Brevet FR2859247A1 — publié le 20050304

EOLIENNE A AXE VERTICAL, L'invention se rapporte au domaine technique des éoliennes. La raréfaction annoncée des énergies fossiles a stimulé depuis ces vingt dernières années les recherches de moyens de convertir l'énergie éolienne en énergie mécanique, thermique ou électrique utilisable dans les activités humaines. La grande majorité des éoliennes actuelles sont construites avec un rotor de type hélice, monté sur un arbre principal horizontal. De tels produits peuvent être trouvés sous les dénominations suivantes: Bonus 1MW, 1.3 MW et MMW, Cita CM CAP HORN, Dewind modèles D4, D6 ou D8, Enerco modèles E30, E40, E58, E66, Enronwind modèles 750i, Gamesa Eolica modèles G47, G52, G58, G66 et G80, Negmicon, Turbowinds T400-34, Vergnet, Vestas V47, V52, Windmaster WM28, WM43. On connaît par ailleurs des aéromoteurs à axe vertical, ces produits 15 ayant faits pour la plupart l'objet de développements techniques plus anciens que ceux liés aux éoliennes à axe principal horizontal. Des exemples d'éoliennes à axe vertical peuvent être trouvés dans les documents suivants: BE-885 867 au nom de Leblanc, FR-368 392, FR-549 263, FR-2 218 778, WO 01/86140, WO 96/30647, EP-0 334 241, EP-0 336 268, brevets américains délivrés sous les numéros 303 585, 1 342 318, 1 364 681, 1 835 018 au nom de Darrieus, 3 930 750, 4 004 861, 4 015 911, 4 037 989, 4 052 134, 4 115 027, 4 177 014, 4 142 832, 4 209 281, 4 245 958, 4 365 935, 4 496 283, 4 534 703. Dans ces éoliennes à axe vertical, il est généralement possible d'éviter l'orientation de l'ensemble de la turbine par rapport à la direction du vent, et aussi de placer l'organe de transformation d'énergie, comme une génératrice d'électricité, en bout de l'axe vertical de la turbine, au niveau du sol. Certains de ces modèles anciens d'éolienne à axe vertical sont dérivés du rotor de Savonius: rotors à traînée différentielle tels qu'anémomètres à coupelles. 2859247 2 D'autres dérivent du rotor de Darrieus: rotors à circulation instationnaire, à variation cyclique de pas et aubes fixes, les aubages étant généralement biconvexes et symétriques, voir par exemple les produits dénommés Flowind. D'autres encore sont des machines à clapet ou ailes battantes. On connaît également des rotors à circulation instationnaire, à variation cyclique de pas et aubes mobiles, dits Cyclogiro dans lesquels la variation cyclique du pas est commandée par une transmission mécanique ou électrique à partir d'un organe détecteur de la direction du vent. On connaît aussi des systèmes de turbine à axe vertical, à circulation instationnaire et à effet d'orientation cyclique des aubes du rotor, qui pivotent chacune selon un axe vertical sous l'action combinée du vent et des forces élastiques développées par des tendeurs en caoutchouc ou des contrepoids. Les risques de rupture liées aux survitesses, lors de tempêtes ou de rafales, figurent parmi problèmes techniques les plus complexes à résoudre pour un bon fonctionnement des éoliennes. Dans les éoliennes actuelles, le contrôle de la puissance de sortie, en cas de rafales, est assuré par régulation passive ou régulation active (décrochage aérodynamique), certaines éoliennes anciennes comportant des ailerons ou volets identiques dans leur principe à ceux d'avions. La plupart des conceptions antérieures proposent le débrayage mécanique, en cas de survitesse. On peut se référer, par exemple, aux document FR555175. Le document FR 2392250 décrit une turbine éolienne comprenant un axe vertical et pourvue d'une série de bras sur chacun desquels est articulée une pale, les pales pivotant entre une position verticale, en l'absence de vent, et une position horizontale lorsque le vent est fort. Dans certaines réalisations, la surface des pales est variable: WO 81/03204, WO 84/02163, EP-0 450 696, US 4 566 853, US 5 808 369. 2859247 3 L'invention vise à fournir une nouvelle structure d'éolienne à axe vertical comprenant des moyens de neutralisation plus efficace et plus rapide des effets d'un vent surpuissant, par rapport aux dispositifs connus antérieurement. A cette fin, l'invention se rapporte, selon un premier aspect, à une éolienne à axe vertical comprenant au moins un godet tournant autour dudit axe, ce godet étant pourvu d'une grande ouverture d'entrée d'air, et d'une ouverture plus petite de sortie d'air, des moyens étant aptes à réduire la section de passage d'air au travers de l'ouverture de sortie, jusqu'à sensiblement obturer celle-ci, en cas de vent utile, et libérer totalement cette ouverture de sortie, en cas de vent surpuissant. Selon diverses réalisations, l'éolienne présente les caractéristiques suivantes, le cas échéant combinées: les moyens de réglage de section de passage d'air comprennent un corps interne au godet, ce corps coulissant suivant un plan incliné par rapport 15 à un plan perpendiculaire à l'axe vertical d rotation; le corps interne coulissant est sensiblement cylindrique; elle est pourvue de moyens mécaniques de commande du coulissement du corps interne au godet, ces moyens de commande étant aptes à assurer un mouvement synchrone de corps internes à au moins deux godets; elle est pourvue de deux godets sensiblement identiques montés solidaires d'un manchon externe de l'axe vertical, les moyens de commande comprenant un arbre coaxial interne audit manchon, cet arbre étant coulissant et tournant par rapport audit manchon, des moyens de liaison reliant mécaniquement le corps interne coulissant audit arbre; les moyens de liaison comprennent pour chaque godet une équerre externe et une équerre interne articulées autour d'un axe commun et reliées chacune à l'axe de coulissement du corps interne, l'équerre interne étant reliée à l'arbre par une cornière. 2859247 4 D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront plus complètement au cours de la description suivante de modes de réalisation, description qui va être effectuée en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est un schéma cinématique d'ensemble d'une éolienne selon l'invention; la figure 2 est une vue en perspective d'une éolienne selon un mode de réalisation; - la figure 3 est une vue en perspective de détail. L'éolienne 1 comprend un axe vertical 2 monté tournant par rapport à un support 3 fixé, par exemple par vissage, à une structure de génie civil tel que par exemple un socle béton 4. L'axe vertical 2 comprend un manchon externe 5 dans lequel est un arbre coaxial interne 6 est monté tournant, cet arbre interne 6 saillant au delà du bord supérieur du manchon externe 5, à l'opposé du socle 4. Dans la réalisation représentée, l'éolienne comprend deux godets 7,8 de section trapézoïdale. Ainsi que le comprendra l'homme du métier, l'éolienne peut comporter plus de deux godets, de préférence équidistants. Comme représenté en figure 3, chaque godet peut être élaboré par mécanosoudure de tubes ou plats de section carrés ou rectangulaires 9, formant une armature 10 sur laquelle sont fixées des tôles supérieure 11, inférieure 12, et latérales 13,14. Cette armature capotée présente une grande ouverture sensiblement rectangulaire 15 d'entrée d'air, et une ouverture de section plus petite 16, de sortie d'air. Un obturateur 18 est monté coulissant dans chacun des godets 7,8. Dans la réalisation représentée, cet obturateur 18 est sensiblement cylindrique et pourvu d'un axe central 19 saillant légèrement au delà des parois latérales 13,14 des godets 7,8, cet axe 19 traversant des lumières oblongues 20 ménagées dans ces parois latérales 13,14. 2859247 5 Deux équerres internes 21, sensiblement parallèles entre elles, sont montées chacune articulée sur un godet 7,8. Chaque équerre interne 21 est reliée: en partie inférieure, à l'axe 19 de l'obturateur 18, cet axe 19 passant au travers d'une lumière oblongue 22 disposée à cette fin en partie inférieure de l'équerre 21; en partie supérieure, a une cornière 23 de liaison à l'arbre 6, par le biais d'une lumière oblongue 24. Deux équerres externes 25, sensiblement parallèles entre elles et 10 sensiblement parallèles aux équerres internes, sont montées chacune articulée sur un godet 7,8. Chaque équerre externe 25 est reliée: en partie inférieure, à l'axe 19 de l'obturateur 18, cet axe passant au travers d'une lumière oblongue 22 disposée à cette fin en partie inférieure de l'équerre 25; en partie supérieure, à un axe de rotation 26 commun à l'équerre interne 21, cet axe de rotation étant sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation principal de l'éolienne. Les godets 7,8 sont montés solidaires du manchon externe 5 de l'axe de rotation principal 2, par l'intermédiaire de plats ou tubes radiaux 27,28. Le fonctionnement de l'éolienne 1 est le suivant. Lorsque les obturateurs sont dans la position de la figure 2, l'air passe au travers des godets sensiblement sans entraîner ceux ci en rotation, ou en les entraînant à faible vitesse, par léger venturi. Si l'arbre 6, tournant dans le manchon 2, est bloqué en translation verticale par rapport au manchon 2, les obturateurs 18 restent en position telle que représentée en figure 2. Si l'arbre 6 est laissé libre de se déplacer en translation par rapport au manchon, la force d'inertie d'entraînement peut provoquer le déplacement des obturateurs 18. Lorsque l'obturateur s'éloigne de l'ouverture d'entrée 15 pour aller vers la sortie 16, il est résulte une accélération de la rotation des godets 7,8 autour de l'axe 2, la prise au vent augmentant. 2859247 6 En cas de risque de vent surpuissant, la commande du mouvement de coulissement de l'arbre 6 provoque le retour des obturateurs en position telle que représentée en figure2, l'éolienne étant ainsi en rideau . Le contrôle du mouvement de coulissement de l'arbre 6 permet, le cas échéant, de réguler la vitesse de rotation des godets. Il est entendu que la description qui vient d'être effectuée n'a pas de caractère limitatif mais uniquement des vertus d'exemple. Plusieurs variantes, non représentées, peuvent être mises en oeuvre, les caractéristiques de ces variantes pouvant être combinées. Selon une première variante, les godets sont disposées suivants plusieurs plans transversaux, l'éolienne comprenant par exemple trois niveaux successifs de quatre godets, ces niveaux tournant synchrones ou non. Selon une deuxième variante, le mouvement des obturateurs est obtenu par de moyens hydrauliques ou pneumatiques montés directement sur chaque godet. 7 REVENDICATIONS 1. Eolienne à axe vertical (2), caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un godet (7,8) tournant autour dudit axe (2), ce godet étant pourvu d'une grande ouverture (15) d'entrée d'air, et d'une ouverture plus petite (16) de sortie d'air, des moyens étant aptes à réduire la section de passage d'air au travers de l'ouverture de sortie (16), jusqu'à sensiblement obturer celle-ci, en cas de vent utile, et libérer totalement cette ouverture de sortie, en cas de vent surpuissant. 2. Eolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de réglage de section de passage d'air comprennent un corps interne au godet (7,8), ce corps coulissant suivant un plan incliné par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe vertical de rotation (2). 3. Eolienne selon la revendication 2, caractérisée en ce que le corps interne coulissant est sensiblement cylindrique. 4. Eolienne selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce qu'elle est pourvue de moyens mécaniques de commande du coulissement du corps interne au godet (7,8), ces moyens de commande étant aptes à assurer un mouvement synchrone de corps internes à au moins deux godets (7,8). 5. Eolienne selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle est pourvue de deux godets sensiblement identiques montés solidaires d'un manchon externe (5) de l'axe vertical (2), les moyens de commande comprenant un arbre (6) coaxial interne audit manchon (5), cet arbre (6) étant coulissant et tournant par rapport audit manchon 5, des moyens de liaison (20-26) reliant mécaniquement le corps interne coulissant (18) audit arbre (6). 2859247 8 6. Eolienne selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens de liaison comprennent pour chaque godet (7,8), une équerre externe (25) et une équerre interne (21) articulées autour d'un axe commun (26) et reliées chacune à l'axe de coulissement du corps interne (18), l'équerre interne (21) étant reliée à l'arbre (6) par une cornière (23).