Brevet FR2899652A1 — publié le 20071012

ETAT ANTERIEUR La quasi-totalité des éoliennes modernes sont faites désormais de la même façon : un rotor tripale face au vent. Ces éoliennes à axe horizontal doivent leur succès commercial aux larges investissements qui leur ont été consacrés. Ceci n'enlève rien aux nouvelles potentialités réalistes des éoliennes à axe vertical. La porte reste donc ouverte aux nouvelles conceptions pour leur réalisation dans la mesure où elles apporteront un mieux. Les petits modèles d'éoliennes à axe vertical connaissent actuellement un regain d'intérêt et l'on en voit naître de nouvelles très diverses. Parmi ces éoliennes, nous trouvons celles répondant au type SAVONIUS où les aubes sont parfois réparties symétriquement à la périphérie d'un tambour. Leur rotation est rendue possible par la différence des forces exercées par le vent sur la cavité des aubes (intrados) : force motrice positive, et sur le dos de ces aubes (extrados) : force négative, ou frein. Différents artifices ont été utilisés pour diminuer au maximum la force négative du frein : soit en canalisant l'air là où il freinerait le moins le mécanisme, soit en faisant varier la surface utile des aubes selon qu'elles se présentent dans le sens du vent avec un maximum d'ouverture pour favoriser la force motrice positive, ou face au vent avec un minimum d'ouverture lui donnant un profil aérodynamique en diminuant la force négative du frein. *** INNOVATION Nous proposons une éolienne rattachée au type général de SAVONIUS (machine à traînée). Cette nouvelle éolienne, grâce à sa forme sphérique, donne un rendement intéressant. 25 Elle ressemble aux boules extractrices d'air placées sur les cheminées. - 1 10 15 20 2899652 _2_ Pour y parvenir, la conception d'une nouvelle ossature du rotor en forme de sphère géodésique est nécessaire. A l'image de notre planète, nous pouvons attribuer à cette sphère, figure 14, les mêmes appellations de cartographie : 5 - pôle nord (23) pour le sommet axial de la sphère, - pôle sud (24) pour le sommet opposé, - méridiens (20) pour les grands cercles périphériques rejoignant les pôles et, par extension, pour les lignes obliques dérivant directement de ces méridiens, - équateur (25) pour le cercle horizontal le plus éloigné de l'axe vertical, -parallèles (17) pour les lignes circulaires horizontales parallèles à l'équateur. * * * SPHERES Plusieurs procédés nous permettent de réaliser cette sphère. 1) Selon la figure 11, par un assemblage d'un certain nombre de méridiens pouvant être matérialisés par des tubes cintrés en demi-cercle (20) régulièrement répartis sur un 15 cercle équatorial. Ces méridiens divisent la sphère en fuseaux égaux à l'exemple des tranches d'une orange. Pour consolider ce montage, il est utile de relier ces méridiens entre eux par plusieurs parallèles (17) également matérialisés par des tubes cintrés. Ceci donne un maillage trapézoïdal en surface de la sphère. 20 Des cloisons peuvent être montées entre ces méridiens et un axe central vertical dont elles seraient solidaires. Dans les trois exemples suivants, l'architecture de la sphère géodésique peut découler de tout polyèdre régulier convexe pouvant s'inscrire dans une sphère, notamment le tetraèdre, l'octaèdre et l'icosaèdre. Notons que d'après le polyèdre d'origine, nous 5 avons un nombre différent de facettes, d'arêtes et de sommets. 2) En partant par exemple, figure 4, de l'icosaèdre (polyèdre à vingt faces), la prolongation des trente arêtes par des cloisons vers le centre d'une part et vers la sphère fictive circonscrite d'autre part, puis la suppression de l'enveloppe de ce polyèdre nous donnent, pour finir, une sphère creuse divisée en vingt cavités égales. 30 Chacune des cavités de cette sphère fictive est un tétraèdre ayant pour base une portion triangulée équilatérale et bombée. Les trente arêtes, en surface de la sphère, constituent un maillage triangulé et bombé. Les douze sommets représentent des noeuds en étoiles (7). -3- 3) La sphère peut aussi être réalisée, figure 8, par la construction et l'assemblage côte à côte de troncs de tétraèdres identiques, figure 2, dont les bases équilatérales épousent la surface des sphères fictives inscrites et circonscrites. Ces troncs de tétraèdres sont constitués, figure 1, par trois arcs de zone sphérique ..S d'égale longueur (AB=BCBD), de hauteur adaptée, et refermés sur eux-mêmes de façon triangulée, figure 2. Dans ce cas de figure issu de l'icosaèdre, vingt troncs de tétraèdres sont nécessaires pour construire la sphère, figure 4, et, dans la cavité centrale, on peut loger ou inscrire une autre sphère. 4) La sphère peut aussi provenir d'un assemblage de tubes cintrés représentant les arêtes, figure 9. La liaison de ces tubes peut être assurée par des manchons en étoile, figure 6, à embouts mâles (4) ou femelles. Ceux-ci, pouvant liaisonner l'extrémité de trois ou six tubes, constituent donc les noeuds ou sommets de l'icosaèdre et peuvent présenter une 15 silhouette plane, conique ou sphérique. Ces manchons radiaires ont aussi un passage axial (3) ou un embout axial (mâle ou femelle). On obtient ainsi une ossature de sphère faite d'un maillage en nid d'abeille triangulé de façon équilatérale et bombé. Sur les figures annexées, ces manchons sont remplacés par des boules (32) percées du Z0 nombre de trous désirés. Le procédé est d'une réalisation plus aisée. Pour ces différents modèles, cette architecture sphérique et triangulée assure une bonne rigidité de l'ossature. Grâce aux procédés 2, 3 et 4 pour la conception de sphères, nous obtenons, en construction géodésique, des sphères, figure 5, dont le nombre de facettes fictives est multiplié par quatre. Chacune de ces facettes triangulée et bombée est divisée en trois facettes triangulées égales et bombées (18) avec une arête rectiligne et une facette centrale (19) plane, équilatérale. Ces quatre facettes étant bien entendu fictives, Pour cette sphère, figure 5, chacune des portions triangulées équilatérales et bombées du maillage peut être divisée en quatre quartiers triangulés bombés égaux , en ajoutant des parallèles el des méridiens pour diviser par deux les arcs de chaque facette . Ceci nous donne alors quatre vingt facettes fictives. Cette division peut être poursuivie et ainsi on multiplie par quatre le nombre de facettes à chaque division. 3e Ci-dessous, nous trouvons un tableau récapitulatif donnant les divisions successives des facettes de cette structure sphérique et géodésique selon le polyèdre à l'origine de ces sphères circonscrites et fictives. 0 1. Z5' 30 10 15 20 2s 30 2899652 -4 POLYEDRE à ORIGINE le" division 2ème division Sème division l'origine des sphères facettes facettes Facettes facettes facettes _ circonscrites planes géodé- planes géodé- planes facettes siques siques géodé- siques Tétraèdre 4 16 16 64 64 256 Octaèdre 8 32 32 128 128 512 Icosaèdre 20 80 80 320 320 1280 La lecture de ce tableau nous montre , par exemple pour la sphère issue de l'icosaèdre et après une première division par deux, que l'on obtient 320 facettes dont 80 d'entre elles sont planes et équilatérales et les 240 autres sont triangulées et bombées avec l'un des côtés en ligne droite. La matérialisation de ces facettes fictives géodésiques conviendrait pour la réalisation d'un nouveau genre de coupole. Elle permettrait également de fabriquer des balles aux multiples facettes. Ces balles auraient la particularité, une fois lancées, de rouler moins loin. Ceci permettrait aux enfants de mieux garder le contrôle de la balle : leur sécurité y gagnerait. Nous remarquerons, pour ces balles, un même nombre d'arêtes droites et d'arêtes courbes. Ces balles, de formes géodésiques sont à rapprocher des balles de golf dotées de quatre cents alvéoles environ. Un autre domaine serait la réalisation de bijoux avec un assemblage de troncs de tétraèdres et ceci permettrait d'y loger soit une perle centrale soit un autre objet, sphérique ou d'une autre forme. * * * ROTORS A partir de ces quatre exemples de sphère, nous pouvons construire au moins trois modèles de rotor avec plusieurs variantes : 1) en fixant ces sphères d'un seul côté au moyen d'un palier à l'exemple d'un tambour de machine à laver frontale (à ouverture par le devant) ; 2) en reliant par un axe transversal deux pôles ou deux facettes diamétralement opposés, figure 8 ; 3) pour les sphères réalisées avec des tubes, figure 9, ou des troncs de tétraèdres, figure 8, on réalise le rotor en reliant les noeuds (7) ou sommets en étoile à un moyeu central (5) par une pluralité de rayons (6), puis en reliant ce moyeu à un axe (8). Le passage axial des manchons ou leur embout axial permet ici le passage et la fixation des rayons allant au moyeu. EOLIENNES A partir de ce type de rotor, nous proposons une nouvelle conception d'éolienne à axe vertical. Ceci sera rendu possible en fixant des aubes ou des canaux (2), figure 3, sur les tubes ou sur les cloisons périphériques (méridiens verticaux et obliques). S Ces aubes peuvent être construites, figure 1, au moyen des arcs de zone sphérique (EF, E'F') que nous replions suivant l'axe (HI).Toutes ces aubes ou canaux auront leurs cavités orientées (9) dans le même sens circulaire. Ces aubes ou canaux cintrés, figure 7, en forme de V ou d'auges, peuvent présenter une dissymétrie : le côté proche du centre étant généralement plus allongé de façon à mieux garder le fluide. Pour augmenter le rendement de l'éolienne, le choix des aubes ou canaux est primordial. Ces aubes ou canaux auront de la souplesse et de l'élasticité sur les côtés pour leur permettre de s'ouvrir légèrement (Z) lorsque le vent y rentre dans l'intrados (9), et de se refermer légèrement lorsque l'aube remonte contre le vent en lui présentant son dos (extrados) (10) au profil plus aérodynamique. On fait ainsi varier sensiblement les surfaces des aubes ou canaux. Ceux-ci, fixés sur les tubes ou sur les cloisons du maillage, épousent ainsi les les courbures de la sphère. Ces aubes ou canaux, en arc de cercle, pourront être composés en plusieurs tronçons pour en augmenter la souplesse. 20 Les arêtes horizontales (parallèles) (17) peuvent être supprimées si cela ne nuit pas à la robustesse de l'ossature. Ceci permettrait de réduire la traînée L'un des atouts en faveur du rendement produit par cette éolienne sphérique est qu'une partie du fluide, attaquant le rotor sur l'intrados, sera guidée le long des canaux ou aubes vers la région de l'équateur (25) où la pression de ce fluide exercera une poussée plus forte, vu l'éloignement de l'axe central. A l'opposé, l'aube remontant le vent en lui présentant son dos (extrados) au profil aérodynamique laissera filer le vent en lui offrant moins de résistance. En supposant le vent venant de face : - la figure 13 représente la circulation de l'air dans une éolienne à vingt aubes ou 30 canaux ; - la figure 14 représente la circulation de l'air dans une éolienne à quatre vingt aubes ou canaux. La vitesse linéaire du rotor à l'équateur est plus importante. Ceci favorise l'écoulement du fluide et, de ce fait, le fluide venant de la direction des pôles (23, 24) est aspiré à 35 cause de la dépression relative dans la zone de l'équateur par rapport à la pression plus forte exercée ailleurs. 25 2899652 - 6- Cette pression augmente au fur et à mesure que l'on se rapproche des pôles car, la vitesse linéaire du rotor y étant plus faible, ceci crée une résistance plus grande des aubes ou canaux, d'où l'élévation de la pression dans ces zones. La similitude de la circulation de l'air dans les aubes ou canaux de cette sphère (figure 14) et des mouvements de l'air autour de notre planète est significative : ceci fait penser à la "force de CORIOLIS". On retrouve des fortes pressions polaires et des basses pressions équatoriales. Ces deux facteurs contribuent à améliorer le rendement d'une telle éolienne. Cette éolienne sphérique inédite à axe vertical a aussi d'autres points forts en rapport 10 aux conceptions actuellement connues : - robustesse due à sa structure en nid d'abeille triangulé ; - fabrication à moindre coût ; - stabilité, car absence de porte-à-faux et sans à-coups dans la rotation ; - sécurité accrue pour les petits modèles, équipant les bateaux notamment ; 15' - meilleure intégration dans le paysage de par sa forme arrondie et rotation moins prenante au regard ; - niveau sonore plus faible ; - transport facilité de par la composition de ses éléments ; - sa forme plus pleine lui permet d'être mieux remarquée par les oiseaux et ces aO derniers l'éviteront plus facilement ; - haubanage possible pour réduire l'importance du mât. Si le rendement d'une telle éolienne s'avérait satisfaisant, il serait permis d'extrapoler pour imaginer et concevoir des modèles aussi grands que le permet la technologie en vigueur. Pour la réalisation possible d'une éolienne de grande taille, figure 12, le rotor pourrait être divisé en deux hémisphères séparés par le plan équatorial. Cette conception permet de faciliter son montage et son éventuel démontage. L'hémisphère supérieur (11) serait d'abord monté et viendrait s'appuyer sur la tête (13) du mât porteur (26). Cette tête de mât, s'apparentant à une tête de fémur, serait équipée d'un système de roulement (14) avec lubrification continuelle. L'ensemble de la tête serait contenu dans un carter étanche pour retenir les produits lubrifiants. L'hémisphère inférieur (12) supporterait de façon torique et axialement le rotor (15) de la génératrice de courant. Le stator (16) ceinturerait le mât en faisant corps avec lui et serait fixé juste en dessous de la tête du mât porteur. Cet hémisphère serait suspendu au premier et les deux 3 5 hémisphères seraient raccordés sur le plan équatorial par un système d'attaches appropriées. Les petites et moyennes éoliennes seraient d'un seul tenant et la transmission de la force motrice se ferait directement du moyeu vers l'unité de transformation par l'intermédiaire d'un arbre. Le moyeu, porteur de l'ensemble, reposerait sur le mât par l'intermédiaire d'un roulement conique adapté permettant le passage de l'arbre de transmission. 5 25 30 5 15 20 L'architecture du rotor sphérique à maillage triangulé, réalisé soit par des tubes soit par des troncs de tétraèdre, mais sans moyeu central et sans rayon, rend possible la construction de deux rotors sphériques et concentriques, figure 15, (28 et 29) fixés sur le même axe (31) grâce à des paliers. Ces rotors seront contrarotatifs en donnant aux aubes ou canaux un sens de rotation contraire grâce à une orientation opposée. Le vent, figure 16, venant sur le dos (extrados) (10) des aubes sera dévié (S) vers la cavité (9) des aubes ou canaux (intrados) de la sphère interne (28) et ceci permettra la rotation de cette sphère. Celle-ci (28) peut être raccordée à un moyeu central au moyen de rayons. Ces deux rotors peuvent également comporter une génératrice par des éléments moteurs placés de façon tor ique sur le pourtour des rotors dans leur plan équatorial. L'un des éléments de la génératrice est solidaire de la face interne du rotor extérieur (29) et l'autre du rotor intérieur (30). La transmission du courant se ferait alors par un système de balais communiquant avec l'arbre porteur (31). A noter aussi qu'on peut envisager d'appliquer cette architecture du système de rotor sphérique aux hydroliennes pour tirer parti des courants d'eau et aux turbines de propulsion. Les hydroliennes, placée en milieu maritime, doivent fonctionner avec des courants d'eau s'inversant par le fait des marées. Ce rotor sphérique peut répondre à cet impératif à condition d'adapter les aubes ou canaux à cet autre fluide qu'est l'eau et dont la viscosité est très différente. Les turbines de propulsion auront la même conception que les hydroliennes mais le profil et la forme de leurs aubes ou canaux seront adaptés à leur rotation beaucoup plus rapide. Ces turbines nécessiteront d'être logées dans un carter en forme de cylindre, doté d'une cavité sphérique centrale dont le carénage sera adapté à cette fonction de propulsion. REVENDICATIONS 1. Eolienne à axe vertical, d'aspect sphérique, caractérisée par le fait que son ossature sphérique géodésique est constituée d'un assemblage de troncs de tétraèdres identiques dont les bases équilatérales épousent la surface des sphères fictives inscrites et circonscrites à ces troncs de tétraèdres, ou d'un maillage triangulé ou trapézoïdal et bombé, et qu'une partie de ce maillage supporte un réseau d'aubes (2) qui constituent des canaux pour guider l'air le long des méridiens (20) droits ou obliques depuis la région des pôles vers l'équateur. 2. Eolienne, selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ces aubes ou canaux (2) sont cintrés, que la cavité, en coupe, est en forme de V ou d'auges, et que leurs 1(7 côtés sont effilés ou élastiques (Z). 3. Eolienne, selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que le rotor sphérique a : - soit un de ses sommets ou une de ses facettes relié à un axe par l'intermédiaire d'un palier ; - soit deux sommets ou facettes diamétralement opposés reliés par un axe transversal (8) ; - soit les noeuds ou sommets (7) de cette construction reliés par un réseau de rayons (6) à un moyeu central (5) solidaire d'un axe (8). 4. Eolienne sphérique, selon la revendication 1, caractérisée : 20 - par le fait qu'elle se compose de deux hémisphères (11, 12) raccordés sur le plan équatorial (25) et dont l'hémisphère nord pivote sur la tête (13) du mât ; - par le fait que sa génératrice de courant a son stator (16) fixé autour de la partie haute du mât et que son rotor (15) est supporté par l'hémisphère sud dans la partie faisant vis-à-vis au stator de façon torique. 2.5 5. Eolienne, selon la revendication 1, caractérisée : - par le fait qu'elle a deux rotors concentriques, coaxiaux et contrarotatifs (27, 28) car fixés sur un même axe (31) grâce à des roulements ; - par le fait que les canaux ou aubes (2) des rotors (27, 28) ont une orientation opposée pour donner un sens de rotation contraire. 15. Eolienne, selon la revendication 5, caractérisée par le fait qu'une génératrice de courant est placée sur le pourtour des rotors dans le sens équatorial : l'un des éléments de la génératrice (29) est solidaire de la face interne du rotor extérieur et l'autre partie (30) de la génératrice est solidaire du rotor intérieur. 7. Architecture d'un système sphérique géodésique pour la réalisation d'un rotor d'éolienne selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait que son ossature est constituée : - soit par un modèle d'assemblage de troncs de tétraèdres identiques dont les bases O équilatérales épousent la surface des sphères fictives inscrites et circonscrites à ces troncs de tétraèdres ; - soit par un modèle de maillage triangulé de façon équilatérale et bombée, ou encore trapézoïdal et bombé.