Brevet FR2509801A1 — publié le 19830121

Les divers vents balayant la surface terrestre constituent un phénomène atmosphérique essentiellement fluctuant. Ils peuvent être de direction, d'intensité et de forme inconstantes et s'exercer en bourrasques, rafales, tornades,cyclones ou par souffles plus ou moins irréguliers. Enfin, leur énergie de crête est souvant destructrice comme le démontrent irréfutablement tous les échecs imputables au système hélice/pylone durant une période s'étalant sur 1/2 siècle. Par ailleurs, la puissance recueillie ne peut dépasser 0,38 V3 (W/m2) et, cela dans le meilleur des cas :c'est à dire lorsque la vitesse V (m/s) dans le sillage de l'hélice tombe au I/3 de la vitesse du vent. Par conséquent, l'expérimentation a nettement démontré que l'aéromoteur à hélice s'articulant sur pylone, est impropre à l'exploitation des vents de haut niveau énergétique, et cela, malgré la mise en drapeau de ses pales, réduisant singulièrement leur éfficacité. Or, l'éfficacité ne peut être obtenue qu'en utilisant toute la gamme des vents allant jusqu'aux tempetes. Pour étayer cette affirmation1 il n'y a qu'à considérer ltécoulement d'un'tube' d'air de Im2 de section dont la vitesse V varie de I8 kmXh à 144 Xm/h, soit de 5m à 40m/s. Sacrant qu'cl m3 d'air pèse environ In290 kg, la formule de son énergie cinétique en Watts/seconde, peut s'écrire E (watts) = (I,290.V.). V2/2 = I,290 V3/2. Ainsi, pous des vitesses de vents de 5, IO, 20 et 40m/s, l'énergie cinétique de ces quatre paliers de vitesse est : 5m/s-" -W = 80 Im2 IOm/s---------------W = 600 Watts 20m/s---------------W = 5000 40m/s---------------W = 40000 Par conséquent, de 5 à 40m/s, il apparait qu'une vitesse de vent (40/5=8) fois plus grande possède en fait une énergie cinétique (40000/80 = 500 fois plus élevée). Ces valeurs, constituent énergie de crête que lton peut étaler dans le temps, mais à une valeur plus faible. Or, l'énergie cinétique des vents peut être interceptée avec un rendement très proche de l'unité. Pour cela, il suffit que la vitesse d'éjection du flux éolien, soit relativement nulle à la sortie des aubes de turbine. Il faut donc recourir à une construction qui remplit cette condition. Cette condition est remplie par le truchement adéquat d'écoulements dynamiques sous carénage. Or, de tels écoulements autorisent, non seulement, des modifications de pression et de vitesse, mais encore, des variations thermocinétiques. Ainsi, lorsqu'un écoulement s'éffectue dans un conduit du type convergentdivergent, il se produit au droit de l'étranglement non seulement, un effet de détente, mais encore, un refroidissement avec gain cinétique tel que Mv2 = mV2, sachant que vc V et X > m. Par ce moyen, les aubes de turbine à réaction convertissent endothermiquement, par détente adiabatique reversi ble, les 9/IO de l'énergie cinétique des vents faibles, moyens, forts,très forts, voire impétueux, dont l'exploitation exige une forme d'approche conforme à l'éfficacité, la tenacité et la fiabilité de l'installation. Mais dans le cadre de l'efficience économique, il convient d'éviter le gigantisme, car le prix de revient du Watt-installé croît en fonction du cube des proportions. Il convient également de ne point rechercher l'autonomie car cette forme d'énergie doit être utilisée nécéssairement sur place et travailler en complémentarité des moyens énergétiques usuellement employés. Par ailleurs, il est irrationnel de promouvoir la production de plusieurs MY d'énergie en un point fixe, pourlesredistribuer en d'autres lieux où le vent est également présent. Ceci étant posé, la reconversion de toute l'énergie éolienne en énergie utilisable, répondant aux conditions précitées, s'effectue au moyen du présent module stato-éolien parasonore. Ce module stato-éolien est fondé sur l'association d'effets condomittants qu'exerce le vent sur tout obstacle statique de conformation cylindrique à axe vertical (coupe horizontale Pig.I). Or, ces effets se manifestent aussi lorsque l'obstacle est un édifice périptère statique, selon la coupe horizontale (piu.2). Dans ce dernier cas, ces effets sont: une surpres-sion dynamique frontale (SP), une dépression latérale de forte intensité (DL), une dépression latérale d'intensité moindre (Dl), diamétralement opposée à la première et enfin une dépression de sillage (Ds), d'intensité moyenne. La technologie appliquée consiste à tirer profit, non seulement de la surpression dynamique frontale (SP) qui s'exerce en amont des aubes de turbine,mais encore, de la somme des dépressions (DL+D1+Ds), inférieure à la pression atmosphérique statique. Ainsi, en s'écoulant de la zone en surpression vers les zones en dépression dynamique, le flux éolien traverse les aubes de turbine, tout en se détendant avant d'être éjecté. La détente adiabatique reversible de l'air ainsi canalisé se treduit par un net refroidissement proportionnel au rapport SP/DP. La chaleur ainsi ../.. convertie se trouve sous forme d'énergie cinétique dans l'arbre de turbine. Or, cette énergie cinétique pouvant se convertir en force motrice,en électricité et l'électricité en chaleur, il est évident que le présent module constitue, soit un générateur mécanique, soit un générateur électrique, soit une thermopompe stato-éolienne qui puise la chaleur dans l'ambiance par l'intermédiaire de l'énergie cinétique des vents. Ce stato-éolien est élaboré de sorte que l'impétuosité des rafales subisse un étalement avec modification de vitesse et de pression afin de les rendre indestructrices. A cet effet, le trajet interne que parcourt le vent revêt la conformation schématique (piu.3) de deux venturis en série qui sont successivement sous la dépendance de deux domaines d'écoulement déflecto-convergent (I et 2)et spiro-divergent (3 et 4). Le premier venturi, prenant effet sur le front d'amont en surpression dynamique, aboutit dans une chambre d'étalement où la section de passage au col est plusieurs fois inférieure à la section d'entrée d'amont. Au delà de ce seuil, le flux s'étale successivement entre trois redans concentriques et aboutit au droit des aubes de turbine où la section d'arrivée est plueieurs fois plus grande qu'au col d'étalement. A ce niveau, la forme et la vitesse initiales du flux sont étalées et la pression s'est accrue. C'est ainsi que le flux éolien aborde dans d'exellentes conditions le second venturi formé par les aubes de turbine et un redan périphérique. Dès lors, le profil, localisé entre deux aubes successives de conformation dén ecto-conrergente, autorise une détente adiabatique avec vitesse finale de fuite légèrement supérieure à la vitesse tangentielle inverse des aubes à réaction. Ensuite, le flux s'écoule spiralement sur le plan incliné interne du redan périphérique qui débouche sur les zones d'aval en dépression dynamique. Ce module stato-éolien constituant une construction parasonore,compacte et bien équilibrée est obtenu par moulage de matériaux expansés. D'autre part, un contreventement mutuel assure à cet édifice une tenacité résistant aux plus fortes tempêtes. La conformation relativement plate du présent module stato-éolien où H = D/5, représente un édifice périptère dont les ailes verticales (5), disposées sur tout le pourtour, sont légèrement incurvées sur leur plan radial respectif. (Fig.4,5et 6). Une telle conformation permet l'interception des vents de toute direction sans le recours à une quelconque orientation. En outre, l'oblicité incurvée des ailes détermine la répartition de deux fonctions complémentaires.Ainsi, le I/3 de la surface périphérique assure la surpression dynamique d'amont, tandis que les autres 2/3 entretiennent la dépression d'aval.Chacune de ces deux fonctions s'exerce respectivement sur l'une des deux faces d'une cuvette circulaire (6) disposée horizontalement.Par ailleurs, cette cuvette évidée en son centre par la chambre d'étalement (7),est prise en sandwich entre deux flasques circulaires,l'une sous-jacente (8) constituant la base des buses convergentes d'injection motrice, l'autre (9) coiffant par le haut le conduit de turbine (IO). Les deux flasques circulaires, les ailes verticales, munies en commun d'un redan (II) périphérique de section triangulaire, la cuvette horizontale munies d'un jeu de redans internes (I2 et 13), un troisième redan interne diaire CI4), également circulaire, ainsi qu'une couronne de vantaux (I5) constituent un ensemble de chicanes d'absorption sonore. La cuvette horizontale constitue en son centre évidé une chambre de transfert énergétique (I6) dans laquelle sont localisées une ou deux turbines coaxiales, ouvrant la voie à trois variantes: l'une simplifiée de faible puissance, les deux autres plus élaborées de moyenne et grande puissance. Selon la variante simplifiée avec une seule turbine, la régulation des crêtes de rafales, s'éffectuent par le truchement des trois redans circulaires disposés concentriquement, entre lesquels, les rafales stétalent en un flux uniformément réparti sur l'ensemble des aubes de turbine.Selon la variante plus élaborée, une turbine centrale (I7) de moyenne ou forte puissance (Fig.7),constituant un volant,accumule l'énergie cinétique des rafales et la restitue sous forme d'un flux éolien régularisé qui entraine ensuite, soit une turbine coaxiale de puissance moyenne, soit plusieurs turbines de grande puissance (18) disposées dans la cuvette tout autour de la chambre d'étalement (Fig. 8 et 9. Dans ces deux derniers cas, la turbine de régulation est aussi calée sur l'arbre d'un générateur électrique, non excité par vents inférieurs à 25m/s, mais qui est excité au delà de ce seuil. Cette excitation proportionnelle à l'énergie cinétique du vent, autorise ainsi a production de courants alternatifs ou continus selon l'application recherchée (chauffage, recharge d'accus ou dissociation d'eau en hydrogène),voire même la constitution de petits complexes de production d'un carburant de syhthèse,tel le méthanol obtenu par l'eau, le vent et le Cq2 toujours présent dans l'air. Par conséquent, les redans dans la première variante et la turbine de régulation dans les deux autres,constituent dans les trois cas les éléments essentiels de grande production par vents de tempêtes ou de très forts débits. Comme il a été précédemment indiqué, les trois variantes sont munies ../.. d'une couronne de vantaux qui s'articulent sur le milieu extradorsal de chaque aile. Ces vantaux sont plus ou moins repoussés par le vent. Par contre, les vantaux, non soumis au vent direct, se maintiennent fermés par le double effet d'un ressort de rappel et de la dépression dynamique d'aval. Les vantaux s'opposent à la diffusion sonore d'aval, puis par vent nul assurent la protection contre toute intrusion animale ou humaine. Ces vantaux entretiennent aussi un débit inversement proportionnel à la vitesse du vent en ouvrant plus ou moins la section d'injection motrice. De ce fait, le facteur multiplicateur est élevé pour les vents de faible vitesse pour n'être que de 4, pour des vents de grande vitesse. En version élaborée de grande puissance, ces vantaux sont commandés par vérins oléo-pneumatiques afin de régulariser optimalement le débit de grande puissance. Dans ce cas, l'ouverture des vantaux est soumise à la pression du vent et reste vérrouillée par vent nul. En ce qui concerne l'excitation du ou des générateurs électriques (schéma,Fig.IO) l'élément pilote est la vitesse angulaire t de chaque turbine correspondante. A cet effet, un générateur (19),calé sur l'arbre (20) de la turbine, produit des courants d'excitation par balayage de deux masses polsires d'un aimant permanent de conformation circulaire (21). Dans ce cas, un double induit est équipé d'écrans hypermagnétiques(22) équidistants derrière chacun desquels, les conducteurs qui s'y logent sont parfaitement protégés du flux magnétique uniforme. Chacun de ces écrans, prend la place d'une dent d'encoche supprimée sur quatre. Ainsi, lorsque cet induit double est bobiné, la partie de boucles de conducteurs logée entre deux dents consécutives se trouve soumise au flux uniforme, alors que le faisceau de boucles de conducteurs cachés par l'écran est magnétiquement isolé. L'enroulement de ce double induit (schéma,Fig.tI), s'effectue de sorte que les conducteurs soumis au flux magnétique soient tous orientés dans un sens en regard du pôle "Nord" circulaire et de sens contraire, en regard du pôle "Sud", ce qui implique nécéssairement dans les deux cas un sens inverse pour les conducteurs sous écrans hypermagnétiques. Outre cet aimant permanent, l'induit rotatif d'excitation Re trouve aussi sous la dépendance d'un enroulement (23) qui superpose son champ à celui de l'aimant dont ltexcitation crotssante est sous le contrôle de la tension de l'induit principal(24)qui croit avec la force du vent. . ./. . Dès lors, à chaque démarrage, le couplgrésistant est réduit à l'action excitatrice d'un seul aimant agissant sur un bobinage mobile d'excitation, connecté en série avec le bobinage de l'inducteur principal f25r. Ensuite, pour un vent minimum de 5 à 8 m/s, l'inducteur principal, alors excité, engendre à son tour sur l'induit principal, un courant proportionnel à l'énergie du vent sous forme alternative ou continue. C'est ainsi, que les très fortes rafales de vent, généralement destructrices, sont domestiquées et transformées en énergie utilisable. Par analogie, le présent stato-éolien joue en quelque sorte le rôle d'un barrage hydraulique qui domestique un torrent impétueux pour en redistribuer ensuite liteau d'une hauteur convenable aux aubes des turbines hydrauliques. Cependant, l'analogie se limite au domaine de la régulation, car le champ d'application du présent stato-éolien s'étend sur de nombreux créneaux de l'activité humaine. Ainsi, en version simplifiée de petite échelle, en complément de batteries d'accus auto-rechargeables, il peut alimenter les refuges isolés, les auto-caravanes, les cruisers, les voiliers, les phares, les balises aériennes et maritimes, les bateaux de toute nature et participer aux télécommunications de détresse et obtenir la survie en mer par l'eau douce en cas de naufrage. En version élaborée de toute dimmension, il peut broyer tout matériau, épurer et dissocier l'eau de mer ou de rivière, pomper l'eau pour tous les besoins, thermopompes comprises, rehausser l'eau des réservoirs ou des châteaux d'eau, constituer une toiture énergétique de logements, d'usines, d'ateliers ou de grandes surfaces commerciales. Plusieurs modules superposés peuvent alimenter des groupements de maisons individuelles ou collectives isolées. Enfin, ce stato-éolien se substitue à une multitude de servitudes universelles ou l'économie d'énergie l'exige. - REV3NDICAIICNS I. Module stato-éolien parasonore par lequel les rafales de vent, généralement destructrices, entretiennent 4 domaines successifs d'écoulement qui se trouvent sous la dépendance de 2 espaces déflecto-convergents, l'un d'attaque, l'autre matérialisé par les aubes de turbine et de 2 autres espaces spiro-divergents localisés respectivement, l'un en amont, l'autre en aval des dites aubes de turbine qui créent un couple moteur. Ainsi, interceptée sur un ou plusieurs arbres turbo-électromécaniques à axe vertical, l'énergie cinétique des vents est utilisable en toute proportion dans de multiples créneaux d'activité concourants a l'économie d'énergie et à l'indépendance énergétique. 2. Construction périptère, selon la revendication I, caractérisée par la mise en oeuvre de matériaux ordinaires de construction lorsque la légè- reté ne s'impose pas. 3. Construction périptère, selon la revendication I, caractérisée par la mise en oeuvre de matériaux expansés, assurant conjointement l'allègement et l'insonorisation partielle. 4. Ailes verticales, selon les revendications 1,2 et 3,carac-sérisées par une disposition périphérique, assurant, outre le contreventement mutuel,la répartition de deux effets complémentaires, ciest à dire une surpression dynamique d'amont et une dépression dynamique d'aval selon la direction du vent, et cela, quelle que puisse être la dite direction. 5. Profil d'aile, selon les revendications 1,2,3 et 4 caractérisé par une incurvation horizontale qui allonge le trajet du flux impéteeex dans les déflecto-convergents où se réalisent l'accélération et la régulation des rafales par étalement de ces dernières. 6. Hauteur d'aile,selon les revendications 1,2,3,4 et 5, caractérisée par une proportion verticale n'excédant pas le I/5 du diamètre d'encombre- ment horizontal, conférant au module stato-éolien une conformation plate. 7. Nodule stato-éolien selon les revendications 1,2,3,4,5 et 6, caraetérisé par une compacité et une tenacité à toute épreuve. 8. Insonorisation partielle, selon les revendications I,2 et 3, caractérisée par une cuvette circulaire intermédiaire constituant 2 redans circulaires sur 3 d'un jeu de chicanes spiro-divergentes où les rafales se transforment en un flux régularisé avec réduction de vitesse et accrois- sement de pression en amont de l'ensemble des aubes de turbine0 9. Insonorisation partielle, selon les revendications 2,3 et 8, caractériséepar un troisième redan circulaire, localisé entre les deux redans sus-mentionnés, qui participe également au jeu de chicanes parasonores. IO. Vantaux parasonores, selon les revendications 2,3,8 et 9, caractérisés par une articulation latérale sur le milieu extradorsal de chaque ../ aile, leur permettant d'être repoussées sous l'effet du vent qui s'engouffre ainsi dans chaque buse active et dé refermer les buses inactives sous le double effet d'un ressort de rappel taré et de la dépression dynamique d'aval. II. Disposition des vantaux, selon les revendications 2,3 et IO, caractérisée par leur localisation sous la cuvette intermédiaire sous laquelle passent les divers flux provenant des buses actives. 12. Articulations de vantaux selon les revendications 10 et 19, caractérisées par l'adjonction de vérins oléo-pneumatiques qui assurent l'ou verdure ou la fermeture de buses, soumises ou non soumises à la pression dynamique du vent. 13. Flasque de fuite, selon les revendications 1,2,3 et 8, caractérisée p & sa contribution, par e haut de la c;uvette intermédiaire, à la confor- mation de conduits d'éjection oa se manifeste l'écoulement spiro-divergent de fuite. I4. Flasque de base, selon les revendications I,2,3 t 8, caractérisée par sa contributir, par le bas de la cuvette intermédiaire à la conformation de buses d'injection ou se manifeste l'écoulement déflecto-convergent d'attaque. 15. Redan déflecteur périphérique de section triangulaire, selon les revendications 1,2,3 et 5 caractérisé, non seulement, par sa contribution à l'insonorisation, mais encore, conjointement au profil d'aile, à la répartition des fonctions d'amont et d'aval, tout en amorçant, par sa face externe, l'injection défecto-convergente d'attaque et favorisant, par sa face interne, l'écoulement spiro-divergent de fuite qui débouche des aubes de turbine à ce niveau. 16. Turbine, selon la revendication I, caractérisée par des aubes à action et réaction, autorisant un rendement énergétique très supérieur aux hélices éoliennes classiques. I7. Module stato-éolien simplifié, selon la revendication I, caractérisé par la mise en oeuvre d'une seule turbine et un jeu de chicanes, la dite turbine étant directement calée sur l'aube d'un récepteur électrique ou mécanique selon l'application. 18. Module stato-éolien moyennement élaboré,selon la revendication I, caractérisé par la mise en oeuvre de deux turbines concentriques coaxiales, dont l'une constitue un volant-ventilateur auxiliaire. I9. Module stato-éolien fortement élaboré, selon la revendication I, caractérisé par une disposition périphérique de turbo-générateurs de forte puissance qui sont localisée tout autour de la chambre d'étalempnt et d'un volant-ventilateur auxiliaire central. 20. Variante commune aux modules stato-éoliens de moyenne et de grande puissance, selon les revendications I, I7 et I8, caractérisée plr un volantventilateur calé sur un générateur électrique non excité par le vent inférieur à 25 m/s, et générateur de courant au-del?a de ce seuil. 21. Stato-éolien parasonore, selon les revendications I, 16, I7, I8, 19 et 20, caractérisé par un électrogénérateur principal ayant un induit fixe et un dispositif inducteur autonome cal c sur l'arbre de turbine. 22. Stato-éolien parasonore, selon les revendications I, I7, I8, I9 et 20, caractérisé par un électpogenérateur d'excitation ayant un induit mobile connecté en série avec le bobinage inducteur. 23. Induit fixe ou mobile, selon les revendications I, 21 et 22, caractérisé par l'insertion d'écrans hypermagnétiques dans des encoches équidistante constituant ainsi des zones neutres qui autorisent un enroulement sans discontinuité ni induction de courants inverses. 24. Inducteur fixe ou mobile de générateur de courants continus, selon les revendications I, 21, 22 et 23, caractérisé par un aimant ou un électro- aimant circulaire muni de deux masses polaires également circulaires. 25. Zônes neutres d'induit fixe ou mobile, selon les revendications I, 21, 22, 23 et 24, caractérisées par la suppression d'urne dent d'encoche sur quatre des armatures feuilletées, à la place de laquelle s'insere un écran hypermagnétique après mise en place des conducteurs. 26. Module stato-éolien, selon la revendication 4, caractérisé par une approche architecturale rationnelle, par son incorporation dans la construction de logements et locaux divers, en lieu et place de toitures classiques réalisant ainsi le bénéfice de l'isolation, de la couverture et d'un appoint énergétique. 27. Module stato-éolien, selon les revendications I et 4, caractérisé par sa polyvalence autorisant l'élaboration de petits complexes indépendants produisant un carburant de synthèse tel que le méthanol, pour l'élaboration duquel contribuent le vent, l'eau et le C02, le méthanol étant aussi facilement stockable que les divers hydrocarbures usuels. 28. Module stato-éolien, selon les revendications I et 4, caractérisé par l'indépendance énergétique de rible puissance, par la recharge de batteries d'accus, de caravanes, de tous véhicules de transport terrestre et maritime, ces derniers pouvant être complétés par une option (électricité + eau douce). 29 Module stato-éolien, selon la revendication 4, caractérisé par accroissement de puissance pour usines, ateliers et grandes surfaces comner- ciales et groupes de logements situés à l'abri du vent ou localises en creux, par simple superposition de plusieurs modules installés sur les sonnets du relief environnant. 30. Module stato-olien, selon les revendications I et 4, caractérisé par la complémentarité aux barrages hydro-électriques, permettant, par jour de vent, le repompage de liteau issue des turbines. Cette complémentarité pouvant être appliqué aux châteaux d'eau autorisant ainsi, soit un accroissement d'énergie potentielle, soit une réduction d'énergie onéreuse. Ces deux complémentarités entrant pleinement dans le cadre des économies d'énergie.