Brevet FR2872552A1 — publié le 20060106

Eolienne à axe vertical. La présente invention concerne une éolienne à axe d'allure verticale dont la conception a été optimisée pour lui permettre de travailler pratiquement dans n'importe quelles conditions climatiques, avec au surplus un rendement élevé qui permet de réduire sensiblement le coût de l'énergie. La logique suivie par les concepteurs permet également d'aboutir à une configuration extrêmement fiable, offrant enfin des facilités de construction et de maintenance inédites dans ce type de système. Selon l'invention, l'éolienne comporte classiquement un fût central rotatif auquel sont fixées des pales, et elle est caractérisée à titre essentiel en ce que lesdites pales sont rotatives et entraînées en rotation indépendamment l'une de l'autre. Cette caractéristique, qui fonde le système de l'invention, n'est cependant pas suffisante en elle- même pour permettre à l'éolienne de fonctionner quelles que soient les conditions météorologiques, et elle est par conséquent agrémentée d'autres spécificités techniques importantes. Ainsi, la position des arbres de rotations des pales est en plus variable par rapport au fût central rotatif. Plusieurs degrés de liberté dans le réglage des pales sont donc offerts par cette structure, lesquels permettent de positionner celles-ci de façon optimale notamment par rapport au vent, assurant dès lors un rendement de fonctionnement toujours élevé, et permettant en cas de besoin de positionner les pales de manière très repliée lorsque les vents atteignent des vitesses très importantes, par exemple en cas de tempête. Dans ce cas, la position des pales n'offre plus de prise dymanique au vent, et l'éolienne s'arrête pour des raisons de sécurité. Plus précisément, l'une au moins des extrémités de chaque arbre de rotation des pales est coulissable dans une direction radiale par rapport au fût central. Dans l'hypothèse où une seule des extrémités de chaque arbre est mobile radialement, il s'agit de préférence de l'extrémité inférieure. II est cependant possible de prévoir que les deux extrémités de chaque arbre de rotation des pales soient mobiles radialement indépendamment l'une de l'autre. Le choix de l'unicité ou du doublage de la possibilité de déplacement radial dépend de l'application, de la région d'implantation de l'éolienne, etc. D'un point de vue pratique, cette possibilité de mouvement radial résulte de la liaison des extrémités des arbres de rotation des pales à des bras qui se développent radialement à partir du fût central rotatif. Plus précisément, ces bras sont munis de glissières qui se développent selon leur axe. 2872552 2 Contrairement aux éoliennes actuelles, les pales ont par conséquent et dans tous les cas, dans l'invention, deux points de fixation, ce qui permet de les construire avec une surface beaucoup plus grande, en d'en obtenir une puissance bien supérieure notamment lorsque les conditions de vent sont favorables. Bien entendu, les pales de grande surface doivent pouvoir à tout moment être orientées correctement par rapport aux vents pour optimiser le rendement du système, voire repliées lorsque des conditions de tempête surviennent. Ceci doit en outre pouvoir être fait le plus rapidement possible, par mesure permanente des paramètres météorologiques et répercussion immédiate desdites mesures sur la position effective des pales. C'est la raison pour laquelle la position radiale des arbres de rotation des pales ainsi que leur position angulaire sont de préférence gérées par au moins un ordinateur auquel des capteurs des paramètres météorologiques de l'environnement de l'éolienne sont reliés, lesdits ordinateurs pilotant des moyens moteurs entraînant les pales. Cette caractéristique, bien que non strictement nécessaire, est néanmoins essentielle dans nombre d'applications. Plus précisément, lesdits moyens moteurs sont des moteurs électriques. Le mouvement de chaque pale est donc contrôlé par ordinateur, à l'aide de un ou plusieurs logiciels qui sont conçus pour mettre en correspondance les éléments physiques du système, à savoir notamment la structure et le dimensionnement des pales et plus généralement de l'éolienne, avec les paramètres météorologiques mesurés. La position des pales est dans ce cas asservie en permanence aux conditions météorologiques et climatiques, la réponse du système aux valeurs mesurées intervenant en outre quasi immédiatement. Lorsque la vitesse du vent augmente par exemple soudainement, les pales sont déplacées par le système pour les rapprocher du fût rotatif, et orientées de telle manière qu'elles n'offrent pas la totalité de leur surface aux efforts exercés par le vent. A l'inverse, dans l'hypothèse où le vent faiblit, les pales se déploient pour offrir une surface plus importante, et permettre la production de l'énergie dans des conditions optimales. La commande de la position à la fois angulaire et radiale par rapport au fût central de chaque pale indépendamment l'une de l'autre et à chaque instant, en fonction de paramètres climatiques déterminés, permet d'obtenir un rendement maximal du système, et par conséquent la production de la plus grande quantité d'énergie possible à chaque instant. 2872552 3 Selon une possibilité, les capteurs sont placés au-dessus des pales c'est-à-dire dans la zone où les mesures notamment de la vitesse et de la force du vent sont les plus significatives. Ces capteurs, et d'une manière générale tous les appareils de mesure, ne subissent en outre dès lors aucune perturbation due au passage des pales. Par ailleurs, la structure de l'éolienne de l'invention est telle que les dispositifs de transformation d'énergie, et en particulier la génératrice électrique, sont disposés au niveau de la base de l'éolienne, sous le fût central rotatif. Cette configuration est particulièrement avantageuse, notamment par rapport aux structures qui existent aujourd'hui, car elle permet d'obtenir une excellente stabilité de l'éolienne et elle diminue fortement les risques en cas d'accident. La fabrication et l'entretien de l'éolienne sont également grandement facilités par cet agencement. Dans les éoliennes actuelles, la génératrice électrique et tous les équipements associés sont en général disposés en partie supérieure du mât, à proximité des pales. C'est notamment le cas pour les éoliennes à pales horizontales. Compte tenu de la puissance offerte et du dimensionnement correspondant des éoliennes qui sont installées notamment dans les pays nordiques, il est aisé de concevoir les difficultés à la fois de fabrication et de maintenance, ainsi que tous les risques correspondant à leur mise en oeuvre, qui sont directement liés à une telle configuration. Transporter et construire à plusieurs dizaines de mètres du sol par exemple une génératrice de forte puissance n'est pas un travail anodin. Selon l'invention, le fût rotatif de l'éolienne entoure un fût fixe, lequel est de 25 préférence surmonté d'une cabine supérieure et muni de moyens d'accès à ladite cabine. En fait, ces moyens d'accès à la cabine consistent par exemple en un escalier et/ou en un ascenseur. Cette cabine peut par exemple être utilisée pour la signalisation et la mise en place des divers appareils de mesure. Par rapport à ses devancières, l'éolienne de l'invention comporte donc, en partie supérieure, une structure beaucoup plus légère puisqu'elle ne contient aucun des éléments mécaniques nécessaires à la production et/ou à la transmission de l'énergie. La cabine supérieure est cependant très utile car elle regroupe les organes de mesure, elle peut permettre un contrôle par le haut de la structure, etc... L'éolienne de l'invention peut de plus être arrimée au sol via des haubans, lesquels sont de préférence fixés à ladite cabine. Ce haubannage est rendu possible par la structure particulière de l'invention et notamment ses pales 2872552 4 d'allure verticale rétractables, alors qu'il était jusqu'ici impossible à mettre en oeuvre dans les éoliennes de facture classique sans provoquer d'interférence positionnelle avec les pales. L'existence d'un tel haubannage permet d'ailleurs d'envisager l'implantation d'éoliennes selon l'invention dans des zones où il était jusqu'ici impossible d'en disposer du fait de conditions climatiques difficiles qui rendent l'érection même de la structure très problématique. On a mentionné précédemment que l'un des avantages essentiels de l'invention réside dans l'implantation en partie basse de l'éolienne de l'ensemble des structures techniques de production d'énergie, qui assure en plus des autres avantages une stabilité bien supérieure. Celle-ci couplée au haubannage, rend l'ancrage de la structure très efficace. Cette base de l'éolienne peut de plus être aménagée en local technique dans laquelle sont disposés une salle des machines et un local de contrôle informatique. En somme, les éoliennes de l'invention sont vraiment conçues pour travailler partout et en particulier dans des régions où règnent des conditions météorologiques extrêmes, dans des endroits qui leurs étaient jusqu'ici interdits, tout en offrant une fiabilité technique très élevée. Pour y parvenir, selon une caractéristique fondamentale, la structure de l'invention repose sur un positionnement optimal, par rapport au vent, de chaque pale à chaque instant, ce qui permet de produire en permanence un maximum d'énergie en fonction des conditions extérieures. La configuration de l'invention procure par conséquent, à long terme, un avantage économique indéniable, car le coût de production de ladite énergie est du coup inférieur à celui qui résulte des divers systèmes déjà existants. Les éoliennes de l'invention autorisent également un grand nombre de variantes, selon les zones d'implantation et les contraintes qui en résultent. Pour autant, leurs coûts de construction sont inférieurs à ceux que l'on peut attendre dans le cadre de la construction d'éoliennes classiques. On a mentionné la possibilité d'implanter les éoliennes de l'invention dans des zones jusqu'ici non accessibles: outre le problème des conditions météorologiques extrêmes, certaines zones sont actuellement interdites car les éoliennes classiques entraînent des nuisances sonores, incompatibles avec un voisinage humain. En l'espèce, l'invention apporte un confort acoustique très largement supérieur à ces dernières, du fait de la configuration particulière des pales et de leur adaptabilité permanente au vent. Le système de l'invention peut d'ailleurs de ce point de vue être apparenté aux voiles d'un bateau, pour lesquelles on recherche aussi l'adaptation permanente de la position à la direction du vent. 2872552 5 Pour des raisons de résistance mécanique, les éoliennes classiques ne peuvent pas non plus être installées dans des zones très froides, car la vitesse de rotation des pales par rapport à l'axe principal de l'éolienne, qui est souvent élevée pour compenser le faible rendement, entraîne un refroidissement des pièces et, parfois, la formation de blocs de glace, notamment à l'extrémité des pales, ce qui peut s'avérer extrêmement dangereux. C'est en particulier un danger redoutable pour des systèmes à pales horizontales. Dans l'invention, la vitesse de rotation est en générale bien inférieure pour une production de puissance largement supérieure. II en découle un refroidissement moindre des diverses pièces en mouvement, ce qui diminue corollairement le risque de formation de tels blocs de glace. La structure verticale diminue elle aussi le risque de formation des blocs de glace. L'invention va à présent être décrite plus en détails, en référence aux figures annexées, pour lesquelles: - la figure 1 montre une vue générale en plan d'une éolienne de l'invention; - la figure 2 représente schématiquement, en coupe, le fonctionnement de l'éolienne de l'invention pour une position angulaire donnée de chaque pale, et pour deux positions radiales distinctes par rapport au fût rotatif; la figure 3 montre, toujours en coupe, une autre position angulaire des pales, qui prélude notamment à un regroupement vers le fût central en cas de tempête; la figure 4 représente ledit regroupement, qui confère une stabilité maximale à l'éolienne en cas d'apparition de vent d'une très grande force; la figure 5 représente une position possible des pales lorsque les vents sont violents mais permettent le fonctionnement de l'éolienne; la figure 6 illustre une application possible de l'invention sur un bateau; et la figure 7 montre une application de petite taille sur des mâts d'antennes, par exemple de relais de téléphonie mobile. En référence à la figure 1, l'éolienne de l'invention comporte à titre essentiel un fût rotatif (1) auquel sont reliés des bras inférieurs (2, 2') et supérieurs (3, 3') supportant les pales (4, 4'). La liaison mécanique entre lesdites pales (4, 4') et les bras respectivement supérieurs (3, 3') et inférieurs (2, 2') est telle qu'elles peuvent d'une part tourner autour d'un axe central, et d'autre part se rapprocher ou s'éloigner radialement du fût central (1), comme cela sera montré plus en détails en référence aux figures suivantes. Le fût central (1) est disposé sur un local technique (5), dans lequel sont installés à titre essentiel les équipements de production de l'énergie comme la génératrice et les équipements qui lui sont 2872552 6 associés. Ce local (5) peut également comporter des dispositifs de stockage de ladite énergie, ainsi qu'une salle de commande, des moyens de transformation de l'énergie, etc. Une cabine (6) est disposée en partie supérieure du mât. Cette cabine supérieure est elle-même surplombée et/ou équipée de moyens de signalisation aérienne, de capteurs et d'appareils de mesure des paramètres climatiques et météorologiques environnants, paramètres qui sont ensuite retransmis aux moyens informatiques qui déterminent la position précise individuelle des pales (4, 4'). Ces appareils, par exemple des anémomètres, ont principalement pour fonction de mesurer la vitesse, la direction et la force des vents. Le cas échéant, des haubans (non représentés) permettant de consolider la fixation de l'éolienne au sol sont attachés à ladite cabine (6). Le fût central (1), qui est rotatif puisqu'il supporte les bras (2, 2') et (3, 3'), entoure un fût fixe muni de moyens d'accès à la cabine (6). II entraîne bien entendu la génératrice d'électricité disposée dans le local technique (5), dans lequel sont également situés l'ensemble des systèmes de contrôle de l'éolienne. La plupart des opérations liées au fonctionnement quotidien de l'éolienne de l'invention prennent en pratique place dans ce local (5), contrairement à ce qui passe dans les éoliennes classiques, pour lesquelles la salle des machines se situe en partie supérieure près de la génératrice, des machines et des organes de commande, d'où les multiples difficultés pratiques évoquées auparavant. La coupe apparaîssant en figure 2 montre les bras inférieurs (2, 2', 2") reliés au fût central (1), et deux positions radiales distinctes des pales (4, 4', 4") par rapport auxdits bras (2, 2', 2"). La direction du vent est symbolisée par les flèches F, alors que la direction de rotation de l'éolienne est figurée par les flèches F'. Dans cette figure, les pales (4, 4', 4") sont en position de travail normal, c'est-à-dire qu'elles sont orientées de manière à offrir, à chaque instant, une prise au vent maximale pour un rendement optimal. Ainsi, la pale (4) est disposée perpendiculairement au vent, alors que les pales (4', 4") sont orientées d'une manière telle que la résultante des forces liées au vent comporte une composante tangentielle qui favorise la rotation du fût rotatif (1) de l'éolienne. Dans la position angulaire représentée, qui est une position d'efficacité maximale par rapport à la direction du vent, les pales (4) peuvent être déplacées radialement, par exemple par coulissement dans des glissières (7, 7', 7") comme cela est symbolisé par l'existence de deux positions différentes des pales (4, 4', 4"). La position des pales (4, 4', 4") est gérée par ordinateur, 2872552 7 et elles sont par conséquent toujours positionnées en vue d'obtenir un rendement optimal. En figure 3, la position angulaire des pales (4, 4', 4") n'est plus une position de rendement maximal mais une préparation de repli lorsque la force du vent atteint les limites techniques de fonctionnement du système. L'éolienne ne tourne plus que par sa propre inertie, et n'est pratiquement plus entraînée par les pales (4, 4', 4"). A l'extrême, lorsque des conditions météorologiques de tempête risqueraient de détruire l'ensemble du système, les pales (4, 4', 4") sont repliées comme montré en figure 4, et forment une "pyramide" qui assure la sécurité maximale de l'ouvrage. En fait, le positionnement adjacent des extrémités latérales de chaque pale (4, 4', 4") est rendu possible par le coulissement radial de chacune de ces dernières en direction du fût central rotatif (1). II est à noter que les glissières (7, 7', 7") sont donc calculées de telle sorte que leur extrémité intérieure (proximale du fût rotatif) est située à une distance dudit fût (1) telle que l'adjacence des côtés latéraux est possible, de préférence sans contact. La figure 5 montre que même dans cette position, il est possible de faire pivoter légèrement les pales (4, 4', 4") de telle sorte qu'une fraction seulement de leur surface puisse offrir une prise au vent. Ce type de fonctionnement est par conséquent indiqué lorsque les vents sont très violents, mais permettent une utilisation de l'éolienne sans dommage. De nombreuses applications sont possibles pour ce type d'éolienne. La forme des pales (4, 4', 4"), la longueur du fût rotatif (1), etc... doivent alors être adaptés aux environnements dans lesquels les éoliennes de l'invention sont implantées. Selon les températures, la vitesse moyenne des vents recensés sur le site, etc..., ces pales seront plus ou moins hautes, larges, etc. Dans la configuration de la figure 6, trois éoliennes selon l'invention (A, B, C) sont montées sur un bateau à la place des mâts traditionnels. Dans ce contexte, les pales (4, 4', 4") remplacent les voiles. La propulsion du bateau se fait par l'intermédiaire d'un moteur électrique alimenté par les génératrices situées à la base de chacune des éoliennes (A, B, C). Celles-ci sont, classiquement, contrôlées par ordinateur(s) qui tire(nt) partie des informations obtenues par les capteurs pour orienter chaque pale, individuellement, de la meilleure manière, afin d'optimiser le rendement du système. Une telle application peut par exemple être appliquée à des barges opérant en mer, au large, afin d'obtenir du courant avec des installations considérablement moins coûteuses que les actuels champs d'éoliennes. 2872552 8 On a mentionné auparavant la possibilité de divers dimensionnements pour l'éolienne de l'invention, selon les applications désirées. En figure 7, l'éolienne est de très petite taille, et peut être montée sur des poteaux ou des mâts (M) existants tels que des antennes pour des relais de téléphone portable. Elles produisent alors l'énergie nécessaire pour assurer le fonctionnement en cas de panne, ladite énergie étant bien entendu alors stockée dans des batteries pour être restituée en cas de besoin. Les mâts actuels de relais de téléphone portable sont déjà équipés de batteries, et parfois de groupes électrogènes, voire d'un groupe de transformation de courant continu en alternatif. L'installation d'une éolienne selon l'invention pourrait parfaitement s'insérer dans ce type de structure. 9 REVENDICATIONS 1. Eolienne à axe d'allure verticale comportant un fût central rotatif auquel sont fixées des pales, caractérisée en ce que lesdites pales sont rotatives et entraînées en rotation indépendamment l'une de l'autre. 2. Eolienne à axe d'allure verticale selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la position des arbres de rotation des pales est variable par rapport au fût central rotatif. 3. Eolienne à axe d'allure verticale selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l'une au moins des extrémités de chaque arbre de rotation des pales est coulissable dans une direction radiale par rapport au fût central. 4. Eolienne à axe d'allure verticale selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l'extrémité inférieure de chaque arbre de rotation des pales est mobile radialement. 5. Eolienne à axe d'allure verticale selon la revendication 3, caractérisée en ce que les deux extrémités de chaque arbre de rotation des pales sont mobiles radialement indépendamment l'une de l'autre. 6. Eolienne à axe d'allure verticale selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisée en ce que les extrémités des arbres de rotation des pales sont reliées à des bras se développant radialement à partir du fût central rotatif. 7. Eolienne à axe d'allure verticale selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les bras sont munis de glissières se développant selon leur axe. 8. Eolienne à axe d'allure verticale selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisée en ce que la position des arbres de rotation des pales par rapport au fût central et la position angulaire des pales sont gérées par au moins un ordinateur auquel sont reliés des capteurs des paramètres météorologiques de l'environnement de l'éolienne, lesdits ordinateurs pilotant des moyens moteurs entraînant les pales. 9. Eolienne à axe d'allure verticale selon la revendication précédente, caractérsiée en ce que lesdits moyens moteurs sont des moteurs électriques. 10. Eolienne à axe d'allure verticale selon la revendication précédente, caractérisée en ce que lesdits capteurs sont placés au-dessus des pales. 11. Eolienne à axe d'allure verticale selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les dispositifs de transformation de 2872552 10 l'énergie, et en particulier la génératrice électrique, sont disposés au niveau de la base de l'éolienne, sous le fût central rotatif. 12. Eolienne à axe d'allure verticale selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le fût rotatif entoure un fût fixe. 1 3.Eolienne à axe d'allure verticale selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le fût fixe est surmonté d'une cabine supérieure et muni de moyens d'accès à ladite cabine. 14. Eolienne à axe d'allure verticale selon la revendication précédente, caractérsiée en ce que les moyens d'accès à la cabine supérieure consistent en un escalier et/ou un ascenseur. 15. Eolienne à axe d'allure verticale selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est arrimée au sol via des haubans. 16. Eolienne à axe d'allure verticale selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'un local technique est disposé à la base du fût rotatif.