Brevet FR2820173A1 — publié le 20020802

L'actuelle invention concerne une éolienne d'une technologie différente de celles qui ont été construites jusqu'à présent. C'est un changement essentiel sur le plan technique. Depuis plusieurs années, les constructeurs des éoliennes cherchent à obtenir des vitesses en bout de pale de plus en plus élevées afin d'atteindre des puissances importantes. Ils sont ainsi contraints d'utiliser des pales en nombre restreint et très étroites à leur extrémité, ce qui ne facilite pas les démarrages et limite fortement le rendement de aérogénérateurs aux basses vitesses du vent ( L'éolienne proposée est d'une technologie nouvelle et se caractérise par : 'une pale à géométrie variable 'un mât inclinable L'aérogénérateur proprement dit est fait d'un axe horizontal supportant à ses extrémités deux tambours identiques. Chacun de ces tambours possède un même nombre de pales allant de 3 à 5. Les pales sont exposées au vent ; c'est à dire que la direction du vent est perpendiculaire à l'axe de l'aérogénérateur, et chaque pale collecte le vent de face. La vitesse de rotation est variable. Deux disques de freinage sont fixés sur cet axe horizontal afin de limiter ses variations de vitesses. La force centrifuge resultant du rendement de la oale et l'importante force du moment de la masselotte sont capables de tourner l'aérogénérateur aux faibles vitesses du vent. L'aérogénérateur selon l'invention possède deux tambours identiques, chacun de ces tambours possède un même nombre de pales, allant de 3 à 5 afin d'assurer la symétrie de l'aérogénérateur ainsi que sa stabilité. Les profiles de ces pales sont assimilées à ceux des feuilles des bananiers avec un concept permettant de produire le maximum d'énergie aux vitesses des rotations variables aux faibles vitesses du vent. Le vend frappe chaque pale de face mais frappe en même temps l'aérogénérateur de profile contrairement a ce qui existe par construction pour les autres aérogénérateurs. Selon notre invention le vent frappe l'aérogénérateur perpendiculairement à son axe central. Cette particularité est une des caractéristiques originales de cette éolienne. Les pales sont flexibles et fabriquées en matériaux spéciaux tels que : inox, matières composites, tissus métalliques etc... Dans une première demi-circonférence de la rotation de l'aérogénérateur, dite inactive, la flexibilité de la pale permet sa pliure sur ellemême sans qu'elle soit cassée, endommagée ou modifiée. A l'extrémité libre de chacune de ces pales une masselotte dont le poids sera déterminé experimentalement est fixée afin de donner une importante force de moment ce qui apporte une aide supplémentaire à la force de vent pour faire tourner l'aérogénérateur. Le maximum de cette force se trouve dans une deuxième demi-circonférence, dite active où les pales sont exposées entièrement faces au vent. Dans cette Demi-Circonférence active : 1. Chacune de ces pales est ouverte, prend le maximum de sa longueur et devient rigide, 2. Avec la masselotte fixée à l'extrémité libre dans cette demi-dirconférence active, une force de moment est générée et doit être plus importante que celle qui est developpée dans la demi-circonférence inactive, 3. Chacune de ces pales reste étendue jusqu'à sa position verticale proche du sol. Une fois que la pale a franchi la position verticale la plus proche du sol, elle commence sa pliure sur elle-même et grâce à sa flexibilité sa géométrie varie et adopte la forme d'une courbe. Alors, dans cette Demi-Circonférence inactive : 1. La distance entre la masselotte fixée à la pale et le centre du tambour concerné, est minimale, donc, la force de moment résultant est aussi minimale et inferieure au même type de force produite dans la demi-circonférence active, 2. Ce type de force de moment se produit quand la pale se trouve en mouvement dans cette demi-circonférence inactive jusqu'à la position verticale loin du sol. Quand la pale commence la descente, à partir de la position verticale loin du sol et donc au début de la Demi-Circonférence active, elle frappe brusquement l'air et elle devient tendue et rigide. Ce choc brutal ouvre la pale pour qu'elle devienne prête à recevoir le vent, grâce, essentiellement, à la masselotte fixée à son extrémité libre. Chacune de ces pales est : 1. Rectangulaire et sa longueur est au moins 8 fois sa largeur, 2. Fixée par des files d'acier sur ces deux faces. La longueur de ces fils est déterminée pour qu'elle soit tendue dans une Position et soit flexible a géométrie variable dans une autre position. Les poids des masselottes fixées aux extrémités des pales sont égaux. Mais ces masselottes peuvent être changées et remplacées par d'autre de poids superieur ou inferieur selon selon la vitesse de vent et la vitesse de rotation de l'aérogénérateur. Concernant l'orientation de l'aérogénérateur par rapport au vent, des dérives verticales peuvent être fixées sur l'axe central à côte de chaque tambour à deux distances égales. L'aérogénérateur repose sur une plate-forme rectangulaire ou circulaire. Deux roulements à bille sont fixés sur cette plate-forme pour que l'axe central de l'aérogénérateur qui relie les deux tambours à ses extrémités puisse tourner facilement avec un minimum de frottements. L'axe central de la plate-forme est fixé à son centre géométrique. Cet axe est perpendiculaire à la plate-forme et pénètre dans l'extrémité lointaine du sol du mât de l'éolienne, afin d'exercer ses rotations en toutes libertés selon la direction de vent. L'axe central de l'aérogénérateur est toujours horizontal, contrairement à l'axe de la plate-forme qui est toujours vertical. Un système générateur électricité est fixé autour de l'axe horizontal de l'aérogénérateur. Le système de freinage se compose de deux disques, qui sont fixés à deux distances égales des tambours correspondants, autour de l'axe de l'aérogénérateur. Pour l'entretien de l'aérogénérateur, le mât central de l'éolienne peut être incliner en pivotant sur un axe horizontal qui traverse le mât central au tiere de sa longueur en partant du sol. Cet axe repos sur un support en forme de pyramide suseeptible de supporter les dispositifs de l'éolienne et toutes les forces qui résultent de son fonctionnement dans des conditions de vent violent. Cet axe horizontal est libre de façon que le mât puisse se pencher ou basculer vers le sol, afin de proceder à des manoeuvres d'entretien ou à des changements de pales. A l'extrémité inférieure, le diamètre du mât est inferieur au diamètre de sa partie superieure et se termine par une autre plate-forme circulaire qui supporte les galets métalliques lourds : 1. Les galets métalliques lourds peuvent s'empiler sur cette plate-forme en s'inserant à cette extrémité du mât. Le poids de ces galets assurent la stabilité de l'éolienne tout entiere et sa verticalité. En plus, un système de sécurité additionnel est destiné à bloquer le mât en position verticale. 2. Une corde est fixée la partie superieure du mât pour lui permettre de basculer vers le sol doucement et en toute sécurité. L'enlèvement progressif des galets pendant qu'on tire la corde on facilite en toute securité le basculement du mât. Inversement, pour que le mât revienne à la verticale, on ajoute des galets en lâchant en même temps la corde afin de redresser le mât jusqu'à la verticale. Cette technique simple est destinée à reduire les frais d'utilisation de grues ; elle est est facile à mettre en pratique et reduit le temps d'entretien, cela est un des avantages de cette invention. Les dessins annexés illustrent l'invention : 1. La figure (I) est une vue de profil de l'éolienne, selon l'invention 2. La figure (II) est une vue de face partielle et simplifiée de la partie aérogénérateur avec 3 pales Description générale de l'appareil. (Figure I) L'appareil est fait d'un aérogénérateur situé au sommet d'un mât (8) fixé au sol par un système de contention permettant son inclinaison. L'aérogénérateur est fait de deux tambours identiques (2) sur lesquels sont fixées les pales (1). Les pales (1) sont munies, à leur extrémité, de masselottes métalliques (13). Chaque tambour (2) possède, dans un souci d'équilibre, un même nombre de pales (1), allant de 3 à 5. Les tambours (2) sont situés aux extrémités d'un axe horizontal (3), monté sur roulements à billes (6) et fixé à une plate-forme rectangulaire ou circulaire (7). Sur un axe de rotation (14), sont disposés un système générateur d'électricité (4) et un système de freinage (5) fait de deux disques à commande électromagnétique. La plate-forme (7) est fixée à l'extrémité supérieure du mât (8) de l'éolienne par l'intermédiaire de l'axe vertical (14) tournant librement dans son logement, muni de roulements à billes (17). Elle est aussi munie de deux gouvernes (15) qui l'orientent par rotation de son axe support (14), afin que l'axe horizontal (3) de rotation des tambours (2) reste perpendiculaire à la direction du vent. Le mât (8) de l'éolienne, est fixé (pour une utilisation pratique en zone isolée, d'accès difficile, en cas de manque d'équipements de levage en général coûteux) sur un axe horizontal (9) reposant sur un support métallique (12), à distance du sol. La partie inférieure est lestée d'un contrepoids (10). Afin de ne pas trop alourdir les structures, l'axe horizontal (9) de fixation du mât (8) devrait se situer à l'union du 1/3 inférieurs et des 2/3 supérieurs de sa longueur. Toute fixation plus proche de l'extrémité inférieure du mât (8) accroît le poids du lest nécessaire. En état de marche, le mât (8) est verrouillé en position verticale. Pour l'entretien et d'éventuelles réparations, il peut être basculé afin de rapprocher la plate-forme (7) du sol. A l'aide d'une simple corde (11) et au déverrouillage de l'axe horizontal (9) de fixation du mât (8), la manoeuvre est aisée. Fonctionnement de l'aérogénérateur. (Figure II) Les pales (1) ont un profil en feuille de bananier et, contrairement à ce qui est observé dans les éoliennes traditionnelles, leur axe (3) de rotation n'est pas parallèle mais perpendiculaire à la direction du vent A . Elles sont rectangulaires, la longueur et la largeur étant dans le rapport de 8. Elles sont flexibles et peuvent donc se plier en longueur sur elle-même, en inox ou en matière composite ou en tissu métallique. Les pales (1) en inox ou en matière composite nécessitent des tendeurs en fils d'acier (16) reliant les deux faces de chaque pale (1) aux bords du tambour cylindrique (2) afin de limiter la courbure de ses déformations, de la rigidifier et de la maintenir ouverte. Les pales (1) sont munies à leurs extrémités libres d'une masselotte (13) amovible. Le poids des masselottes (13) peut ainsi être modifié facilement en fonction de l'état du vent. Les deux tambours (2) cylindriques tournent ensembles dans un même et unique sens B . L'association d'une structure souple et d'une masselotte (13) à l'extrémité de chaque pale (1) assure la régularité du mouvement : * En direction horizontale face au vent, la pale (1) est tendue, la surface au vent minimale et le moment cinétique maximal. * Quand la pale (1) passe de la situation horizontale à la situation verticale, son extrémité étant orientée vers le sol, l'impact du vent sur elle augmente progressivement jusqu'à un maximum et le moment cinétique diminue jusqu'à son minimum. * Quand la pale (1) passe de la position verticale mentionnée ci-dessus à la position horizontale, elle se recourbe par le poids de la masselotte (13) et l'impact du vent diminue progressivement. Le moment cinétique augmente alors mais du fait de la courbure de la pale (1) est moins important que dans la direction diamétralement opposée. Quand la pale (1) passe du niveau horizontal mentionné au paragraphe précèdent et monte vers la direction verticale elle progresse vers son incurvation maximale. L'impact du vent est alors pratiquement nul et le moment cinétique minimum. * Enfin quand la pale (1) redescend vers la position horizontale face au vent elle se redresse brusquement sous l'action de la masselotte (13). La rapidité du redressement apporte une énergie cinétique qui s'ajoute au moment cinétique progressivement croissant et à la force créée par l'impact du vent. Le balancement des actions des forces dynamiques du vent et des variations des moments cinétiques, couplé à l'intervention éventuelle d'actions de freinage (5), assure aux tambours (2) un fonctionnement régulier. Cette éolienne est de réalisation et d'entretien simple grâce à son mât (8) inclinable. Elle produit facilement de l'énergie électrique : propre, sans effet secondaire sur l'environnement, renouvelable, bon marché, exploitable dans les zones isolées, et surtout elle fonctionne aux faibles vitesses du vent. -n-v REVENDICATIONS 1) Aérogénérateur à axe horizontal (3) caractérisé en ce qu'il possède deux tambours cylindriques (2) fixés aux deux extrémités de l'axe horizontal (3), chacun de ces tambours possédant entre trois et cinq pales (1) et le nombre des pales (1) fixées sur chacun de ces deux tambours (2) devant être égaux et en ce que, le vent frappe les pales (1) au profil de l'aérogénérateur et perpendiculairement à l'axe central de l'aérogénérateur en amont d'un mât support (8). 2) Aérogénérateur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les pales (1) sont fixées sur les deux tambours (2) en respectant l'égalité des angles entre deux pales (1) consécutives et en ce qu'à l'extrémité libre de chacune de ces pales (1), une masselotte (13) métallique est fixée, ces masselottes (13) métalliques sont de masse égale. 3) Aérogénérateur selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que des fils d'acier (16) sont accrochés à différents endroits sur chacune de ces pales (1), afin de maintenir chacune de ces pales (1) en position appropriée en formant une courbe dans une 1 ère Demi-Circonférence et en restant tendu dans une 2ème Demi-Circonférence. 4) Aérogénérateur selon l'une des revendications précédentes caractérisées en ce que des systèmes de types différents sont fixés sur cet aéogénérateur tels qu'un système de fixation, système de freinage, système de gouvernail et/ou système de générateur. 5) Aérogénérateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'axe central (3) qui relie les deux tambours cylindriques (2) ensemble tourne dans deux éléments identiques à roulements à billes (6) qui représentent le système de fixation. 6) Aérogénérateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les deux éléments identiques à roulements à billes (6) du système de fixation, permettent à l'axe central (3) de tourner facilement sans vibrations et en toute stabilité avec peu de frottements, ces deux éléments (6) sont placés à distances égales de chaque extrémité respective de l'axe central (3) et aussi ces deux éléments sont fixés sur une plate-forme métallique (7). 7) Aérogénérateur selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le système de freinage (5), qui assure l'arrêt de l'ensemble de l'aérogénérateur et son immobilité face au vent, est fixé autour l'axe central (3), et en ce qu'il se compose de deux disques identiques fixés autour de l'axe central (3), les deux disques sont placés à distances égales de chaque extrémité respective de cet axe central (3) et aussi sont fixés sur une plate-forme métallique (7). 8) Aérogénérateur selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que le système de gouvernail (15), système d'orientation parallèle au vent, se compose de deux gouvernails (15) identiques fixés sur la plate-forme métallique (7), de tel sort qu'ils sont placés à distance égale de chaque extrémité respective de cet axe central (3), ce q système de gouvernail (15) d'orientation parallèle au vent guide l'aérogénérateur d'une façon telle que les pales (1) sont toujours exposées au vent. 9) Aérogénérateur selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que le système de générateur (4) est fixé autour de l'axe horizontal (3) de l'aérogénérateur et sur la plate-forme métallique (7). 10) Aérogénérateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une plate-forme métallique (7), solide et rectangulaire ou circulaire repose sur un axe vertical (14) placé à son centre géométrique, cet axe vertical (14) pénétrant toujours en au centre de l'extrémité lointaine du sol du mât (8), sa rotation étant assurée par un élément de roulements à bille (17) pour faciliter les mouvements de cette plate-forme métallique (7) à l'intérieur de cette extrémité du mât (8). Il) Aérogénérateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mât (8) de l'éolienne a un axe de rotation (9) horizontal placé près du sol et à 1/3 de la longueur du mât (8), un contrepoids composé de galets métalliques (10) lourds est fixé à l'extrémité du mât (8) prés du sol et une corde (11) suffisamment longue est fixée vers le centre de l'extrémité lointaine du sol du mât (8). 12) Aérogénérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'un dispositif métallique pyramidal (12), suffisamment solide pour supporter le mât (8), est fixé solidement au sol. 13) Aérogénérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la pale (1) est fabriquée en matériau spécial tel que : inox, matière composite ou tissus métalliques et en ce que des masselottes métalliques (13) identiques sont accrochées à l'extrémité libre de chacune de ces pales (1), ainsi que des fils d'acier (16) relient les deux faces de chaque pale (1) aux bords du tambour cylindrique (2).