Brevet FR2520057A1 — publié le 19830722

L'invention concerne un aérogénérateur perfectionné, c'est-à-dire une machine permettant de capter l'énergie éolienne sous la forme mécanique d'un couple sur un arbre en rotation. Cette énergie est en général destinée à actionner une génératrice produisant un courant électrique, ou un autre appareil tel que principalement une pompe. Plus particulièrement, l'invention concerne un aérogénérateur dont l'organe capteur est constitué par une turbine à axe vertical, connue sous l'appellation de panémone (c'est-à-dire "à tout vent"), qui présente l'avantage de ne pas nécessiter son orientation par rapport au vent. Toutefois, les turbines de ce genre à axe vertical ont l'inconvénient d'être d'un rendement médiocre en cas de faible vent. L'invention a pour objet de remédier à cet inconvénient et~propose un aérogénérateur qui allie, aux avantages de faible coat et de simplicité des capteurs à axe vertical, un fonctionnement optimal par vent faible sans risque de détérioration en cas de vent violent. A cet effet, selon l'invention, on associe à une turbine à axe vertical du type appelé panémone un élément concentrateur d'air comprenant des parois verticales fixes disposées en couronne à la périphérie de la turbine et présentant entre elles des orientations dans le plan vertical telles que l'écartement entre deux parois consécutlves va en se rétrécissant de l'extérieur vers l'intérieur du concentrateur. On comprend ainsi que l'air s'engouffrant entre les parois à partir de l'extérieur se trouve accéléré et comprimé en raison du rétrécissement et, à sa sortie, il agit alors avec une plus grande force sur la surface active des pales de la turbine.L'orientation des parois verticales de l'élément concentrateur est de plus prévue telle que le flux d'air passant entre celles-ci soit non seulement accéléré mais de plus soit dirigé uniquement sur la face de pale de turbine permettant d'agir dans le sens de la rotation de la turbine, en évitant tout freinage par action sur l'autre face de la pale, et ce quelle que soit la direction du vent. Avantageusement, l'axe vertical de la turbine est monté pour tourner, par l'intermédSire de paliers ou de roulements de butée, dans des prolongements centraux des faces supérieure et inférieure de l'élément concentrateur. Pour permettre l'échappement de l'air comprimé et accéléré appliqué sur la face active de chaque pale de turbine, afin de ne pas former entre les pales des coussins d'air freinant la rotation des pales et d'assurer la continuité d'arrivée du courant d'air neuf, on prévoit la réalisation d'ouvertures dans les deux plateaux horizontaux constituant les prolongements centraux des faces supérieure et inférieure de l'élément concentrateur. En variante, l'échap- pement de l'air peut être assuré au moyen de Jours ménagés vers le centre de chaque pale. L'aérogénérateur selon l'invention peut être réalisé, soit totalement en matière plastique, soit partiellement en bois ou en tôle (en ce qui concerne l'élément concentrateur fixe) et partiellement en matière plastique ou alliage léger (pour ce qui concerne la turbine). L'obtention d'un maximum de légèreté pour la turbine présente l'avantage, en réduisant l'inertie, de permettre un démarrage facile par vent faible. La pose de l'aérogénérateur, en un emplacement convenable et à une hauteur bien ventée, par exemple en haut d'un pylône, d'une tour ou d'un château d'eau, est particulièrement aisée puisqu'il suffit de poser et fixer à cet endroit la face inférieure de l'élément concentrateur. A l'arbre vertical de la turbine peut être accouplée, pour la production de courant électrique directement utilisable ou pouvant être stocké, une génératrice de courant (dynamo ou alternateur) éventuellement par l'intermédiaire d'un dispositif surmultiplicateur tel par exemple qu'un Jeu de pignons, une ou plusieurs courroies, ou bien encore un système à friction. A l'arbre vertical peut également être accouplée, en alternative, une pompe classique pour extraction de l'eau. De ce qui précède, on comprend que la structure de l'aérogénérateur selon la présente invention apporte de nombreux avantages parmi lesquels on citera particulièrement - une grande simplicité de fabrication, donc un cotit très réduit en particulier par rapport aux systèmes existants à hélice susceptibles d'assurer des performan ces du même ordre, - une très faible perte de puissance puisque, l'axe étant vertical et les pales de turbine tournant dans un plan horizontal, l'ensemble travaille toujours dans la direction de l'axe qui n'est maintenu en position seulement que par deux roulements, - une orientation permanente optimale obtenue pour l'appareil, quelle que soit la direction du vent, en raison de la disposition étudiée des panneaux verticaux de l'élément concentrateur, - l'excellent fonctionnement de l'ensemble quelle que soit la force du vent, ce fonctionnement étant maximum par vent faible alors que, en cas de vent violent, la fiabilité est totale puisque d'une part la turbine a tendance à spauto-freiner et que, d'autre part, sa struc ture lui permet de résister à une vitesse de rotation très élevée pourvu toutefois que son équilibrage soit bien réalisé, - une grande facilité de. pose puisqu'il suffit de fixer la face inférieure de l'élément concentrateur en haut de l'emplacement choisi. Selon une caractéristique supplémentaire avantageuse mais non obligatoire de l'invention, on peut assurer une régulation automatique de la rotation de la turbine en adaptant sur celle-ci un système de masselottes disposées à proximité du centre de la turbine et conçue pour se déplacer radialement vers l'extérieur, sous l'effet de la force centrifuge, lorsque la vitesse de rotation de la turbine augmente. Ainsi, lors du démarrage ou lorsque le vent est faible, les masselottes se trouvent au centre et l'inertie est donc pratiquement nulle. Par vent moyen ou fort les masselottes stécartent automatiquement de l'axe et leur inertie a alors un résultat bénéfique en incitant la turbine à poursuivre sa rotation en cas de baisse de puissance du vent et en évitant alors une réduction brutale de la vitesse de rotation. Selon une autre caractéristique supplémentaire non obligatoire de l'invention on peut aussi prévoir, pour améliorer les performances de la turbine, d'équiper l'extré- mité des parois verticales de l'élément concentrateur les plus proches de la turbine de volets transversaux fixes qui servent d'appui à l'air injecté entre deux pales successives et permettent un effet de réaction dans le sens de rotation des pales. Pour bien faire comprendre la structure de l'aérogénérateur selon l'invention on en décrira ci-après, à titre d'exemple sans caractère limitatif, une forme d'exécution préférée en référence au dessin schématique annexé dans lequel la figure 1 est une vue perspective montrant l'aérogénérateur selon l'invention fixé en position de fonctionnement en haut d'un pylône la figure 2 est une vue perspective de l'élément concentrateur de l'aérogénérateur de l'invention, avec son couvercle central représenté en position retirée la figure 3 est une vue perspective de la turbine de l'aérogénérateur selon l'invention la figure 4 est une vue en coupe horizontale de l'aérogénérateur ; et la figure 5 est une vue perspective d'une pale de turbine avec montage d'une masselotte de régulation de la vitesse de rotation. A la figure 1, on a représenté en 1 un pylône à l'extrémité supérieure duquel est solidement fixée, par exemple par boulonnage, la face inférieure horizontale 2 de l'aérogénérateur 3 selon l'invention. Comme on le voit mieux en référence aux figures 2 à 4, l'aérogénérateur 3 est constitué par l'assemblage de deux éléments comprenant une turbine 4 et un concentrateur 5. La turbine 4, du type généralement appelé panémone, comporte un moyeu central 6 solidaire en son centre d'un arbre vertical 7 qui fait saillie à ses deux extrémités. Du moyeu 6 s'étendent deux plateaux horizontaux 24, 25 reliés et tenus par des pales verticales 8 (au nombre de huit dans l'exemple représenté sans que ce nombre ne soit en rien limitatif) réalisées par exemple en une matière plastique et présentant en section une forme convexe et reliées au moyeu 6 en porte à faux par rapport à l'arbre 7.La turbine 4 est destinée à être placée à l'intérieur d'une chambre cylindrique 9 ménagée au centre de l'élément concentrateur 5 réalisé par exemple en tôle, qui présente une paroi inférieure circulaire pleine 2, constituant la paroi inférieure de l'aérogénérateur, et une paroi supérieure circulaire 10 parallèle à la paroi inférieure 2 et de même diamètre. La paroi supérieure 10 comprend en son centre une découpe circulaire Il d'un diamètre légèrement supérieur au diamètre extérieur de la turbine 4. Les parois inférieure 2 et supérieure 10 du concentrateur sont reliées ensemble par des parois verticales 12 formant entretoises, au nombre de sept dans l'exemple représenté sans que ce nombre soit en rien limitatif. Ces parois verticales 12, qui s'étendent entre le bord extérieur des parois supérieure 10 et inférieure 2 et le bord intérieur découpé de la paroi supérieure 10, ménagent centralement la chambre cylindrique 9. Les parois 12 sont orientées deux à deux de façon que leurs extrémités extérieures 13 soient plus écartées que leurs extrémités intérieures 14, en formant ainsi un passage qui va en se rétrécissant de l'extérieur vers l'intérieur du concentrateur 5.L'orientation des parois verticales 12 est de plus choisie de façon que, lorsque la turbine 4 est disposée à l'intérieur de la chambre cylindrique 9 comme représenté à la figure 4, le vent qui s'engouffre entre les parois 12 soit dirigé uniquement sur la face intérieure d'une pale 8 en agissant ainsi toujours sur celleci dans le sens de la rotation, donc sans jamais provoquer un freinage, et cela quelle que soit la direction du vent. Lors de la disposition de la turbine 4 à l'intérieur de la chambre cylindrique centrale 9 du concentrateur 5, la partie inférieure de l'arbre vertical 7 est maintenue par l'intermédiaire d'un roulement 15 dans un puits 16 ménaiTé au centre de la paroi inférieure 2. Un couvercle circulaire 17, d'un diamètre correspondant pratiquement à celui de la découpe centrale 11 de la paroi supérieure 10, vient s'appuyer sur un épaulement périphérique 18 de la paroi 10 de façon à venir à fleur de celle-ci et ce couvercle présente en son centre un puits 19 servant au maintien de l'extrémité supérieure de l'arbre 7 par l'intermédiaire d'un roulement 20. Des lumières 21 sont ménagées dans le couvercle 17 et dans la partie centrale de la paroi inférieure 2, de même que dans les plateaux 24, 25 de la turbine, de façon comme on l'expliquera plus loin à permettre l'échappement de l'air retenu entre les pales 8 de la turbine. En variante, comme on le voit à la figure 3, au lieu d'utiliser des lumières 21, l'échappement peut s'effectuer par des jours 22 ménagés à la partie la plus centrale des pales 8. Le fonctionnement du dispositif se comprend immédiatement d'après la description qui précède. En effet, l'aérogénérateur ayant été fixé en haut d'un pylône comme représenté à la figure 1, on comprend (voir en particulier la figure 4) que le vent qui s'engouffre entre les parois verticales 12 du concentrateur 5 se trouve, en raison du rétrécissement du passage formé par ces parois, comprimé et accéléré de sorte qu'il agit avec une force accrue sur la face interne des pales 8 de la turbine pour les entratner en rotation (dans le sens des aiguilles d'une montre dans l'exemple représenté), sans exercer aucune action antagoniste sur les faces extérieures des pales susceptibles de produire un freinage.L'air comprimé ainsi injecté entre les pales, après sa détente participant à la rotation de la turbine, s'échappe par les lumières 21 (ou en variante par les jours 22) de façon à éviter la création à l'arrière de chaque pale dùn coussin d'air qui tendrait à freiner la rotation des pales et à gêner la continuité d'arrivée du courant d'air neuf. Ainsi, grace aux propriétés du concentrateur consistant à accélérer l'air fourni à la turbine et à empêcher toute action de freinage du vent sur les pales de la turbine, quelle que soit la direction du vent, on comprend que l'aérogénérateur selon ltinvention permet d'exploiter de façon optimale l'énergie fournie par un vent faible ou modéré. De façon avantageuse, mais non obligatoire, l'action de l'air s'engouffrant entre les parois verticales 12 sur la face intérieure des pales 8 de la turbine peut être encore améliorée en prévoyant, à l'extrémité intérieure X4 d'au moins certaines des parois verticales 12, un volet transversal fixe 23 permettant un effet de réaction de cet air sur la pale de turbine. Egalement, on peut adapter à la turbine 4 un dispositif de régulation de sa vitesse de rotation. Ainsi, comme représenté à la figure 5, l'extrémité extérieure de chaque pale 8 peut être reliée au moyeu 6 par une tige 26 inclinée vers le moyeu 6 et le long de laquelle peut coulisser une masselotte 27. On comprend que, au démarrage de la turbine ou par vent faible et en raison de l'inclinaison de la tige 26, la masselotte 27 est disposée au centre et son inertie est pratiquement nulle. Lorsque la vitesse de rotation augmente, la masselotte 27 coulisse vers l'extérieur sous effet de la force centrifuge et elle agit alors pour entretenir la vitesse de rotation. Un tel dispositif de régulation automatique pourrait présenter toute autre forme convenable, par exemple celle de masselottes reliées au moyen de la turbine par un système de trapèze à ressort ou par une tige articulée. On notera que la description ci-dessus a été donnée à simple titre d'exemple, sans caractère limitatif, et que des adjonctions ou des modifications constructives pourraient y être apportées sans sortir du cadre de l'invention définie par les revendications qui suivent. On comprendra en particulier qu'à l'extrémité inférieure libre de l'arbre vertical 7 pourra être associée, directement ou par l'inter- médiaire d'un système surmultiplicateur de la vitesse de rotation, une génératrice de courant électrique, une pompe à eau ou un appareil similaire à entraînement rotatif. R E V E N D I C A T I O N S. 1. Aérogénérateur comprenant une turbine tournant dans un plan horizontal et dont l'axe vertical fournit une énergie d'entrainement pour un appareil rotatif tel qu'un générateur de courant électrique ou une pompe, caractérisé par un élément concentrateur de flux d'air (5) présentant une chambre cylindrique centrale (9) à l'intérieúr de laquelle la turbine (4) est montée en rotation libre, ledit élément concentrateur (5) étant constitué de deux éléments horizontaux (2, 10) entretoisés par des parois verticales (12) disposées autour de la chambre cylindrique centrale (9) et joignant chacune le bord extérieur desdits éléments horizontaux (2, 10) au bord de ladite chambre (9), lesdites parois verticales (12) étant orientées d'une part de façon que ltécartement entre deux parois successives aille en se rétrécissant dubord extérieur du concentrateur (5) vers la chambre cylindrique centrale (9) et, d'autre part, de façon que l'air s'engouffrant entre ces parois soit toujours dirigé vers la face intérieure des pales (8) de la turbine (4) pour agir dans le sens de la rotation de celle-ci. 2. Aérogénérateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'arbre (7) de la turbine (4) est maintenu à sa partie inférieure, par l'intermédiaire d'un roulement (15), à l'intérieur d'un puits (16) de l'élément inférieur (2) du concentrateur (5) alors que son extrémité supérieure est maintenue, au moyen d'un roulement (20), dans un puits (19) ménagé dans un couvercle (17) destiné, après introduction de la turbine (4) à l'intérieur du concentrateur (5), à obturer une découpe centrale (11) de l'élément supérieur (10) du concentrateur. 3. Aérogénérateur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'il comporte des lumières d'échappement d'air (21) reliant à l'atmosphère, à son extrémité supérieure et/ou à son extrémité inférieure, chaque chambre délimitée par l'espace entre deux pales (8) successives de la turbine. 4. Aérogénérateur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par des douros d'échappement d'air (22) ménagés dans les pales (18) de la turbine près du centre de celle-ci. 5. Aérogénérateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'une au-moins desdites parois verticales (12) du concentrateur (5) présente, à son extrémité la plus proche de la turbine (4), un volet transversal fixe (23) permettant un effet de réaction pour l'air injecté derrière la pale (8) la plus voisine. 6. Aérogénérateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par des masselottes associées à la turbine (4) pour être disposées au centre de celle-ci lorsque la turbine est arrêtée ou tourne au ralenti et pour s'écarter radialement, sous l'action de la force centrifuge, lorsque la vitesse de rotation augmente pour assurer une régulation de la rotation de la turbine.