Brevet FR2848616A1 — publié le 20040618

Domaine technique Le présent brevet a pour objet des perfectionnements introduits dans des 5 dispositifs capteurs d'énergie éolienne, plus particulièrement ceux à axe vertical, permettant d'obtenir un rendement mécanique élevé et dont les caractéristiques sont détaillées dans la mémoire ci-dessous. Antécédents de l'invention. En faisant référence à l'état de la technique, les dispositifs existants à l'heure actuelle pour capter l'énergie éolienne et sa transformation en énergie mécanique ou électrique peuvent se classer en fonction de la position de l'axe, vertical ou horizontal, et ces dispositifs présentent tous deux divers inconvénients, cependant surmontables grâce aux perfectionnements du présent brevet. Il est notoire que les dispositifs actuels à axe horizontal sont généralement d'une hauteur considérable et sont situés dans des zones très élevées et presque toujours sur les mêmes crêtes des montagnes, sierras ou massifs montagneux, modifiant ainsi l'aspect du paysage et nuisant en outre à la faune et plus particulièrement aux espèces volantes de par les grandes pales qui constituent un 20 facteur négatif de l'installation des dispositifs éoliens selon les conditions requises écologiques. Les perfectionnements du présent brevet permettent de construire des dispositifs captant efficacement l'énergie éolienne, d'une hauteur peu élevée et ne nuisant pas aux espèces volantes. Les dispositifs actuels à axe horizontal et vertical produisent également un 25 bruit caractéristique lorsque les pales tournent, facteur qui peut être important si on considère l'ensemble d'un parc éolien doté d'une quantité élevée de dispositifs. Les perfectionnements cités permettent de construire un dispositif moins bruyant et ne créant pas de nuisance acoustique si on en installe plusieurs dans une zone déterminée. Pour déterminer l'emplacement des dispositifs actuels pour capter l'énergie éolienne, on doit tenir compte que la force des vents réguliers varie en fonction de l'endroit, de l'heure, des saisons, du climat actuel et de la topographie de l'endroit. Cependant, les caractéristiques du dispositif auquel ont été appliqués les perfectionnements, objet de la présente invention, permettent de les placer, sans 35 aucune difficulté et sans réduire leur rendement, dans des zones à vents aussi bien de grande que de faible vitesse et également indépendamment de la direction du -2 vent. Grâce aux perfectionnements de la présente invention, on peut réduire les principaux problèmes des aérogénérateurs à axe vertical, tels que l'usure mécanique et la présence de fréquences de résonances naturelles, comme le fait 5 que le couple de rotation présente des variations à chaque cycle. Un autre problème des dispositifs à axe vertical, également réduit par l'intégration des présents perfectionnements, est que les dispositifs requièrent un démarreur afin de dépasser le couple de démarrage élevé. Le brevet NI P 9300316 pour le "Turbo générateur éolien" présente une 10 grande trémie appliquée à un aérogénérateur à axe horizontal et également utilisé pour les vents de faible vitesse, mais cette grande trémie produit un impact visuel et sonore important. Le brevet NI P 055984 pour le "Système pour améliorer le rendement d'un aérogénérateur à axe vertical" produit également un impact visuel important car il 15 est plus élevé que les dispositifs aux perfectionnements mentionnés et présente un rendement inférieur. Résumé de l'invention Les perfectionnements auxquels se réfère la présente invention consistent à 20 appliquer à l'intérieur d'une structure en béton armé des dispositifs pour capter l'énergie éolienne; cette structure étant formée d'un corps à axe vertical avec une disposition spéciale d'une série de canalisations et de persiennes réglables situées de façon adéquate sur le dispositif, le dit corps étant situé sur un pylône d'une hauteur relativement basse et fabriqué également de préférence en béton armé. Ce dispositif permet de capter de façon optimum la force du vent, car il la recueille et la canalise de façon adéquate, permettant d'obtenir de l'énergie électrique en agissant sur un générateur électrique, ou bien de l'énergie mécanique par application directe sur une boîte de vitesses qui permet l'actionnement de mécanismes relatifs à l'agriculture, l'industrie, et à d'autres utilisations sociales et 30 urbaines. L'objet donc de la présente invention consiste à pouvoir utiliser l'énergie éolienne de façon avantageuse et rentable, y compris des vents de force très faible sur l'échelle de Beaufort. En outre, cette utilisation s'effectue de façon remarquablement écologique 35 car le principe de capter l'énergie éolienne des perfectionnements introduits est propre, silencieux et de haut rendement mécanique. -3 Brève description des dessins Afin de décrire les divers composants des perfectionnements, objet de la présente invention, des dessins sont adjoints illustrant un exemple non limitatif d'une réalisation pratique o: la Figure 1 est une vue externe frontale d'un des dispositifs des perfectionnements du présent brevet; la Figure 2 est une vue, selon la figure antérieure, sectionnée selon le plan axial, montrant la disposition des différents éléments qu'intègrent les perfectionnements de l'invention; la Figure 3 est une vue sectionnée selon l'axe AA de la figure antérieure, mais selon une réalisation de contour circulaire; la Figure 4 est une vue similaire à celle de la figure antérieure mais selon une réalisation de contour quadrangulaire; la Figure 5 est une section similaire à celle des figures 3 et 4 selon une 15 réalisation de contour triangulaire; la Figure 6 est également une section similaire aux trois figures antérieures selon une autre réalisation de contour hexagonal; et finalement la Figure 7 est une section similaire aux quatre figures antérieures mais selon une autre réalisation de contour octogonal. 20 Description détaillée d'une forme de réalisation préférée Selon les dessins, les perfectionnements introduits dans les dispositifs pour capter l'énergie éolienne à axe vertical sont constitués d'un pylône en béton armé (1) et sur ce dernier repose un corps qui canalise le vent (2) et qui présente une 25 surface latérale ouverte mais délimitée sur tout son contour par des persiennes réglables (3). Le corps qui canalise le vent (2) a une forme en parapluie, sa base étant circulaire ou polygonale comme le montrent les figures 3 à 7, avec une surface à la base supérieure à celle du pylône (1) et la hauteur de ce corps (2) est comprise de 30 préférence entre 2,5 et 3 mètres. La réalisation pratique de ces perfectionnements présentent en principe trois variantes en fonction de la hauteur de la structure formée par le pylône (1) et le corps qui canalise le vent (2). Une première variante, avec une hauteur de la structure comprise entre 10 35 et 15 mètres, est déterminée par l'endroit o devra se situer le dispositif et par l'énergie que l'on désire capter de la force du vent. 4 Une seconde variante est la structure située à une hauteur comprise entre 5 et 10 mètres selon les mêmes facteurs mentionnés antérieurement. Et finalement, une troisième variante située à une hauteur inférieure à 5 mètres, pour une installation directe sur les toits des bâtiments industriels, des immeubles et même sur des réservoirs de distribution d'eau par exemple. Selon la description antérieure, la marge de travail optimum pour les modèles de hauteur comprise entre 5 et 15 mètres englobe des vitesses de vent comprises entre 5 et 21 mis (18 et 75,6 km/h), en obtenant ainsi des rendements élevés. Ces conditions se trouvent préférentiellement dans les zones maritimes et 10 côtières ainsi que dans les vallées et les hauts plateaux. Pour le modèle de moindre hauteur, le rendement optimum est établi entre les vitesses de vent comprises entre 4 et 8 m/s (14,4 et 28,8 km/h), minimum et maximum respectivement qui se produisent habituellement en ville et dans des zones ouvertes de l'intérieur. A l'intérieur du corps qui canalise le vent (2), se présentent des cloisons fixes en béton armé (4) qui délimitent les canalisations (5), comme le montrent les figures 3 à 7, de façon à ce qu'elles dirigent le vent provenant de l'extérieur vers un rotor (6) à axe vertical parfaitement centré sur le corps qui canalise le vent(2), le rotor étant formé généralement par 5, 6 ou 8 pales (7). La disposition spéciale des 20 canalisations (5) permet que le vent agisse tangentiellement sur les dites pales (7), favorisant ainsi la rotation du dit rotor (6). Les canalisations (5) présentent, à mesure que le rotor s'approche (6), une réduction progressive de leur section de façon à ce que la zone d'entrée (8) soit une aire beaucoup plus grande que la section de sortie (9) de la canalisation. Cette réduction de section implique une augmentation de la 25 vitesse du vent recueilli dans la zone d'entrée (8). La distribution de ces zones d'entrée (8) tout au long du périmètre du corps (2) permet de capter le vent indépendamment de la direction de ce dernier. En référence aux facteurs de vitesse du vent auparavant cités, on doit mentionner le fait que la surface dans la zone d'entrée (8), de 15 m2 par exemple, 30 permet de recueillir 60m3 d'air par seconde, qui en étant forcé à sortir par la sortie (9) de la canalisation, d'une section de 4m2, produit une augmentation considérable de la vitesse du vent, de l'ordre de 3,75, en faisant en sorte que le vent agisse sur les pales (7) avec une force supérieure à 70 kgm/s2, provoquant la rotation du rotor (6) à un régime compris entre 1,5 et 1,7 tris, une fois soustraites les pertes dues aux 35 frottements. Comme on peut l'observer sur la figure 2, aussi bien le sol (10) que le 5 plafond (11) de l'intérieur du corps qui canalise le vent (2) ne sont pas horizontaux, mais légèrement inclinés dans la direction de la zone du rotor (6) afin de réduire la section de la sortie (9) de la canalisation et de faire augmenter la vitesse du vent sur les pales (7). Les corps étrangers qui passent entre les grilles des persiennes (3) sortent du corps qui canalise le vent (2) de par leur propre poids grâce à l'inclinaison auparavant mentionnée du sol (10) et que la persienne (3) ne se ferme pas complètement sur sa partie inférieure (3') comme le montrent les figures 1 et 2. De plus cette disposition spéciale permet de capter d'autant mieux l'énergie des vents 10 de faible vitesse qui se produisent à la fin de fortes rafales de vent. Le dit corps qui canalise le vent (2) est protégé par un revêtement (12) en forme de parapluie, pourvu d'une corniche saillante (13) située sur tout le périmètre afin de protéger les persiennes (3) des éléments externes tels que la neige et l'eau. Le revêtement (12) est pourvu d'une zone centrale supérieure ou d'une calotte (14) 15 transparente qui permet le passage des rayons du soleil vers le rotor (6), permettant ainsi de chauffer les bords des pales (7) et le fond plat (7') dment poli. Ce chauffage produit l'augmentation de la température de l'air qui s'y trouve, produisant ainsi son déplacement vers la partie supérieure du rotor (6), créant automatiquement un flux d'air depuis l'extérieur du dispositif vers le dit rotor (6). De 20 cette façon, on peut réduire le couple élevé du démarrage des dispositifs capteurs d'énergie éolienne à axe vertical. Le rotor (6) est couplé à une boîte de vitesses multiplicatrice (15) par l'essieu (16). La boîte multiplicatrice (15), convenablement refroidie à l'huile et de type planétaire, électronique et automatique, fait qu'un générateur électrique (17) tourne 25 à sa vitesse nominale et atteigne des puissances de l'ordre de 300 kW. A son tour, le dit générateur (17) est refroidi de préférence par de l'eau ou du glycol. Dans cette disposition, non représentée sur les dessins, la boîte multiplicatrice (15) actionne divers mécanismes relatifs à l'agriculture, aux installations industrielles ou à d'autres utilisations sociales et urbaines. Le contrôle de tous les processus peut s'effectuer par un microprocesseur, contrôlé de préférence par voie satellite, disposant pour cela d'une série de détecteurs de vibration, de contrôle météorologique, tels que des anémomètres, des girouettes et des thermomètres, des tachymètres, des systèmes de contrôle hydraulique, pour contrôler essentiellement les diverses situations de travail du rotor 35 (6), de l'axe (16), du générateur (17), de la boîte multiplicatrice (15) et des freins. Ce système de contrôle permet également d'agir sur les persiennes -6 réglables (3) de façon à faire varier leur ouverture convenablement. Grâce à ces persiennes réglables (3), on empêche l'entrée de corps étrangers comme peuvent l'être des branches d'arbre ou d'autres éléments qui peuvent endommager les pales (7) du rotor (6). Une porte (18) permet au personnel d'accéder au pylône en béton (1) afin de pouvoir effectuer principalement des travaux d'entretien et de nettoyage. Les caractéristiques essentielles des perfectionnements appliqués aux dispositifs capteurs d'énergie éolienne, objet de la présente invention, étant largement décrites, on doit souligner que les éventuelles variations, lors de la réalisation pratique, en dimensions, formes non essentielles, aspect et finition 10 intérieure ainsi que les types de matériel utilisé, n'altèrent en rien le concept de l'invention résumée dans les revendications suivantes. -7 REVENDICATION S 1. Perfectionnements introduits dans des dispositifs capteurs d'énergie éolienne, spécialement ceux à axe vertical, les dits dispositifs étant constitués d'un rotor (6) formé de pales (7) qui tournent par l'action du vent, dont le sens de rotation 5 est transmis à un générateur électrique (17) ou à un mécanisme mécanique par un axe (16) et sa correspondante boîte multiplicatrice (15), dispositifs caractérisés essentiellement en ce qu'ils constituent un corps qui canalise le vent (2) en béton armé, à section circulaire ou polygonale, qui présente à l'intérieur des cloisons (4) droites, fixes et disposées obliquement, lesquelles forment des canalisations (5) qui 10 réduisent leur section progressivement obligeant ainsi le vent qui entre dans le corps qui canalise le vent à agir tangentiellement sur les pales (7) du rotor central (6) à une vitesse supérieure à celle de l'entrée du corps (2) dont la surface latérale (8) est ouverte mais convenablement protégée par une persienne métallique réglable (3) et dont l'ensemble se situe sur un pylône (1) d'une hauteur peu élevée 15 également en béton armé. 2. Perfectionnements introduits dans des dispositifs capteurs d'énergie éolienne spécialement ceux à axe vertical, selon la revendication antérieure, caractérisés essentiellement en ce que le corps qui canalise le vent (2) présente 20 des zones d'entrée du vent (8) des canalisations (5) distribuées sur tout le périmètre de manière à ce que le rotor (6) tourne toujours indépendamment de la direction du vent, aussi bien le sol (10) que le plafond (11) de ce corps sont convenablement inclinés vers l'intérieur pour favoriser l'augmentation de vitesse du vent sur les pales (7) du rotor (6). 3. Perfectionnements introduits dans des dispositifs capteurs d'énergie éolienne, spécialement ceux à axe vertical selon les revendications antérieures, caractérisés essentiellement en ce que le corps qui canalise le vent (2) présente une corniche saillante (13) sur tout le périmètre et un revêtement incliné (12) en 30 forme de parapluie, sauf sur sa zone centrale o le dit corps est protégé par un revêtement transparent (14) qui permet aux rayons de soleil de passer et de chauffer les bords des pales (7) du rotor et le fond plat (7'), ces deux éléments étant dment polis. 4. Perfectionnements introduits sur des dispositifs capteurs d'énergie éolienne à axe vertical, selon les revendications antérieures, essentiellement caractérisés en ce que la persienne réglable (3) varie son ouverture automatiquement à l'aide de moyens électroniques en fonction de la vitesse du vent et il est prévu que cette persienne (3) ne se ferme pas complètement sur la zone inférieure (3') correspondant au sol (10) du corps qui canalise le vent (2).