Brevet FR2396878A1 — publié le 19790202

La presente invention est relative aux machines à capter l'energie du vent ou eoliennes,a axe vertical. L'utilisation d'éoliennes date de plusieurs millénaires si l'on considère les moulins à axe vertical de Mêsopotamie et de Chine; des moulins de ce type existent encore de nos jours en Iran. Les égyptiens fabriquèrent les premiers moulins à axe horizontal quatre siècles avant notre ère. L'Europe dut attendre le VIIe siècle après JC pour utiliser des moulins à vent. Par la suite , les ailes s'améliorèrent de plus en plus pour parvenir à la perfection des moulins hollandais à hélices vrillées et a mécanique complexe. Vers 1900 furent mises au point des installations avec batterie, embrayage et régulateur de vitesse. A l'instar des moulins à vent, les éoliennes peuvent être à axe vertical ou horizontal. Parmi les éoliennes à axe vertical, l'on distingue des machines à aubes pivotantes, des machines à clapets battants et des panémones. Les machines connues à aubes pivotantes à axe vertical comprennent un dispositif mécanique - engrenage ou courroie - qui fait pivoter les pales dans le sens inverse de la rotation de l'arbre de couple et à une vitesse deux fois moindre. De cette façon, les pales ont toujours le meilleur angle par rapport a la direction du vent. Une girouette est nécessaire pour orienter le dispositif de transmission toujours dans la même direction. En maintenant le plateau sur lequel sont fixées les pales immobiles et en faisant tourner la girouette, la disposition des pales est toujours optimum. Ce type de machine présente cependant 1 'inconvénient de pertes mécaniques très importantes et des problèmes d'orientation dus aux actions opposées de la rotation du plateau et de la girouette. Il a été proposé des machines à clapets battants comportant des pales libres sur un axe vertical et s'appuyant sur une butée pendant une certaine fraction de la rotation du plateau sur lequel sont fixées les pales. Pendant qu'elle est en butée, la pale est motrice, tandis que libre, elle suit le vent comme une girouette et ntest pas résistante. Une pale n'est motrice que sur la moitié de la rotation, sur l'autre moitié son effet est nul. Ce type de machine est bruyant et, par vent faible, les clapets s'agitent de façon désordonnée, ce qui conduit à une relative inefficacité. Inversement aux machines à axe vertical et à pales mobiles, il existe des machines à axe vertical à pales fixes, disposées en couronne et profilees de façon à être motrices sur pratiquement toute la rotation. Cependant, ce type de machines necessite un carénage volumineux et difficile à orienter pour obtenir un rendement acceptable. Bien que les éoliennes -à axe vertical aient un rendement plus faible que celles à axe horizontal, elles presentent les avantages d'une conception simple et robuste qui a permis d'envisager leur utilisation comme mode de propulsion auxiliaire sur des navires de fort tonnage pour augmenter leur vitesse et réduire également la consommation de carburant. Cependant, les éoliennes à axe vertical et à pales orientables autour d'un axe vertical présentent des inconvénients certains lorsque le vent vient a changer soudainement de direction, etant donné la résistance qui peut être opposée par la pale correctement orientée pour ne présenter qu'une résistance minime au vent. Compte tenu des enseignements de la technique antérieure, la présente invention propose une éolienne à axe vertical et à pales effaçables dans un plan horizontal. De plus, cette éolienne est autoorientable. Plus précisément, I'invention est relative à une éolienne autoorientable a arbre vertical de couple, relié à un générateur d'électricité et entrain en rotation par des voiles verticales portées par des bras mobiles pivotant sur eux-mêmes. Ces voiles s'effacent dans un plan horizontal par une rotation de 900 autour du bras mobile horizontal qui les porte pendant leur retour contre le vent par l'effet d'un disque de guidage dont la position angulaire est imposee par une girouette.Le disque de guidage comporte deux segments de came horizontale sur lesquels glisse au moins un galet de came carré,solidaire d'un bras horizontal mobile autour de son axe et-parallèle aux bras horizontaux correspondants portant les voiles, commandés en rotation de 900 , par des câbles de renvoi liés à une roue solidaire du bras horizontal autour duquel est engagé le galet de came carré, lorsque ledit galet est libéré du contact plan avec la came par engagement d'un pignon porté par le même bras horizontal que le galet de camme carré, dans des segments d'une couronne dentee disposee entre les segments de came horizontale. I1 existe au moins un diamètre du disque de guidage, appelé "ligne de vent", d'un coté duquel est dispose un seul segment de came horizontale tandis que de l'autre coté sont disposés l'autre segment de came horizontale et les deux segments de couronne dentée. Un moteur électri- que de puissance commandé par une girouette maintient l'alignement de la "ligne de vent" du disque de guidage avec la direction du vent. La girouette est montee sur un arbre vertical qui entraîne un disque " vent" coopérant par des contacts electriques avec deux roues dentées mobiles autour dudit arbre vertical et qui peuvent entrer en rotation forcée, sous l'effet d'un moteur d'asservissement, d'un même angle que le disque de guidage sous l'effet du moteur de puissance, ce qui conduit à la fermeture des contacts électriques et à l'arrêt des moteurs. Des détails supplémentaires sur l'invention apparaitront au cours de la description du dessin annexé donné à titre d'exemple non limitatif. Au dessin annexé présenté à titre indicatif, La figure 1 présente en élevation et en coupe partielle une éolienne conforme à l'invention. La figure 2 est une vue de dessus d'un disque de guidage necessaire à la mise en oeuvre de l'invention. La figure 3 et la figure 4 sont des représentations schématiques du système mécanique et électromagnétique d'asservissement du moteur de puissance entraînant le disque de guidage et permettant une autoorientation de I'éolieme. L'on trouvera in fine une nomenclature des différents repères utilises au cours de la description. La figure 1 presente une vue schématique des principaux éléments constitutifs d'une éolienne conforme à l'invention. Un arbre vertical de couple (1) se compose d'au moins deux parties, la partie supérieure (2) étant creuse, tandis que la partie inferieure (3) est pleine. Cet arbre vertical de couple (1) est relié directement ou indirectement à une machine de production de courant électrique, connueen soi et non représentée. La partie supérieure (2) de l'arbre vertical de couple (1) porte trois groupes de bras horizontaux. Chaque groupe de bras horizontaux est composé d'au moins un bras horizontal (4). Les bras d'un même groupe sont disposés dans un plan vertical, les plans verticaux étant en étoile à trois branches autour de l'arbre vertical de couple (1) et formant entre euxun angle de 1200. Pour faciliter la lecture de la figure 1, seuls deux groupes de bras horizontaux ont éte représentés. L'extrémité de chaque bras horizontal (4) pénètre dans la partie supérieure creuse (2) de l'arbre vertical de couple (1) en pouvant subir un mouvement de rotation autour de son axe horizontal du fait de l'utilisation de paliers ou plus pré cisément de roulements à billes (11).L'autre extrémité de chaque bras horizontal (4) est maintenue à hauteur par un cable de suspente (5) vertical qui retient un palier (10) comportant par exemple un roulement à billes, dans lequel s'engage l'extrémité de chaque bras horizontal (4). Les câbles de suspente (5) sont fixes à des potences horizontales (6) disposees pres de l'ex trématé supérieure de l'arbre vertical de couple (1) et en tout cas au-dessus des bras horizontaux (4). Ces potences (6) sont haubanées par des câbles de retenue (7). I1 est remarquable que la suspension des extrémités des bras horizontaux (4) par des câbles de suspente (5) permet un certain gauchissement de l'éolienne. Sur la partie des bras horizontaux (4) comprise entre les paliers d'extrémité est disposé un cadre métallique (8) sur lequel est tendueune toile (9) pour former une voile. Chaque bras horizontal (4) peut tourner dans les paliers (10) et (Il) de 900 de façon à effacer la voile lorsque nécessaire. Le mécanisme d'effacement de la voile à partir d'une rotation de 900 des bras horizontaux (4), tout en évitant une rotation supplémentaire, est dispose pour l'essentiel à la partie inférieure (3) de l'arbre vertical de couple (l).Ainsi,on peut voir à la partie inférieure (3) de l'arbre vertical de couple (7) trois bras horizontaux de commande (12) dont deux seulement sont représentés sur la figure 1 pour une meilleure lisibilité. Ces bras horizontaux de commande (12) sont solidaires de l'arbre vertical de couple (1) par l'intermédiaire d'une bague (13) montée sur l'arbre vertical de couple (l),qui les maintient écartés de 1200 tout en pouvant tourner librement autour de leur axe grâce à des paliers, par exemple des roulements à billes.Sur lesdits bras horizontaux (12) sont disposés une roue (14), un pignon (15) et un galet de came carré (16). Ces trois éléments, savoir la roue (14), le pignon (15) et le galet de came carre (16), sont solidarises aux bras horizontaux (12), par exemple par des cannelures.Immédiatement sous le plan de rotation des trois bras horizontaux (12) est placé un disque de guidage (17) comportant un relief composé de segments d'une couronne dentee et d'une came horizontale qui coopèrent soitavec le galet de came carré (16), soit avec le pignon (15) portés par les bras horizontaux de commande (12). Dans certaines positions angulaires des bras horizontaux (12) par rapport au disque de guidage (17), le galet de came carre (16) est en contact avec une came horizontale (18) parallèle et solidaire du disque de guidage (17); de ce fait, le bras horizontal (12) ne peut tourner autour de son axe. Inversement, dans d'autres positions angulaires des bras horizontaux (12) par rapport au disque de guidage (17), le galet de came carré (16) n'est pas en contact avec la came horizontale (18) et donne au bras horizontal (12) la liberté de tourner autour de son axe.Etant donne que le pignon (15) vient à coopérer avec la denture radiale (la) d'un segment de couronne portée par le disque de guidage (17), l'arbre horizontal (12) est entraîné dans une rotation de 900 autour de son axe. Aussitot la rotation achevee, la rotation de l'arbre vertical de couple (1) duquel sont solidaires les bras horizontaux (12), entraîne un contact entre le galet de came carre 16) et la came horizontale (18).Comme la roue (14) solidaire du bras horizontal (12) est reliée par un système de câbles de renvoi (20) à des poulies (21) solidaires des bras horizontaux (4) portant les voiles, lesdits bras horizontaux (4) sont entraînés dans un mouvement de rotation identique a celui des bras horizontaux (12) qui coopèrent par 1 'in- termediaire de galets de came carrés (16) et de pignons (15) avec le disque de guidage (17). A titre d'exemple, la figure 2 présente une vue de dessus d'un disque de guidage (17) conforme à l'invention ainsi que trois bras horizontaux (12). Sur chacun des bras horizontaux (12) sont solidarisés une roue (14) coopérant avec les câbles de renvoi (20) non représentés sur la figure, un pignon (15) coopérant pendant une partie de la rotation de l'arbre vertical de couple (1) avec la denture radiale (19) de deux segments de couronne (22) et (23), un galet de came carre (16) en contact pendant une partie de la rotation de l'arbre vertical de couple (1) avec deux segments (25) et (26) d'une came horizontale (18) lorsque le pignon (15) ne coopère pas avec les segments de couronne (22) et (23). En outre, sur la même figure, on peut voir le detail de montage des bras horizontaux (12) par un système de paliers (24), par exemple de roulements à billes assurant la retenue radiale desdits bras (12). Etant donne que le disque de guidage (17) comporte un relief composé de deux segments (22) et (23) d'une couronne dentée, disposes chacun entre deux segments (25) et (26) d'une came horizontale, les bras horizontaux (12) et par là-même les bras horizontaux (4) portant les voiles tendues sur le cadre metallique (8),sont alternativement mus d'un quart de tour, ce qui conduit à un mouvement alternatif des voiles qui sont alternativement verticales ou horizontales, c'est-à-dire effacees. La position angulaire du disque de guidage (17) détermine le declenchement du mouvement alternatif des voiles. En effet il est désire que l'arbre vertical de couple-(l) tourne sous la pression du vent sur les voiles et il est nécessaire de faire pivoter le disque de guidage (17) à mesure que le vent tourne de façon à ce que la ligne de vent KOK qui est un diamètre du disque de guidage (17) d'un même côte duquel sont disposés les deux segments (22) et (23) de la couronne dentee, coïncide avec la direction du vent. Par consequent, il faut maintenir en coincidence la ligne KOK et la direction du vent, ce qui peut être fait manuellement ou automatiquement comme l'invention le propose. A cet effet, un mécanisme asservi électromécanique provoque la rotation du disque de guidage (17). Sur la figure 3, an peut voir un arbre vertical (28) entraîne en rotation par une girouette (27) qui tend à presenter la plus faible résistance possible au vent. Autour de cet arbre vertical (28) est monte un disque à vent (29) qui, par conséquent, pivote des lors que la girouette se déplace. Le disque à vent (29) possède deux doigts verticaux (30) et (31) disposés chacun sur une surface du disque à vent (27).A ces deux doigts verticaux (30) et (31) correspondent des doigts verticaux (32) et (33),avec lesquels il y a normalement contact électrique, et portés par deux roues dentees (34) et (35) qui peuvent pivoter librement autour de l'arbre vertical (28) et qui entraînent d'autres roues dentees (39) et (40),pouvant pivoter librement autour d'un même arbre vertical (36), et pouvant être accouplées à cet arbre par un embrayage mécanique (37) commande par un relais électromagnétique (38).Ce relais électro- magnétique est intégre au circuit électrique de commande qui sera decrit à la suite.Alors que les deux roues dentées peuvent être entraînées indépendemment l'une de l'autre sous l'effet de l'accouplement dû à l'embrayage mécanique (37) par un moteur d'asservissement (MA), le disque à vent (29) est mû par la girouette (27) qui indique la direction du vent. Lorsque le vent change de direction, la girouette (27) tourne en faisant pivoter le disque à vent (29) qui prend une nouvelle position qui n'assure plus un contact électrique entre l'un des couples de doigts verticaux (30) et (32),d'une part, et, (31) et -(33), d'autre part. En effet, l'un de ces couples se décolle tandis que l'autre est maintenu avec la rotation simultanée de la roue dentée qui le porte.Cette rupture de contact électrique modifie l'état du circuit électrique, d'ou une mise en rotation du moteur d'asservissement (MA),éventuelIement lié aux roues dentées (39) et (40) et par conséquent aux roues (34) et (35), et du moteur de puissance (MP) qui provoque une rotation, par l'intermédiaire d'un pignonage, du disque de guidage (17) de façon à aligner la ligne KOK avec la direction du vent pour obtenir un effacement a bon escient des voiles. Pendant le temps de rotation du disque de guidage (17), le moteur d'asservissement (MA) entraîne, selon le cas, la roue dentée (39) ou la roue dentee (40) pour fermer le contact electrique (30) et (32) ou le contact électrique (31) et (33).En outre, tout systeme de freinage qui assure un positionnement angulaire stable du disque de guidage (17) doit être libéré pendant la rotation. Le circuit électrique de commande du moteur de puissance (MP) qui entraine le disque de guidage (17) se compose, comme présenté a la figure 4, essentiel lement de deux alimentations en courant continu (B1) et (B2), de quatre relais contacteurs (S1) à (S4) ainsi que de deux relais électromagnétiques (38) et (41) qui servent respectivement à la commande de l'embrayage mécanique (37) (relais 38), et à la commande du systeme de freinage du disque de guidage (17). Les contacts (30) et (32), d'une part, et (31) et (33)s d'autre part, corres pondent comme écrit plus haut, aux doigts portes par le disque à vent (29) so lidaire de l'arbre vertical (28) porteur de la girouette (27) et les roues dentuées (34) et (35). On suppose le disque de guidage (17) selon un positionnement angulaire tel que la ligne KOK corresponde avec la direction du vent, c'est-à-dire que les contacts (30) et (32), d'une part, et (31) et (33) d'autre part, sont fermes. Dans cette hypothèse, les moteurs (MA) et (MP) ne sont pas alimentés par 1'alimentation en courant continu (B1). Lorsque le vent change de direction, une paire de contacts (30) et (32) ou (31) et (33) ouvre le circuit correspondant.Dans l'exemple presenté à la figure 4, le contact (30) et (32) est ouvert, d'ou une alimentation des moteurs (MA) et (MP) par les relais (Sl) et (S4) qui sont rappelés par leurs ressorts de rappel en position de fermeture, ce qui conduit à- une rotation des moteurs (MA) et (MP) qui sont sous tension simultanément avec les deux relais électromagnétiques montés en dérivation. Si le contact (31) et (33) est ouvert, le contact (30) et (32) est fermé et les moteurs (MA) et (MP) tournent en sens inverse.De ce fait, la "ligne de vent" KOK est de nouveau alignée avec la direction du vent et l'arbre vertical de couple (1) peut transmettre son mouvement par un système de courroies (42) et de renvoi d'angle (43) à une machine de production de courant non re presentée sur le dessin. La présente invention n'est pas limitée aux détails techniques de reali- sation présentés ci-dessus mais peut également être mise en oeuvre a partir d'éléments équivalents tant mécaniques qu'électriques. En outre, sans sortir du cadre de l'invention, il est possible de superposer plusieurs bras horizon taux (4) pour accroltre la voilure . commed'augmenter le nombre de plans de voilures. NOMENCLATURE 1 arbre vertical de couple 2 partie supérieure de l'arbre vertical de couple (1) 3 partie inferieure de l'arbre vertical de couple (1) 4 bras horizontaux 5 câble de suspente 6 potence 7 câble de retenue 8 cadre métallique 9 toile 10,11 palier d'extrémité d'un bras horizontal (4) 12 bras horizontal de commande 13 bague 14 roue 15 pignon 16 galet de came carre 17 disque de guidage 18 came horizontale 19 denture radiale 20 câble de renvoi 21 poulie 22,23 segments de couronne 24 palier 25,26 segment de came horizontale 27 girouette 28 arbre vertical 29 disque à vent 30 a 33 doigts verticaux 34,35 roue dentée 36 arbre vertical 37 embrayage mécanique 38 relais électromagnétique de commande de l'embrayage (37) 39,40 roue dentée 41 relais électromagnétique 42 courroies 43 renvoi d'angle B1,B2 alimentation en courant continu KOK ligne de vent MA moteur d'asservissement MP moteur de puissance S7 à S4 relais contacteurs REVENDICATIONS 1. Eolienne autoorientable à arbre vertical de couple relie a un générateur d'électricité et entraîné en rotation par des voiles verticales portées par des bras mobiles pivotant sur eux-mêmes caractemsée par l'effacement des voiles dans un plan horizontal par une rotation de 900 autour du bras mobile horizontal qui les porte pendant leur retour contre le vent par l'effet d'un disque de guidage dont la position angulaire est impose par une girouette. 2. Eolienne selon la revendication I caractérise par un disque de guidage com portant deux segments de came horizontale sur lesquels glisse au moins un galet de came carré solidaire d'un bras horizontal mobile autour de son axe et parallèle aux bras horizontaux correspondants portant les voiles, comman o des en rotation de 90 , par des câbles de renvoi liés à une roue solidaire du bras horizontal autour duquel est engagé le galet de came carre lorsque ledit galet est libéré du contact plan avec la came, par engagement d'un pignon porté par le même bras horizontal que le galet de came carre, dans les segments d'une couronne dentee disposee entre les segments de came horizon tale. 3. Eolienne selon la revendication 2 caractérisée en ce qu'il existe au moins un diamètre du disque de guidage, appelé "ligne de vent", d'un coté duquel est disposé un seul segment de came horizontale tandis que de l'autre côté sont disposés l'autre segment de came horizontale et les deux segments de couronne dentée. 4. Eolienne selon la revendication 3 caractdrisée ence que Un moteur électrique de est puissance/commandé par une girouette pour maintenir l'alignement de la "ligne de vent" du disque de guidage avec la direction du vent. 5. Eolienne selon la revendication 4 caracteiee par une girouette montée sur un arbre vertical qui entraîne un disque l' vent" coopérant par des contacts electriques avec deux roues dentées mobiles autour dudit arbre vertical et qui peuvent entrer en rotation forcée, sous l'effet d'un moteur d'asservisse ment, d'un même angle que le disque de guidage sous l'effet du moteur de puis sance, ce qui conduit à la fermeture des contacts électriques et à l'arrêt des moteurs.