Brevet FR2768187A1 — publié le 19990312

Eolienne hélicoïdale à axe de rotation vertical L'invention concerne le domaine des éoliennes, c'est-à-dire des machines motrices propres à convertir l'énergie du vent en un mouvement de rotation afin d'actionner un équipement approprié, par exemple un générateur électrique, une pompe, etc... Les éoliennes se classent en deux catégories principales, celles présentant un axe horizontal de rotation, et celles présentant un axe vertical de rotation. L'invention concerne plus précisément les éoliennes à axe vertical. Ces dernières comprennent deux types principaux : les machines à traînée différentielle (par exemple les anémomètres à coupelles) et les machines à aubes fixes à variation cyclique d'incidence, qui comprennent généralement des aubages biconvexes et symétriques. La plupart des éoliennes à axe vertical ont pour inconvénient de nécessiter un fort couple de démarrage, si bien qu'il est nécessaire de les lancer au démarrage, par exemple au moyen d'un moteur électrique. Pour être rentables, elles doivent généralement être de grande taille, notamment les éoliennes du type DARRIUS. Elles sont alors très bruyantes, sont freinées en cas de vent trop important, et présentent un risque de chute. En outre, ces éoliennes connues sont adaptées à des sites de vents spécifiques, et conviennent par conséquent à des régions géographiques bien déterminées, balayées par les vents pour lesquels elles sont conçues. L'invention a principalement pour but de surmonter les inconvénients précités. Elle propose à cet effet une éolienne à axe vertical de rotation, qui comprend un support propre à tourner autour de cet axe de rotation, au moins deux pales portées par le support et ayant chacune une section profilée s'appuyant sur un axe curviligne défini par l'intersection d'une demi-sphère admettant ledit axe de rotation comme axe de révolution et d'un demi-cylindre centré sur le rayon de la sphère, ayant pour diamètre le rayon de la demi-sphère et ayant ses génératrices parallèles à l'axe de rotation, et dans laquelle chaque pale présente une extrémité supérieure et une extrémité inférieure reliées respectivement au support par des premiers moyens de liaison à articulation et par des seconds moyens de liaison à articulation, autorisant un calage angulaire de la pale par rapport à la demi-sphère balayée par la pale lors de la rotation du support de manière à élargir le volume cinétique occupé par l'hélice en fonction croissante de sa vitesse de rotation. Ainsi, l'éolienne de l'invention comprend plusieurs pales profilées, identiques entre elles, s'étendant suivant un axe curviligne défini par l'intersection d'une demi-sphère et d'un demi-cylindre. En outre, chacune des pales est reliée au support tournant par l'intermédiaire de moyens de liaison à articulation, si bien que le calage angulaire de chaque pale peut être modifié en fonction de la vitesse du vent, et selon que le dispositif est arrêté ou en fonctionnement. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, l'éolienne comprend trois pales décalées angulairement à 1200 les unes des autres par rapport à l'axe de rotation du support. Avantageusement, la section profilée de chaque pale est constante et affecte la forme générale d'un profil du type aile d'avion. D'autres types de profils peuvent être adoptés, symétriques ou non, en fonction des sites. Les premiers moyens de liaison à articulation comprennent avantageusement, pour chaque pale, un premier bras ayant une extrémité extérieure reliée fixement à la pale et une extrémité intérieure reliée au support par une articulation. Dans une forme de réalisation avantageuse, l'extrémité intérieure du premier bras est coudée et est reliée au support par une articulation à pivotement, cette articulation à pivotement s'étendant de préférence dans une direction radiale par rapport à l'axe de rotation. De façon préférentielle, les seconds moyens de liaison à articulation comprennent, pour chaque pale, un second bras ayant une extrémité intérieure reliée fixement au montant et une extrémité extérieure reliée à la pale par un joint universel, en particulier une rotule. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'extrémité supérieure de chaque pale est espacée du sommet de la demisphère et l'extrémité inférieure de chaque pale se situe audelà du plan équatorial de la demi-sphère par rapport au sommet, en se rapprochant de l'axe de rotation, de manière à former un aéro-frein naturel. De façon avantageuse, chaque pale présente un angle de calage, défini entre la direction générale de la section profilée de la pale et la tangente à la demi-sphère, qui peut varier entre une valeur initiale donnée autorisant le démarrage de l'éolienne et une valeur finale donnée, fonction de la vitesse de rotation de l'éolienne. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, la valeur initiale de l'angle de calage est d'environ 15 et sa valeur finale est d'au moins 2". Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une vue en perspective d'une éolienne à trois pales selon l'invention - la figure 2 est une vue de dessus de l'éolienne de la figure 1 - la figure 3 est une représentation géométrique en perspective de l'axe curviligne d'une pale de l'éolienne des figures 1 et 2 - la figure 4 est une représentation géométrique de dessus de la demi-sphère et d'une pale - la figure 5 représente une vue en coupe transversale d'une pale ; et - la figure 6 est une représentation géométrique de dessus, de la demi-sphère montrant des variations de l'angle de calage d'une pale de l'éolienne. L'éolienne représentée aux figures 1 et 2 comprend un support tournant 1 monté à rotation libre autour d'un axe sensiblement vertical Z-Z sur un bâti 21 qui sera décrit plus loin. Le support tournant 1 comprend un fût central 2 relié en partie inférieure à une base 3 de forme générale cylindrique, et en partie supérieure à une tête 4 de forme profilée. Le support 1 porte trois pales 5 identiques entre elles, et décalées angulairement à 1200 les unes des autres par rapport à l'axe de rotation Z-Z. Chacune des pales 5 présente une section transversale ou profilée de forme constante du type aile d'avion, comme on le verra plus loin. Chacune des pales 5 s'étend suivant un axe curviligne AC (représenté en trait interrompu sur la figure 1) ayant une forme bien précise. Comme on peut le voir sur la figure 3, lors de la rotation du support 1 autour de l'axe Z-Z, les pales 5 sont propres à balayer une surface correspondant à celle d'une demi-sphère 6. Cette demi-sphère possède un centre 0 situé sur l'axe Z-Z, ce dernier constituant aussi l'axe de révolution de la demisphère 6. Celle-ci possède un sommet S coupant l'axe Z-Z et un plan équatorial P défini par les demi-axes OX et OY dans un repère orthonormé à trois dimensions (axes OX, OY et OZ). L'axe curviligne AC de chaque pale 5 est défini comme étant l'intersection de la demi-sphère 6 et d'un demi-cylindre 7 centré sur le rayon de la sphère, ayant pour diamètre le rayon de la demi-sphère et ayant ses génératrices parallèles à l'axe de rotation X-X. Autrement dit, le diamètre du demicylindre 7 correspond à un rayon de la sphère. L'axe curviligne AC part du sommet S et aboutit au plan équatorial P de la demi-sphère. Le prolongement à l'infini de l'axe curviligne vers le haut formerait une spirale hélicoïdale qui est une forme naturellement avantageuse. Comme montré aux figures 1 et 2, chacune des pales 5 comprend une extrémité supérieure 8 située près du sommet S de la demi-sphère et une extrémité inférieure 9 située à distance de l'axe Z-Z. La section transversale de chaque pale est perpendiculaire à l'axe curviligne AC. L'extrémité inférieure 9 de chaque pale 5 se situe au-delà du plan équatorial de la demi-sphère par rapport au sommet S. Dans l'exemple, l'extrémité 9 de la pale s'étend en-dessous du plan équatorial de la demi-sphère et dépasse de ce plan équatorial sur une longueur qui correspond approximativement à une valeur de 10 % ou plus du diamètre de la demi-sphère. L'extrémité supérieure 8 de celle-ci se situe à faible distance du sommet de la demi-sphère. Comme on peut le voir sur la figure 4, un segment de droite A-A' est tangent à la demi-sphère 6 et orthogonal à l'axe d'une première pale au point où l'axe de cette première pale débute. B-B' représente un segment de droite tangent à la demi-sphère et orthogonal à l'axe d'une deuxième pale au point où l'axe de cette deuxième pale débute. Ce dernier point I qui constitue le point d'arrêt (extrémité supérieure de la pale) est tel que B-B' et A-A' sont parallèles. Ceci montre bien que la section transversale profilée de la pale s'étend toujours perpendiculairement à son axe curviligne. Comme on le voit sur la figure 5, la pale 5 présente une section transversale du type aile d'avion avec un bord d'attaque 10 et un bord de fuite 11. La section transversale du profilé comporte une direction générale 12 formant axe de symétrie. L'axe curviligne AC s'étend perpendiculairement à l'axe 12 et croise ce dernier dans une région où la pale présente une épaisseur maximale. Chacune des pales 5 est reliée au support 1 par deux bras de liaison 13 et 14, respectivement dans la région de l'extrémité supérieure 8 et dans la région de l'extrémité inférieure 9 de la pale. Le bras supérieur 13 comporte une extrémité extérieure 15 reliée fixement à la pale 5 à proximité de son extrémité supérieure 8 et une extrémité intérieure 16 qui est coudée et qui est propre à pivoter par rapport à la tête 4 du support 1 dans une direction radiale. L'extrémité intérieure 16 forme un angle d'environ 1200 avec le bras 13. Le bras inférieur 14 possède une extrémité intérieure 17 reliée fixement au support 1 et une extrémité extérieure 18 reliée à la pale 5 par l'intermédiaire d'un joint universel 19 tel qu'un joint à rotule. L'extrémité intérieure 17 est reliée à la base 3 du support de telle sorte que le bras 14 s'étende dans une direction radiale. L'extrémité extérieure 18 est reliée à la pale 5 à proximité de son extrémité inférieure 9. Les extrémités respectives 15 et 18 des bras 13 et 14 sont avantageusement fixées à une armature tubulaire 20 qui s'étend le long de l'axe curviligne AC et qui est noyée dans l'épaisseur de la pale 5 comme montré à la figure 5. Chacune des pales 5 est ainsi reliée au support par des moyens de liaison à articulation autorisant d'une part un pivotement de l'extrémité 16 du bras 13 par rapport à la tête 4 et d'autre part une articulation universelle entre l'extrémité 18 du bras 14 et la pale 5. Chacune des pales 5 peut ainsi se débattre autour des deux articulations précitées en modifiant l'orientation ou le calage de la pale par rapport à la demi-sphère. Plus particulièrement, comme le montre la figure 6, la direction générale 12 du profil de la pale forme toujours un angle avec la tangente T à la demi-sphère au niveau du plan équatorial, au point correspondant à l'articulation du joint universel 19. Autrement dit, la tangente T forme un angle droit avec le demi-axe OX alors que la direction générale 12 du profil doit former un angle aigu avec la tangente T. Le sens de rotation de l'éolienne est désigné par la référence W. Au démarrage de l'éolienne, chacune des pales forme un angle ayant une valeur initiale AI, dans l'exemple de 150. Au fur et à mesure de la mise en rotation de l'éolienne, et en fonction de la vitesse du vent, cet angle diminue progressivement pour parvenir à une valeur finale AF qui est au minimum de 2" dans l'exemple de réalisation choisi. Ainsi, au démarrage, chacune des pales est orientée de manière à présenter un angle de calage de 150 et permettre le démarrage autonome de l'éolienne, sans l'assistance d'un moteur, pour une vitesse du vent de l'ordre de 4 mètres par seconde. L'angle de calage varie ensuite selon la vitesse du vent et passe de 15 à une plage qui se situe entre 10,5 et 7,50 pour un vent de 8 à 16 m/s. Cet angle de calage diminue encore pour des vents plus violents. De préférence, des moyens de rappel élastiques (non représentés) sont interposés entre chacune des pales et le support 1 pour la solliciter dans une position où l'angle de calage atteint sa valeur maximale ou valeur de démarrage, ici 15". Il est possible de prévoir des moyens de freinage propres à bloquer ou limiter la vitesse de rotation de l'éolienne en cas de vent très violent. On peut notamment prévoir un contacteur qui actionnera le frein dès que l'angle de calage atteindra un seuil fixé à l'avance, par exemple un seuil correspondant à un angle de calage de 20. Le freinage peut également être commandé directement par le mécanisme de calage, dans le cas des éoliennes de petite taille. L'angle initial de calage de 150 permet au vent de lancer la rotation sans intervention extérieure. Le vent réel exerce une poussée sur les 2/3 inférieurs d'une pale, puis est ensuite projeté sur le tiers supérieur d'une deuxième pale, et aide cette dernière à remonter le vent, et cela d'autant plus facilement que la pénétration est progressive dans le vent relatif. La troisième pale reçoit une poussée due au vent réel, sur son tiers supérieur. Autrement dit, l'éolienne subit l'action du vent sur une surface égale à une pale entière, si l'on fait la somme des surfaces exposées de la première et de la troisième pale. On comprendra que plus les pales tournent vite, plus l'angle de calage est petit. Les moyens de calage précités permettent de corriger l'angle de calage en fonction de la période de révolution, c'est-à-dire de la vitesse angulaire du support autour de l'axe Z-Z. Du fait que l'extrémité supérieure de chaque pale est espacée du sommet de la demi-sphère, donc de l'axe de rotation, cela permet la création d'un tourbillon ou vortex dans le sens de rotation. Il en résulte la création d'un vent vertical causé par la force de traînée des pales de l'éolienne. Ce vent, qui semble traduire une perte apparente de rendement, permet en réalité de réguler la vitesse de rotation de l'éolienne afin de lui donner une valeur relativement constante. Cet aspect est très intéressant pour l'utilisation de l'énergie mécanique ainsi recueillie. Le bâti 21 de l'éolienne comprend (figure 1) un mât vertical 22 relié à une tête de mât 23 par l'intermédiaire d'un raccord 24 en matériau élastomère. La tête de mât 23 s'étend à l'intérieur du support 1, des moyens de roulement (non représentés) étant interposés entre la tête de mât 23 et la base 3 et entre la tête de mât 23 et la tête 4. Le raccord 24 autorise un léger débattement angulaire de la tête de mât 23 dans toutes les directions, si bien que le support 2 peut tourner autour d'un axe vertical ou sensiblement vertical. Le raccord 24 permet ainsi d'absorber les vibrations ou ondulations de l'éolienne lors de la rotation. L'éolienne de l'invention peut être réalisée suivant différentes dimensions. Par exemple, pour des éoliennes de 0,5 à 5 mètres de diamètre, les moyens de calage seront avantageusement régulés par des moyens à ressort, du type à torsion ou flexion. Pour des éoliennes de 5 à 15 mètres de diamètre, les moyens de calage seront avantageusement régulés par un boîtier comprenant plusieurs pistons mécaniques à ressort et à bain d'huile permettant le rappel des calages en fonction de la vitesse de rotation. Pour des éoliennes d'un diamètre supérieur à 15 mètres, les moyens de calage seront avantageusement assistés par un mécanisme automatisé à vérins. Ce mécanisme à vérins permet de donner un angle de calage optimum au démarrage en fonction du site d'implantation, et de régler ensuite l'angle de calage à la valeur adéquate en fonction de la vitesse réelle du vent. L'éolienne de l'invention peut être réalisée en différents matériaux, en particulier ses pales peuvent être réalisées dans des matériaux du type composite. Comme déjà indiqué, l'éolienne de l'invention ne nécessite aucune assistance extérieure pour son démarrage. De plus, elle a pour avantage de pouvoir fonctionner avec différents types de vents, depuis des vents relativement faibles de l'ordre de 3 à 4 m/s, jusqu'à des vents très violents. Cette éolienne peut être implantée dans différentes régions géographiques et en différents sites, aussi bien sur terre qu'en mer, pour actionner différents types de dispositifs générateurs électriques, pompes, etc. Elle présente le grand avantage d'une double utilisation du vent, à la fois à la manière des machines à traînée différentielle et à la manière des machines à aubes fixes à variation cyclique d'incidence. Revendications 1. Eolienne à axe vertical de rotation, caractérisée en ce qu'elle comprend un support (1) propre à tourner autour de l'axe de rotation (XX), au moins deux pales (5) portées par le support (1) et ayant chacune une section profilée, s'appuyant sur un axe curviligne (AC) défini par l'intersection d'une demi-sphère (6) admettant l'axe de rotation (ZZ) comme axe de révolution et d'un demi-cylindre (7) centré sur le rayon de la demi-sphère, ayant pour diamètre le rayon de la demi-sphère et ayant ses génératrices parallèles à l'axe de rotation (ZZ), et en ce que chaque pale (5) présente une extrémité supérieure (8) et une extrémité inférieure (9) reliées respectivement au support (1) par des premiers moyens de liaison à articulation (13, 16) et par des seconds moyens de liaison à articulation (14, 19), autorisant un calage angulaire de la pale par rapport à la demi-sphère balayée par la pale lors de la rotation du support de manière à élargir le volume cinétique occupé par l'hélice en fonction croissante de sa vitesse de rotation. 2. Eolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend trois pales (5) décalées angulairement à 1200 les unes des autres par rapport à l'axe de rotation (ZZ) du support (1). 3. Eolienne selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la section profilée de chaque pale (5) est constante et affecte la forme générale d'un profil du type aile d'avion. 4. Eolienne selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les premiers moyens de liaison à articulation comprennent, pour chaque pale, un premier bras (13) ayant une extrémité extérieure (15) reliée fixement à la pale (5) et une extrémité intérieure (16) reliée au support par une articulation. 5. Eolienne selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'extrémité intérieure (16) du premier bras (13) est coudée et est reliée au support (1) par une articulation à pivotement. 6. Eolienne selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les seconds moyens de liaison à articulation comprennent, pour chaque pale (5), un second bras (14) ayant une extrémité intérieure (17) reliée fixement au support (1) et une extrémité extérieure (18) reliée à la pale (5) par un joint universel (19), en particulier une rotule. 7. Eolienne selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l'extrémité supérieure (8) de chaque pale est espacée du sommet (S) de la demi-sphère (6) et l'extrémité inférieure (9) de chaque pale se situe au-delà du plan équatorial (P) de la demi-sphère par rapport au sommet (S), en se rapprochant de l'axe de rotation (ZZ), de manière à former un aéro-frein naturel. 8. Eolienne selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que chaque pale (5) présente un angle de calage (A), défini entre la direction générale (12) de la section profilée de la pale et la tangente (T) à la demi-sphère (S), qui peut varier entre une valeur initiale (A-I) donnée autorisant le démarrage de l'éolienne et une valeur finale donnée (A-F), fonction de la vitesse de rotation de l'éolienne. 9. Eolienne selon la revendication 8, caractérisée en ce que la valeur initiale de l'angle de calage est d'environ 150 et sa valeur finale est d'au moins 20.