Brevet FR2852063A1 — publié le 20040910

La présente invention concerne des systèmes destinés à capter l'énergie du vent. Cette énergie est dispensée sur l'ensemble de la planète mais de façon irrégulière dans le temps. Une installation qui doit la recueillir ne peut être dimensionnée pour fonctionner avec le vent maximum susceptible de se produire à l'endroit de son 5 implantation car le coût serait prohibitif Sur les côtes nord ouest de la France, par exemple, on a enregistré des vents atteignant 250 km/h. La moyenne des vitesses de vent est d'environ 36 km/h t soit 10 m/s - C'est ce dernier chiffre qui permettra d'estimer la puissance moyenne et donc le nombre global de kilowatt/heure que l'installation pourra fournir dans l'année. Par contre les installations doivent l o mécaniquement résister aux vents extrêmes. Si l'on considère la surface S d'interception du vent par une éolienne, le volume d'air traversant cette section en une seconde est de S x v, v étant la vitesse du vent. La masse spécifique de l'air (au niveau du sol et à la température ambiante) étant de 1,29 kg par mètre cube, la masse d'air traversant la section S en l seconde est donc de 1,29 1 5 x S x v. Il s'en suit que l'énergie cinétique de cette masse d'air est E = l / 2 x 1,29 x S x v3. Pour une éolienne en forme d'hélice (en général tripale dans la technique actuelle) la section S est celle du cercle contenant l'hélice. A titre d'exemple une hélice de 76 mètres de diamètre (existante en France), soit S = 4500 m2 verra passer dans son cercle circonscrit, avec le vent moyen de 10 m/s, une masse d'air de 4500 x 10 x 1,29 = 58000 20 kg par seconde. L'énergie cinétique pour chaque seconde, c'est à dire la puissance correspondante vaut E = x 58000 x 102 = 2,9 x 106 soit 2,9 MW. Malheureusement l'hélice ne pourra recueillir toute cette énergie pour deux raisons - D'une part l'éolienne constituant une obstacle dans la veine d'air, une partie des filets d'air contournent l'éolienne, provoquant une certaine diminution de la vitesse 25 régnant dans les filets d'air traversant la section S. - D'autre part une partie des filets d'air traverse la section S entre les secteurs balayés par les pales. Bien qu'ils contribuent à la forme du champ aérodynamique autour des pales, ces filets d'air sont loin de céder à celles-ci la totalité de leur énergie cinétique. L'énergie recueillie par une éolienne provient en effet uniquement de 30 l'énergie cinétique de la veine d'air. Il n'y a pas d'énergie thermodynamique recueillie puisqu'en aval de l'éolienne, la pression reste la pression atmosphérique et qu'il n'y a donc pas eu de phénomène de détente. Les études théoriques de RANKINE-FROUDE ont montré qu'une hélice éolienne a une possibilité de récupération de l'énergie cinétique de la veine d'air qui la traverse de 60 % au maximum. - 2 On peut estimer que selon les configurations plus ou moins optimales des hélices et de leurs angles d'attaque, la part utilisée de l'énergie cinétique de la veine d'air de section S est de 20 à 30 pour cent seulement selon les conditions de vent. Par ailleurs l'impact visuel d'une hélice éolienne placée sur un mât de grande 5 hauteur (en France jusqu'à 125 m) est très important. Les meilleurs sites se trouvant en bord de mer, ou sur des hauteurs, il serait catastrophique pour l'environnement de couvrir d'hélices gigantesques des sites touristiques remarquables de mer ou de montagne. Placer des éoliennes sur des coques flottant en mer est une idée très ancienne, de nombreux bateaux de plaisance obtiennent ainsi leu électricité de façon 0 o très utile, surtout quand ils sont en mouillage forain. Placer de grandes éoliennes sur des barges ancrées assez loin des côtes permettra de s'affranchir d'un impact visuel néfaste. Que ce soit à terre ou sur des barges en mer, pour obtenir la plus grande efficacité et donc le moindre coût, il y a intérêt à convertir en énergie utilisable la plus grande 1 5 part possible de l'énergie cinétique de la veine d'air se présentant devant l'éolienne. Les procédés suivant la présente invention remédient aux inconvénients cités plus haut. Ils sont applicables à des installations implantés sur la croûte terrestre aussi bien que sur des barges flottantes ancrées en mer. Ces procédés permettent une meilleure efficacité tout en améliorant les problèmes 20 de pollution visuelle et de tenue aux vents extrêmes. Ils sont applicables à des installations fixes sur la terre ferme ou implantés sur le fond de la mer quand celle-ci est peu profonde aussi bien qu'à des installations sur barges flottantes ancrées en mer. L'invention a pour caractéristique principale le fait que les parties tournantes de l'éolienne sont entourée d'un carénage au dessus, sur les côtés et au dessous de façon à 2 5 canaliser l'air dans une sorte d'entonnoir provoquant un effet de Venturi. Ce carénage est composé, avantageusement selon l'invention, d'une partie fixe entourant immédiatement les parties tournantes et de panneaux articulés ajoutés à la partie fixe du carénage, pouvant grâce à des asservissements, prendre toutes les positions depuis grandes ouvertes jusqu'à complètement fermées, en cas de vents excessifs pour 3 0 protéger les parties tournantes. Toujours selon l'invention les hélices classique peuvent alors être remplacées par des turbines à grand nombre d'aubes. Plusieurs hélices ou turbines peuvent être disposées côte à côte dans le fond de l'entonnoir constitué par le carénage. Selon l'invention également, ces hélices ou turbines peuvent être remplacées par des moulins à axes perpendiculaiA-es à la direction du vent. Selon l'invention également toutes les installations décrites ci-dessus peuvent être disposées sur une plate forme terrestre pouvant tourner autour d'un pivot pour être toujours face au vent ou sur une barge flottante pouvant tourner autour de son point 5 d'ancrage. Toujours selon l'invention les installations comportent un empennage permettant de les maintenir face au vent. Dans le cas de barges en mer, elles peuvent comporter de plus, sur l'avant, un dispositif de récupération de l'énergie des vagues. Enfin, elles peuvent avoir à bord des volants d'inertie permettant de stocker l'énergie. Sur la planche l: 10o La figure 1 représente une vue en coupe de l'invention. La figure 2 est une vue de face o plusieurs hélices, ou turbines, sont disposées côte à côte. La figure 3 est une vue en coupe d'une installation selon l'invention montée sur une barge ancrée en mer. 1 5 La figure 4 est une vue en coupe d'une installation selon l'invention o la partie tournante est un moulin à axe horizontal. La figure 5 est une vue de profil d'une installation selon l'invention avec les panneaux supérieurs et inférieurs partiellement rabattus. La figure 6 est une vue en coupe d'un système de récupération de l'énergie des vagues 20 par remplissage de bassins. La figure 7 est une vue en coupe d'un système de récupération de l'énergie des vagues à l'aide de flotteurs en boutde bras articulés. En référence à ces dessins, les systèmes selon l'invention comportent des parties tournantes (1), entourées d'un carénage fixe (2) sur lequel peuvent être attachés des 2 5 panneaux supérieurs (3) par des articulations (4), des panneaux latéraux (5) par des articulations (6) et des panneaux inférieurs (7) par des articulations (8). Tout cet ensemble forme un entonnoir canalisant l'air vers les parties tournantes en l'accélérant par effet Venturi. Dans le cas o, pour les parties tournantes (1), la technique adoptée est l'hélice, 30 plusieurs de celles-ci, toujours selon l'invention, peuvent être groupées côte à côte comme sur la figure 2. La ou les hélices (1), se trouvant maintenant à l'intérieur d'une veine canalisée o la vitesse de l'air est plus grande qu'à l'air libre, peuvent voir leur nombre de pales augmenté et devenir des aubes (9), le système relevant alors selon l'invention de la technique des turbines. - 4 Quand l'installation est terrestre, c'est à dire fixée soit sur la terre ferme, soit sur le fond marin, la plate-forme (1 O)qui la supporte, est avantageusement montée sur un pivot (11) pour être orientée face au vent, soit au moyen d'un asservissement contrôlé par un capteur de la direction du vent, soit toujours selon l'invention, par un empennage vertical (12). Quand la plate-forme (10) supportant l'installation est montée sur une barge flottante (13), elle est capable de s'orienter face au vent en tournant autour de son point d'ancrage (14) comportant un tourillon grâce également selon l'invention, comme cidessus, à un empennage vertical (12). Ces empennages peuvent, avantageusement selon 10 l'invention, que l'installation soit sur pivots ou sur barges flottantes, être équipés de gouvernes mobiles (15) d'axe vertical (16) permettant d'augmenter la rotation dans le cas o l'alignement face au vent est contrarié par des oscillations en lacet dues aux résonances aérodynamiques ou par un courant marin (courant de marée par exemple). Il est avantageux que le point d'ancrage (14) d'une barge se déplace le moins possible, 1 s pour pouvoir rapprocher les barges les unes des autres. Pour ce faire plusieurs ancres ou corps morts (17) peuvent être disposés sur le fond de la mer de façon circulaire, le tourillon (14) permettant à la barge de tourner autour de son point d'ancrage. Sans que cela soit limitatif les panneaux supérieurs (3) et les panneaux inférieurs (7) peuvent se rabattre comme montré sur la figure 5 pour protéger les parties 20 tournantes (1) en les masquant partiellement ou totalement en cas de très fort vent. Les parties latérales (5) peuvent être également mobiles et se rabattre vers l'avant ou s'effacer vers l'arrière, comme encore montré sur la figure 5. La traînée aérodynamique de l'ensemble se trouve réduite ce qui diminue les efforts sur les ancrages, maritimes ou terrestres. Dans ce qui a été exposé ci-dessus les parties tournantes (1) évoquées étaient des hélices ou des turbines. Selon une variante de l'invention la technique du récepteur d'énergie peut être celle d'un moulin à axe horizontal ou vertical. La figure 4 est une coupe verticale d'un tel moulin. Les aubes telles que celles indiquées (18) sur cette figure 4 ont un profil d'aile l'avion, adapté aux faibles vitesses d'écoulement d'air 30 qui est le domaine de travail des éoliennes. Avantageusement, selon l'invention, ces ailes peuvent être à forte courbure sans que cela soit limitatif L'avantage d'un tel moulin est de mieux utiliser l'espace, permettant des installations moins hautes et plus compactes, ce qui diminue l'impact visuel pour des installations terrestres, d'autant - 5 plus que, peintes en façon camouflage, elles peuvent apparaitre comme des mouvements de terrain. Fn nmer l" traînée est diminuée: Avantageusemeëit, sefon l'inventiôn-, l'angle d'attaque les différentes aubes du moulin peut être ajusté de façon optimale suivant leurs différentes positions durant la 5 rotation, en orientant la corde de chaque aile constituant ces aubes. Cette orientation peut se faire soit en faisant tourner toute l'aile au tour d'un axe (19) situé au foyer de poussée de l'aile, c'est à dire à environ 25 % de la corde, soit en la munissant de volets hypersustentateurs (20) dont le braquage peut être ajusté, soit en effectuant les deux opérations à la fois. Le contrôle de ces angles peut être obtenu soit par un l o asservissement piloté par des capteurs de direction de filets d'air, soit par un ensemble de tringles analogues à celui communément appelé " araignée " qui contrôlent l'angle d'attaque des pales d'hélicoptère. Pour éviter les trop grandes flexions des aubes, un moulin peut être sectionné en tronçons portés par des paliers intermédiaires. Pour alléger la construction plusieurs 5 s moulins à axes horizontaux peuvent être superposés; de même plusieurs moulins à axes verticaux peuvent placés côte à côte. Lorsque l'éolienne, suivant l'une quelconque des variantes de l'invention, est installée sur une barge flottant en mer, par forte tempête, avec des vents tourbillonnants, les efforts traversiers sur le dispositif éolienlui-même avec son 20 carénage ainsi que sur l'empennage vertical (12), forcément de grande dimension, pourraient faire chavirer la barge. Pour contrer le couple de chavirement d'une telle barge, celle-ci peut être munie, selon l'invention, d'un lest (21) au bout d'une quille (22), la masse et la profondeur sous la coque étant calculées pour fournir un couple de redressement suffisant pour contrer le couple de chavirement pour les vents traversiers 5 extrêmes. Ce lest à grande profondeur induisant un tirant d'eau très grand, il peut, toujours selon l'invention, être rétractable pour permettre à la barge de naviguer en eaux peu profondes lors de son lancement ou pour les opérations de carénage. C'est ainsi qu'une barge présentant une surface au vent traversier de 5000 m2 avec un centre de poussé à 70 m de haut, pour une composante latérale du vent de 80 30 noeuds, donnant une force de 1000 N/m2, subira un couple chavirage de 5000 x 70 x 1000 = 35.107 Newton x mètre. Au bout d'une quille (22) de 35 m le lest devra donc être approximativement de 1000 tonnes. Avantageusement du point de vue économique, ce lest pourra être en béton. - 6 Quelque soit leur technique, les parties mobiles (1) entraînent des générateurs électriques (23). L'énergie électrique peut être évacuée soit en courant alternatif après élévation de tension par des transformateurs, soit en courant continu. Un avantage supplémentaire de l'invention réside dans le fait que par très fort 5 vent, on peut positionner les panneaux (3) et (7) de façon à ne présenter qu'une faible ouverture et continuer ainsi à produire de l'énergie, alors que dans les solutions anciennes, on est obligé de stopper l'installation et de mettre les pales des hélices en drapeau. Toujours selon l'invention, lorsque l'installation est placée sur la surface de la i 0 mer, soit implantée en eau peu profonde, soit posée sur une barge flottante, elle peut avantageusement être munie à l'avant d'un système (24) de récupération de l'énergie des vagues. Ce système, sans que cela soit limitatif, peut être constitué par une série de bassins (25) placés à différentes hauteurs. Des plaques obturatrices (26) sont positionnées par des asservissements à la hauteur optimale pour que ce soit le bassin le t 5 plus élevé possible qui soit rempli par les vagues. Des clapets anti-retour (27) empêchent l'eau de ressortir des bassins. Un pan incliné (28) permet aux vagues de s'élancer vers le haut. L'eau s'écoule ensuite des bassins à travers des turbines (29) entraînant des générateurs électriques (30). Toujours selon l'invention et sans que cela soit limitatif, un autre système 2 0 possible de récupération de l'énergie des vagues est constitué de flotteurs (31) tenus par des bras (32). Le mouvemnent alternatif engendré par la montée et descente des flotteurs dans les vagues est récupéré soit par un embiellage soit par un système de crémaillères pour entraîner en rotation des générateurs (30). Toujours selon l'invention la plate forme (10) peut porter un volant d'inertie 2 5 (33) permettant de stocker l'énergie pour la restituer à des moments opportuns. Dans le cas d'une barge en mer, pour évacuer l'énergie électrique produite par l'éolienne, par le système de récupération de l'eau des vagues ou encore soutirée du volant d'inertie, un câble électrique peut, selon l'invention, sortir par le tourillon d'amarrage (14),ce qui permet à la barge de tourner suivant le vent sans contraindre le 3 O câble électrique. Une autre solution, toujours selon l'invention, pour évacuer l'énergie cidessus, est de la transformer à bord de la plate-f orme (10) en hydrogène, par électrolyse, par exemple, sans que cela soit limitatif. REVENDICA'i lONs i Dispositif destiné à.recueillir l'énergie du vunt. comportant des parties tournantes (1) en forme desurfaces aérodynamiques ca.racterisé par le fait que les parties tournantes (1) sont entourees d'un carénage provoquant un 'efr.deVenturi à l.'eendroit des dites parties tournanîes. (L) et caractécdse par 5.l1 fail que l'énergie du vent recueillie esi transformée en énergie électrique.. 2) Dispositif suivant la revendication i caracténsée par le fait que le carénage est composé d'une partie fixe (2) et de panneaux articulés (3), (5) et (7) à positionnement ajustable. 3) Dispositif suivarit la revendication I caractérisé par le fait qu'il est installé 10 sur une plate lforme (10) miunie d'un pivot (i 1) lui permettant d'&t-e orientie face au vent. 4) Dispositif suivant la revendication 3 caractérisé par le ftait que l'orientation face au vent est obtenue grâce à unl asservissement gouverne par un capteur de ia direction du vent. 5) Dispositif suivant le- revendications I et 2, caractérisé par le fait qu'ilest installé sur une barge flottante. 6) Dispositif suivant liunc quelconque des revendications precédentes caracterisé par le tfait que l'orientation face au vent est obtenue par l'effet du vent sur un empennage vertical ( 12). 7) Dispositif suivant la revendication 6 caractérisé par le fait que l'empennage (12) est muni Uie gouvernes (15) d'axe vcrtical permettant d'assurer un contrôle precis de l'orientatioin. 8) Dispositif suivant l'une clueicnque ces revendications précédentes caractérisé par ie fait que les parties tournantes solnt constiluées de turbines i 2 S aubes rapprochées en remplaccimenet des hélices ciassiclues. 9) Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé par le f'ait que la partie tournante utilise la technique du moulin dont l'axe est perpendiculaire à la direction du vetnt ct caractérisé égalcmenent par le fait que les aubes (18) suivant cette technique de moulin ont un profil d'aile 30 d'avion. 10)Dispositif suivant la revendication 9 caracteisé par le fait que chaque aile - 8 peut tourner autour d'un ax (_9) pour présenter un angle d'attaque optimal dans chacune de ses positions pendant la rotation du moulin et caractérisé enfin par le fait que chaque aube en forme d'aile d'avion peut être équipée de volets hypersustentateurs (20) à braquage variable. Il)Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que les panneaux articulés (3), (5) et (7) du carénage peuvent basculer pour former un bouclier protégeant les parties mobiles en cas de vent dangereux. 12)Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes I0 caractérisé par le fait qu'il est muni à l'avant d'un dispositif (24) de récupération de l'énergie des vagues lorsqu'il est installé 'sur le fondde la mer quand celle-ci est peu profonde aussi bien que sur barges flottantes 13)Dispositif selon la revendication 12 caractérisé par le fait qu'il comprend un série de bassins (25) superposés, que les vagues remplissent en passant 5 par dessus des plaques obturatrices (26), positionnées par des asservissements de façon à ce que ce soit le bassin le plus élevé qui soit rempli et caractérisé encore par le fait qu'un pan incliné (28) permet aux vagues de s'élancer vers le haut et caractérisé enfin par le fait que les bassins (25) déversent leur eau dans des turbines entraînant des générateurs 2.0 électriques. 14) Dispositif suivant la revendication 12 caractérisé par le fait qu'il comprend des flotteurs (30) tenus par des bras (31) dont les mouvements provoqués par les vagues entraînent des générateurs électriques. 15)Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes 25, caractérisé par le fait qu'il comprend à son bord un volant d'inertie (33) destiné à stocker l'énergie. 16)Dispositif suivant l'une quelconque des revendications-.5 à 15 caractérisé parle fait. qu'il est muni d'un tourillon (14) d'ancrage ercaracléresé égaleoeen par lc faitque l'énergie produite à bord d'unebarge est évacuée par 30, un câble électrique sortant par le tourillon (14) d'ancrage 17)Dispositif suivant les revendications l et 2 caractérisé parlefaitque l'énergie produitó est transformée sur place en hydrogène.