Brevet FR2907517A1 — publié le 20080425

L'invention concerne une éolienne à axe de rotation vertical, et trouvera une application particulière, et non limitative comme éolienne marine, notamment flottante. Les éoliennes à axe vertical ont été principalement développées par l'ingénieur Darrieus. Elles ont été ensuite supplantées par les éoliennes à axe de rotation horizontal, installées d'abord sur terre, puis en mer, alors dites offshore . Actuellement, les éoliennes offshore sont installées sur des profondeurs marines peu importantes, le mât de l'éolienne étant simplement assujetti aux fonds marins notamment par battage ou par le biais de fondations coulées dans, ou posées sur le fond marin. On connaît par ailleurs du document WO-03/004869 une éolienne à axe horizontal flottante ou semi-flottante. Cette éolienne peut être ancrée sur des profondeurs marines plus importantes par l'intermédiaire de câbles et d'ancrages. La verticalité de la structure est assurée par des masses sous-marines importantes, sous le flotteur, prévues pour s'opposer à l'effet considérable du bras de levier des éoliennes à axe horizontal. On connaît également du document WO-03/089787 une éolienne flottante à axe vertical. Le rotor de l'éolienne comprend un mât de support et des pales verticales, et une partie sous-marine dans laquelle l'alternateur déporté en profondeur fait contrepoids pour stabiliser la verticalité de l'éolienne. Le centre de gravité du rotor est ainsi élevé, rendant instable ladite éolienne, notamment dans des conditions de houle importante. Egalement, l'utilisation de l'alternateur afin de faire contrepoids nécessite d'allonger de façon importante la longueur du rotor, ce qui pose des problèmes d'ordre vibratoire et de guidage pour le rotor. Par ailleurs, la rigidité de la voilure du rotor est critique, le rendement énergétique de l'éolienne n'étant pas optimum quelles que soient les vitesses du vent. Le but de la présente invention est de proposer une éolienne à axe vertical permettant de pallier les inconvénients précités en proposant une éolienne dont le centre de gravité du rotor est abaissé avec un rotor plus 2907517 compact. Un autre but de l'invention est de proposer une éolienne assurant un rendement énergétique optimum et ceci quelle que soit la vitesse du vent. 5 Un autre but de l'invention est de proposer une éolienne flottante dont la stabilité verticale, notamment dans les conditions de houle, est facilitée. Un autre but de l'invention est de proposer une éolienne de réalisation simple dont la structure support des pales est notamment peu 10 encombrante, de faible diamètre. D'autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, qui n'a pas pour but de la limiter. L'invention concerne une éolienne à axe de rotation vertical 15 comportant : - un rotor présentant au moins deux pales et un moyeu support des pales, - un générateur d'énergie, notamment un alternateur ou un électrolyseur, entraîné, directement ou indirectement, par le rotor. 20 Selon l'invention, l'éolienne est de type Darrieus sans mât de support des pales, chacune des pales étant assujettie directement à son extrémité inférieure audit moyeu, ou encore indirectement par l'intermédiaire d'un bras de déport. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description 25 suivante accompagnée des dessins en annexe parmi lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'une éolienne conforme à l'invention selon un premier mode de réalisation (rotor à trois pales présentant un allongement curviligne continu et un flotteur sphérique), la figure 2 est une vue partielle de face d'une pale conforme 30 à l'invention selon un second mode de réalisation (rotor dont les pales présentent un allongement rectiligne et brisé), 2 2907517 3 - la figure 3 est une vue d'une pale d'une éolienne telle qu'illustrée à la figure 1, la figure 4 est une vue partielle d'un dispositif de calage actionné par un mécanisme à piston prévu pour une éolienne telle qu'illustrée 5 à la figure 1 ou à la figure 2, - la figure 5 représente schématiquement une alternative du dispositif de calage comportant un réducteur épicycloïdal, - la figure 6 est une vue de coupe illustrant un générateur d'énergie composé par un alternateur à attaque indirecte, 10 - la figure 7 est une vue de coupe illustrant un générateur d'énergie constitué par un alternateur à attaque directe, de type discoïde, - la figure 8 est une vue schématique partielle illustrant une éolienne conforme à l'invention selon un troisième mode de réalisation, pour laquelle chaque pale est assujettie indirectement au moyeu par l'intermédiaire 15 d'un bras de déport, - la figure 9 est une vue schématique du moyeu et du bras de déport tels qu'illustrés à la figure 8. L'invention concerne une éolienne 1 à axe de rotation vertical comportant : 20 - un rotor 2 présentant au moins deux pales 3 et un moyeu 4 support des pales, - un générateur d'énergie 5, notamment d'électricité, entraîné, directement ou indirectement, par le rotor. On entend par moyeu une pièce centrale du rotor. Le moyeu 4 25 n'assure pas le déport radial de chacune des pales par rapport à l'axe de rotation du rotor de l'éolienne. Selon l'invention, l'éolienne est de type Darrieus, sans mât de support des pales, chacune des pales 3, 31, 32 étant assujettie directement à son extrémité inférieure audit moyeu, ou encore indirectement par 30 l'intermédiaire d'un bras de déport 30. Le moyeu 4 n'assurant pas le déport radial de la pale par 2907517 4 rapport à l'axe de rotation du rotor, le couple induit sur le rotor par le vent sera obtenu par l'intermédiaire des bras de déport 30 joignant chacun l'extrémité inférieure de ladite pale 3 audit moyeu 4, tels qu'illustrés avec l'exemple de réalisation des figures 8 et 9, ou encore par la forme même de la pale dont 5 l'allongement s'écarte de l'axe de rotation dudit rotor, telle qu'illustrée aux figures 1 à 4. Le cas échéant, ces deux techniques pourront être combinées. Notamment lorsque les pales sont assujetties directement au moyeu, telles qu'illustrées aux figures 1 et 2, chacune des pales 31, 32 peut présenter un profil concave, orienté côté intérieur au rotor 2, tel qu'illustré à la 10 figure 1 ou à la figure 2. Le rotor 2 est ainsi évasé, la distance d d'un point de la pale à l'axe de rotation 6 du rotor étant croissant, strictement ou non suivant la hauteur du rotor 2. Dans le cas de pales déformables, cette condition sur la distance d sera respectée au moins en période de fonctionnement de 15 l'éolienne, période pendant laquelle le rotor est soumis aux forces centrifuges. Par ailleurs, l'extrémité distale des pales peut être pourvue d'ailerons 19 conçues pour limiter les turbulences en bout de pales. Ces ailerons peuvent être notamment orientées vers l'intérieur du rotor mais ne sont pas comptées comme faisant partie de la hauteur h du rotor 20 concernant la condition précédemment énoncée sur la distance d . En outre, afin d'augmenter le rendement de chaque pale, les profils aérodynamiques de ces dernières peuvent présenter un angle de calage propre variable suivant la hauteur de ladite pale, fonction de la distance d du point de la pale à l'axe de rotation du rotor afin d'optimiser les triangles de 25 vitesse et donc le rendement des profils. Par ailleurs, sur la figure 2, le calage des profils aérodynamiques de la section 81 ou 82 de la pale pourra être amené à varier même si cette section se trouve au repos à une distance d constante de l'axe 20 du rotor, afin de prendre en compte les déformations des sections sous l'effet des forces centrifuges. 30 Telle qu'illustrée à la figure 2, ou encore à la figure 3, chaque pale peut être formée par un profil aérodynamique généré le long d'un ou de 2907517 5 deux segments, avec d'une part au moins un segment oblique 71, 72 inférieur, défini par un angle moyen [3 par rapport à l'horizontale compris entre 0 et 90 exclu, et d'autre part, un segment supérieur 81, 82, optionnel, incliné d'un angle moyen y par rapport à l'horizontale supérieur strictement à l'angle R, 5 notamment compris entre 0 et 90 compris. Dans le cas d'une pale générée le long de deux segments, notamment tels qu'illustrés à la figure 2, le segment oblique 71, permet de déporter le segment supérieur 81 horizontalement d'une distance dp par rapport à un axe vertical 20 de rotation de la pale 3 par rapport au moyeu 4 10 passant par l'extrémité inférieure de la pale. De la même façon à la figure 3, le segment inférieur oblique 72 permet de déporter le segment supérieur 82. Avantageusement, les segments supérieurs 81, 82, de plus grand rayon par rapport à l'axe de rotation du rotor, peuvent être de longueurs sensiblement supérieures aux segments inférieurs 71 , 72. 15 Selon un mode de réalisation tel qu'illustré à la figure 2, le segment oblique 71,et le cas échéant le segment supérieur 81 sont rectilignes. La pale illustrée à la figure 2 peut être de structure intégralement métallique, ou de structure intégralement composite, ou encore de structure hybride alliant des matériaux métalliques et composites. 20 Selon un autre mode de réalisation illustré à la figure 3, le segment oblique 72 et le cas échéant, le segment supérieur 82 sont curvilignes. Chaque pale 31 présente un allongement curviligne, sans cassure afin de minimiser les concentrations de contraintes. Notamment dans le cas d'une pale générée le long de deux segments curvilignes, la zone de raccordement 25 entre les deux segments est sans cassure, continue. La corde de la pale, à savoir la dimension entre le bord d'attaque et le bord de fuite, peut avantageusement être variable, notamment décroissante suivant la hauteur de la pale telle qu'illustrée à la figure 3. L'éolienne peut présenter, en outre, un dispositif permettant de 30 limiter la déformation des pales 31 lorsque le rotor 2 est soumis aux forces centrifuges de rotation. 2907517 6 Tel qu'illustré à la figure 1, ce dispositif peut prendre la forme d'un lien assujettissant les pales entre elles à n'importe quelle hauteur, mais de façon avantageuse vers le sommet, notamment au sommet des segments 81 ou 82, par exemple au niveau de l'aileron 19. Tel qu'illustré ce lien peut 5 présenter une conformation étoilée. Selon un autre exemple, le lien assujettissant la partie haute d'une pale pourrait être raccordé aux parties basses d'une autre pale, ou des autres pales. Le lien peut être constitué notamment par un câble. Le rotor peut présenter, en outre, un dispositif de calage 10 10 permettant de régler l'orientation des pales ou à tout le moins l'orientation d'un segment supérieur des pales, en fonction de la vitesse du vent. Ce dispositif de calage peut comprendre un capteur permettant la mesure de la vitesse du vent, tel qu'un anémomètre, ou encore coopérer avec un tel capteur pour permettre l'asservissement de l'orientation de 15 chacune des pales en fonction de la valeur de vitesse mesurée. Avantageusement, tel qu'illustré à la figure 4, le rotor 2 peut présenter des moyens 9 d'articulation des pales 31 par rapport au moyeu 4 suivant au moins un axe de rotation vertical. Notamment, telle qu'illustrée à la figure 4, chaque pale présente son propre axe de rotation vertical. 20 Selon un autre mode de réalisation illustré aux figures 8 et 9, le rotor 2 peut présenter des moyens d'articulation de pale 3 par rapport au bras de déport 30, notamment constitués par un axe de rotation 15. Selon un autre mode de réalisation, non illustré, dans le cas d'une pale comportant un segment oblique inférieur 71 ou 72, et un segment 25 supérieur 81, 82, le rotor 2 pourra présenter des moyens d'articulation du segment supérieur 81 ou 82 des pales par rapport au segment inférieur 71 ou 72 respectivement. Ces moyens d'articulation pourront être constitués par un tourillon à l'extrémité supérieure du segment inférieur 71 ou 72, engageant en 30 rotation avec un alésage, notamment pourvu d'un palier, de l'extrémité inférieure du segment supérieur 81 ou 82. 2907517 7 Le dispositif de calage 10 peut présenter au moins un actionneur, tel qu'un servo moteur ou encore un vérin permettant d'entraîner en rotation les pales, ou, à tout le moins, le segment supérieur des pales 81, 82, notamment par l'intermédiaire de moyens de transmission tels que 5 notamment came, câble, engrenage, cardan, arbre de transmission, ou autres organes similaires. Tel qu'illustré à la figure 2, le moyeu 4 support des pales peut prendre la forme d'un plateau muni d'axes destinés à la rotation des pales 31. Chaque pale 31 présente à son extrémité inférieure une reprise d'insert apte à 10 coopérer en pivot avec ledit axe de rotation 15. Tel qu'illustré à la figure 4, selon un exemple, le dispositif de calage peut être constitué par un mécanisme à piston, chaque piston 11 étant articulé à ses extrémités notamment entre ledit moyeu 4 et l'une des pales 31. Selon un autre exemple de réalisation, non illustré, le dispositif 15 de calage peut être constitué par un mécanisme intégrant une came assujettie aux moyens d'articulation de chacune des pales, ladite came étant mise en rotation par un piston articulé entre ledit moyeu et ladite came. Selon un autre mode de réalisation, le dispositif de calage 10 peut être constitué par un mécanisme comprenant un engrenage de type 20 épicycloïdal. L'engrenage épicycloïdal, tel qu'illustré à la figure 5 comprend un planétaire 12 d'entraînement, et des pignons satellites 13 assujettis aux pales. Avantageusement, le rotor 2 peut présenter trois pales permettant d'éviter les a-coups d'un système à deux pales. Selon un mode de réalisation, l'éolienne peut être une éolienne 25 terrestre ou encore une éolienne marine, présentant au moins un flotteur 14. On entend par flotteur un corps plus léger que l'eau permettant au moins au rotor de l'éolienne de rester hors de l'eau. Toutefois, le flotteur 14 peut être en tout ou partie immergé. Avantageusement, l'éolienne peut présenter un unique flotteur 30 de forme adaptée, sphérique, ovoïde, ellipsoïde ou torique, ou toute combinaison de ces formes de base, la forme du flotteur étant 2907517 8 avantageusement choisie de sorte que le mouvement du centre de poussée induit par l'inclinaison du flotteur par rapport au plan d'eau ne déstabilise pas le flotteur, voire assure la stabilité du flotteur en favorisant le retour de ce dernier dans sa position d'équilibre. 5 Selon un exemple de réalisation, l'unique flotteur peut être de forme ovoïde, ellipsoïde, torique ou encore de manière préférentielle de type sphérique ou semi-sphérique. Avantageusement, le moyeu support 4, notamment le plateau, est assujetti au flotteur par le biais d'un système de roulement ou de paliers, 10 fixé rigidement à la structure du flotteur. Ce système de roulement ou de paliers permet de guider le rotor en rotation, éventuellement en empêchant tout mouvement de translation du rotor selon la direction de l'axe de rotation 20 du rotor. La stabilisation verticale de l'éolienne peut être assurée au 15 moins en partie par des câbles de contrainte assujettis sur le pourtour du flotteur. La stabilisation verticale pourra être complétée en outre par au moins un lest suspendu par une liaison souple sous le flotteur concerné, ou encore par un lest assujetti de manière rigide sous le flotteur formant une quille, ou encore par un lest 21 intégré dans la structure du flotteur, sur le fond. 20 Le générateur d'énergie peut être un alternateur, une dynamo ou encore un électrolyseur. Le rotor 2 de l'éolienne peut présenter un arbre de transmission assujetti au moyeu 4, apte à transmettre le couple de rotation du rotor 2 au générateur d'énergie. Le générateur d'énergie, notamment logé de 25 manière étanche dans ledit au moins un flotteur 14 peut être à attaque indirecte, l'éolienne présentant un mécanisme réducteur ou encore un mécanisme amplificateur disposé entre le rotor et ledit alternateur. L'alternateur peut être à attaque directe, notamment de type discoïde, c'est-à-dire que le rotor et l'alternateur se trouvent à la même vitesse. 30 Naturellement, d'autres modes de réalisation et/ou d'autres applications, à la portée de l'homme de l'art, auraient également pu être 2907517 9 envisagés sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Éolienne (1) à axe de rotation vertical comportant : - un rotor (2) présentant au moins deux pales (3) et un moyeu (4) support des pales, - un générateur d'énergie (5), notamment d'électricité, entraîné, directement ou indirectement, par le rotor, caractérisé en ce que l'éolienne est de type Darrieus, sans mât de support des pales, chacune des pales (3, 31,32) étant assujettie directement à son extrémité inférieure audit moyeu (4), ou encore indirectement par l'intermédiaire d'un bras de déport (30). 2. Éolienne selon la revendication 1, dans laquelle chacune des pales (3) présente un profil concave, côté intérieur au rotor (2), et dans laquelle le rotor (2) est évasé, la distance d d'un point de la pale à l'axe de rotation (6) du rotor étant croissant, strictement ou non, suivant la hauteur du rotor, au moins en période de fonctionnement pendant laquelle le rotor est soumis aux forces centrifuges. 3. Éolienne selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle chaque pale (3) est formée par un profil aérodynamique généré le long d'un ou de deux segments, avec d'une part, au moins un segment oblique (71; 72), inférieur, défini par un angle moyen 13 par rapport à l'horizontal compris entre 0 et 90 exclus , et d'autre part, un segment supérieur (81; 82), optionnel , incliné d'un angle moyen y par rapport à l'horizontale supérieur strictement à l'angle 13. 4. Éolienne selon la revendication 3, dans lequel le segment oblique (71), et le cas échéant le segment supérieur (81) sont rectilignes. 5. Éolienne selon la revendication 3, dans laquelle le segment oblique (72) et, le cas échéant le segment supérieur (82) sont curvilignes, chaque pale (31) présentant un profil aérodynamique curviligne, sans cassure, afin de minimiser les concentrations de contrainte. 6. Éolienne selon l'une des revendications 1 à 5, présentant, en outre, un dispositif permettant de limiter la déformation des pales lorsque le 2907517 11 rotor est soumis aux forces centrifuges, constitué par au moins un lien entre lesdites pales. 7. Éolienne selon l'une des revendications 1 à 6, présentant un dispositif de calage (10) permettant de régler l'orientation des pales (3 ; 31 ; 32), 5 ou à tout le moins l'orientation du segment supérieur (81 ; 82) des pales, en fonction de la vitesse du vent, le rotor (2) présentant des moyens d'articulation des pales par rapport au moyeu (4), ou encore des moyens d'articulation (19) des pales par rapport au bras de déport (30), ou encore des moyens d'articulation d'un segment supérieur (81 ; 82) de pale par rapport au segment 10 inférieur (71 ; 72). 8. Eolienne selon la revendication 7, dans laquelle le dispositif de calage (10) présente un actionneur tel qu'un servo moteur ou un vérin permettant d'entraîner en rotation les pales, ou à tout le moins le segment supérieur (81 ; 82) des pales, le cas échéant, par l'intermédiaire de moyens de 15 transmission tels que cames, câbles, engrenages, cardans, arbres de transmission ou autres organes de transmission similaires. 9. Éolienne selon la revendication 7 ou 8, dans laquelle le moyeu (4) support prend la forme d'un plateau muni d'axes de rotation (15), chaque pale (31) présentant à son extrémité inférieure une reprise d'insert (16) 20 apte à coopérer en pivot avec ledit axe de rotation, et permettant la mise en oeuvre du dispositif de calage constitué, en outre, soit par un mécanisme à piston(s), chaque piston (11) étant articulé à ses extrémités entre ledit moyeu (4) et l'une des pales (31), soit par un mécanisme intégrant une came assujettie aux moyens d'articulation de chacune des pales et mise en rotation 25 par un piston articulé entre ledit moyeu (4) et ladite came, soit encore par un mécanisme comprenant un engrenage de type épicycloïdal avec un planétaire (12) d'entraînement, et des pignons satellites (13) assujettis aux pales. 10. Éolienne selon l'une des revendications 1 à 9, dans laquelle l'éolienne est une éolienne marine et présente au moins un flotteur 30 (14), flotteur qui s'il est unique présente une forme adaptée, la forme du flotteur étant avantageusement choisie de sorte que le mouvement du centre 2907517 12 de poussée induit par l'inclinaison du flotteur par rapport au plan d'eau ne déstabilise pas le flotteur, voire assure la stabilité verticale du flotteur en favorisant le retour de ce dernier dans sa position d'équilibre.