Brevet FR2448049A1 — publié le 19800829

La présente invention est relative à une éolienne. On sait qu'une éolienne est une machine destinée à capter l'énergie du vent pour entraîner une pompe, une génératrice électrique, ou diverses autres machines. Dans leur conception actuelle, les éoliennes se présentent de façon generale comme une hélice dont l'axe est horizontal ou sensiblement horizontal et dont les pales, disposées radialement autour de cet axe avec une orientation moyenne de chacune d'entr'elles oblique par rapport à cet axe, reçoivent du vent urnpoussée apte à faire tourner l'hélice autour de son axe pourvu que ce vent soit orienté parallèlement à l'axe. Ce fonctionnement lié à une orientation précise de l'axe de l'hélice par rapport au vent amène un inconvénient en ce que, si la direction du vent vient à changer, il est nécessaire de modifier l'orientation de l'éolienne en la faisant pivoter autour d'un axe vertical ; sur les éoliennes de petite dimension , cette orientation est assurée automatiquement par une girouette solidaire de l'axe de l'hélice ; sur les éoliennes de dimension supérieure , cette orientation est assurée de façon automatique ou manuelle par divers systèmes mécaniques. Cette necessité de maintenir l'axe de l'éolienne dans la direction du vent implique par conséquent la présence d'un certain nombre de dispositifs accessoires,qui compliquent et a lourdissent l'eolienne,et augmententson prix de revient. En outre, la necessité d'orienter ces éoliennes dans toutes les directions conduit, compte tenu de l'orientation sensiblement verticale du plan général de l'hélice, à les installer sur des structures verticales présentant dans le plan horizontal des dimensions réduites, c'est-à-dire sur des structures d'autant plus fragiles et d'autant plus instables que la hauteur de l'éolienne est importante, et notamment que son diamètre, et par conséquent les efforts qu'elle reçoit du vent, sont importants. En pratique, par conséquent, on ne peut réaliser d'eoliennes de ce type conventionnel que sous une taille reduite, Si l'on veut éviter des problèmes techniques difficiles à resoudre et des coûts prohibitifs. Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients et, à cet effet, l'invention propose une eolienne apte à fonctionner quelle que soit l'orientation du vent incident, sans que l'on ait à la déplacer en fonction de cette orientation ; on échappe ainsi aux contraintes liées à la necessité d'orientation en fonction de la direction du vent inhérente aux éoliennes de conception traditionnelle ; l'invention prévoit à cet effet une éolienne dont l'axe est vertical et le plan moyen du rotor, jouant le rôle de l'hélice des éo liennes traditionnelles, horizontal ; il devienat trossible d'installer une eolien ne, quel que soit son diamètre, c'est-à-dire quelle que soit sa puissance, sur une structure présentant des dimensions en plan quelconques, et notamment présentant une résistance suffisante sans que l'on soit obligé de faire appel à des solutions techniques coûteuses. Il résulte par conséquent de la mise en oeuvre de l'invention une grande simplification dans la construction des éOliennes, notamment lorsque la -taille de celles-ci est importante, et un coût de l'installation considérablement réduit ; en outre, dans la mesure où l'axe vertical du rotor remplaçant l'hélice traditionnelle est fixe, il est possible de réduire le nombre de pieces en mouvement, comme par exemple le nombre de trains d'engrenages et d'arbres transmettant le mouvement rotatif de l'hélice à la machine entraînée, ce qui permet d'une part d'améliorer le rendement de l'installation et d'autre part de réduire les risques d'usure et de panne. En outre, grâce à une conception judicieuse du rotor, il est possible selon l'invention de faire agir le vent successivement sur plusieurs pales de celui-ci, et par conséquent de mieux utiliser l'énergie du vent que dans le cas des éoliennes traditionnelles où le vent traversant l'hélice n'agit qu'une fois sur chaque pale de celle-ci. L'éolienne selon l'invention est caractérisée en ce qu'elle comporte - un rotor mobile en rotation autour d'un axe vertical et comportant une pluralité de pales reparties en etoile autour de l'axe, definissant entre elles des espaces ouverts - des moyens, autour du rotor, pour orienter le vent incident et l'amener à attaquer les pales du rotor par une face de celles-ci orientee vers l'arrie- re compte tenu d'un sens de rotation prédéterminé du rotor, quelle que soit l'orientation initiale du vent incident. L'invention sera mieux comprise si l'on se réfère à la description cidessous, relative à un mode de mise en oeuvre non limitatif, ainsi qu'aux dessins annexés qui font partie intégrante de cette description. La figure 1 montre une vue de l'éolienne en coupe par un plan horizontal, tel que le plan I-I de la figure 2. La figure 2 montre une vue de l'éolienne en coupe par un plan vertical passant par son axe, tel que le plan II-II de la figure 1. On a désigne de façon générale par 1 le rotor de l'éolienne et par 2 son stator, lequel entoure intégralement le rotor 1 ; le rotor 1 et le stator 2 sont l'un et l'autre symétriques par rapport à un axe vertical commun 3 qui, défini par des paliers respectivement supérieur 4 et inférieur 5 du stator 2, constitue l'axe de rotation du rotor 1; celui-ci porte vers le haut un demi-arbre 6 tournant autour de l'axe 3 dans le palier 4 et vers le bas un demi-arbre 7 qui en est solidaire en rotation et qui tourne à l'intérieur du palier 5 ; ce demi arbre 7 se prolonge vers le bas, au-delà du palier 5, par un embout 8 apte à être raccordé de façon fonctionnelle à la machine que l'on désire entraîner au moyen de l'éolienne (cette machine n'a pas été représentée) ; selon une variante, les demi-arbres 6 et 7 sont constitués par un arbre unique traversant de part en part le rotor 1 suivant l'axe 3. Le rotor 1 proprement dit est constitué par deux disques horizontaux, respectivement superieur 9 et inférieur 10 , identiques, centrés sur l'axe 3 et solidaires par leur centre respectivement de 1 1extrémité inférieure du demi-arbre 6, à proximité immédiate du palier 4, et de l'extremite supérieure du demi-arbre 7, à proximité immédiate du palier 5. Ces deux disques 9 et 10 sont relies entreeux de façon rigide, à proximité de leurpériphérie, par des pales sensiblement verticales 11, identiques, délimitées d'une part par les disques 9 et 10, et d'autre part par deux bords verticaux, respectivement 12 et 13, respectivement à l'aplomb vertical de la peri phérie des disques 9 et 10 et vers l'axe 3, à distance de celui-ci, de telle façon qu'il reste au centre du rotor 1 une zone 14 exempte d'obstacles, c'està-dire autorisant la libre cirulation de l'air. Comme il apparaît plus particulièrement à la figure 1, les pal es 11 sont régulièrement réparties autour de l'axe 3 et occupent des positions identiques par rapport à celui-c. Chacune comporte deux zones planes jointives le long d'une arête 16 situee à proximité de son bord 12. L'essentiel de la surface de la pale est défini par sa zone située entre son bord 13 et l'arête 16, qui présente par rapport au rayon moyen de la pale une orientation telle que le bord 13 soit place en avant de l'arête 16 si l'on se réfere à un sens de rotation prédéterminé du rotor, schématisé par la flèche 15 à la figure 1 , c'est-à-dire une orientation telle que la face 25 de la pale tournee vers l'arrière compte tenu du sens de rotation 15 soit,dans cette zone, tournée vers l'axe 3 ; la zone de moindre surface situee entre l'arête 16 et le bord 12 présente quant à elle une orientation inverse ; à titre d'exemple non limitatif, l'obliquité d de chaque zone située entre le bord 13 et l'arête 16 de celle-ci, par rapport à un rayon correspondant au bord 12 de la pale, peut être de l'ordre de 7 , l'obliquité de la zone située entre l'arête 16 et le bord 12 étant par exemple du même ordre. Le stator proprement dit 2 est quant à lui constitué par deux disques horizontaux, respectivement supérieur 17 et inférieur 18, centrés sur l'axe 3, au niveau duquel ils portent respectivement le palier 4 et le palier 5, et presentant un diamètre identique, supérieur à celui des disques 9 et 10 à proximité immédiate desquels ils sont situés. A proximite de leur périphérie, les deux disques 17 et 18, qui sont fixes, sont reliés de façon rigide par des pales 19a et 19b différant par leurs dimensions mais qui présentent une obliquité identique, dans le même sens que la zone des pales 11 du rotor situee entre le bord 13 et l'arête 16 de celles-ci, mais plus prononcée. Les pales 19a et 19b sont planes ; elles sont delimitées respectivement vers le haut et vers le bas par les diques 17 et 18. Vers l'axe 3, elles sont délimitees par un bord vertical, respectivement 20a ou 20b, situé à proximité immédiate de la périphérie du rotor définie par la périphérie des disques 9 et 10 et par l'enveloppe des bords 12 des pales 11 lorsque le rotor tourne autour de l'axe 3. Dans leur zone la plus éloignée de l'axe 3, les pales 19a et 19b sont delimitées par un deuxieme bord vertical, respectivement 21a et 21b, situé respectivement à l'aplomb vertical des périphéries cylindriques des deux disques 17 et 18 et en saillie vers l'extérieur par rapport à cet aplomb, la zone de chaque pale 19b formant ainsi saillie présentant des dimensions horizontales faibles par rapport aux dimensions horizontales de l'ensemble de la pale. De préférence, comme il est illustré, le nombre de pales 19a-19b est inférieur au nombre de pales 11 ; ces nombres sont respectivement de 16 pour le total des pales du stator et de 24 pour les pales du rotor dans l'exemple illus tré, ce qui correspond à un rapport de 2 à 3, ces chiffres etant donnés à titre d'exemple non limitatif. Commes les pales 11, les pales alternes 19a-19b sont disposées symétriquement autour de l'axe 3, si bien que l'éolienne se présente sous un aspect identique au vent quelle que soit l'orientation de celui-ci dans un plan horizontal. Selon un autre mode d'execution d'une éolienne selon l'invention, on pourrait favoriser la captation du vent suivant des orientations privilégiées en allongeant, dans le sens d'un eloignement par rapport à l'axe 3, les pales 19a-19b assurant la captation suivant ces orientations. On a représenté à la figure 1 le trajet suivi dans l'appareil par un vent d'orientation choisie arbitrairement, désignée par une flèche 22. Pour cette orientation, comme pour une orientation quelconque, compte tenu de l'orientation des pales 19a et 19b, le vent s'engouffre sur environ 1/3 de la périphérie du stator 3 dans les passages 23 que définissent deux à deux une pale 19a et une pale 19b. Les espaces 23 étant intégralement ouverts vers l'extérieur et vers l'intérieur du stator, le vent qui s'y engouffre subit une accélération et debouche ainsi accélére dans les espaces 24 que definissent entre elles deux pales 11 dur rotor voisines ; les espaces 24 étant intégralement ouverts vers l'extérieur du rotor et vers l'intérieur de celui-ci, le vent les parcourt en direction de la zone centrale 14 et, compte tenu des orientations relatives des pales 19a-19b et 11, qui tend à le diriger vers la face 25 des pales 11 tournée vers l'arrière compte tenu du sens de déplacement prédéterminé 15, applique à cette face 25 des pales 11 situées à cet instant en regard des passages 23 le recevant une poussée dans ce sens 15, laquelle se traduit par la rotation du rotor dans ce même sens. A cet effet de poussee s'ajoute un effet de trainée, c'est-à-dire un effet d'aspiration dans le sens 15, s'appliquant sur la deuxième face 27 des pales 11, d'autant plus que le caractère concave de cette face 27 crée une zone de dépression accentuée notamment en regard des zones de la face 27 jouxtant l'arête 16. Le caractère convexe de la face 25 des pales 11 présente quant à lui l'intérêt de faciliter une rotation du rotor par vent faible, en offrant alors au vent une possibilité de poussée sur la zone de la face 25 situee entre l'arête 16 et le bord 12 immédiatement à sa sortie des passages 23. Au cours du parcours de chaque zone 24 de la périphérie du rotor vers la zone centrale 14 de celui-ci, le vent subit une nouvelle accélération et la zone 14 correspond à une zone de surpression par rapport à la pression atmosphérique régnant à l'extérieur de l'éolienne, et a fortiori par rapport à la zone de dépression 26 qui tend à se créer en aval de celle-ci par rapport au sens 22 du vent du fait de l'obstacle qu'elle crée au passage de ce dernier ; ainsi, à son arrivée dans la zone centrale 14, l'air tend à s'échapper de cette zone de surpression vers la zone de dépression 26, ce qui l'amène à parcourir successivement, vers l'extérieur du rotor puis du stator, dans des zones diamétralement opposees aux zones par lesquelles il est entré successivement dans ce stator et dans ce rotor, des espaces 24 puis des espaces 23 dont la forme divergente dans le sens d'un éloignement par rapport à la zone centrale 14 facilite ce mouvement; selon une caractéristique intéressante du mode de mise en oeuvre de l'invention représenté, le mouvement du vent présente egalement lors de cette sortie une composante perpendiculaire aux faces 25 des pales 11 avec lesquelles il se trouve alors en contact, et le vent applique une nouvelle poussée aux pales 11 dans le sens d'une rotation autour de l'axe 3 dans le sens 15. On a calculé qu'avec une telle éolienne présentant un diamètre extérieur du stator de l'ordre de 2 mètres pour un diametre extérieur du rotor de l'ordre de 1,4 mètres, et une hauteur de pales de 2 mètres, on peut obtenir une puissance de l'ordre de 5 kW si la vitesse du vent est de 25 km/H, ces chiffres étant naturellement donnés à titre d'exemple non limitatif. L'invention est en effet susceptible de nombreuses variantes par rapport au mode de réalisation décrit et représenté, sans que l'on sorte de son cadre. REVENDICATIONS 1) Eolienne, caractérisée en ce qu'elle comporte - un rotor mobile en rotation autour diun axe vertical et comportant une pluralite de pales réparties en étoile autour de l'axe et définissant entre elles des espaces ouverts, - des moyens, autour du rotor, pour orienter le vent incident et l'amener à attaquer des pales par leur face arrière compte tenu du sens de rotation prédéterminé du rotor, quelle que soit l'orientation initiale du vent incident. 2) Eolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le rotor comporte intérieurement, autour de l'axe, une zone centrale libre vers laquelle sont ouverts les dits passages, et en ce que l'orientation et la forme des pales sont telles que le vent, après avoir attaqué les pales par la dite face, entre dans la dite zone centrale et en ressorte via les dits passages en attaquant les pales à nouveau par leur face orientée vers l'arrière. 3) Eolienne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens pour orienter le vent incident autour du rotor comportent un stator fixe presentant une pluralité de pales fixes, réparties autour du rotor, les orientations respectives des pales du rotor et du stator étant telles que lespales du stator dirigent l'air entrant entre elles vers la face arrière des pales du rotor situees à proximité immédiate. 4) Eolienne selon la revendication 3, caractérisée en ce que les pales du rotor présentent une orientation principale telle que leur face arriere soit tournée vers l'axe. 5) Eolienne selon la revendication 4, caractérisée en ce que les pales du rotor présentent à proximite immédiate de leur bord le plus éloigné de l'axe une zone d'orientation inverse. 6) Eolienne selon l'une quelconque desrevendications 3 à 5, caractérisée en ce que le nombre de pales du rotor est supérieur au nombre de pales du stator. 7) Eolienne selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisée en ce que le stator presente extérieurement une forme cylindrique de révolution autour de l'axe. 8) Eolienne selon la revendication 7, caractérisée en ce que les pales du stator presentent dans un plan horizontal des longueurs différentes pour faciliter une captation du vent suivant une ou plusieurs directions privilégiées. 9) Eolienne selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisée en ce que les pales du stator sont solidaires, respectivement vers le haut et vers le bas, de deux disques fixes solidaires en leur centre de moyens définis sant le dit axe de rotation. 10) Eolienne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caracterisee en ce que les pales du rotor sont solidaires, respectivement vers le haut et vers le bas, de disques montés à rotation en leur centre autour du dit axe.