Brevet FR2891026A1 — publié le 20070323

EOLIENNE A AUBES VERTICALES La présente invention concerne une éolienne à aubes verticales. Elle s'applique, en particulier, à la production d'énergie électrique. On connaît des éoliennes à hélices reliées à un générateur de courant. Ces éoliennes présentent une hauteur et un encombrement très importants, ce qui les rend disgracieuses et impossibles à implanter en zone urbaine. De plus, par rapport à leur encombrement, leur rendement est très faible puisque la surface de l'hélice par rapport à la surface qu'elle balaie est très faible. De plus, du fait de la variation de vitesse linéaire le long des pales et de la vitesse élevée atteinte en extrémité de pale, elles sont très bruyantes. Leur orientation par rapport au vent requiert des moyens onéreux et complexes, qui nuisent à l'intérêt économique de la production d'électricité. Enfin, leur maintenance est rendue difficile du fait de la hauteur, de plusieurs dizaines de mètres, à laquelle se trouvent l'axe de rotation de l'hélice et le générateur. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. A cet effet, la présente invention vise une éolienne caractérisée en ce qu'elle compote au moins une roue à aubes montée sur un axe de rotation vertical et une génératrice reliée mécaniquement à la roue à aubes. Grâce à ces dispositions, le diamètre de chaque roue à aubes peut être réduit, l'éolienne n'a pas besoin d'être positionnée en hauteur, le bruit généré est limité, la maintenance est aisée, l'éolienne n'a pas besoin d'être orientée par rapport au vent ou peut l'être avec des moyens simples et peu onéreux, et l'éolienne peut être installée en zone urbaine. Enfin, le rendement par rapport à la surface balayée par chaque roue à aubes peut être très élevé. Selon des caractéristiques particulières, l'éolienne telle que succinctement exposée ci-dessus comporte trois roues à aubes montées sur trois axes de rotation verticaux. Grâce à ces dispositions, la vitesse linéaire en extrémité des aubes est réduite, par rapport à celle atteinte, pour le même encombrement, avec une seule roue à aubes. Le bruit et les efforts mécaniques sont donc réduits. Selon des caractéristiques particulières, chaque roue à aubes de l'éolienne comporte trois aubes. Le rendement de la roue à aubes est ainsi élevé et, à tout moment, au moins une de ses aubes fait prise au vent, tout en conservant une masse de la roue à aubes assez réduite. Selon des caractéristiques particulières, chaque aube présente une section, perpendiculairement à l'axe de la roue à aubes, sensiblement en forme d'arc de cercle. Grâce à ces dispositions, pour une force de vent donnée, la couple moyen exercé par le vent sur la roue à aubes est élevé. Selon des caractéristiques particulières, au moins une partie de chaque aube de chaque roue à aubes est réalisée en matériau composite. La roue à aubes est ainsi plus légère que si elle était réalisée en métal. Selon des caractéristiques particulières, chaque aube présente une forme hélicoïdale dont l'axe est l'axe de la roue à aubes. Les effets du vent sont ainsi uniformisés et les effets aérodynamiques dus aux croisements des aubes de différentes roues à aubes sont ainsi réduits. Selon des caractéristiques particulières, l'éolienne telle que succinctement exposée ci-dessus comporte, pour chaque roue à aubes, un engrenage reliant ladite roue à aubes et la génératrice. Grâce à ces dispositions, la liaison mécanique entre la roue à aubes et la génératrice présente peu de frottements et augmente, en conséquence, le rendement de l'éolienne, par rapport à d'autres types de liaisons. Selon des caractéristiques particulières, chaque dit engrenage comporte un train épicycloïdal. Grâce à ces dispositions, d'une part, on peut constituer un embrayage entre la roue à aubes solidaire de la roue dentée intérieure du train épicycloïdal et la génératrice entraînée par la couronne du train épicycloïdal et, d'autre part, on peut faire varier le rapport de vitesses entre la rotation de la roue à aubes et celle de l'arbre de la génératrice en freinant ou en accélérant la vitesse de rotation des axes des satellites. Selon des caractéristiques particulières, l'éolienne telle que succinctement exposée ci-dessus comporte un moyen de mise en mouvement de satellites dudit train épicycloïdal. Selon des caractéristiques particulières, l'éolienne telle que succinctement exposée ci-dessus comporte un frein. Grâce à chacune de ces dispositions, la vitesse de rotation de l'axe de la génératrice peut être régulée. D'autres avantages, buts et caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, faite dans un but explicatif et nullement limitatif en regard du dessin annexé dans lequel: - la figure 1 représente, schématiquement, en vue de dessus, un premier mode de réalisation de l'éolienne objet de la présente invention; la figure 2 représente, schématiquement, en élévation, le premier mode de réalisation de l'éolienne illustrée en figure 1; - la figure 3 représente, schématiquement, en vue de dessus, un deuxième mode de réalisation de l'éolienne objet de la présente invention; - la figure 4 représente, schématiquement, en élévation, le deuxième mode de réalisation de l'éolienne illustrée en figure 3; - la figure 5 représente, schématiquement, en vue de dessus, un troisième mode de réalisation de l'éolienne objet de la présente invention; la figure 6 représente, schématiquement, en élévation, le troisième mode de 10 réalisation de l'éolienne illustrée en figure 5; - la figure 7 représente, schématiquement, les axes d'aubes d'une roue à aubes de forme préférentielle; la figure 8 représente, schématiquement, en perspective, les aubes d'une roue à aubes d'une autre forme préférentielle; - la figure 9 représente, schématiquement, en élévation, le troisième mode de réalisation doté de moyens de freinage et de mise en mouvement de satellites de trains épicycloïdaux et - la figure 10 représente, sous forme d'un logigramme, des étapes de régulation de vitesse de rotation d'une génératrice mettant en oeuvre les moyens illustrés en figure 20 8. On observe, en figures 1 et 2, une éolienne 100 comportant une roue 110 à aubes 120, 125 et 130, d'axe 140, une génératrice 150 et une liaison mécanique 160 reliant l'axe de la roue à aubes 110 à l'axe de la génératrice 150. Dans ce premier mode de réalisation, une seule roue à aubes est mise en oeuvre et cette roue à aubes comporte trois aubes. La forme de ces aubes 120, 125 et 130, dont la coupe horizontale est sensiblement hémicirculaire est adaptée à ce que le vent entraîne la roue à aubes 110 en rotation, dans le sens des aiguilles d'une montre en figure 1. Grâce à la liaison mécanique débrayable 160, lorsque le vent est suffisant, la roue à aubes entraîne, dans sa rotation, l'axe de la génératrice 150 et celle-ci génère de l'électricité. La constitution et la commande d'embrayage de la liaison mécanique 160 étant bien connu de l'homme du métier des éoliennes, elles ne sont pas détaillées ici. On note que le nombre d'aubes par roue n'est pas nécessairement de trois mais peut être de deux, quatre ou plus. D'une manière générale, l'avantage de mettre en ceuvre une ou plusieurs roues à aubes est de réduire l'encombrement de l'éolienne, d'éviter de la positionner en hauteur, de réduire le bruit généré, de simplifier les procédures de maintenance et d'éviter d'avoir à orienter l'éolienne par rapport au vent. Tous ses avantages permettent d'installer des éoliennes conformes à la présente invention en zone urbaine ou péri-urbaine ou dans la nature sans la défigurer. De plus, le rendement par rapport à la surface balayée par chaque roue à aubes peut être très élevé. Lorsque chaque roue à aubes de l'éolienne comporte trois aubes, le rendement de la roue à aubes est élevé, tout en conservant une masse de la roue à aubes réduite. La section, perpendiculairement à l'axe de la roue à aubes, sensiblement en forme d'arc de cercle donne à chaque aube une bonne prise au vent lorsque sa forme en creux est tournée vers le vent et une faible prise au vent lorsque sa forme en creux est orientée en sens inverse. Préférentiellement, au moins une partie de chaque aube de chaque roue à aubes est réalisée en matériau composite pour réduire les coûts de fabrication et masse des aubes. On observe, en figures 3 et 4, une éolienne 200 comportant trois roues à aubes 220, 225 et 230, une génératrice 250, une liaison mécanique 260 reliant les axes des roues à aubes à l'axe de la génératrice 250 et un support 280 des axes des roues à aubes. Cette liaison mécanique 260 comporte trois trains épicycloïdaux 265, 270 et 275. Chacune des roues à aubes 220, 225 et 230 comporte trois aubes. On rappelle qu'un train épicycloïdal comporte une roue dentée intérieure, ici reliée à l'axe d'une roue à aubes, des satellites, ici trois, constitués de roues dentées entraînées par la roue dentée intérieure et une couronne extérieure sur laquelle engrènent les satellites. Les axes des satellites sont fixes ou mobiles et constituent un moyen de commande de la vitesse de rotation de l'axe de la génératrice, pour une large plage de vitesses de rotation des roues à aubes. Ainsi, lorsque les satellites ont des axes des satellites sont libres, la rotation d'une roue à aubes n'entraîne aucunement la rotation de l'axe de la génératrice. En revanche, lorsque les axes des satellites sont fixes, par rapport à l'éolienne, la rotation de l'axe d'une rue à aubes entraîne celle de l'axe de la génératrice avec un couple démultiplié par rapport à celui exercé par la roue à aubes sur la roue dentée intérieure. Enfin, lorsque les satellites sont fixes, c'est-à-dire qu'ils ne peuvent tourner autour de leur axe, lui-même libre en rotation, la rotation de la roue à aubes entraîne celle de l'axe de la génératrice avec un couple réduit. Lorsque l'éolienne comporte trois roues à aubes montées sur trois axes de rotation verticaux, la vitesse linéaire en extrémité des aubes est réduite, par rapport à celle atteinte, pour le même encombrement, avec une seule roue à aubes. Le bruit et les efforts mécaniques sont donc réduits. On observe, en figures 5 et 6, une éolienne 300 comportant trois roues à aubes 320, 325 et 330, une génératrice 350, une liaison mécanique 360 reliant les axes des roues à aubes à l'axe de la génératrice 350 et un support 380 des axes des roues à aubes. Cette liaison mécanique 360 comporte trois trains épicycloïdaux 365, 370 et 375. Chacune des roues à aubes 320, 325 et 330 comporte trois aubes. A la différence des premier et deuxième modes de réalisation, respectivement illustrés en figures 1 et 2, d'une part, et 3 et 4, d'autre part, dans lesquels la génératrice se trouve en dessous des roues à aubes, dans le troisième mode de réalisation, la génératrice 350 est positionnée entre les roues à aubes 320, 325 et 330. L'encombrement vertical de l'éolienne est ainsi réduit. La figure 7 illustre une forme préférentielle des aubes, en représentant les centres des formes hemi-circulaires des coupes des aubes: - chaque point de la courbe 420 est un centre d'un demi cercle formé par la coupe 10 d'une première aube par un plan horizontal; - chaque point de la courbe 425 est un centre d'un demi cercle formé par la coupe d'une deuxième aube par un plan horizontal et - chaque point de la courbe 430 est un centre d'un demi cercle formé par la coupe d'une troisième aube par un plan horizontal. Les coupes demi cercles des coupes en question ont, par chaque coupe, ses deux extrémités alignées avec un point de l'axe de la roue à aubes. On observe que chacune des aubes, et chacune des courbes 420 à 430, possède une forme générale hélicoïdale qui s'enroule autour de l'axe 440 de la roue à aube. Cette forme, qui ressemble, pour chaque aube, à un demi-cylindre qui aurait été rendu hélicoïdal (chacune de ses génératrices étant hélicoïdale et non plus droite) présente l'avantage que le croisement de l'aube d'une roue avec l'aube d'une autre roue provoque moins de perturbations aérodynamiques qu'une forme en demi- cylindre droit. De plus, quelle que soit sa position, la roue à aubes présente une prise au vent sensiblement égale et le moment des forces exercées par le vent, par rapport à l'axe de la roue, est uniformisé. En figure 7, les hélices possèdent un pas six fois plus grand que la hauteur d'une aube. Dans d'autres modes de réalisation, d'autres pas pourront être utilisés. Par exemple, en figure 8, le pas des hélices est égal à quatre fois la hauteur d'une aube. On observe, en figure 9, une éolienne 500 comportant trois roues à aubes 520, 525 et 530, une génératrice principale 550, une liaison mécanique à trains épicycloïdaux 565 et 570 (le troisième train épicycloïdal n'étant pas représenté) reliant les axes des roues à aubes à l'axe de la génératrice 550 et un support 580 des axes des roues à aubes. Par rapport à l'éolienne 200 illustrée en figure 4, l'éolienne 500 possède, en plus, pour chaque train épicycloïdal, un frein 585 et 590 permettant de freiner la rotation des axes des satellites et un moteur/génératrice secondaire 595 et 600 lié aux axes de rotation des satellites des trains épicycloïdaux. L'éolienne 500 comporte aussi un capteur 605 de vitesse de rotation d'au moins une roue à aubes et une carte de régulation (non représentée). Lorsque les freins 585 et 590 sont relâchés, les axes de rotation des satellites des trains épicycloïdaux sont libres et les satellites tournent avec l'axe des roues à aubes en s'engrenant sur les couronnes qui restent fixes sous l'effet du couple résistant de la génératrice. Lorsque les freins sont fermés, les axes de rotation des satellites sont fixes et les satellites transmettent les forces exercées par l'axe de la roue à aubes à la couronne et à l'axe de la génératrice. On observe que les mêmes effets de changement de rapport de vitesse de rotation de la roue à aubes et de l'arbre de la génératrice peuvent aussi être obtenus en associant la roue à aubes aux axes des satellites et la génératrice à la couronne ou en associant la roue à aubes à la roue dentée intérieure et la génératrice aux axes des satellites, en associant la roue à aubes aux axes des satellites et la génératrice à la roue dentée intérieure en associant la roue à aubes à la couronne et la génératrice aux axes des satellites ou en associant la roue à aubes à la couronne et la génératrice à la roue dentée intérieure. Dans ses modes de réalisation mettant en oeuvre au moins un train épicycloïdal, la présente invention ne se limite donc pas au mode de réalisation illustré aux figures mais, au contraire, s'étend à toutes les combinaisons de mouvements que permet l'utilisation de trains épicycloïdaux. Les moteurs/génératrices secondaires 595 et 600 comportent des sources d'énergies électriques, par exemple des batteries. Ils servent d'une part à accélérer le mouvement des satellites, lorsque le vent n'est pas suffisant ou à récupérer de l'énergie électrique lorsque le vent est très faible ou lorsque le vent est très fort, comme exposé en regard de la figure 10. La carte de régulation implémente les étapes illustrées en figures 10. On considère, en figure 10, qu'initialement, il n'y a pas de vent et que les freins sont relâchés. On observe, en figure 10, qu'en permanence, on mesure la vitesse de rotation de l'axe d'une roue à aubes, comme illustré par l'étape 905. Au cours d'une étape 910, on détermine si la vitesse de rotation de la roue à aubes est supérieure à une valeur prédéterminée. Sinon, on retourne à l'étape 910. Si le résultat de l'étape 910 est positif, au cours d'une étape 915, on serre les freins des axes de rotation des satellites, ce qui a pour effet d'entraîner les génératrices secondaires pour qu'elles génèrent de l'énergie électrique et l'emmagasine. Au cours d'une étape 920, on détermine si la vitesse de rotation est supérieure à une valeur nominale. Sinon, au cours d'une étape 925, on détermine si la vitesse de rotation des roues est inférieure à une troisième valeur seuil. Si oui, au cours d'une étape 930, on relâche les freins et on retourne à l'étape 905. Sinon, on retourne à l'étape 920. Si le résultat de l'étape 920 est positif, au cours d'une étape 935, on embraye la génératrice principale et, au cours d'une étape 940, on effectue une régulation de la vitesse de rotation de l'axe de la génératrice principale. A cet effet, on agit sur: - la génératrice principale, de manière classique dans les éoliennes, - le moteur/génératrice secondaire agissant soit en tant que moteur pour accélérer la vitesse de rotation de l'axe de la génératrice, soit en tant que génératrice pour freiner la vitesse de rotation de l'axe de la génératrice, et - sur le frein lorsque les autres moyens de régulation sont insuffisants. Au cours d'une étape 945, on détermine si les moyens de régulation peuvent continuer à réguler la vitesse pour que la génératrice génère de l'électricité. En effet, lorsque le vent faiblit en deçà d'un certain seuil ou forcit au delà d'un autre seuil, la régulation peut ne plus être suffisante. Si le résultat de l'étape 945 est positif, on retourne à l'étape 940. Sinon, au cours d'une étape 950, on débraye la génératrice principale et on retourne à l'étape 925. On observe que les moyens et étapes exposés ci-dessus peuvent aussi s'appliquer à des éoliennes de l'art antérieur dotées d'une hélice à axe horizontal pour réguler, avec un train épicycloïdal, un frein et un moyen de mise en mouvement d'une partie du train épicycloïdal, la vitesse de rotation de l'arbre de la génératrice et pour générer de l'électricité dans une plage étendue de vitesses ou forces de vent. REVENDICATIONS 1 - Eolienne (100, 200, 300, 500) caractérisée en ce qu'elle compote au moins une roue (110, 220, 225, 230, 320, 325, 330, 520, 525, 530) à aubes montée sur un axe de rotation vertical et une génératrice (150, 250, 350, 550) reliée mécaniquement à la roue à aubes. 2 Eolienne (200, 300, 500) selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte trois roues (220, 225, 230, 320, 325, 330, 520, 525, 530) à aubes montées sur trois axes de rotation verticaux. 3 Eolienne (100, 200, 300, 500) selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que chaque roue (110, 220, 225, 230, 320, 325, 330, 520, 525, 530) à aubes de l'éolienne comporte trois aubes (120, 125, 130). 4 Eolienne (100, 200, 300, 500) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que chaque aube (110, 220, 225, 230, 320, 325, 330, 520, 525, 530) présente une section, perpendiculairement à l'axe de la roue à aubes, sensiblement en forme d'arc de cercle. Eolienne (100, 200, 300, 500) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'au moins une partie de chaque aube de chaque roue à aubes est réalisée en matériau composite. 6 Eolienne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que chaque aube (420, 425, 430) présente une forme hélicoïdale dont l'axe est l'axe de la roue à aubes. 7 Eolienne (100, 200, 300) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comporte, pour chaque roue à aubes, un engrenage (160, 260, 360) reliant ladite roue à aubes et la génératrice (150, 250, 350). 8 Eolienne (100, 200, 300) selon la revendication 7, caractérisée en ce que chaque dit engrenage (160, 260, 360) comporte un train épicycloïdal (265, 270, 275, 365, 370, 375, 565, 570, 575). 9 Eolienne selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comporte un moyen de mise en mouvement (595, 600) de satellites dudit train épicycloïdal. 10 Eolienne selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisée en ce qu'elle comporte un frein (585, 590) pour freiner des satellites dudit train épicycloïdal.