Brevet FR2857062A1 — 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 autoorientation naturelle face au vent et comportant une hélice actionnée par le vent et coopérant avec un alternateur pour fournir de 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 Io 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 éoliennes montées sur un mât vertical être toujours orientées face au vent; elles sont donc tributaires d'organes d'orientation coopérant avec une girouette qui détecte la direction du vent. 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 d'emmêlement des câbles qui transmettent l'énergie. La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients en proposant une éolienne carénée auto-orientable, c'est-à-dire de nature à rester orientée face au vent en toute circonstance ce sans 3o avoir recours à des organes d'orientation. Une telle éolienne conforme à l'invention peut 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. Cette éolienne est caractérisée en ce que son axe de rotation est situé en amont du foyer des forces aérodynamiques résultantes géné- rées sur le carénage par un vent axial, dans le sens de ce 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 10 l'invention orientée face au vent par le plan horizontal médian du carénage; - la figure 2 est une coupe schématique correspondant à la figure 1, mais dans laquelle l'éolienne est orientée obliquement par rapport au vent. Selon la figure 1, l'éolienne qui est orientée face au vent V est équipée d'un carénage divergent 1 monté concentriquement au moyeu portant les pales qui est schématisé par l'axe x-x'. Cette éolienne est en outre montée pivotante autour d'un axe de rotation vertical schématisé par le cercle 2. Le carénage 1 a un profil aérodynamique particulier défini par un bord d'attaque arrondi 3 suivi d'un extrados/intrados 4 et de bords de fuite divergents 5. Si l'on considère une section quelconque du carénage 1 par un plan radial, en particulier le plan de la figure 1, la corde interne C a une longueur relativement faible alors que le rayon moyen R correspond essentiellement à la longueur des pales qui ne sont pas représentées. Selon la figure 1 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 35 le côté droit du carénage 1 et une résultante Frg sur le côté gauche du ca- rénage 1. Selon la figure 1 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 5 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 2 si le vent V change de direction, ses angles d'incidence sur les cordes C droite et gauche deviennent différents. Io Par suite, la résultante Frd n'est plus égale à la résultante Frg. En conséquence la résultante Frtotal crée au niveau du foyer Fc un couple qui a tendance à faire revenir le système à l'équilibre, c'est-à-dire 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. 20 REVENDICATION Eolienne montée pivotante autour d'un axe de rotation vertical de façon à permettre son orientation face au vent et comportant une hélice actionnée par le vent qui est équipée de pales portées par un moyeu d'axe horizon- s tai, 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, 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.