Brevet FR2574863A1 — publié le 19860620

Aérogénérateur à rotor monopale pouvant être couplé à un dispositif statique de captation de l'énergie solaire La présente invention concerne un aérogénérateur à rotor monopale pouvant être couplé à un dispositif statique de captation de l'énergie solaire. Dans de tres nombreux lieux du globe on peut disposer simultanément, mais le plus souvent à des moments différents de la journée, de l'énergie du vent et de l'énergie solaire. I1 est très souhaitable de pouvoir utiliser un engin qui peut récupérer, en vue d'un même but, ces deux types d'énergie. C'est là un des buts de la présente invention. Mais on constate expérimentalement que l'énergie du vent est souvent distribuée, au cours de la journée, dans des tranches horaires où l'utilisation externe de cette énergie, après qu'elle ait pu être captée, est la plus utile. I1 est donc toujours utile de pouvoir disposer d'un récupérateur de l'éner- gie du vent (ou aérogénérateur) simple et d'un fonctionnement automatique. C'est là l'objet de la présente invention. L'aérogénérateur selon l'invention est constitué essentiellement par un alternateur pouvant orienter par rotation autour d'un axe vertical, comportant un arbre rotor qui porte,disposée de part et d'autre dudit alternateur,une pale équilibrée, dont la rotation autour dudit arbre s'effectue selon un cône ouvert, ladite ouverture du cône et le pas d'incidence de la pale variant automatiquement en fonction de la force du vent. Un aérogénérateur selon l'invention est représenté sur les figures 1, 2 et 3. La figure 1 est une vue de profil de l'aérogénérateurw la figure 2 est une vue de face de ce même aérogénérateur et la figure 3 est une vue, en coupe > d'une des extrémités de l'arbre rotor portant une pale dont l'ouverture de rotation et le pas d'incidence peuvent varier selon la vitesse du vent. Sur les figures 1 et 2 on a représenté - en 1 un système supportant l'aérogénérateur; ce système se présente sous forme d'un cône surmonté à son extrémité 2 d'un systeme de rotation à plateau permettant une rotation azimutale de 3600 de l'alter nateur, autour d'un axe vertical, avec butée de retour. L'orientation de l'alternateur est réalisée grâce à des dérivés 4 et 5 solidaires dudit alternateur - en 3 le corps de l'alternateur 8 - les deux extrémités 6 et 7 de l'arbre de l'alternateur sortant de chaque côté du corps 3 de l'alternateur; les extrémités sont profilées - ledit arbre porte à chacune de ces extrémités une pale 8 et 9, les axes de ces pales et l'axe de l'al ternateur sont dans un même plan; l'une des pales s'étendant d'un côté et l'autre pale s'étendant de l'autre côte de l'axe de l'arbre.C'est grâce à cette disposition que l'on peut affirmer que le dispositif selon l'invention est monopale, on pourrait en effet con cevoir à la limite que le dispositif ne comporte qu'une pale - en 12 et 13 on a représenté des masselottes de compen sation permettant un bon équilibrage dynamique de chacune des pales - en 10 et 11 (figure 2), des coupes montrent le profil de la pale. Ce profil sera avantageusement calculé pour avoir un très bon coefficient de pénétration tout en ayant une grande portance et pour engendrer un décrochage aérodynamique sous un certain angle lorsque la vitesse tend à croître dangereusement (vents destructeurs). Le profil représenté à titre d'exemple appartient à la classification NACA 4412. Figure 3, on a représenté une coupe d'un des cônes d'extrémité d'arbre : le cône 6 et la pale 8; cette pale est fixée par un seul axe en 14, axe pouvant roter sur lui-même selon la flèche 15 mais étant maintenu à une distance fixe du flasque 16 qui tourne avec le cône par un levier 17. Lorsqu'il n'y a aucune vitesse de rotation ou qu'une faible vitesse de rotation, la pale se trouve en position petit pas représentée ici en X sur la figure 3 et en position C sur la figure 1, position où elle est maintenue par le ressort 18. La pale est inclinée positivement selon l'angle g par rapport à l'axe a'-b' lui-même parallèle à la verticale a-b, ce qui fait qu'elle décrit un cône tres ouvert en rotation selon R figure 2. Lorsque la vitesse de rotation augmente par la force centrifuge, la pale a une tendance à se rapprocher de la verticale, donc à ouvrir le cône mais, comme son pied fixé au centre du cane est fixe mais peut etre mis-en rotation, la pale tourne sur elle-même en se rapprochant de la verticale et-le pas varie et tend à devenir un grand pas. C'est cette variation tendant à se rapprocher de la verticale que nous voyons sur la figure 3 selon les angles Y et les angles Z, et la position de la pale se trouve en position B et en position A. Ce systeme de variation de pas proportionnelle à la vitesse du vent (vent représenté selon la fleche V) permet une régulation dans la production de courant électrique pratiquement constante au-delà d'une certaine vitesse et lorsque la force des vents est telle que ceux-ci risquent de devenir destructeurs.La variation de pas peut augmenter jusqu'à un point où la vitesse se réduit dans les très grands vents; c'est ce qui engendre une sécurité mais permet de continuer à produire une énergie électrique. Dans le cas extrême de tempêtes, la combinaison du pas et du profil engendre le décrochage aérodynamique sur la pale et la vitesse de rotation devient pratiquement nulle, ce qui élimine tout risque de destruction. A titre d'exemple, un tel aérogénérateur constitué de 2 pales de longueur de 2 metres décrivant chacune une surface de 12,50 m2 selon S figure 2, montées sur un alternateur 6 pales, permet de produire par un vent de 7 m/seconde une énergie de 500 Watts, la production pouvant atteindre 900 Watts pour des vents échelonnés entre 10 et 20 m/seconde. A ce moment, la vitesse de rotation est de 1.000 tours/minute. Un tel aérogénérateur présente, par rapport aux dispositifs connus permettant la récupération de la force des vents les avantages suivants 10) - Grande vitesse de rotation supprimant tout multi plicateur sur le générateur électrique. 20) - Le fait d'être monopale permet à cette pale de tourner dans un courant aérodynamique non per turbé par la ou les pales qui la précèdent comme dans les systèmes multipales. 30) - Le systeme de variation des pales original est très résistant et d'une régulation parfaite et sans entretien. 40) - Le fait d'avoir 2 fois 2 monopales ne tournant pas dans la même surface double le rendement de l'en semble, sans avoir les inconvénients aérodynamiques occasionnés par les systèmes multipales tournant dans le même plan. 50 - L'orientation azimutale est simple et efficace et sans collecteur. 60) - L'ensemble est trias résistant et traite anticorro sion et est pratiquement sans entretien. 70) - Le rendement d'une telle machine est assez élevé (entre 0,72 et 0,75 de la limite de Betz). 8 ) - Le prix de revient d'un tel ensemble est relative ment bon marché par rapport aux autres systèmes. 90) - Son installation est très facile car l'ensemble est tres léger et est seulement constitué de 5 sous ensembles homogènes. Mais comme indiqué précédemment, il est souvent souhaitable de pouvoir combiner dans un même dispositif un appareil captant l'énergie du vent et un apparail captant l'énergie solaire. On pourrait en principe disposer l'aérogénérateur décrit ci-dessus avec n'importe lequel des appareils captant l'énergie solaire, mais il a été trouvé qu'il était plus souhaitable de coupler ledit aérogénérateur avec un capteur solaire. haute température, statique et susceptible de servir de base audit aérogénérateur. On rappelle qu'un dispositif de captation thermique solaire dit à haute température est un dispositif produisant des vapeurs (eau ou fluide caloporteur) à des températures de l'ordre de 300 à 5000C. Le dispositif choisi est donc un dispositif statique à haute température basé sur le principe des réseaux optiques dioptriques concentrateurs, ces réseaux se présentant sous forme d'une portion de cône dont la surface est constituée de dioptres accolés, chaque dioptre ayant une forme extérieure sensiblement conique permettant,quelle que soit la position de la source lumineuse, notamment lors de son déplacement, de capter et de focaliser cette source d'énergie selon une surface linéaire déterminée qui est matérialisée par un tube transportant un fluide caloporteur. Le capteur solaire utilisé dans l'invention est décrit ci-après en se référant aux figures 4, 5, 6 et 7; la figure 4 est une vue de dessus du capteur, la figure 5 est une vue de face du capteur, la face choisie étant celle qui comporte les dioptres, la figure 6 est une vue partielle en coupe transversale du capteur montrant notamment le principe de focalisation de l'énergie solaire sur les tubes transportant le fluide caloporteur et la figure 7 est une vue en coupe longitudinale du capteur. Sur les figures 4 et 5 on peut distinguer les éléments caractéristiques du capteur solaire. En 21, une base reposant sur le sol. En 22, un ensemble de dioptres optiques en verre couvrant presque la moitié de la surface du cône 23. L'autre partie développée du cône en 24 est formée soit d'une plaque métallique ou de tout autre matériau (plastique ou composite) dont le revêtement extérieur est en noir mat et est avantageusement recouvert d'une paroi transparente soit en verre, soit en matériau plastique, ce dernier matériau laissant passer les rayons thermiques solaires (effet de serre). Le sommet de ce cône est surmonté en 25 d'un récupérateur d'énergie qui peut être, et c'est le cas dans cette description, équipé d'un turbo-générateur électrique à axe vertical. I1 est bien évident que la surface 22 composée de dioptres optiques placés tangentiellement et formant presque 50% de la surface du cône est dirigée vers la source solaire, ce qui fait que, quelle que soit la position du soleil soit en azimut, soit en site (variations saisonnières et variations selon le lieu géographique), une bonne partie des dioptres sera toujours privilégiée pour recevoir à 100% l'énergie du soleil quelle que soit la position de ce dernier, mais les autres dioptres qui ne sont pas situés rigoureusement dans l'axe capteront avec une énergie moindre la totalité de 1 '.énergie rayonnante et l'ensemble de ces énergies sera concentré en un même lieu qui, ici, se traduira par une surface linéaire de concentration à haute température. Ces dioptres figures 6 et 7 en 26 sont formés de fragments tronconiques en une matière transparente transmettant la totalité du spectre ther mique du soleil (rayonnement infrarouge). Ils seront constitués avantageusement par du verre à haute teneur en silice ou par toutes matières plastiques ou composites ayant les mêmes caractéristiques optico-thermiques. Ces dioptres 26 focalisent le rayonnement thermique sur une chaudiere 27 constituée elle-même d'un cône à plus faible base que le cône extérieur et entouré d'une multitude de tubes 28 dans lesquels circule soit de l'eau, soit un fluide caloporteur venant du bas du eône, comme nous le voyons en 29, pour monter dans la partie supérieure de ce dernier, comme nous le voyons en 30, soit par effet thermo-siphon ou sous l'action d'une pompe 31, ou sous l'effet des deux. Les tubes 28 seront d'un nombre qui peut être variable mais leur surface externe sera peinte ou traitée anodisée noir mat afin de présenter le maximum d'absorption thermique. Figure 6, on a représenté une concentration de rayonnement dans l'axe privilégié selon 32 et une concentration selon l'axe 33 correspondant à un déplacement azimutal du soleil et nous voyons que, dans les deux cas, le faisceau thermique est venu frapper l'un ou l'autre des tubes 28 constituant le réseau tubulaire formant la chaudière et entourant le cône. Figure 7, on a représenté en suivant la fleche l'arrivée du fluide 29 caloporteur accéléré par la pompe 31, venant de 34 et pénétrant selon le type de circuit du fluide à travers le condenseur 35 dans la chaudière tubulaire formee par les tubes 28. C'est dans ces tubes que ce fluide s'échauffe et qu'il se vaporise pour se trouver dans la partie supérieure du tube en 30 sous forme de vapeurs à très haute température et c'est à cet endroit que ces valseurs pénètrent dans une turbine 36 qui peut avantageusement être couplée avec un générateur électrique ou turbo-générateur électrique à axe vertical pour produire Uâl courant dont la puissance en Watts est bien évidemment proportionnelle au volume de l'ensemble, donc à la capacité de vapeur fournie pour une énergie solaire déterminée.Cette vapeur moins chaude et détendue peut être soit utilisée après avoir engendre une force électro-motrice à des fins de réchauffage, soit être évacuée à l'air libre ou bien peut travailler en circuit fermé et revenir dans le circuit en 37. Un tel ensemble présente en plus de sa propriété de concentrateur thermique un capteur à effet de serre procurant déjà un préchauffage tres important dans le volume intérieur contenu dans ce cône. I1 peut être avantageusement fait, et pour des raisons de convexion, un vide relatif à l'intérieur de ce dit cone; celui-ci, de par sa conception et par le fait qu'il est statique, permet cette opération sans difficulté. Ainsi donc, on aura réalisé de maniere assez simple un capteur thermique concentrateur statique permettant la fabrication de vapeur et ne présentant pas les inconvénients de tous les autres capteurs concentrateurs à poursuite et ayant un prix de revient grandement inférieur à ces derniers. De plus, et cela est très important, ce système est passif aux vents quelle que soit leur force, ce qui n'est pas le cas des autres capteurs déjà précites. Et, enfin, sur le plan écologique, la forme même de ce dispositif permet de le placer dans des lieux privilégiés sans nuire au site sur lequel il sera installé. A titre d'exemple: un dispositif situé dans le Sud de la France entre le 40âme et le 45eme parallèle, ayant 4 m de hauteur et 4 m de diamètre à la base du cône, et dont les dioptres recouvrent une surface de 172", donne, pour un ensoleillement de 800 Watts/m2, 7.000kilos-calories/heure pendant les mois de Juin, Juillet et Août. La température obtenue au point chaud de la chaudière est de 5000C environ. Dans la présente invention le capteur solaire dont le principe et le rendement sont décrits ci-dessus n'est pas utilisé seul mais en combinaison avec 1' aérogénérateur qui constitue l'élément de base de l'invention. Le couplage de 1 'aérogénérateur avec le capteur solaire est évident et on l'a représenté, pour le principe, sur la figure 8. Les avantages de cet appareil qui transforme deux énergies naturelles sont nombreux et concernent particulièrement - une production permanente d'énergie car il est très rare que, particulièrement dans les pays chauds, celui ci se trouve dans des périodes où 'il n'y ait ni vent ni soleil - un système modulaire permettant de transformer l'énergie solaire et l'énergie éolienne uniquement en énergie électrique ou, si cela est nécessaire, en énergie électrique et en énergie génératrice de froid - une homogénéité totale de l'ensemble dans laquelle 1' aérogénérateur ne demande pas d'entretien et le capteur solaire est uniquement statique, sans système de poursuite du soleil, ce qui jusqu a présent était une très grosse objection à tous les capteurS solaires - enfin, cet ensemble par sa structure et sa forme géométrique peut supporter de très grands vents sans aucun phénomène de destruction. Comme ce double générateur est l'addition d'un générateur solaire et d'un générateur aérodynamique et que, selon les circonstances, on peut employer seulement l'un ou l'autre, on diminue bien entendu le prix de revient de l'appareil considéré. En effet, dans les endroits ensoleillés où, seule, une production frigorifique est nécessaire, il est bien certain que, seul, le générateur solaire répond aux besoins. Par contre, dans tous les endroits où une puissance électrique variant de 500 à 1000 Watts est seulement nécessaire (installation ensoleillée, éclairage restreint, alimentation radio, etc...), le seul générateur aérodynamique répond aux besoins à condition, bien entendu, que celui-ci soit installé où il y a des vents variant eux-mêmes entre 4 et 10 m/seconde minimum. C'est pourquoi, quand les moyens le permettent, le couplage des deux générateurs répond en général à tous les besoins demandés par les petites installations avec plus de souplesse dans le lieu géographique de l'installation. Une autre forme de transformation de l'énergie solaire captée par le cône dioptrique que nous venons de décrire est la production 'd'énergie électrique en transformant l'énergie photonique du soleil par cellules photo-électriques, ainsi est représenté figure 8 le capteur conique déjà décrit figure 5 mais adapté à ce genre de production. La figure 8 est une coupe où, à 1 'inté- rieur, la chaudière précédemment décrite figure 7 est remplacée par un ensemble photovoltaique en 38. Cet ensemble situé au centre du cône est constitué d'une pluralité de cellules photovoltaiques montées elles-mêmes sur un cône plus petit et centré en 39. Ces cellules sont montées électriquement en série et en parallèle pour obtenir la tension et l'intensité d'électricité désirées. C'est ainsi que l'on voit la sortie de cette production de courant électrique (courant continu) en 40 selon les flèches + et L'avantage d'un tel système est de faire travailler les cellules photo-électriques (type sélénium ou sulfure de cadmium, à titre d'exemple) avec un excellent rendement car, grâce à la coupole dioptrique, l'énergie solaire est strictement concentrée sur l'ensemble des cellules et, pendant le déplacement azimutal du soleil, la concentration est constante grâce au réseau dioptrique comme nous l'avions déjà vu pour l'effet thermique et selon la représentation schématique de la figure 6. Le couplage d'un tel générateur avec I > aérogénérateur précédemment décrit figures 1, 2 et 3, permet une production d'énergie électrique pratiquement constante puisque nous avons ici le complémentarité des énergies du vent et du soleil. Figure 9, est représenté l'ensemble couplant le capteur solaire et 1 'aérogénérateur., ce dernier étant situé au sommet du cône comportant les dioptres et l'ensemble formant un appareil très esthétique. Nous ne décrirons pas l'appareil représenté figure 9 mais simplement, à titre d'exemple, nous. lui donnerons des cotes definissant un appareil de base pouvant être produit en série et dont la multiplicité sur un endroit déterminé et spécialement bien placé pour ce genre d'énergie peut permettre une production électrique assez considérable. A titre d'exemple, figure 9, les cotes sont les suivantes H = 6,30 m h = 4 m P = 2 m = 4 m Production électrique (éolienne et photovoltalque) de 2500 à 3000 Watts/heure pendant 10 heures environ (par jour). Production électrique (éolienne) de 1000 Watts/heure pour des vents de 9 à 10 m/seconde pendant 10 heures environ (par jour). Production thermique de 2000 Watts/heure pendant 8 heures environ (par jour). Dans ce type de capteur, il est préférable d'avoir des ensembles de dimensions assez restreintes et d'en avoir un plus grand nombre sur le même site, ce qui est positif au point de vue prix de revient, facilités d'installation et qui, de plus, ne nuit pas à l'écologie du lieu. La fiabilité d'un tel ensemble est très grande et il pourrait se dispenser d'entretien pendant une période d'environ 3 ans, s'il n'est pas soumis à des vents excédant 20 m/seconde. Les vents de sable n'ont pratiquement pas d'action nuisible car la constitution en matériaux composites des structures est très résistante et les dioptres optiques à base de matériaux plastiques siliconés sont très résistants à ltérosion. REVENDICATIONS 1. Aérogénérateur caractérisé en ce qu'il est constitué essentiellement par un alternateur pouvant s'orienter par rotation autour d'un axe vertical ledit alternateur portant un arbre-rotor qui porte, disposée de part et d'autre dudit alternateur, une pale équilibrée dont la rotation autour dudit arbre s'effectue selon un cône ouvert,ladite ouverture de cône et le pas d'incidence de chaque pale variant automatiquement en fonction de la force du vent. 2. Aérogénérateur selon la- revendication 1 que l'on couple avec un récupérateur de l'énergie solaire, ledit récupérateur étant caractéris-é en ce qu'il est constitué d'un cône fixe captant et concentrant l'énergie solaire sur une chaudière quelle que soit la position- en azimut ou en site du sol, ladite captation s'effectuant grâce à des dioptres optiques placés côte à côte le long des génératrices dudit cône sur environ 50% de la surface total dudit cône. 3. Hélio-aérogénérateur caractérisé en ce qu'il est composé de l'aérogénérateur selon la revendication 1 que l'on couple avec un concentrateur d'énergie solaire selon revendication 2 mais ce dernier capteur solaire ne transforme plus cette énergie solaire en énergie thermique mais directement en énergie électrique par l'intermédiaire d'un ensemble situé au centre du cône et composé de cellules photo-électriques.