Brevet FR2461120A1 — publié le 19810130

On sait que dans une cheminée à tirage le courant d'air ascensionnel est produit par la différence de hauteur entre la bouche inférieure d'entrée de la cheminée et la bouche supérieure de sortie (gradient de pression) et par la différence de température entre les deux bouches (gradient thermique). Dans une cheminée qui ne réunit pas les condi- tions nécessaires pcur produire sous l'effet des deux gra- dients, un courant d'air ascensionnel appréciable, il se pro- duira cependant un courant ascensionnel lorsque, à l'extéri- eur, la vitesse du vent sera importante. A ce sujet, on a dé- montré qu'il existe une relation directe entre la vitesse du courant ascensionnel dans la cheminée à tirage et la vites- se du vent. Des essais effectués sur une cheminée à tirage verticale (en maçonnerie) au niveau du terrain, d'environ 24 mètres de hauteur, confirment que, en l'absence de vent extérieur, le courant ascensionnel est inexistant ou presque (et donc incapable de fournir du travail). Evidemment, dans le cas d'une cheminée à tirage de cette hauteur, les gradients de pression et thermique n'exercent aucune influence. Cepen- dant, dès que le vent acquiert une vitesse appréciable, il s'instaure un courant ascensionnel dans la cheminée; quand la vitesse est d'au moins 1 mètre par seconde, on enregis- tre un courant ascensionnel correspondant à une vitesse moy- enne de 2,50 m par seconde, qui atteint 7 m par seconde si la vitesse du vent est de 4 mètres par seconde, et 8,20 m par seconde si la vitesse du vent est de 5 mètres par seconde. Ce qui précède démontre que si l'on remplace dans un moteur à vent classique la partie statique par une cheminée à tira- ge, et si l'on installe un rotor, par exemple une hélice, à la bouche d'entrée de la cheminée, on obtient un rendement supérieur à celui d'un moteur à vent traditionnel muni d'un rotor ayant des caractéristiques identiques. Cela s'explique par le fait que, dans les moteurs traditionnels, le vent exerce sur le rotor une pression proportionnelle à sa vites- se, tandis que la cheminée à tirage, avec la mtme vitesse du vent, produit un courant d'air ascensionnel dont la vitesse est plus grande et qui exerçant évidemment une pression plus forte sur le rotor, détermine un rendement de travail supé- rieur. Lorsque, dans la cheminée, par suite des gradients de pression et thermique, il existe déjà un courant ascen- sionnel, celui-ci sera renforcé par l'action du vent sur le sommet de la cheminée, avec un rendement encore plus élevé. Le courant d'air ascensionnel peut 'être renforcé encore en augmentant, à l'aide de dispositifs divers, la tem- - pérature de l'air à la bouche d'entrée, par exemple en concen- trant les rayons solaires sur une couche de sable disposée au- tour de la base de la cheminée, en concentrant les rayons solaires sur la cheminée elle-même (jusqu'à une certaine hau- teur), ou encore en utilisant d'autres dispositifs d'usage courant; on peut aussi renforcer ce courant en construisant les parois de la cheminée en un matériau capable d'absorber la chaleur du soleil. En substance, vu ce qui précède, une installation pour l'eÄ%ploitation de l'énergie des courants d'air naturels, au moyen de moteurs à vent selon l'invention, est caractéri- sée en ce que la structure statique d'un moteur à vent est as- sociée à au moins une cheminée allant d'une bouche inférieure d'entrée à une bouche supérieure de sortie susceptible d'être influencée par le vent, lequel active le courant ascensionnel dans la cheminée, et ce courant ascensionnel actionne le rotor du moteur à vent. Une cheminée peut être construite en utilisant le relief d'une colline naturelle, et il est préférable que son extrémité supérieure se dresse verticalement. Le rotor peut être placé devant la bouche d'entrée de la cheminée. L'installationi peut comprendre plusieurs cheminées placées côte à côte, et un rotor unique à aubes et à arbre transversal peut alors 'etre monté en face des bouches d'en- trée alignées de front devant les cheminées. Il est avanta- geux d'associer aux rotors des moyens à déflecteur qui diri- gent le courant d'air vers là trajectoire active des aubes du rotor. En variante, le rotor peut aussi être à hélice. Dans ce cas particulier, mais aussi pour d'autres modes de réalisation, le rotor peut être placé à une certaine distan- ce de la bouche d'entrée, sur le parcours de l'air dans la cheminée. 2461120O On va maintenant décrire,à tire d'exemples non limi- tatifs et avec référence aux dessins annexés, un mode de réalisation et une variante. Sur ces dessins: La figure 1 est une vue de face schématique de l'en- semble d'une installation. La figure 2 est une coupe horizontale par II-II de la figure 1. La figure 3 est une coupe verticale par III-III de la figure 1. Les figures 4 et 5 montrent, vue de face et en coupe, une installation différente, comprenant plusieurs cheminées. La figure 6 est un schéma d'une installation. puis- sance plus grande. Sur les figures 1 à 3, on voit en 1 la base de la che- minée et en 3 la cheminée proprement dite, avec le canal 5 qui commence au niveau 5A de la base 1. La base 1 de la che- minée à tirage est supposée être installée sur le sol, et à ce même niveau se trouve la bouche d'entrée 7, tandis que sur la figure 1 on voit en 9 la bouche de sortie située en haut de la cheminée 5. On supposera, à titre d'exemple, que la hauteur de la cheminée 3 est telle que les gradients de pression et thermique ne produisent pas un courant ascension- nel à l'intérieur de cette cheminée. Dans ce cap, l'instal- lation fonctionne grâce à l'action du vent, lorsque celui-ci souffle. Dans le cas o la hauteur de la cheminée est suffi- sante pour que les gradients déterminent par eux-mêmes un courant d'air ascensionnel, ce courant sera toujours renfor- cé et augmenté par l'action du vent sur la bouche de sortie, située au sommet de la cheminée à tirage. Par conséquent, mê- me sans vent, 'le moteur peut, dans ce cas, être toujours ac- tionhé par le courant ascensionnel créé par les gradients en question. Le rotor du moteur éolien est installé à l'intérieur de la cheminée, au point le plus favorable pour obteni.r le meilleur rendement. Sur les figures 1 à 3, il est prévu une hélice 10 dans la bouche d'entrée 7, avec un arbre horizon- tal et parallèle au courant. Sur les figures 4 à 6, on a représenté une installa- 24611r0 tion éolienne-électrique dans laquelle on voit en 20A, 20B et 20C trois cheminées à tirage qui, dans la pratique (et en particulier pour les grandes installations), sont de préfé- rence réalisées sur un relief R (figure 6) ou sur un ouvrage en maçonnerie. Il est préférable (compte tenu de ce ce qui a été exposé précédemment) que la partie terminale - que l'on voit en 21B - se dresse verticalement afin que le vent puis- se exercer pleinement, au sommet de la cheminée, une action d'aspiration du courant ascensionnel pour en augmenter la vi- tesse. Un rotor 22, à aubes concaves et à arbre transver- sal, est disposé devant des bouches d'entrée 23A,23B et 23C, ménagées dans la structure porteuse 24 des cheminées à ti- rage; ce rotor est monté en face des bouches alignées hori- zontalement. Le rotor 22 peut posséder un arbre 22k hori- zontal et transversal, dont sont solidaires des ailettes 22B parallèles à l'arbre et concaves comme les ailettes d'un ané- momètre. On obtient un plus grand rendement du rotor avec un déflecteur de vent 26 installé de façon à diriger le courant d'air arrivant de l'extérieur sur la partie active, à face concave, des ailettes ou aubes, tout en protégeant en même temps, pendant la rotation, la partie convexe de ces ailettes du courant d'air provenant de l'extérieur. les bouches d'en- trée 23À, 23B et 23C peuvent être, elles aussi, disposéeSen correspondance avec la partie active de la trajectoire des ai- lettes. Le rotor est ensuite raccordé à un ou à plusieurs générateurs d'énergie. Comme on l'a exposé précédemment, la partie sta- --tique est constituée par plusieurs cheminées à tirage, compo- sées d'éléments tubulaires qui, à partir de la centrale, s'é- lèvent, de préférence en prenant appui sur les pentes du re- lief R, jusqu'à la hauteur nécessaire pour obtenir le rende- ment désiré. La puissance et le rendement d'une installation ainsi constituée dépendent essentiellement de la différence de Hauteur entre la bouche d'entrée des cheminées, au niveau du sol, et la bouche de sortie au sommet. Cette différence de hauteur provoque dans la cheminée un courant d'air dont la vitesse est proportionnelle aux valeurs des gradients de pres- sion et thermique; en deuxième lieu, elle dépend de la tem- pérature à la base de la cheminée; cette température à la base peut être augmentée de plusieurs manières, par exemple en concentrant les rayons solaires sur une couche de sable disposée autour de la base, ou bien en concentrant les ray- ons solaires sur les cheminées elles mêmes (jusqu'à une cer- taine hauteur) et en éq4-ant les parois de ces dernières pour capter et absorber la chaleur du soleil. le courant ascensionnel est encore renforcé si l'on construit vertica- lement la partie terminale supérieure des cheminées; de cet- te façon, le vent exerce, dans le conduit des cheminées, une dépression proportionnelle à sa vitesse, c'est-à-dire une aspiration du courant ascensionniel et, par conséquent, une augmentation de la vitesse de ce courant. Les courants d'air ascensionnels qui se forment dans les cheminées à tirage actionnent le rotor qui, pour des installations petites ou moyennes, peut être raccordé directement à un générateur électdque. Pour de grandes ins- tallations, le rotor peut être raccordé à plusieurs généra- teurs - de puissances différentes - qui se mettent en marche ou s'arrêtent automatiquement, selon la plus ou moins grande puissance développée par le rotor. En fonction du nombre de tours du rotor, la mise en marche ou l'arrêt des générateurs électriques est obtenu au moyen d'un changement automatique de manière que, pour un nombre de tours suffisant pour met- tre en marche un générateur électrique de puissance plus grande, ce dernier se mette en marche sous l'effet d'un dis- positif sélecteur à fonctionnement électrique ou électro- pneumatique, qui, à son tour, est subordonné à l'augmentation des tours du rotor. Il doit être bien entendu que le mode de réa- lisation décrit et représenté ne l'a été qu'à titre d'exem- ple non limitatif et peut subir de nombreuses modififica- tions sans sortir de l'esprit de l'invention tel que défini par les revendications ci-après REVENDICATIONS 1 - Installation pour l'exploitation de l'énergie des courants d'air naturels, au moyen de moteurs à vent, carac- térisée en ce que la structure statique d'un moteur à vent ekit associée à au moins une cheminée allant d'une bouche in- férieure d'entrée à une bouc#e supérieure de sortie disposée de manière à être influencée par le vent, lequel active le courant ascinsionnel dans la cheminée, ce courant ascension- nel actionnant le rotor du moteur à vent. 2 - Installation suivant la revendication 1, caractéri- sée en ce qu'une cheminée est construite en prenant appui sur une colline naturelle et dont, de préférence, la partie terminale supérieure est dressée verticalement. 3 - Installation suivant la revendication 1, caractéri- sée en ce que le rotor est disposé face à la bouche d'entrée de la cheminée. 4 - Installation suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comprend plusieurs cheminées pla- cées côte à côte et un seul rotor à arbre transversal et à aubes, monté en face des bouches d'entrée, alignées fronta- lement, des cheminées. - Installation suivant la revendication 3, caractéri- sée en ce qu'au rotor sont associés des moyens comprenant un déflecteur qui dirigent le courant d'air sur la trajectoire active des aubes du rotor. 6 - Installation suivant la revendication 1, caractéri- sée en ce que le rotor est à hélice. 7 - Installation suivant les revendications 1 et 6, ca- ractérisée en ce que le rotor est placé en un point éloigné de la bouche d'entrée, le long du parcours de l'air dans la cheminée. 8 - Installation suivant la revendication 1, caractéri- sée en ce qu'elle comprend des moyens pour chauffer l'atmos- phère autour de la bouche d'entrée inférieure. 9 - Installation suivant la revendication 1, caractéri- sée en ce qu'elle comprend des moyens pour absorber la cha- leur extérieure le long de la cheminée. - Installation suivant l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le rotor peut être raccordé sélecti- vement à différents générateurs, avec des embrayages auto- matiques.