Brevet FR2475148A1 — publié le 19810807

La présente invention concerne les sources d'énergie du type "éoliennes" dont les avantages et inconvénients sont bien connus. Rappelons les principaux inconvénients des éoliennes classiques, le plus souvent du type à hélice, auxquels l'invention se propose de porter remède - Irrégularité des vents au voisinage du sol. - Faible densité énergie au mètre carré, d'où nécessité de grandes dimensions pour une puissance relativement faible, entrainant une certaine fragilité du dispositif. - Support d'éolienne motteux, d'autant plus qu'il doit pouvoir résister aux vents les plus forts existant dans la région. L'éolienne selon l'invention permet de remédier à ces défauts. sn effet, on y remplace hélice et support d'éoliennes classiques par une voilure formée d'ailes flottant dans i'air suivant le principe du "plus léger que l'air", tirant comme un ballon captif sur un câble enroulé sur un treuil placé au sol, sur l'axe duquel on recueille l'énergie. La position des ailes es; telle que le vent les soulève, puis elle est modifiée pour qu'il les fasse descendre pendant qu'on réenroule le câble. On voit comment sont corrigés les défauts signalés ci-dessus - Les vents sont en général beaucoup plus réguliers en altitude que près du sol. L'altitude de la voilure peut etre réglée en fonction des vents les plus favorables à un instant donné. - La voilure se trouvant dans l'espace loin du sol peut avoir des dimensions très importantes sans encombrer le voisinage et être construite de façon beaucoup plus robuste qu'une hélice, car elle ne comporte pas de parties en déplacement important les unes par rapport aux autres. Elle se déplace par translation ; donc toutes ses parties ont la même vitesse par rapport au vent, ce qui permet d'optimiser le rendement. - Le support est remplacé par un câble, beaucoup moins fragile et motteux. En cas de vent brop fort, on peut replier rapidement tout le système à terre. Les ailes sont disposées les unes au-dessus des autres. Elles sont formées d'enveloppes imperméables, ronflées par un gaz léger (hydrogène ou hélium), ne façon que l'ensemble ait une force ascensionnelle positive et flotte dans l'air. Elles sont réunies par des câbles d'espacement qui les maintiennent parallèles entre elles, tout en formant des parallélogrammes déformables, qui permettent de les faire basculer autour dhn axe parallèle au bord d'attaque. Une ou plusieurs dérives verticales, fixées près du bord de fuite ou à l'extrêmité arrière d'un ou plusieurs fuselages eux-mêmes gonflés au gaz léger, ont pour but d'orienter l'ensemble face au vent. Ces dérives sont articulées par rapport aux ailes pour former l'un des cotés des parallélogrammes déformables. Dans un premier temps, dit temps moteur, la position des ailes est telle que la portance positive ajoute son action à la force ascensionnelle. Les ailes montent et tirent sur le câble qui se déroule d'un treuil placé à terre. L'énergie est alors recueillie sur l'axe de ce treuil. Dans un deuxième temps, dit temps de rebobinage, les ailes ont été basculées de façon que la portance soit négative et annule presque complètement la force ascensionnelle. Un moteur auxiliaire réenroule le câble sur le treuil, en consommant une énergie très inférieure à celle produite pendant le temps moteur. Les volets redescendent puis, quant ils ont atteint l'altitude convenable, on repasse au temps moteur et le cycle recommence. La figure 1 représente une vue schématique de l'ensemble de ltéolienne. Les figures 2 et 5 représentent la composition des forces agissant sur les ailes respectivement pendant les temps moteur et de rebobinage. Les figures 4 et 4 bis représentent une vue de profil plus détaillée d'un exemple de réalisation de la voilure suivant deux variantes. La figure 5 représente cette voilure vue de face. La figure 6 la représente en plan. La figure 7 représente le détail de la fixation d'un câble d'espacement sur une aile. La figure 8 représente un schéma des installations au sol en élévation. La figure 9 représente un schéma des installations au sol en plan. On décrit ci-dessous de façon plus détaillée un exemple d'éolienne réalisée suivant les principes exposés ci-dessus. La voilure flottante (fig. 4, 4 bis, ) et 6) est constituée d'un ensemble dailes (1), dont chacune est formée d'une enveloppe imperméable gonflée au gaz léger. Pour obtenir le maximum de légèreté, la plupart des ailes sont fabri quéoe suivant la technique dite "du ballon souple", sans armature. La forme du profil d'ile désirée est obtenue par collage, à l'intérieur, de cloisons de forme voulue, parallèles entre elles, espacées à intervalles réguliers, et constituées d'un tissu léger percé de trous pour le libre passage du gaz. Pour remédier à une trop grande souplesse de l'ensemble, l'aile inférieure (2), et, si nécessaire, quelques ailes intermédiaires sont construites suivant la technique dite du ballon rigide, c'est à dire qu'elles contiennent une armature en matériau léger formant poutrelle et emptcnant toute déformation. Les câbles d'espacement (3) maintiennent des distances constantes entre leurs différents points d'attache sur les ailes superposées et empêchent donc la déformation des ailes souples. I1 n'y a d'ailleurs pas d'inconvénient à ce que celles-ci soient gonflées à une pression un peu supérieure à la pression atmosphérique pour en améliorer la rigidité. Pour que le basculement des ailes s'opère facilement et sans couple de rappel, il est nécessaire que chaque câble d'espacement soit articulé en un seul point avec l'aile correspondante. Pour cela, chaque point d'attache (fig. 7) est formé d'une rotule (4) logée dans un logement de rotule (5) porté par l'aile et placé au sommet de deux cônes opposés formés de toile imperméable dont l'angle au sommet est suffisant pour permettre le débattement nécessaire. Suivant les nécessités de la constructionJ les hauteurs hl et h2 peuvent être différentes, et mtme l'une d'elles peut être nulle. Le basculement des ailes peut être obtenu de différentes façons - Dans une première variante (fig. 4), des dérives horizontales (7) fixées au bord de fuite des ailes (i > et (1)et(2) ou à l'extrêmité des fuselages (8) qui en augmentent le bras de levier, agissent comme des gouvernails de profondeur. Ces dérives tournent autour de leur centre de poussée pour diminuer et mtme annuler presque complètement l'énergie nécessaire à leur commande. Elles restent parallèles entre elles grâce à des câbles d'écartement t mus eux-mme.s par un palonnier entrainé par un petit moteur électrique à commande irréversible (10) télécommandé à partir du sol. Pour que les ailes puissent basculer facilement sans couple de rappel important, le c3ble de liaison au sol est attaché au centre de poussée de l'aile inférieure (2). Dans une deuxième variante (fig. 4 bis), le basculement est produit par les ciblés (12 et 12') qui s'enroulent et se déroulent simultanément sur un double treuil (10) à commande irrévetsible, mfl par un moteur électrique télécommandé à partir du sol. Les dérives verticales (13) sont articulées sur un axe horizontal (14) pour ne pas zoner la déformation des parallélogrammes et jouent accessoirement le même raie que les câbles d'espacement (3). On voit sur les fig. 2 et 3 comment le basculement des ailes permet le fonctionnement de l'éolienne. Sur la fig. 2, correspondant au temps moteur, la force V due su vent agissant sur la surface 3 de chaque aile, se compose avec la force ascensionnelle Â pour donner une résultante R. L'ensemble des câbles d'espacement et du cible de liaison au sol eut parallèle à la direction de cette résultante. Aur la fig. 3, correspondant au temps de rebobinage, la force V' dussent agissant sur la surface S' de chaque aile qui a basculé par rapport à 5, se compose avec la force ascensionnelle Â inchangée pour donner une résultante R' beaucoup plus petite que R. Dans la mesure du possible, pour éviter des changements de direction des cibles et les à-coups qui en résulteraient au moment des inversions de marche, on tudie la polaire de l'aile de façon que la résultante des forces fasse un angle d sensiblement constant avec la direction du vent, quel que soit l'angle e de 11 aile avec le vent. On a intérêt à augmenter le rapport du temps moteur au temps de rebobi- nage. Le réenroulement du cible est donc effectué à plus grande vitesse que le déroulement. A son arrivée au sol, il faut que le câble de liaison (11) se présente toujours de la même façon par rapport au treuil (15), quelle que soit la direction du vent, et il faut éviter qu'il déborde de la gorge d'une poulie de guidage, ou qu'il se coince entre les joues de deux poulies. Pour cela le câble (11) dont l'inclinaison est limitée par deux rouleaux à ase horizontal (16) passe dans un guide constitué de deux autres rouleaux axe horizontal (17), l'ensemble pouvant tourner autour d'un axe vertical (18). La traction sur le cible (17) oriente tout le guide autour de cet axe vertical (1b) puisque le câble passe dans la fente formée par les deux rouleaux (17). Il est ainsi parfaitement guidé vers les gorges des poulies (19) situées au-deseous dans lesquelles il ne risque pas de se coincer. Une poulie de renvoi (20) montée sur un bras dynamométrique (21) permet de mesurer la tension du câble et de procéder ainsi à différents réglages. Une poulie oscillante (22) et un guide constitué dedcux poulies (23) animées d'un mouvement de va et vient lié à la rotation du treuil (15), répartissent le câble en couches régulières sur celui-ci. 4) Un compte-tourlmonté sur l'axe du treuil sert - à inverser le sens de déplacement du guide de câble (23) en bout de chaque couche. - à inverser les temps moteur et rebobinage à des altitudes pré déterminées,gar colncidence avec des consignes affichées d'avance. - a jarreter le treuil lorsque le cule est entièrement roulé ou déroulé. L'énergie est produite de manière discontinue dans le temps. Cela peut, suivant les besoins de l'utilisation, présenter ou non des incon vénients. Si, par exemple, l'utilisation (25) est un alternateur qui ne débite sur le réseau que pendant le temps moteur, un coupleur (26),fonctionnant comne embrayage unidirectionnel, sépare automatiquement l'utilisation (25 > du treuil (15) lorsque celui-ci est entrainé dans le sens de rebobinage par le moteur auxiliaire (27). 'alternateur fonctionne alors en moteur synchrone et les conditions de couplage au réseau sont approxisa- tivement conservées par maintien ae la tension et de la phase convenables à ses bornes. Un volant d'inertie sur l'axe de l'alternateur facilite l'intégration des petits à-coups pouvant se produire. D'autres variantes existent pour intégrer l'énergie - Pompage d'eau sous pression, ou d'air comprimé, et utilisation continuede l'énergie ainsi accumulée. - slectrolyse ou charge d'accumulateurs au moyen d'un générateur électrique couplé à la cuve par un redresseur évitant les courants inverses. Dans le cas de l'électrolyse de l'eau, l'hydrogène produit peut servir de combustible, ou sert à compenser les fuites de gaz dans la voilure. Pour éviter les effets de la foudre, le câble de liaison avec le sol (ii) doit etre isolant et hydrofuge, pour ne pas devenir conducteur sous l'effet de l'humidité. Ce câble peut contenir un ou plusieurs tubes isolants pour le passage de gaz destinés à divers usages, par exemple : - Recompléter les fuites pratiquement inévitables. - Changer la pression dans un ou plusieurs éléments de la voilure en fonction de l'altitude, de la pression atmosphérique, de la température, etc... - Actionner des dégivreurs gonflables. - Modifier la force ascensionneîle par gonflage ou dégonflage d'un volume auxiliaire de la voilure, analogue à une vessie natatoire. - Dégonfler la voilure pour repli au sol, ou la regonfler. Les différentes conduites existant dans le câble aboutissent, à leur extrémité fixée sur le treuil (15), à des Joints tournants étanches (28), permettant le passage des gaz pendant la rotation. Si l'on veut récupérer les gaz, on peut les envoyer dans un gazomètre ou un réservoir sous pression (29), puis les refaire circuler dans l'autre sens. Pour cela, un compresseur (30) est monté en pont entre quatre vannes (35) ouvertes et fermées deux à deux. Les changements de direction du vent étant aléatoires, il peut arriver qu'à la longue se produise une torsion excessive du câble. Pour éviter cet inconvénient, on place un joint tournant étanche (31) entre l'extrêmité supérieure du câble et la voilure. Les garnitures d'étanchéité peuvent produire un couple de frottement excessif qui en compromet le fonctionnement. On y remédie en faisant-tour- ner le joint au moyen d'un petit moteur électrique auxiliaire (32) déclenché dans le sens convenable par un torsiomètre (33) placé sur une portion de câble située au-dessus du joint tournant. Le cible de liaison ne comportant pas de fil métallique, la commande du basculement des ailes est réalisée au moyen de. signaux transmis entre le sol et la voilure par un procédé sans fil : liaison hertzienne, lumineuse, etc... Eventuellement, une liaison bilatérale multiple permet la transmission de divers signaux utiles, tels que controles, etc... L'énergie nécessaire aux différents accessoires solidaires de la voilure (positionneur d'ailes, joint tournant, liaison radio, etc...), geut être fournie par une éolienne auxiliaire à hélice (34), fixée à la voilure, par exemple sur une rlérive verticale (13) qui a une position à peu près fixe par rapport au vent. Pour assurer la sécurité aérienne, la voilure et le câble comportent des parties métallisées (de différentes dimensions pour résonner à différentes fréquences) destinées à produire nes échos radar et suffisamment petites et espacée pour éviter tout risque d'amorçage de la foudre. La nuit, la voilure est éclairée par des projecteurs placés au sol pour éviter un poids flottant inutile. La direction du faisceau lumineux est asservie à la position du cible de liaison au sol. Les informations nécessaires sont prélevées au niveau du guide ne câble. REVEEDICATIQS 1. éolienne caractérisée par une voilure formée d'ailes (1) parallèles entre elles, flottant dans l'air d'après le principe du "plus léger que l'air", et dont la portance rendue alternativement positive et négative par basculement s'ajoute à la force ascensionnelle ou s'en retranche. Pendant un temps moteur (portance positive) la voilure monte et le travail est transmis au sol par un câble (11) enroulé sur un treuil (ils) où est recueillie l'énergie. Pendant un temps de rebobinage (portance mégative) le câble (11) est réenroulé sur le treuil (15) au moyen d'un moteur auxiliaire (27)* 2. éolienne selon la revendication i, caractérisée par des ailes (1) fabriquées suivant la technique du ballon souple, dont le profil est obtenu au moyen de cloisons intérieures de forme voulue en tissu léger. 3. Eolienne selon la revendication 2, caractérisée par la construction suivant la technique du ballon rigide de l'aile inférieure (2) et, si nécessaire, d'ailes intermédiaires, pour maintenir la rigidité de l'ensemble gracie à des câbles d'espacement (3), permettant le basculement des ailes en formant des parallélogrammes déformables articulés par une seule rotule sur chaque aile, pour ne pas introduire de couple de rappel. 4. Eolienne selon la revendication 3, caractérisée par le basculement des ailes obtenu gracie à des gouvernails de profondeur (7) télécommandés. 5. Eolienne selon la revendication 3, caractérisée par le basculement des ailes obtenu par un moteur électrique (10) télécommandé. 6. Eolienne selon la revendication 3, caractérisée par une ou plusieurs dérives verticales (13) placées à l'arrière du bord de fuite ou au bout de fuselages (8), pour orienter la voilure face au vent. 7. Eolienne selon la revendication 6, caractérisée par un temps de réenroulement du câble inférieur au temps d'enroulement. 8. Eolienne selon la revendication 6, caractérisée par la présence au sol d'un guide de câble à rouleaux (16) et (17),mobile autour d'un axe vertical (18),empêchant le coincement du câble quelle que soit la direction du vent. 9. Eolienne selon la revendication 8, caractérisée par la présence d'accessoires de réglage et de guidage Gu câble : poulie dynamométrique (20) et (21), guide-ce lié à la rotation du treuil ( ) et (23), compte tours (24) monté sur l'axe du treuil (15) pour commande d'inversion de marcne, etc 10. éolienne selon la revenaication 9 caractérisée par tout système conclu d'intégration de l'énergie produite ue façon discontinue dans le temps. 11. éolienne selon la revendication 9, caractérisée par un câble de liaison au sol (11) en matériau isolant et hyarofuge pour éviter la foudre. 12. éolienne selon la revenuication 11, caractérisée par la présence dans le câble de liaison au sol (11) de conduites de gaz terminées à chaque extrêmité par des joints tournants étanches (28) et (31). 13. éolienne selon la revendication 12, caractérisée par la présence au sol d'un réservoir (29) permettant la récupération du gaz, gracie à un compresseur (30) monté en pont entre des vannes (35) faisant circuler le gaz dans les deux sens. 14. Eolienne selon la revendication 12, caractérisée par l'aide apportée à la rotation du joint tournant étanche supérieur (31) par un moteur électrique (32) commandé par un torsiomètre (33), pour éviter une torsion exagérée du câble de liaison au sol (11). 15. Eolienne selon la revenuication 9, caractérisée par une télécommande et une téléinformation entre sol et voilure par moyen sans fil conducteur. 16. Eolienne selon la revendication 9, caractérisée par la présence d'une éolienne auxiliaire à hélice (34) fixée à la voilure, pour la fourniture d'énergie aux aivers accessoires de cette voilure. 17. éolienne selon la revenaication 9, caractérisée par la présence sur la voilure et le câble de parties métallisées pour produire des échos radar, sans être sensibles à la foudre, et éclairée la nuit par des projecteurs au sol, amont la direction est asservie d celle au câble de liaison au sol (îî).