Brevet FR2847951A1 — publié le 20040604

La présente invention concerne une éolienne. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION On a déjà proposé de réaliser des éoliennes présentant des structures extrêmement variées. On connaît en particulier du document US-B6,413,038, une éolienne comportant un arbre monté verticalement pour tourner sur un bâti, des bras supports horizontaux fixés à l'arbre et s'étendant radialement par rapport à celui-ci, et des panneaux capteurs de vent mon10 tés entre les bras supports pour pivoter autour d'axes verticaux, chaque panneau capteur de vent ayant une largeur légèrement supérieure à la distance entre les axes de pivotement des panneaux capteurs de vent, de sorte que lorsque l'éolienne est soumise à un vent selon une direc15 tion déterminée, une moitié des panneaux capteurs de vent reçoit le vent sur une face qui tend à mettre en appui les panneaux capteurs de vent les uns sur les autres dans un plan vertical contenant les bras supports tandis que l'autre moitié des panneaux capteurs de vent flottent li20 brement selon la direction du vent. En raison de la différence de surface considérable entre la partie de l'éolienne qui capte le vent en se déplaçant dans la même direction que celui-ci et la partie de l'éolienne qui remonte au vent, l'éolienne décrite 25 dans ce document semble extrêmement satisfaisante du point de vue de l'énergie recueillie qui peut être transmise à une pompe ou à une génératrice. Toutefois, les éoliennes sont par définition destinées à être utilisées dans des régions venteuses. Or il n'existe pas de région 30 venteuse dans laquelle le vent est régulier. Au contraire, toutes les régions venteuses connues à ce jour sont soumises à des vents de puissances variables. En outre, les régions o le vent est le plus puissant, qui sont théoriquement les régions les plus recherchées pour 35 recueillir une quantité d'énergie importante, sont géné- ralement les régions o les variations de puissance du vent sont les plus importantes, ce qui se traduit par des coups de vent sur les éoliennes installées dans ces régions. Lors de l'utilisation d'une éolienne telle que décrite dans le document précité, tous les panneaux capteurs de vent portés par des bras supports s'étendant selon un rayon donné, sont disposés simultanément en travers du vent et constituent donc un obstacle important à 10 l'écoulement du vent. Lors d'un coup de vent tous les panneaux sont donc simultanément soumis à une pression très importante qui risque de faire exploser les panneaux ou de plier les bras supports. Dans un cas comme dans l'autre, un coup de vent risque de provoquer des détério15 rations importantes incompatibles avec un fonctionnement régulier de l'éolienne. Dans certaines structures d'éoliennes, notamment dans les éoliennes à hélices, il a en outre été prévu des dispositifs mécaniques commandés en fonction de la vi20 tesse du vent pour provoquer un échappement des panneaux capteurs de vent dès que le vent atteint une vitesse risquant de provoquer une détérioration de l'éolienne. Toutefois, le temps de réaction de la chaîne cinématique entre les anémomètres et les mécanismes d'effacement des 25 éléments capteurs de vent, est généralement tel qu'en cas de coup de vent un effacement des éléments capteurs de vent n'est pas obtenu en temps utile, ce qui provoque des détériorations de l'éolienne. OBJET DE L'INVENTION Un but de la présente invention est de proposer une éolienne ayant une structure permettant tout à la fois de recueillir une partie importante de l'énergie du vent tout en conservant une souplesse de fonctionnement évitant une détérioration de l'éolienne lors d'une aug35 mentation anormale de la puissance du vent, quelles que soient les circonstances de cette augmentation de puissance. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION En vue de la réalisation de ce but, on propose 5 selon l'invention, une éolienne comportant un arbre monté verticalement pour tourner sur un bâti, des bras supports horizontaux fixés à l'arbre et s'étendant radialement par rapport à celui-ci et des capteurs de vent fixés au bras support, les capteurs de vent étant montés sur les bras 10 supports pour pivoter librement autour d'un axe horizontal et comprenant une paroi frontale délimitant une face concave et une face convexe. Ainsi, chacun des capteurs de vent prend une position d'équilibre qui est fonction de la puissance du 15 vent qu'il reçoit, le capteur de vent s'escamotant d'autant plus que le vent est plus fort, tandis que par ailleurs la différence d'écoulement du vent entre la face concave et la face convexe assure une force différentielle entre la partie de l'éolienne descendant le vent 20 et la partie de l'éolienne remontant le vent de sorte qu'une énergie substantielle est captée. Selon une version avantageuse de l'invention, les capteurs de vent sont espacés les uns des autres, et sont de préférence disposés en damier. On minimise ainsi la 25 déviation du vent par des capteurs de vent, et par voie de conséquence, on minimise le refoulement et les tourbillonnements de vent qui sont habituellement créés par des structures d'éoliennes conventionnelles et donnent lieu à des détériorations lors de sautes de vent. 30 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention, en référence aux figures ci-jointes parmi 35 lesquelles: - la figure 1 est une vue en coupe schématique par un plan axial vertical d'un premier mode de réalisation de l'éolienne selon l'invention, - la figure 2 est une vue de dessus schématique 5 partielle de l'éolienne selon le premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 est une vue en perspective d'un capteur de vent selon le premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 4 est une vue en coupe selon le plan IV-IV de la figure 3 d'un second mode de réalisation de capteurs de vent selon l'invention, - la figure 5 est une vue en perspective d'un troisième mode de réalisation de capteur de vent selon 15 l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Selon l'invention, l'éolienne comporte un arbre 1 illustré sous forme d'un tube métallique de section circulaire monté verticalement pour tourner autour de son 20 axe sur un élément de bâti 2 comprenant un massif de béton 3 dans lequel est fixé un boîtier 4 comprenant différents roulements de centrage et de support de l'arbre 1. Une plaque circulaire 5 est fixée à l'arbre 1 au voisinage de la base de celui-ci. Au voisinage de sa périphé25 rie, la plaque 5 est supportée par des roues 6 portées par une structure support 7 fixée sous la plaque 5. Les roues 6 prennent appui sur un chemin de roulement 8 réalisé dans un second élément de bâti comprenant un massif en bétqn 9 en forme de couronne circulaire. Dans l'utilisation de l'éolienne selon l'invention en tant qu'unité de production d'électricité, une ou plusieurs génératrices 10, dont une seule a été représentée sur la figure, sont fixées sur le côté du massif de béton 9. Chaque génératrice 10 comporte une 35 roue d'entraînement 11 qui prend appui sur le bord in- terne d'un rail circulaire 12 porté par la plaque 5. On peut également prévoir de disposer les génératrices radialement sur un support en bordure de la plaque 5, la roue d'entraînement prenant alors appui directement sous 5 la plaque 5. Cette disposition permet d'économiser les dispositifs multiplicateurs de vitesse très onéreux qui sont habituellement nécessaires lorsque la génératrice est reliée à l'arbre central de l'éolienne, en particulier comme décrit dans le document précité. Par ailleurs, l'éolienne comporte une série de bras supports 13 s'étendant horizontalement selon des rayons par rapport à l'arbre central 1 et solidaires en rotation de celui-ci. A cet effet, dans le mode de réalisation illustré, les bras supports 13, qui sont ici for15 més de tubes métalliques de section circulaire, sont d'une part encastrés dans des ouvertures 14 réalisées dans l'arbre central 1, et sont d'autre part reliées entre eux et à la plaque 5 par des entretoises 15 s'étendant dans un plan vertical, et par des entretoises 20 16 s'étendant dans un plan horizontal (figure 2). Les entretoises 15 et 16 sont de préférence formées par des poutrelles ou des câbles. Dans le mode de réalisation illustré, les entretoises 15 forment des cellules 17 disposées en damiers et 25 séparant des capteurs de vent 18 montés pour pivoter librement sur les bras supports horizontaux 13 ainsi qu'il va être décrit ci-dessous. Dans le mode de réalisation des figures 1 à 3, chaque capteur de vent comporte une paroi frontale formée 30 de deux éléments de parois 19, réalisés par exemple à partir de plaques en polyéthylène, fixés perpendiculairement l'un à l'autre selon un V présentant une arête 20 qui s'étend parallèlement au bras support 13 correspondant. Les éléments de parois 19 délimitent ainsi une face 35 concave 21 et une face convexe 22 du capteur de vent 18. Du côté de la face concave 21, les capteurs comportent des entretoises 23 qui sont fixées aux éléments de parois 19 perpendiculairement à ceux-ci. Dans le mode de réalisation illustré, les deux éléments de parois 19 sont de 5 dimensions identiques et les entretoises 23 sont de forme carrée à coins coupés. Pour renforcer la rigidité du capteur de vent les entretoises 23 sont de préférences reliées rigidement par des barres de liaison 43. Des contrepoids 24, ici en forme de disques à bords biseautés, 10 sont fixés aux entretoises 23 dans une position appropriée pour qu'au repos comme illustré sur la figure 3, les éléments de parois 19 s'étendent sensiblement à 450 par rapport à un plan vertical. Le bord supérieur de chaque capteur de vent 18 est monté pour pivoter sur le bras 15 support 13 correspondant par des brides 25, de préférence réalisées également en polyéthylène pour permettre un pivotement silencieux du capteur de vent sur le bras support correspondant, chaque bride 25 étant disposée à cheval sur un bras support 13 et comportant des ailes 26 20 s'étendant de part et d'autre de l'élément de paroi supérieur 19 auquel les ailes 26 sont fixées par des moyens de fixation 27, tels que des boulons ou des rivets qui traversent les ailes 26 et les éléments de paroi 19. Lorsque l'éolienne est soumise à du vent, chaque 25 capteur de vent 18 prend une position d'équilibre qui est fonction de la puissance du vent, de la géométrie du capteur de vent, du poids de chacun des composants, et de la disposition des contrepoids 24. Dans le mode de réalisation des figures 1 à 3 et pour un vent faible, les cap30 teurs de vent 18 prennent une position d'équilibre dans laquelle la paroi frontale de chaque capteur de vent s'étend sur un côté du bras support 13 correspondant tandis que les entretoises 23 débordent sur un côté opposé comme illustré par la figure 2 sur laquelle les capteurs 35 de vent 18 ont été représentés seulement pour les bras supports 13 disposés à 0 , 450, 900 et 1350 par rapport à la direction du vent figurée par des flèches en trait épais. Le sens de rotation de l'éolienne a également été figuré sur la figure 2 par un trait épais. Les capteurs 5 de vent 18 de la partie droite de la figure se déplacent donc dans le sens du vent, c'est-à-dire qu'ils descendent le vent, tandis que les capteurs de vent de la partie gauche de la figure 2 remontent au vent. Pour chaque orientation précitée, l'écoulement du 10 vent a été représenté par un trait mixte pour un seul capteur de vent 18. On remarque à ce propos que pour une direction de 0 par rapport à la direction du vent, les capteurs de vent qui sont au vent par rapport à l'arbre 1, c'est-à-dire ceux qui sont dans la moitié supérieure 15 de la figure, reçoivent le vent de façon exactement symétrique par rapport aux capteurs qui sont sous le vent, c'est-à-dire dans la moitié basse de la figure par rapport à l'arbre 1. Les capteurs à 0 par rapport à la direction du vent sont donc neutres vis-à-vis de 20 l'entraînement en rotation de l'éolienne. Pour les capteurs disposés à 450 dans le sens descendant, le vent est dévié par les entretoises 23 pour être canalisé dans une partie de la face concave des capteurs de vent. Ces capteurs de vent sont donc efficaces pour l'entraînement en 25 rotation de l'éolienne. Simultanément, les capteurs disposés selon la même orientation mais dans le sens montant, présentent leur face convexe au vent de sorte que celuici est dévié en exerçant sur les capteurs de vent une force beaucoup plus faible que les capteurs de vent 30 dans le sens descendant. Pour une orientation à 900, les capteurs de vent descendant reçoivent le vent sur la totalité de la face concave tandis que les capteurs dans le sens remontant reçoivent le vent sur la face convexe de sorte que le bilan des forces est très largement favora35 ble à un entraînement en rotation de l'éolienne. Pour les capteurs disposés selon une orientation en 1350 par rapport à la direction du vent, le bilan des forces est identique à celui des capteurs disposés à 450. Si la force du vent s'accroît de façon dangereuse, les capteurs 5 de vent pivotent autour des bras supports jusqu'à une position o les capteurs descendant le vent sont pratiquement dans une position symétrique aux capteurs remontant le vent, de sorte que d'une part les capteurs présentent tous des surfaces inclinées de façon favorable pour un 10 écoulement du vent, ce qui évite l'application d'une force trop importante sur les capteurs de vent, et d'autre part les forces appliquées aux capteurs descendant le vent sont sensiblement identiques aux forces appliquées aux capteurs remontant le vent, de sorte que 15 l'éolienne a tendance à ralentir en dépit de l'augmentation de force du vent et l'on évite un emballement de l'éolienne contrairement aux dispositifs réalisés antérieurement. La figure 4 illustre un second mode de réalisa20 tion des capteurs de vent. Dans ce mode de réalisation, le capteurs de vent 41 comportent deux entretoises 28 comportant des bords avant 29 s'étendant perpendiculairement l'un à l'autre, et à 450 par rapport à la verticale. Deux plaques en tôle ondulée 30 sont fixées le long des 25 bords 29 par des vis 31 fixées dans l'épaisseur des entretoises 28. Les entretoises 28 sont reliées rigidement par des barres de liaison 44. Les ondulations des plaques de tôle ondulée 30 s'étendent perpendiculairement au plan des entretoises 28. Les bords avant 32 des deux plaques 30 de tôle ondulée 30 sont espacés l'un de l'autre et délimitent une ouverture rectangulaire 33 sensiblement à mihauteur du capteur de vent. Dans ce mode de réalisation le capteur de vent est fixé sur le bras support 13 par des goussets triangulaires 34 comportant une ouverture 35 oblongue 35 qui débouche sur la base du gousset 34 de fa- çon à permettre l'engagement du gousset 34 sur la barre 13, le gousset 34 étant ensuite fixé de façon appropriée à une entretoise 28 par des boulons ou des rivets 36 qui traversent les goussets 34 ainsi que les entretoises 28. Comme dans le mode de réalisation précédent, les entretoises 28 et les goussets 34 sont de préférence réalisés à partir de plaques de polyéthylène. Dans ce mode de réalisation les tôles ondulées 30 assurent un freinage et donc une compression accrue du 10 vent pénétrant dans le capteur de vent par la face concave tandis que l'ouverture 33 permet à l'air compressé de s'échapper sans créer de surpression à l'intérieur de la cavité délimitée par les faces internes des plaques de tôle ondulée 30. En pratique, les dimensions des plaques 15 en tôle ondulée 30 ainsi que les dimensions de l'ouverture 33 seront adaptées en fonction de la force moyenne du vent dans la zone dans laquelle l'éolienne est implantée. Dans les zones de vent relativement faible, et dans lesquelles les sautes de vent sont de faible ampli20 tude, on pourra prolonger la tôle ondulée inférieure le long du bord inférieur de l'entretoise 28 afin d'augmenter la surface de captage du vent lorsque le capteur est légèrement incliné vers l'avant par rapport à sa position d'équilibre au repos illustré sur la figure 4. 25 Comme dans le mode de réalisation précédent, les entretoises 28 pourront être équipées de contrepoids permettant de régler l'équilibre des capteurs de vent dans différentes conditions d'utilisation. La figure 5 illustre un troisième mode de réali30 sation du capteur de vent 42 dans lequel la paroi frontale est réalisée par une plaque en tôle ondulée 37 formée en arc de cercle et maintenue selon cette forme par des cloisons horizontales 38 fixées le long des bords supérieur et inférieur de la plaque en tôle ondulée 37. 35 Pour faciliter la mise en forme de la plaque en tôle on- dulée 37, les ondulation sont disposées verticalement. Le capteur de vent comporte également deux entretoises 39 fixées d'une part à la paroi frontale 37 et d'autre part aux plaques d'extrémité 38. Les entretoises 39 assurent 5 une rigidité de l'ensemble et servent en outre à suspendre le capteur de vent à un bras support 13 au moyen de brides 40 fixées aux entretoises 39. En raison de sa forme plus plate que les modes de réalisation précédents, ce troisième mode de réalisation sera mieux adapté aux 10 régions dans lesquelles le vent a une vitesse élevée pouvant être sujettes à de fortes variations. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et est susceptibles de variantes qui apparaîtront à l'homme du métier sans sortir 15 du cadre de l'invention tel que défini par les revendications. En particulier, bien que dans les deux premiers modes de réalisation, les éléments de parois formant la paroi frontale aient été décrits selon une disposition à 20 900 l'n par rapport à l'autre, on pourra réaliser les capteurs selon l'invention avec des éléments de paroi formant un angle différent, un angle plus important réalisant un capteur dont la concavité sera moins prononcée, ce qui est moins favorable du point de vue de l'énergie 25 transmise à l'éolienne, mais qui offrira une moindre résistance au vent lorsque le capteur est relevé par un vent violent, ce qui minimisera les risques de détérioration lorsque l'éolienne est soumise à un vent violent. Dans le second mode de réalisation, on peut éga30 lement prévoir de recouvrir la face extérieure des plaques en tôle ondulée 30 par des plaques à surface lisse afin de minimiser le frottement du vent et de favoriser sa déviation lorsque la face convexe est face au vent (capteurs remontant le vent). On notera également sur la figure 1 que dans le 1l mode de réalisation illustré, les cellules immédiatement adjacentes à l'arbre 1 ne comportent pas de capteurs de vent. Compte tenu de la faible distance de ces cellules par rapport à l'axe de rotation de l'arbre 1, la mise en 5 place de capteurs de vent dans cette partie de l'éolienne augmenterait la résistance au vent sans apporter d'augmentation significative de la puissance fournie à l'éolienne. Il est donc préférable de laisser le vent s'écouler librement dans cette partie de l'éolienne. Bien que l'arbre 1 ait été décrit selon une réalisation à partir d'un tube de section circulaire, cet arbre peut être réalisé selon toute section polygonale et être réalisé sous forme d'une charpente métallique ajourée minimisant la prise au vent. Bien qu'il ait été fait plus particulièrement référence au polyéthylène et à la tôle ondulée comme matériaux constitutifs des capteurs de vent, on pourra réaliser les capteurs de vent selon l'invention selon des structures et avec des matériaux extrêmement variés, y 20 compris des capteurs de vent en bois, la paroi frontale pouvant être réalisée par des assemblages de planchettes de bois montées selon des croisillons afin de récupérer une partie de l'énergie du vent tout en permettant un passage du vent à travers les capteurs de façon à éviter 25 des refoulements du vent avec tous les problèmes qui en découlent. Bien que l'éolienne selon l'invention ait été illustrée avec trois étages seulement sur la figure 1, on remarquera que la structure décrite permet d'augmenter de 30 façon notable le nombre d'étages ainsi que le diamètre de chaque étage, et par voie de conséquence, la puissance de l'éolienne. Pour des éoliennes de grande dimension, la plaque métallique 5 sera avantageusement remplacée par un assem35 blage de poutrelles réalisant une construction métallique 2847951 12 annulaire reliant les bras 13 entre eux et supportant les jeux de roues 6. REVENDICATIONS 1. Eolienne comportant un arbre (1) monté verticalement pour tourner sur un bâti (2), des bras supports 5 horizontaux (13) fixés à l'arbre (1) et s'étendant radialement par rapport à celui-ci et des capteurs de vent fixés aux bras supports, caractérisée en ce que les capteurs de vent (18, 41, 42) sont montés sur les bras supports pour pivoter librement autour d'un axe horizontal, 10 et comportent une paroi frontale délimitant une face concave (21) et une face convexe (22). 2. Eolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les capteurs de vent (18) sont espacés les uns des autres. 3. Eolienne selon la revendication 2, caractérisée en ce que les capteurs de vent (18) sont disposés en damiers. 4. Eolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la paroi frontale (30) comporte au moins 20 une ouverture (33). 5. Eolienne selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'ouverture (33) s'étend au centre des capteurs (41). 6. Eolienne selon la revendication 1, caractéri25 sée en ce que la paroi frontale des capteurs de vent (18) comporte deux éléments de parois (19) fixés entre eux selon un V présentant une arête (20) s'étendant parallèlement au bras support (13) correspondant. 7. Eolienne selon la revendication 6, caractéri30 sée en ce que les capteurs de vent (18) comportent des entretoises (23) s'étendant perpendiculairement aux parois en V. 8. Eolienne selon la revendication 7, caractérisée en ce que les entretoises (23) débordent de la paroi 35 frontale (19) du côté de la face concave (21). 9. Eolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la paroi frontale (30) comporte une surface non lisse du côté de la face concave. 10. Eolienne selon la revendication 1, caractéri5 sée en ce qu'elle comporte une plaque (5) fixée à l'arbre (1) et prenant appui par des roues (6) sur une partie (9) du bâti formant un chemin de roulement (8). 11. Eolienne selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une génératrice 10 (10) fixée au bâti et comportant une roue d'entraînement (11) prenant appui sur un rail circulaire (12) porté par la plaque (5).