'autre part, de turbines satellites placées autour de la turbine centrale, des moyens d'orientation des court rants d'air à l'intérieur de l'ensemble des turbines, des moyens pour concentrer l'effort de rotation des rotors des turbines satellites sur le rotor de la turbine centrale et des moyens d'orientation de l'ensemble des turbines selon la direction du vent. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le rotor central 3 de la turbine centrale et les rotors satellites 8 des turbines satellites sont allongés axialement en position verticale, les pales étant orientées en plan horizontal, radialement. 3.- Dispositif selon la revendication I, caractérisé par le fait que les moyens d'orientation de l'écoulement du courant d'air 11 sont constitués par des déflecteurs 12a, 12b, 12c et des éléments de déflecteurs 13 conduisant l'air vers les pales actives des rotors et protégeant de leur action les pales inactives. 4.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les moyens pour concentrer l'effort de rotation 17 des rotors satellites 8 sur le rotor central 3 sont constitués par un pignon solidaire de chaque rotor satellite 8, la rotation de l'un des pignons au pignon voisin étant retransmise par des arbres- à différentiel ou similaires, les rotors satellites formant deux groupes, les deux arbres centraux 9 voisins appartenant chacun à un de ces groupes étant chacun pourvu d'un pignon 20, ces deux pignons engrenant entre eux et des moyens de transmission de l'effort de rotation 19 d'un rotor satellite 8 au rotor central 3. 5.- Dispositif selon l'une quelconque de la revendsca- tion 4, caractérisé par le fait que les moyens de transmission de l'effort de rotation 19 sont constitués par un pignon conique 18 solidaire de l'axe des rotors satellites 8, d'un pignon central 21 solidaire coaxialementdu rotor central 3 et d'un arbre 22 à pignons coniques d'extrémité 23 engrenant l1un avec le pi gnon conique 20 et l'autre avec le pignon central 21. 6.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que les moyens d'orientation 26 du rotor central 3 et des rotors satellites 8 sont cons titués d'une part d'une cage 27 rigide pourvue de roues 34 -roulant sur des rails 35 circulaires, concentriques, centrés sur l'axe du rotor central 3, cette cage 27 servant de support aux rotors satellites 8, aux moyens d'orientation des courants d'air, aux moyens pour concentrer l'effort de rotation des rotors des turbines satellites sur le rotor de la turbine centrale et, au moins un moteur d'orientation 38 commandé par un dispositif d'asservissement à un palpeur du sens d'orientation du vent notamment un cerveau électronique et, d'autre part, d'une couronne dentée 37 à denture intérieure supportée par des piliers marginaux 36 posés de manière fixe ou amovible sur le sol, les moteurs d'orientation 38 faisant tourner la cage 27 à l'aide de pignons d'orientation 39 engrenant avec la couronne dentée 37, afin de l'amener à chaque instant dans une position la plus favorable à la récupération de Il'énergie éolienne 7,- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens du type différentiel permettant de compenser les différences de vitesse de rotation des turbines. 8.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins un paravent amovible permettant de masquer tout ou partie des turbines à l'action du vent. 9.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait qu'il est associé à un accumulateur d' énergie. 10.- Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait que 1-' accumulateur peut etre constitué d'un contrepoids monté à coulissement vertical en regard d'au moins un pilier vertical denté; d'un moteur solidaire du contrepoids utilisant l'énergie récupérée par le dispositif entraînant un pignon en prise sur le pilier vertical denté et d'une généra trice solidaire du contrepoids engrenée avec le contrepoids en roue libre à la montée et entraîné en mouvement par le contrepoids lorsque celui-ci descend pour tourner et produire de l'énergie. 11.- Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que les moyens de type différentiel sont constitués d'un arbre de coulissement 41 solidaire d'un pignon de transmission de l'effort de rotation, ledit arbre de coulissement 41 étant pourvu s-ur sa face extérieure d'au moins une rainure hélicoïdale 43, d'une gaine 44 creuse, pourvue sur sa face extérieure de canelures d'engrenage 45 longitudinales, solidaire à chacune de ses extrémités d'un disque 46 frontal pourvu d'une découpe étoilée 47 axiale, l'arbre de coulissement 41 s'insé- rant dans la gaine 44 par ces decoupes étoilées, les zones pleines du disque 46 ménagées entre les rayons découpés de ces découpes étoilées 47 s'insérant dans les rainures hélicoïdales 43 avec un faible jeu radial, un ressort 49 de compression ap- ?uyant par l'une de ses parties extrêmes sur le disque 46 et par l'autre de ses parties extrêmes sur un cran d'arrêt 50 auquel le ressort 49 est solidaire et qui est solidaire de l'arbre de coulissement 4-1, ainsi qu'un arbre 51 portant solidaire une roue dentée 52 en prise avec les canelures d'engrenage 45 de la gaine 44, l'arbre 51 sortant également solidaire un pignon de transmission de l'effort de rotation.