Brevet FR2857063A1 — publié le 20050107

La présente invention concerne une éolienne montée libre- ment pivotante autour d'un axe de rotation vertical de façon à permettre son auto-orientation naturelle face au vent et comportant une hélice actionnée par le vent et coopérant avec un alternateur pour fournir de 5 l'énergie électrique. Les spécialistes cherchent depuis longtemps à récupérer l'énergie éolienne qui a l'avantage d'être propre, c'est-à-dire de ne pas engendrer de pollution thermique ou chimique et parallèlement d'être inépuisable. Ces avantages sont toutefois compensés dans une large mesure par une série d'inconvénients en particulier liés au caractère dispersé et intermittent du vent; il est en outre bien connu que les parcs d'éoliennes consomment beaucoup d'espace et ne fonctionnent pas sans nuisances sonores. Ces inconvénients font que le marché des éoliennes n'a pas connu ces dernières années l'essor auquel on aurait pu s'attendre, et que les perspectives de développement dans ce domaine sont aujourd'hui très larges. De manière plus précise, les éoliennes actuellement utili- sées sont fréquemment équipées d'hélices à pales radiales et à axe horizontal analogues à celles permettant la propulsion d'avions, mais en règle générale beaucoup plus grandes. De telles hélices coopèrent classiquement avec des dynamos ou des alternateurs industriels équipés d'entraînements multiplicateurs de vitesse, ce qui les rend lourdes, coûteuses, et de faible rendement. Pour remédier à cet inconvénient, on a déjà proposé conformément au document FR- 2 793 528, une éolienne équipée de pales hélicoïdales inclinées vers l'amont portées par un moyeu de gros diamètre ainsi que d'un carénage circulaire divergent de longueur relativement fai- ble monté concentriquement au moyeu et entourant les pales à proximité de leurs extrémités. Dans une telle éolienne l'écoulement de l'air est guidé par un ensemble diffuseur constitué par le moyeu et le carénage. Ce dernier est divergent ce qui permet d'obtenir une survi-35 tesse au droit des pales et augmente l'énergie transmise. En outre, les pales obliques sont plus longues que des pales radiales de même diamètre utile et sont actives sur toute leur longueur 15 sans perte aérodynamique d'extrémité, ce qui augmente là encore le rendement. Cette éolienne s'est avérée à l'usage plus robuste, moins encombrante à puissance égale et moins bruyante que les éoliennes classi-5 ques. Ces avantages sont notamment obtenus grâce à la présence du carénage qui comporte de préférence un bord d'attaque arrondi suivi d'une carène épaisse et d'un bord de fuite mince divergent. Ce carénage permet en effet de supprimer les turbulences à l'origine du bruit et de créer, en coopération avec le moyeu, un ensemble diffuseur convergent divergent permettant d'obtenir des conditions optimales d'accélération du flux d'air dans sa section la plus étroite et par suite l'entraînement optimal en rotation des pales. De telles éoliennes doivent bien entendu comme toutes les 15 éoliennes montées sur un mât vertical être toujours orientées face au vent; elles sont donc tributaires d'organes d'orientation. Ces organes sont à titre d'exemple constitués par des yaw moteurs qui permettent d'orienter l'éolienne en fonction du vent, par des yaw sensor qui indiquent le sens de rotation de l'éolienne ainsi que par des dispositifs de gestion adaptés. Or, de tels organes d'orientation sont onéreux et relative-ment sophistiqués, donc exposés à des pannes, en particulier dans le cas d'éoliennes de grande envergure. Ces organes sont en outre de nature à entraîner des risques 25 d'emmêlement des câbles qui transmettent l'énergie. Pour remédier à ces inconvénients, on a déjà proposé de monter les pales d'une éolienne à la partie aval du moyeu dans le sens du vent ou de lui adjoindre une dérive lui permettant de rester orientée face au vent en toute circonstance ce sans avoir recours à des organes d'orientation mécaniques. Une telle configuration ne peut toutefois pas s'appliquer à toutes les éoliennes en particulier aux éoliennes de grande dimension. La présente invention a pour objet de proposer une éolienne autoorientable permettant de surmonter cette difficulté. Pour concevoir une telle éolienne, on a eu l'idée d'utiliser le carénage en tant que dérive. Une telle éolienne auto-orientable conforme à l'invention peut ainsi être de type quelconque, et avoir une petite, une moyenne ou une grande envergure à la condition d'être équipée d'un carénage divergent. Selon l'invention cette éolienne est montée pivotante autour d'un axe de rotation vertical de façon à permettre son orientation face au vent et comporte une hélice actionnée par le vent, qui est équipée de pales portées par un moyeu d'axe horizontal ainsi qu'un alternateur coopérant avec l'hélice pour fournir de l'énergie électrique, et un carénage circulaire divergent de longueur relativement faible monté concentriquement au moyeu et entourant les pales. Io Cette éolienne est caractérisée en ce que son axe de rotation est situé en amont du foyer des forces aérodynamiques résultantes générées sur le carénage par un vent axial, dans le sens de ce vent. Une telle éolienne auto-orientable peut toutefois présenter l'inconvénient de risquer de s'emballer lorsque la puissance de vent est trop importante, mettant ainsi en danger les différents éléments de sa structure. Ce problème a déjà été abordé dans le cas d'éoliennes carénées non autoorientables. Pour résoudre celui-ci, il a été proposé d'adjoindre à 20 l'éolienne un système de nature à faire pivoter l'intégralité de celle-ci, y compris le carénage en présence de vents violents. Il s'agit cependant là d'un système à la fois lourd et coû-teux. Une autre possibilité consisterait à prévoir des organes de 25 freinage en aval des pales. Un tel système est toutefois difficile à mettre en oeuvre dans la pratique. Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, on a pu surmonter cette difficulté en adjoignant au moyeu de l'éolienne des organes permettant de modifier l'orientation des pales par rapport au vent. Les pales peuvent ainsi être effacées par rapport au vent en présence de vent violent. De tels organes qui permettent de disposer de pales à pas variable sont connus dans le domaine de l'aviation. Leur adaptation à l'éolienne auto-orientable carénée 35 conforme à l'invention permet à celle-ci de fonctionner de façon satisfaisante à de grandes vitesses de vent. La configuration particulièrement avantageuse de l'éolienne conforme à l'invention sera explicitée en se référant aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une coupe schématique d'une éolienne conforme à 5 l'invention par un plan vertical; - la figure 2 est une coupe schématique d'une éolienne conforme à l'invention orientée face au vent V par le plan horizontal médian du carénage; - la figure 3 est une coupe schématique correspondant à la figure 2, 10 mais dans laquelle l'éolienne est orientée obliquement par rapport au vent V. Selon la figure 1, l'éolienne est équipée d'un moyeu 10 d'axe horizontal xx' équipé de pales 11 ainsi que d'un alternateur 12 et d'un carénage circulaire divergent 1 monté concentriquement au moyeu 10 par l'intermédiaire de bras de support 13 et entourant les pales 11. Cette éolienne est montée pivotante sur un mat vertical 2 schématisé par un cercle sur les figures 2 et 3 par l'intermédiaire d'un pivot 14. Le carénage 1 a un profil aérodynamique particulier défini 20 par un bord d'attaque arrondi 3 suivi d'un extrados/intrados 4 et de bords de fuite divergents 5. Selon la figure 2, si l'on considère une section quelconque du carénage 1 par un plan radial, la corde interne C a une longueur relativement faible alors que le rayon moyen R correspond essentiellement à la longueur des pales 11. L'angle de la corde C et de l'axe x-x' du carénage 1 est de 5 à 30 . Dans chaque plan radial, l'accélération du flux d'air à l'intérieur du carénage 1 crée une force Fr qui peut se décomposer en deux forces dont l'une est la portance élémentaire Fp tandis que l'autre est la traînée élémentaire Ft. L'ensemble des forces aérodynamiques Frtotal générées par le vent V peut se résumer en deux forces, à savoir une résultante Frd sur le côté droit du carénage 1 et une résultante Frg sur le côté gauche du ca- rénage 1. Selon la figure 2 l'angle d'incidence du vent V sur la corde C droite est égal à l'angle d'incidence du vent sur la corde C gauche et donc la résultante Frd est égale à la résultante Frg. Le foyer Fc de ces deux forces se situe à une distance d de l'axe de rotation 2 de l'éolienne, en arrière de cet axe. L'éolienne est ainsi stable face au vent vu que la résultante Frtotal est orientée sur l'axe xx'. Selon la figure 3 si le vent V change de direction, ses angles d'incidence sur les cordes C droite et gauche deviennent différents. Par suite, la résultante Frd n'est plus égale à la résultante Frg. En conséquence la résultante Frtotal crée au niveau du 10 foyer Fc un couple qui a tendance à faire revenir le système à l'équilibre, c'est-àdire face au vent. Selon la figure 1, une telle configuration permet donc, en fait, d'utiliser le carénage en tant que dérive de façon à permettre une autoorientation de l'éolienne, face au vent. Il est à noter que la distance d entre le foyer Fc et l'axe de rotation 2 de l'éolienne et par suite la position de cet axe de rotation jouent un rôle essentiel dans la dynamique temporelle du système: en effet, plus la distance d est grande, plus le temps de réponse aux variations de direction du vent est court. Différents facteurs doivent cependant être pris en considération lors du choix de la position de l'axe de rotation 2 de l'éolienne, en particulier: - le temps de réponse de l'auto-orientation à partir du seuil initial de production, - le couple aérodynamique à partir du seuil initial de production qui doit être supérieur au couple résistant de l'axe de rotation, - le couple du au poids de la machine ramenée sur l'axe de rotation ver- tical, - les contraintes mécaniques sur la couronne d'orientation, - les contraintes financières et esthétiques. REVENDICATIONS 1 ) Eolienne montée pivotante autour d'un axe de rotation vertical (2) de façon à permettre son orientation face au vent (V) et comportant une hé-lice actionnée par le vent qui est équipée de pales (11) portées par un moyeu (10) d'axe horizontal, ainsi qu'un alternateur (12) coopérant avec l'hélice pour fournir de l'énergie électrique, et un carénage circulaire divergent (1) de longueur relativement faible monté concentriquement au moyeu (10) et entourant les pales (11), caractérisée en ce que l'axe de rotation (2) est situé en amont du foyer (Fc) des forces aérodynamiques résultantes (Frd, Frg) générées sur le carénage (1) par un vent axial (V), dans le sens de ce vent. 2 ) Eolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moyeu (10) est équipé d'organes permettant de modifier l'orientation des pales (11) par rapport au vent.