Brevet FR2901580A1 — publié le 20071130

- 2 - et d'autre d'un plan de séparation comprenant les bords périphériques et centraux des pales et l'axe de rotation, les pales se chevauchant de façon à créer un passage central permettant l'écoulement d'un flux d'air entre les pales. L'écoulement d'air arrivant sur la face concave de la pale motrice va être dévié vers la partie concave de la pale freinante en passant par l'espace ouvert entre lesdites pales. Le rotor Savonius a l'avantage d'être peu encombrant, très peu bruyant et de démarrer à de faibles vitesses de vent. En outre, il ne présente pas de contrainte sur la direction du vent et présente un couple élevé au démarrage quand les pales sont face au vent. Toutefois, le rendement des éoliennes construites avec ce rotor est relativement faible et bien inférieur à celui des éoliennes de type hélice à axe horizontal. De surcroît, ce rotor présente un couple non constant résultant en un fonctionnement heurté en vent irrégulier et en des blocages éventuels au démarrage si les pales sont dans une position telle que la force du vent ne soit pas suffisante pour entraîner le démarrage de l'ensemble. Dans l'optique de la réalisation d'une éolienne pour la production individuelle d'électricité, qui puisse donc être installée proche des habitations ou même intégrée aux habitations, par exemple en la disposant sur ou dans la toiture, la présente invention a donc pour but de pallier les inconvénients du rotor de Savonius en proposant un perfectionnement à ce type de rotor, ainsi qu'une structure d'éolienne intégrant ce rotor perfectionné et d'autres aménagements améliorant les performances globales de cette éolienne. A cet égard et conformément à l'invention, il est proposé une unité de rotor perfectionné du type Savonius, comportant un axe de rotation central et deux pales incurvées identiques et symétriques par rapport à l'axe de rotation, lesdites pales étant disposées de part et d'autre BOISXI-FR-1 TEXTE DEPOSE - 3 - d'un plan imaginaire de séparation comprenant les bords périphériques et centraux desdites pales ainsi que l'axe de rotation, les pales se chevauchant de façon à créer un passage central permettant l'écoulement d'un flux d'air entre les pales, remarquable en ce que le profil incurvé desdites pales est principalement défini par l'arc d'un cercle de rayon de courbure la courbure à l'extrémité périphérique étant déterminée par l'arc d'un cercle périphérique de rayon de courbure D2 plus petit que le rayon de courbure principal de la pale, de sorte que l'extrémité de la pale soit incurvée en créant un retour du bord périphérique de la pale en direction de l'axe de rotation afin qu'une partie du flux d'air redirigé entre les deux pales procure un appui supplémentaire sur la face interne concave de la pale freinante, c'est-à-dire celle qui présente sa face externe convexe au vent. On récupère ainsi une partie du flux d'air circulant entre les deux pales chevauchantes pour créer un tourbillon d'air dans la zone périphérique de la pale qui va apporter cet appui supplémentaire dans le sens de rotation. L'invention a également pour objet une structure d'éolienne à axe vertical dont le rotor est constitué par l'assemblage coaxial et en superposition de plusieurs unités de rotors bipales perfectionnés selon l'invention, en les décalant angulairement les uns par rapport aux autres. Une telle éolienne bénéficiera non seulement des avantages de la puissance améliorée due au profil particulier des unités de rotor perfectionné selon l'invention, mais également d'un couple plus uniforme grâce à la répartition angulaire desdites unités de rotor. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux de la description qui va suivre de plusieurs variantes d'exécution données à titre d'exemple non BOISX1-FR-1 TEXTE DEPOSE - 4 - limitatif du rotor perfectionné selon l'invention et de son application à une structure d'éolienne à axe vertical, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe transversale d'une 5 première variante d'exécution d'unité de rotor perfectionné selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe transversale du profil de la pale d'une seconde variante d'exécution d'unité de rotor perfectionné; 10 - la figure 3 est une vue du dessus d'un exemple d'exécution du rotor de l'éolienne selon l'invention, constitué par l'assemblage de trois unités de rotors perfectionnés selon la première variante illustrée à la figure 1 ; 15 - la figure 4 est une vue en coupe longitudinale d'une unité de rotor selon l'axe BB' de la figure 3 ; - la figure 5 est une vue partielle en élévation d'une structure d'éolienne verticale selon l'invention dont le rotor est constitué par l'assemblage de deux unités 20 rotors selon la seconde variante d'exécution représentée à la figure 2. En référence à la figure 1, l'unité 1 de rotor perfectionné selon l'invention comporte deux pales 2, 3 incurvées identiques et symétriques par rapport à l'axe de 25 rotation 4, disposées de part et d'autre d'un plan de séparation 20, représenté par la droite AA', de sorte que les bords périphériques 5 et centraux 6 des pales 2, 3 incurvées et l'axe de symétrie 4 appartiennent à ce même plan 20. Les deux pales 2, 3 se chevauchent le long de ce 30 plan, de manière à ce qu'un passage soit créé entre les deux bords centraux 6 des pales 2, 3, au niveau de l'axe de rotation 4. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, la courbure principale de la pale 2, 3 est déterminée par BOISX1-FR-1 TEXTE DEPOSE - 5 - l'arc du cercle principal de rayon DI et la courbure de l'extrémité périphérique de la pale est déterminé par l'arc du cercle périphérique de rayon D2, inférieur au rayon DI principal. A l'extrémité centrale de la pale, la courbure est déterminée par l'arc d'un troisième cercle dont le centre est sur l'axe de symétrie et dont le diamètre correspond à la distance e de chevauchement entre les deux bords centraux 6 des pales 2, 3. Le cercle principal est tangent avec ce troisième cercle de courbure centrale ainsi qu'avec le cercle définissant la courbure périphérique. Par contre, le cercle principal définissant la courbure principale de la pale et le cercle déterminant la plus grande largeur nominale de l'unité de rotor, de diamètre D et dont le centre est sur l'axe de symétrie 4, sont sécants. En outre, le cercle périphérique de rayon D2 est tangent ou quasi-tangent avec le cercle déterminant la plus grande largeur nominale de l'unité de rotor, de sorte que la plus grande largeur réelle de l'unité de rotor soit D 0,5 ô La géométrie de la pale selon la première variante d'exécution représentée à la figure 1 est globalement semielliptique, en forme d'anse de panier, mais peut également être plus semi-circulaire, comme la seconde variante d'exécution représentée à la figure 2. Le profil donné à la figure 1 est d'une forme d'une variante d'exécution particulièrement préférée. En référence aux figures 1 et 2, on retiendra les conventions suivantes : - D désigne la plus grande largeur nominale de l'unité de rotor 1 ; - e désigne le chevauchement des pales 2, 3, c'est-à-dire la distance séparant les bords internes 6 de chacune des pales de part et d'autre du centre de symétrie 4, le BOISXI-FR-1 TEXTE DE POSE - 6 - long du plan de séparation 20 ; - D1 est le rayon du cercle principal définissant la courbure principale de la pale ; - D2 est le rayon du cercle périphérique définissant la courbure de la pale à son extrémité périphérique ; - D3 est la distance entre les bords périphériques 5 des pales 2, 3 mesurée dans le plan de séparation 20; - D4 est la profondeur de la pale par rapport au plan de séparation des pales ; - a est l'angle d'ouverture de l'arc du cercle principal c'est-à-dire la valeur de l'angle formé entre l'axe de symétrie, le centre 7 du cercle principal et le centre 8 du cercle périphérique définissant le rayon de courbure à l'extrémité périphérique des pales 2, 3 ; - R est l'angle d'inclinaison par rapport au plan imaginaire 20 de la droite 21 reliant les deux centres 7 du cercle principal des deux pales 2, 3 et passant par l'axe de symétrie 4 On donnera dans le tableau ci-après, les dimensions des deux variantes d'exécution, représentées aux figures 1 et 2, proportionnellement à la plus grande largeur de l'unité de rotor pour toutes les distances. Paramètre Variante 1 Variante 2 D D D e D/5 8/39xD D1 0, 4D 0, 3077D D2 0, 07D 0, 1154D D3 0,930D 0,882D D4 0,5D1 = 0, 2D D1 = 0, 3077D a 86 1500 42 0 Bien entendu, les valeurs sont données ici à titre BOISX1-FR-1 TEXTE DE POSE - 7 - d'exemple non limitatif et ne tiennent pas compte de l'épaisseur des matériaux mis en œuvre. En outre, les valeurs ayant été arrondies à la quatrième décimale, on appliquera une marge de tolérance de quelques millimètres lors de l'usinage et de 0,5% sur la valeur de D, plus grande largeur nominale. Pour construire le profil de pale selon les deux exemples illustrés aux figures 1 et 2, on suivra les étapes suivantes : - placer le centre de symétrie sur la droite AA' et tracer les cercles de diamètre D et e ; -avec la valeur de 13, tracer la droite 21 reliant les centres 7 des cercles définissant la courbure principale et placer les centres 7 sur cette droite à partir de DI et des points d'intersection de la droite 21 avec le cercle définissant la courbure centrale, qui correspondent au points de tangence du cercle principal et du cercle central ; - à partir du centre 7 du cercle principal, déterminer de façon similaire avec l'angle a et D2 la position du centre 8 du cercle périphérique, en ajustant si nécessaire la valeur du rayon D2 pour que le cercle périphérique soit tangent au cercle principal et tangent ou quasi-tangent au cercle de la plus grande largeur nominale. Dans le cadre de la présente invention, l'Homme de l'Art pourra réaliser d'autres profils de pales en respectant les contraintes suivantes : - le chevauchement e des pales 2, 3 mesuré entre les bords centraux 6 est compris entre D/6 et D/3, de 30 préférence égal ou proche de D/5 ; - le cercle périphérique de rayon D2 est tangent au cercle principal de rayon Dl et tangent ou quasi-tangent au cercle définissant le chemin de la plus grande largeur de l'unité de rotor, dont le centre appartient à l'axe de BOISXI-FR-1 TEXTE DEPOSE - 8 rotation 4 ; - la profondeur de pale D4 par rapport au plan de séparation 20 des pales est comprise entre DI et 0,5D1, bornes incluses ; - l'angle d'ouverture de l'arc du cercle principal de rayon Dl définissant la courbure principale est compris entre 85 et 130 bornes incluses, l'importance du degré d'ouverture étant liée à la profondeur de la pale ; - l'angle p varie entre 0 et 42 , bornes incluses ; - la distance D3 entre les bords périphériques 5 des pales 2, 3 est comprise en 0,864D et 0,936D bornes incluses. L'Homme de l'Art pourra donc jouer avec ces paramètres pour modifier le profil des pales afin d'adapter de la manière la plus adéquate la puissance du rotor à la vitesse moyenne de vent disponible à l'endroit de l'implantation de l'éolienne. Les unités de rotors 1 sont munies de fonds supérieurs et inférieurs. Ces fonds pourront par exemple être délimités par les bords des pales ou être en forme de disques. Par rapport à un rotor de Savonius classique, l'efficacité de l'unité de rotor selon l'invention respectant les paramètres précédemment fixés est nettement améliorée, d'après les constatations de l'inventeur. L'invention a également pour objet une structure d'éolienne à axe vertical mettant en oeuvre l'unité de rotor améliorée que l'on vient de décrire. Afin d'obtenir un couple d'entraînement qui soit plus uniforme, le rotor de cette éolienne est constitué par l'assemblage coaxial en superposition avec un décalage angulaire régulier du plan de séparation imaginaire des pales de plusieurs unités de rotor identiques telles que décrites précédemment. BOISXI-FR-1 TEXTE DE POSE - 9 En référence à la figure 3, le rotor 100 de l'éolienne pourra être constitué par un assemblage de trois unités 101, 102, 103 de rotors perfectionnés ayant un décalage angulaire de 60 les uns par rapport aux autres. De préférence, la hauteur totale du rotor 100 de l'éolienne sera inférieure à sa largeur. Ici, la largeur du rotor de l'éolienne est définie par la plus grande largeur D des unités de rotors coaxiales 101, 102, 103, tandis que la hauteur totale correspond à trois fois la hauteur d'une seule unité rotor. Le rapport hauteur/largeur de l'exemple de réalisation représenté à la figure 3 est de 0,75D. Chacune des unités de rotors perfectionnés est munie d'un fond supérieur 10 et d'un fond inférieur qui, dans le cas de la première variante représentée à la figure 3, ferment les pales le long du plan de séparation 20. Dans chacun des fonds et au niveau de chacune des ouvertures 12 des pales est aménagée une prise d'air 9. En référence à la figure 4, ces prises d'air 9 sont disposées sur un même plan en vis-à-vis entre le fond supérieur 10 et le fond inférieur 11. Ces prises d'air 9 constituent un système de régulation de la vitesse de rotation permettant de protéger l'éolienne contre les coups de vent violent : l'ouverture de ces prises d'air 9 est située vers la face convexe des pales, de sorte que la rotation de l'éolienne crée un flux d'air entrant qui va générer un rideau d'air entre le fond supérieur 10 et le fond inférieur 11 de chacune des unités de rotor. L'intensité de ce rideau d'air augmente avec la vitesse de rotation jusqu'à créer un barrage suffisant pour perturber le flux d'air arrivant sur la pale motrice et réduire son impact, évitant un emballement du rotor de l'éolienne. Le dimensionnement de ces prises d'air sera déterminé en fonction de la vitesse maximale à laquelle on veut fixer la vitesse de rotation de l'éolienne. BOISX1-FR-1 TEXTE DEPOSE - 10 - Ce dispositif original autolimitateur peut être complété par des prises d'air commandées par des volets basculants, créant ainsi une entrée d'air supplémentaire venant s'opposer aux flux de vents dont l'intensité serait trop violente et risquerait d'endommager l'éolienne. En outre, on pourra bien entendu compléter ce dispositif de régulation de la vitesse de rotation de l'éolienne avec un système de débrayage ou de ralentissement électromagnétique de la génératrice de l'éolienne, afin de ne pas l'endommager. En référence à la figure 5, l'éolienne 110 à axe vertical selon l'invention comporte une structure de support 111 munie d'un toit 112 et comportant en périphérie une série d'aubes 113 servant à canaliser le vent sur le rotor 100. Le rotor 100 de la variante d'exécution représenté sur la figure 5 est constitué par un assemblage à angle droit de deux unités de rotors 104, 105 selon la deuxième variante d'exécution, dont le profil des pales est représenté à la figure 2. Pour éviter de surcharger la figure 5, seules les aubes 113 placées sur le côté ont été représentées. Les aubes 113 seront au minimum au nombre de quatre et pourront aller jusqu'à vingt-quatre. De préférence, l'éolienne 110 comprendra une douzaine d'aubes 113 réparties régulièrement sur un cercle à la périphérie du rotor, constituant ainsi le stator de cette éolienne. Ces aubes 113 seront reliées entre elles au moins à leurs parties supérieure et inférieure, avantageusement par le toit 112 au niveau supérieur et, par exemple, par une plaque de support 114 au niveau inférieur. Par rapport à la tangente au cercle sur lequel sont disposées ces aubes 113, elles pourront avoir une inclinaison de 25 à 155 . De préférence, l'orientation sera comprise entre 60 et 80 et selon une forme de réalisation particulièrement préférée BOISX1-FR-1 TEXTE DEPOSE - 11 -l'angle sera de 750. L'arbre 115 de l'éolienne 110 entraîné par le rotor 100 est relié à une génératrice électrique multipôle en courant continu, non représentée, et l'électricité ainsi produite pourra être accumulée dans des batteries ou convertie afin de produire du courant alternatif, par des dispositifs classiquement connus qui ne seront pas détaillés plus avant. De préférence, on utilisera des génératrices électriques de type pas-à-pas ou brushless. L'éolienne à axe vertical 110 selon l'invention ne nécessite aucun gouvernail de direction ou de mise en drapeau, ni poids, masselotte ou contrepoids venant réguler l'orientation et/ou la vitesse de rotation de l'éolienne et enfin, elle ne comporte ni ressort ni vérin. On notera que l'éolienne selon l'invention est donc de conception très simple et robuste, comportant peu de pièces mobiles. Elle correspond tout à fait aux critères de maintenance simple et aisée requis pour une application de production individuelle d'électricité. En outre, son coût de production sera faible du fait de sa simplicité de conception et du faible nombre de pièces requises. Enfin, il va de soi que si le rotor perfectionné est de préférence mis en œuvre dans une éolienne à axe de rotation vertical pour la production d'électricité individuelle, il pourra être mise en oeuvre dans des éoliennes à axe de rotation horizontal, plus spécialement dans les lieux où il existe un vent nettement dominant et donc où le caractère omnidirectionnel de l'éolienne à axe vertical est d'importance secondaire. En outre, il va de soi que les exemples que l'on vient de donner ne sont que des illustrations particulières, en aucun cas limitatives des domaines d'application de l'invention. BOISX1-FR-1 TEXTE DEPOSE REVENDICATIONS 1 - Unité de rotor (1, 101, 102, 103, 104, 105) du type Savonius, comportant un axe de rotation central (4) et deux pales incurvées (2, 3) identiques et symétriques par rapport à l'axe de rotation (4), lesdites pales (2, 3) étant disposées de part et d'autre d'un plan imaginaire (20) de séparation comprenant les bords périphériques (5) et centraux (6) desdites pales (2 3) ainsi que l'axe de rotation (4), les pales (2, 3) se chevauchant de façon à créer un passage central permettant l'écoulement d'un flux d'air entre les pales (2, 3), caractérisée en ce que le profil incurvé desdites pales (2, 3) est principalement défini par l'arc d'un cercle de rayon de courbure DI, la courbure à l'extrémité périphérique étant déterminée par l'arc d'un cercle périphérique de rayon de courbure D2 plus petit que le rayon de courbure principal de la pale (2, 3), de sorte que l'extrémité de la pale soit incurvée en créant un retour du bord périphérique (5) de la pale (2, 3) en direction de l'axe de rotation (4) afin qu'une partie du flux d'air redirigé entre les deux pales (2, 3) procure un appui supplémentaire sur la face interne concave de la pale freinante, c'est-à-dire celle qui présente sa face externe convexe au vent. 2 - Unité de rotor (1, 101, 102, 103, 104, 105) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que : - le chevauchement e des pales (2, 3) mesuré entre les bords centraux (6) est compris entre D/6 et D/3, de préférence égal ou proche de D/5 ; - le cercle périphérique de rayon D2 est tangent au cercle principal de rayon D1 et tangent ou quasi-tangent au cercle définissant le chemin de la plus grande largeur de l'unité de rotor, dont le centre appartient à l'axe de BOISX7-FR-1 _TEXTE DEPOSE- 13 - rotation (4) ; - la profondeur de pale D4 par rapport au plan de séparation 20 des pales est comprise entre DI et 0,5D1, bornes incluses ; - l'angle d'ouverture a de l'arc du cercle principal de rayon Dl définissant la courbure principale est compris entre 85 et 130 bornes incluses, l'importance du degré d'ouverture étant liée à la profondeur de la pale ; - l'angle f3, varie entre 0 et 42 , bornes incluses ; - la distance D3 entre les bords périphériques (5) des pales (2, 3) est comprise en 0,864D et 0,936D bornes incluses. 3 - Eolienne (110) à axe vertical, caractérisée en ce que son rotor (100) est constitué par l'assemblage coaxial et en superposition d'au moins deux unités de rotor (1, 101, 102, 103, 104, 105) selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2. 4 - Eolienne (110) à axe vertical selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'elle comprend un stator comportant une série d'aubes (113) réparties régulièrement sur un cercle autour du rotor (100). 5 - Eolienne (110) à axe vertical selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisée en ce qu'elle comporte un système de régulation de la vitesse de rotation du rotor (100), ledit système comportant des prises d'air (9) sur chacun des fonds supérieur (10) et inférieur (11) des unités de rotor (1, 101, 102, 103, 104, 105), au niveau des ouvertures (12) des pales (2,3) . BOISXI-FR-1 TEXTE DE POSE