Brevet FR2574131A1 — publié le 19860606

La présente invention est relative aux éoliennes, c'est-à-dire à des transformateurs de l'énergie dynamique des vents en d'autres formes d'énergie. L'énergie disponible après transformation se présente généralement sous forme mécanique ou électrique. L'énergie mécanique peut être immédiatement utilisée comme par exemple dans les moulins à vent ou encore stockée en énergie potentielle accumulée, par exemple par pompage d'eau dont 1 'excé- dent est stocké dans un réservoir et peut être utilisé à tout moment. L'énergie électrique produite par un générateur de courant couplé à l'axe mécanique de l'éolienne peut être. utilisée immédiatement en tout ou en partie et l'excédent éventuel stocké dans une batterie par l'intermédiaire d'un chargeur régulateur, comme il est connu. Dans le but de capter le maximum d'énergie, on cherche à faire fonctionner les éoliennes le plus souvent possible, y compris en régime nocturne,surtout si,comme dans maints endroits isolés, aucune autre forme d'énergie n'est disponible ou ne ltest qu'à un prix dissuasif. Par ailleurs, en l'absence de vent ou par vent très violent mettant automatiquement l'éolienne en panne, on peut se trouver privé de la quantité d'énergie disponible momentanément nécessaire. Aussi, a-t-on cherché à adjoindre au dispositif de stockage, lorsqu'il existe, d'autres sources d'alimentation. On a ainsi proposé de disposer sur le pylône support de l'éolienne des cellules photovoltaïques. Celles-ci cependant ont nécessairement une orientation fixe, à moins d'adjoindre des dispositifs fort coOteux et peu fiables pour suivre le soleil dans sa course diurne et cette solution se révèle donc tout-à-fait insatisfaisante. Partant du fait que les éoliennes présentent des surfaces tournantes, pales, aubes, ou autres, exposées en gêné ral en plein air, et dans des sites suffisamment dégagés et non ombragés, car souvent en élévation par rapport à ltenvi- ronnement, et que ces surfaces sont donc de -jour périodiquement exposées au rayonnement solaire et à tour de rôle, une surface venant en exposition quand la précédente cesse de l'être, l'invention propose d'équiper ces surfaces tournantes elles-mêmes de cellules photovoltaïques convertissant l'énergie photonique solaire en énergie électrique. Les récents progrès réalisés dans la technologie des semi-conducteurs permet d'équiper les surfaces tournantes sans accroissement notable de masse et d'obtenir un compromis entre l'énergie électrique recueillie et son prix de revient rendant cette solution très compétitive par rapport à d'autres sources d'énergie disponibles sur le site. L'invention dont les caractéristiques font l'objet des revendications sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit et pour l'intelligence de laquelle on se reportera aux dessins dont La figure 1 montre en perspective l'ensemble du rotor d'une éolienne en position de fonctionnement par vent faible, donc tournant à faible-vitesse et à laquelle est appliquée l'invention, La figure 2 est une vue analogue mais en position de vent fort, la vitesse étant au voisinage de son maximum et les aubes étant en position de fermeture presque complète La figure 3 illustre une disposition de cellules réceptrices adaptée à la géométrie des aubes pour obtenir une plus grande surface active,, Les figures 4 et 5 montrent une autre disposition des cellules réceptrices, La figure 6 représente un rotor en position fermée où la disposition des cellules s'apparente à la précédente, La figure 7 montre une aube vue de l'intérieur mettant en évidence une possibilité de connexion électrique, La figure 8 représente un collecteur tournant pouvant être utilisé en relation avec les modes d'exécution précédents, et la figure 9, un autre collecteur tournant pouvant être utilisé avec une éolienne à axe horizontal. L'invention peut s'appliquer à toute éolienne de type classique ou auto-régulée en vitesse, des cellules photovol - talques étant disposées sur les faces extérieures, soit sur I 'extrados, des surfaces tournantes appelées plus généralement aubes dans ce qui suit. L'énergie fournie par l'éolienne ainsi équipée sera donc double en régime diurne : énergie mécanique primaire habituelle et énergie électrique, le tout avec transformation et/ou accumulation éventuelle. L'énergie électrique photovoltaïque recueillie sera maximale lorsque les aubes présenteront une surface maximale pour une puissance spécifique donnée. L'éolienne décrite dans le brevet FR 79 32 126 présente cette caractéristique, ce qui la rend particulièrement bien adaptée à une mise en oeuvre de l'invention, aussi référence est-elle faite dans ce qui suit à ce type d'éolienne. L'implantation des cellules photovoltaïques sur l'extrados des aubes dépend des caractéristiques géométriques de ces aubes et de celles des cellules. Un dessin judicieux des surfaces de captage photonique sur chaque cellule élémentaire permet de concilier le rendement électrique et le rendement aéroaique. Pour réduire les pertes par frottement de l'air, on peut notamment utiliser avantageusement des cellules sur support souple, ce qui permet d'épouser exactement les formes profilées de l'extrados des aubes. Par ailleurs, le courant électrique fourni est collecté au moyen d'un contact tournant, de préférence au mercure ce qui permet un frottement faible et l'utilisation avec des éoliennes à axe vertical aussi bien qu'horizontal. Comme déjà dit, référence est faite pour exposer l'invention à une éolienne telle que celle qui fait ltobjet du brevet FR 79 32 126 et auquel on se reportera avantageusement pour tout détail n'appartenant pas spécifiquement à la présente invention. Cette éolienne,comme représentée schématiquement à la figure l,comporte quatre aubes 1 montées chacune à rotation autour d'un axe de pivotement 2 solidaire d'une noix centrale3 elle-méme pivotante autour de l'axe général 4 de rotation de l'éolienne. Des cellules photovoltaiques 5 sont fixées de façon; perrisanente et par tout moyen approprié sur la surface extérieure, donc l'extrados des aubes 1. Le nombre, les dimensions et la distribution de ces cellules 5 dépendeot de la géométrie des aubes 1 et des cellules 5. L'implantation se fait en sorte que le nombre de cellules installées reste compatible avec les caractéristiques électriques finales souhaitées pour l'installation. Un rendement électrique maximal peut, de façon connue, être obtenu par des connexions mixtes en série et en parallèle. Sur la figure 2, du fait d'un vent plus fort, le dispositif d'autorégulation comprenant une noix de compensation 6 et des ressorts de tarage (figure 7) a fait se refermer les aubes 1, donnant au rotor une forme extérieure pratiquement cylindrique. On voit que la surface utile de réception du rayonnement solaire est rectangulaire, de longueur et largeur égales respectivement au diamètre et à la hauteur du rotor Le rayonnement solaire S frappe ce rectangle selon une inclinaison variant entre l'inclinaison m de l'horizon géographique en début et fin de journée et l'inclinaison M quand le soleil culmine à midi. Sauf si le soleil est occulté par des nuages, on a donc à toute heure du jour captage de rayonnement solaire dont l'efficacité dépend évidemment de l'inclinaison momentanée de ce rayonnement par rapport aux aubes 1. Les cellules photovoltaïques 5 aux figures 1 et 2 sont de forme classique circulaire. A la figure 3, les cellules élémentaires 8 ont un contour rectangulaire, ce qui permet un rendement de surface bien supérieur, puisque les zones inactives de l'extrados des aubes 1 sont ainsi réduites au minimum. Les figures 4 et 5 illustrent un autre mode d'implantation des cellules photovoltaïques elémentaires 9. Celles-ci sont portées par des segments de cônes 10 dont l'angle au sommet peut être choisi en fonction de la latitude du site d'exploitation. Cette disposition peut cependant être génératrice de remous d'air sur l'extrados des aubes 1 du fait des protubérances que représentent les segments des cônes 10 porteurs des cellules 9. Cet inconvénient est supprimé par la disposi tion illustrée par la figure 6 où les cellules élémentairesil sont disposées sur un tronc de cône unique résultant de la géométrie même des aubes.L'angle au sommet de ce cône peut être choisi comme dans le cas précédent. La figure 7 montre une aube 1 vue de l'intérieur. On voit l'axe de pivotement 2 maintenu sur la noix centrale 3, la noix de régulation 6 et les ressorts de tarage 7 permettant l'autorégulation. Les cellules élémentaires sont connectées entre elles par leurs poles positifs 12 et négatifs 13 en série et en parallèle, les groupements étant réalisés par tous moyens appropriés connus et compatibles avec les conditions climatiques et mécaniques pour assurer une bonne fiabilité. Les circuits de polarité positive et négative arrivent respectivement sur l'intrados en 14 et 15 où un départ est réalisé par un cordon bifilaire 16,de préférence enroulé en hélice autour de l'axe de pivotement 2. Cette disposition assure une certaine liberté de débattement au cordon 16 qui n'est ainsi pas affecté défavorablement lors des changements d'incidence de l'aube par rapport au vent.Le cordon 16 est acheminé ensuite vers l'axe général 4 du rotor au moyen d'un support radial 17 qui en outre le protège. L'axe 4 du rotor peut être creux et les cordons 16 sont alors avantageusement introduits à l'intérieur pour une meilleure protection. Si cet axe est plein, les cordons 16 seront conduits le long d'une de ses génératrices. La figure 8 montre en coupe partielle un dispositif de captage de l'énergie électrique produite par les cellules photovoltaïques et acheminée par les cordons 16 précédents. L'axe 4 du rotor supposé creux contient les câbles d'arrivée 17 prolongeant les cordons 16, un câble 17 étant donc neces- saire pour chaque aube 1. Les câbles 17 sortant de l'axe 4 par des traversées 18 contiennent les conducteurs positifs 19 et négatifs 20 dont les extrémités sont soudées sur des collecteurs 21 et 22 respectivement. Ces collecteurs 21, 22 sont constitués, par exemple, par des portions de cylindres en acier iroxydable maintenus en place par une pièce cylindrique isolante 23 fermement solidaire de l'axe du rotor 4. Une seconde pièce isolante 24 soiidaire du support fixe 25 de l'éolienne présente deux cavités annulaires 39, 40 emplies de mercure et dans lesquelles plongent les collecteurs 21 et 22. Deux conducteurs 26, 27 associés aux cavités 39, 40 permettent l'acheminement du courant vers l'utilisation à travers le support 25.On a ainsi réalisé une connexion tournante à très faibles pertes. Avantageusement, la pièce isolante 23 sera réalisée en matière transparente pour pouvoir contrôler le niveau de mercure des cavités 39 et 40. Un capot métallique 28, fixé sur l'axe 4 protège l'ensemble collecteur des agents atmosphériques, le jeu entre le capot 28 et le support 25 est ramené au minimum pour réduire l'évaporation du mercure,et ceux-ci présentent en outre deux lèvres pendantes 29, 30 destinées à s'opposer aux remontées d'eau dans le dispositif collecteur. Une réalisation analogue pour une éolienne à axe horizontal est illustrée à la figure 9. La pièce isolante 31 tournant avec l'axe 4 reçoit deux disques métalliques 32, 33 assurant les contacts tournants avec le mercure des cavités 34 et 35. Les conducteurs d'arrivée 19 et 20 sont ainsi connectés en permanence avec les conducteurs de départ vers l'utilisation 36 et 37. La pièce isolante 38 sera de préférence en matière transparente pour le contrôle du niveau de mercure. F?EVEDIÎCAI0NS 1.- Eolienne comportant des surfaces ou aubes (1) tournant autour d'un axe (4) , caractérisée par le fait que les aubes (1) sont porteuses sur leur extrados de cellules photovoltaïques (5, 8, 9, 11) destinées en régime diurne à transformer le rayonnement solaire (S) reçu en énergie électrique. 2.- Eolienne selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les cellules (1, 8,9,11) sont réalisées sur un support souple leur permettant d'épouser les formes de l'extrados des aubes (1). 3.- Eolienne selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée par le fait que les cellules photovoltalques (9) sont disposées sur des surfaces tronconiques coaxiales à l'axe (4) de l'éolienne, de manière à présenter une inclinaison favorable au rayonnement solaire. 4.- Eolienne selon la revendication 3, caractérisée par le fait que les cellules photovoltaïques (11) sont disposées sur une seule surface conique constituée par 1'extrados des aubes (1). 5.- Eolienne selon l'un quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que les cellules (5,8,9,11) de chaque aube (1) sont connectées en série et en parallèle et que l'énergie électrique produite est transmise vers l'utilisation par un collecteur à contacts tournants (21,22, 32,33) à bains de mercure (39,40,34,35).