Brevet FR2899651A1 — publié le 20071012

-1- DESCRIPTION La présente invention concerne un dispositif destiné à convertir l'énergie éolienne en énergie mécanique, celle-ci pouvant être ensuite convertie en énergie électrique en entraînant une génératrice. Ce dispositif est plus particulièrement destiné à être implanté en milieu urbain. La production d'électricité à partir de l'énergie éolienne est classiquement obtenue grâce à un aérogénérateur à axe horizontal. Un tel dispositif est habituellement installé au sommet d'un mât, et une structure de base très résistante est nécessaire pour compenser le moment de renversement provoqué par la force du vent dans les pales et sur le mât. Cette structure de base est constituée soit d'une masse de béton de fort volume, soit d'un dispositif de haubanage par câbles tendus entre la partie supérieure du mât et des ancrages de béton de volume moindre, disposés dans le sol à une certaine distance du pied du mât. De plus, un aérogénérateur à axe horizontal nécessite un dispositif pour orienter l'axe de rotation dans l'axe du vent afin de capter au mieux la puissance éolienne, ainsi qu'un dispositif d'orientation des pales pour pouvoir réguler la vitesse de rotation du rotor. Ces dispositifs doivent être d'autant plus puissants que le rotor de l'aérogénérateur et ses pales sont de grand diamètre, et, de ce fait, contribuent à augmenter le volume et à alourdir les éléments placés au sommet du mât. Le coût de ces dispositifs d'orientation et des moyens contre le basculement peut s'avérer très élevé. Ces configurations sont inadaptées au milieu urbain à cause d'une part de leur impact visuel important, et d'autre part de la lourdeur ou de l'encombrement des infrastructures qu'elles nécessitent. De plus, elles sont réputées être bruyantes par grand vent, ce qui constitue aussi un handicap en milieu urbain du fait que la source de bruit est située en hauteur libre, favorisant ainsi la propagation du bruit. La réalisation d'un aérogénérateur à axe horizontal avec pales hélicoïdales, non orientable, installé sans mât directement sur un plan ou une toiture, est également une solution connue, plus esthétique et moins bruyante, mais le rendement de cette construction reste néanmoins dépendant du sens du vent et l'accès possible aux pales présente un grand danger pour les personnes pouvant se trouver à proximité. D'autres dispositifs, de production de l'électricité utilisent une éolienne à axe vertical qui présente l'avantage de pouvoir se mettre à tourner avec la même efficacité quel que soit le sens du vent. Le rendement de tels dispositifs est 2899651 -2-comparativement moindre qu'avec des éoliennes à axe horizontal puisque pendant la moitié d'un cycle de rotation, chaque pale a un mouvement de déplacement relatif contraire au sens du vent. Les dispositifs connus à axe vertical se caractérisent par une hauteur très supérieure à leur diamètre, et de 5 fait, nécessitent également un aménagement lourd pour compenser le moment de basculement. Selon d'autres moyens connus, les éoliennes à axe vertical peuvent présenter des pales auto-orientables de manière à offrir une prise au vent maximale dans le demi cycle de rotation allant dans le sens du vent, et une prise au vent minimale dans le demi-cycle de rotation de remontée au vent. Ce 10 dispositif permet d'augmenter le rendement de ces éoliennes, mais le mouvement alternatif incessant de basculement des pales qui s'escamotent puis se redressent est source de bruit qui est très pénalisant en milieu urbain, et les axes d'articulation des pales sont le siège de mouvements relatifs pouvant produire une usure mécanique, cela imposant une réalisation soignée puis des 15 opérations de maintenance spécifiques, donc des coûts de réalisation et d'exploitation élevés. D'autres dispositifs plus silencieux et plus fiables d'amélioration du rendement des éoliennes à axe vertical sont connus. Il s'agit par exemple de moyens canalisant le flux d'air vers les pales qui tournent dans le sens du vent, à la manière d'un entonnoir, ou bien encore d'un simple 20 carénage enveloppant les pales qui remontent au vent, l'orientation classique de ces dispositifs fonctionnant sur le principe de la girouette. Ces dispositifs nécessitent un volume libre important autour de l'aérogénérateur puisqu'ils doivent pouvoir s'orienter sur 360 degrés, d'où une perte de place considérable. De plus, les dispositifs d'orientation du type girouette sont instables et oscillent 25 en permanence au gré du vent, imposant de ce fait des dispositions de guidage soignées et coûteuses. Ils sont également mal adaptés aux systèmes de grandes dimensions. D'autre part, ces dispositifs ne permettent pas de protéger l'éolienne contre les vents forts, d'où un risque probable de destruction en cas de tempête. De plus, ces dispositifs n'offrent aucune protection pour les 30 personnes pouvant se trouver à proximité. L'invention permet de pallier ces inconvénients en proposant un ensemble discret tant sur le plan visuel que sur le plan acoustique, grâce à sa faible hauteur, à l'absence d'éléments animés de mouvements brutaux et par son 35 aptitude à être implanté sur toiture, présentant aussi une efficacité énergétique importante de part ses caractéristiques à rendement amélioré, son aptitude à -3- être réalisé dans de grandes dimensions et à être implanté au plus près du besoin de consommation, présentant également un niveau de fiabilité élevé grâce à sa simplicité de construction et son aptitude à résister aux vents forts, et présentant une protection intrinsèque contre l'accès aux parties dangereuses pour les personnes évoluant à proximité. Dans ce but et selon une première caractéristique, cet aérogénérateur à destination urbaine comprend en effet une éolienne à axe vertical dont le diamètre est très grand par rapport à la hauteur qui, typiquement, pourrait mesurer de l'ordre de un mètre, des hauteurs inférieures ou supérieures à cette valeur étant bien sûr réalisables. Ceci présente l'avantage de ne générer qu'un moment de basculement réduit lorsqu'il est soumis à la force du vent, l'infrastructure nécessaire pour soutenir le dispositif pouvant dès lors rester légère. Il devient alors possible d'envisager son installation sur des structures ou des toits de bâtiments existant, immeubles d'habitation, bâtiments de services ou industriels, aucun renfort lourd n'étant plus nécessaire. Cette caractéristique présente aussi comme autres avantages de minimiser l'impact visuel et de confiner les bruits générés au plus près de la surface de toiture, donc de limiter leur propagation en ligne directe. D'autre part, le grand diamètre permet de disposer d'un fort couple de rotation 20 et de limiter les variations brutales de vitesse de rotation grâce à une plus grande inertie. Selon une deuxième caractéristique, l'éolienne dispose d'une enceinte à triple fonction et à orientation automatique. La première fonction de l'enceinte est d'augmenter le rendement de l'éolienne en 25 déviant le vent face aux pales se trouvant en phase de remontée au vent. Ceci est réalisé en dressant une paroi d'une hauteur supérieure à l'éolienne en face des pales remontant au vent. Seule la moitié exclusivement motrice des pales est soumise à la force du vent, l'autre moitié n'étant pratiquement plus freinée. La paroi coupe-vent de l'enceinte doit être orientée face au vent en favorisant le 30 passage du vent du côté du mouvement des pales de l'éolienne dans le sens du vent et déviant le flux d'air face aux pales de l'éolienne dans leur mouvement de remontée au vent. Dans un but de stabilité et de compacité, cette fonction est réalisée de manière automatique grâce à la combinaison d'un dispositif de détection du sens du vent, d'un dispositif générant un mouvement de rotation 35 de l'enceinte de même axe que l'éolienne et d'un dispositif d'indexation dont la tolérance aux légères variations du sens du vent peut être paramétrée. Le coût 2899651 -4- de réalisation de ce dispositif est économique car seule l'enceinte doit être orientée, à faible vitesse, et aucune action sur l'éolienne n'est nécessaire. La masse à manoeuvrer s'en trouve ainsi réduite. La deuxième fonction de l'enceinte est de contribuer à la variation ou à la 5 régulation de vitesse et à l'arrêt de la rotation de l'éolienne. Ceci est obtenu en disposant sur le quart de face de l'enceinte orientée face au vent, du côté des pales motrices, d'une série de volets dont l'angle d'orientation peut être réglé entre deux extrêmes. En position d'ouverture maximum, la poussée du vent sur les pales est maximale. En position d'ouverture intermédiaire, la force du vent 10 dans les pales est limitée. En position fermée, la poussée du vent sur les pales est nulle, les volets faisant office de déflecteurs. L'orientation des volets pourra être asservie, par exemple, à la vitesse de rotation de l'éolienne. L'enceinte est de forme circulaire. La réalisation d'une enceinte par association de segments droits constituant un polygone est également envisageable, de 15 même que la réalisation par combinaison d'un secteur circulaire et de segments droits. La réalisation de segments droits permet entre-autre de simplifier la construction du secteur qui porte les volets orientables. La troisième fonction de l'enceinte est d'assurer la protection des personnes pouvant se trouver à proximité de l'éolienne en rotation. Toute la périphérie de l'éolienne est protégée, premièrement par la paroi coupe-vent sur environ un quart de la périphérie, deuxièmement par le secteur portant les volets de régulation sur environ un deuxième quart de la périphérie, et troisièmement par un système de barreaux ou de grillage sur tout le reste de la périphérie, voire au-dessus et au-dessous de l'éolienne. L'espacement des barreaux ou la taille des mailles du grillage est déterminé pour procurer un indice de protection contre l'accès aux parties dangereuses que constituent les pales en rotation. Le dispositif assurant l'entraînement de l'enceinte pour son orientation par rapport au vent est équipé d'un limiteur de couple ou tout autre moyen de sécurité pour pallier un risque de coincement d'une personne par l'enceinte en mouvement. Selon une disposition de construction qui s'avère d'autant plus favorable que le diamètre de l'éolienne est grand, les protections ajourées de type grillage au-dessus et au-dessous seront avantageusement remplacées par des parois pleines au droit des pales remontant au vent pour faire office de carénage, permettant d'éliminer un éventuel flux d'air passant par-dessus la paroi coupe-vent et susceptible de freiner l'éolienne. 2899651 -5- Selon une troisième caractéristique, l'éolienne comporte une couronne porte-pales pouvant atteindre plusieurs mètres de diamètre, les pales étant disposées de manière concentrique et constituent elles-mêmes les rayons d'une roue en étant fixées d'une part sur la couronne et d'autre part sur un moyeu 5 central destiné à être accouplé à une génératrice électrique. L'ensemble moyeu - pales - couronne est rigide, les pales ne disposant d'aucun degré de liberté. Pour une facilité de réalisation, les pales peuvent être réalisées dans un matériau rigide et léger avec un profil galbé favorisant la résistance au vent lorsqu'il présente son côté concave face du vent et réduisant le coefficient de pénétration 10 dans l'air lorsqu'il présente le côté convexe face au vent. D'autres formes de pales sont également possibles sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Selon une quatrième caractéristique, l'axe mécanique de rotation n'est pas constitué par un axe central coaxial ou confondu avec le moyeu, comme dans le cas des solutions habituelles, mais par des galets répartis à la périphérie de la 15 couronne et prenant appui sur celle-ci. Ces galets maintiennent la couronne dans le sens radial et axial, ils assurent son guidage en rotation et son immobilisation en translation. Ceci procure l'avantage de pouvoir maintenir en suspension une roue de grand diamètre avec une structure périphérique légère, contrairement aux solutions traditionnelles pour lesquelles l'axe central doit 20 être fortement dimensionné pour supporter le poids de l'éolienne, encaisser les contraintes de basculement, résister aux vibrations. La bonne accessibilité des galets permet de faciliter maintenance. Selon une disposition de construction, la couronne est placée dans le plan de symétrie des pales de manière à éviter tout effet de couple de renversement au 25 niveau des appuis des galets qui pourraient induire des forces de roulement supérieures et des vibrations défavorables pour le rendement, la discrétion acoustique et la durée de vie du dispositif. Selon une autre disposition de construction, la couronne est constituée d'un profil présentant des faces extérieures inclinées sur lesquelles prennent appui 30 les galets de guidage, eux-mêmes inclinés pour que leur bande de roulement soit correctement en appui sur les faces du profil. Les galets sont montés sur des supports disposés à intervalle régulier à la périphérie de la couronne. Les supports, au nombre minimum de trois, sont eux-mêmes assemblés sur un cadre porteur. Le cadre doit être fixé sur la toiture d'un bâtiment ou de toute 35 autre structure réceptrice. Afin d'éviter tout glissement entre la génératrice du galet et le profil de la couronne, de manière à obtenir une situation de 2899651 -6- roulement pur et d'augmenter la durée de vie et la fiabilité du dispositif, il convient de donner un profil conique au galet, conicité dont l'angle est fonction des diamètres moyens de la couronne et du galet au niveau de la zone de contact et de la largeur du galet. 5 Selon une cinquième caractéristique, la génératrice électrique est accouplée au moyeu central, soit directement dans l'axe du moyeu, au-dessus ou au-dessous de l'éolienne, soit de façon déportée par le biais d'un renvoi d'angle et d'arbres de transmission, pour un placement avec l'axe horizontal, à côté de l'éolienne. La liaison entre le moyeu de l'éolienne et l'arbre de la génératrice est 10 réalisée par le biais d'un dispositif d'accouplement transmettant le couple de rotation tout en laissant des degrés de liberté axiaux et radiaux comme un joint à soufflet par exemple. Ces diverses caractéristiques confèrent à l'invention l'aptitude à pouvoir être installée en toute sécurité en milieu urbain et sans aménagements lourds 15 des structures receveuses. Le principe de construction permet une réalisation économique, favorable pour l'implantation de ce dispositif au plus près du lieu de consommation de l'électricité. L'invention sera mieux comprise grâce à la description ci-après qui se 20 rapporte à un mode de réalisation préféré, donné à titre d'exemple non limitatif, et expliqué avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels : la figure 1 représente une vue en perspective du dispositif global selon l'invention, sans représentation des génératrices électriques ; la figure 2 représente une vue en perspective de l'éolienne à axe vertical 25 de faible hauteur et de grand diamètre à guidage sur couronne périphérique, sans son enceinte ; la figure 3 représente une vue de détail d'un mode de réalisation possible des galets de guidage de la couronne périphérique ; la figure 4 représente une vue de détail d'un principe de moyeu de 30 l'éolienne ; la figure 5 représente une vue partielle de dessus de l'enceinte de l'éolienne avec ses volets de contrôle ouverts au maximum et expliquant les mouvements des flux d'air, sans représentation des grilles ou parois de protections supérieures ; 35 la figure 6 représente une vue de face correspondant à la figure 5 ; la figure 7 représente une vue partielle de face du dispositif, sans son 2899651 -7- enceinte, montrant les dispositions possibles des génératrices ; La figure 8 représente une vue de dessus correspondant à la figure 7. La figure 1 des dessins annexés montre une éolienne à axe vertical 1 dont 5 le diamètre est grand par rapport à la hauteur, cette éolienne étant associée à une enceinte périphérique 2 à orientation automatique par ensemble moto-réducteur asservi et mécanisme d'entraînement, non représentés, l'éolienne 1 et son enceinte 2 étant montées sur une structure porteuse 3 qui permet l'installation de l'ensemble sur une toiture plate d'immeuble ou de bâtiment 10 industriel par exemple. L'éolienne 1 comprend plusieurs pales 4 qui assurent une liaison rigide entre un moyeu 5 et une couronne périphérique 6. Cette couronne 6, solidaire de l'éolienne 1, collabore avec des jeux de galets 7, solidaires de la structure porteuse 3, pour assurer le guidage en rotation de l'éolienne L L'enceinte périphérique 2 comporte trois secteurs distincts : le 15 premier secteur 8 fait office de déflecteur d'air en s'interposant entre le vent et les pales 4 dans leur mouvement de remontée au vent , le deuxième secteur 9 est équipé de volets à orientation automatique pour moduler le flux d'air arrivant sur les pales 4 et le troisième secteur 10 permet d'une part la libre circulation du vent à travers l'éolienne et l'évacuation des flux d'air de retour 20 des pales tout en empêchant que les personnes ne puissent accéder à l'éolienne en rotation 1 d'autre part. Pour une plus grande clarté de la figure, les dispositifs de fermeture qui empêchent l'accès à l'éolienne par le dessus ou par le dessous ne sont pas représentés, de même que ne sont pas représentées les génératrices électriques. L'enceinte périphérique 2 composée des trois secteurs 25 8, 9 ,10 et des dispositifs de fermeture supérieurs et inférieurs non représentés assure simultanément la protection totale des personnes contre l'accès aux parties dangereuses, la régulation en vitesse et l'amélioration du rendement de l'éolienne à axe vertical. La figure 2 montre l'éolienne 1 à axe vertical et son guidage sur couronne 30 périphérique 6 collaborant avec les jeux de galets 7 solidaires de la structure porteuse 3, sans L'enceinte. Pour assurer la stabilité de l'éolienne, les jeux de galets doivent être au minimum de trois. Comme le montre la figure 3, chaque jeux de galets de guidage 7 de l'éolienne 1 peut être avantageusement réalisé en associant deux galets 11 35 montés en oblique sur un support 12 solidaire de la structure porteuse 3, ces galets étant positionnés de manière que leur génératrice roule sur les faces 13 2899651 -8- d'un profil de section globalement triangulaire de la couronne périphérique 6. La figure 4 montre un principe de réalisation du moyeu 5 de l'éolienne 1 par un profilé sur l'extérieur duquel viennent se fixer les pales 4 et dans l'axe duquel un arbre cannelé peut être engagé et peut coulisser, cet arbre étant 5 destiné à assurer l'entraînement de la génératrice par l'intermédiaire d'une pièce d'accouplement flexible sans répercuter les éventuels micro-mouvements de déplacement de l'éolienne 1 selon son axe de rotation. Comme le montre la figure 5, après orientation automatique correcte par un dispositif non-représenté, l'enceinte périphérique 2 de l'éolienne 1 fait office 10 de déflecteur de vent grâce au secteur obturé 8, diminuant notablement le freinage de l'éolienne en réduisant la pression du vent sur les pales 4 dans leur phase de remontée au vent. Le secteur 9 dispose de volets de contrôle 14 permettant de moduler le flux d'air arrivant sur les pales 4. L'orientation des volets 14 par rapport au sens du vent est asservi automatiquement à la vitesse 15 de rotation de l'éolienne 1. La largeur des volets 14 et leur intervalle est judicieusement déterminé par des critères de sécurité pour empêcher l'accès aux pales 4 de l'éolienne 1 par une personne. Dans la figure 6 qui montre une vue de face correspondant à la figure 5, le secteur obturé 8 est clairement visible, de même que le secteur 9 et ses volets 20 de contrôle 14. Selon les figures 7 ou 8, une génératrice 15 peut être placée soit dans l'axe de l'éolienne 1, soit perpendiculairement à l'axe de l'éolienne 1 si des considérations de poids, d'accessibilité ou d'encombrement en hauteur s'imposent. Dans le cas d'une disposition perpendiculaire à l'axe de l'éolienne, la 25 liaison entre le rotor de la génératrice 15 et le moyeu 5 de l'éolienne 1 inclura un renvoi d'angle. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à la production d'électricité à partir d'énergie éolienne en milieu urbain résidentiel, tertiaire ou 30 industriel, dans un contexte d'utilisation des énergies renouvelables. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de 35 protection de l'invention. REVENDICATIONS 1) Dispositif pour entraîner une génératrice électrique à partir de l'énergie du vent en utilisant une éolienne à axe vertical caractérisé en ce que l'éolienne (1) est entourée sur sa périphérie d'une enceinte (2) à orientation automatique en fonction du sens du vent, l'enceinte (2) comportant trois secteurs angulaires distincts, un premier secteur (8) obturé par une paroi mince imperméable à l'air de longueur environ un quart de la périphérie, un second secteur (9), de longueur environ un quart de la périphérie et contigu au secteur obturé (8), équipé de volets orientables (14) dont la position peut être réglée ou asservie à la force du vent au moyen de servomoteurs dans une plage allant d'une position d'ouverture maximum jusqu'à une position de fermeture complète, un troisième secteur (10) sur le reste de la périphérie selon le sens radial de l'éolienne (1) réalisé sous forme de grille ou de grillage. 2) Dispositif selon la revendication 1 prévu pour être orienté par un mouvement circulaire de même axe que l'éolienne (1) de manière que les deux secteurs caractéristiques, l'un (8) obturé et l'autre (9) équipé des volets orientables (14) , se placent face au vent en autorisant le passage du vent du côté du mouvement des pales de l'éolienne dans le sens du vent et déviant le flux d'air face aux pales de l'éolienne dans leur mouvement de remontée au vent, caractérisé en ce que l'enceinte (2) dispose d'un guidage circulaire coaxial à l'éolienne (1) , d'un dispositif d'entraînement motorisé et d'un dispositif d'indexage de sa position par rapport au sens du vent. 3) Dispositif orientable selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la section de l'enceinte (2), selon une coupe dans un plan perpendiculaire à l'axe de l'éolienne (1), est de géométrie circulaire ou polygonale ou de combinaison de ces deux géométries. 4) Dispositif de type éolienne à axe vertical comportant au moins trois pales rigides (4) dont le diamètre enveloppe des pales est plus grand que la hauteur des pales prise selon l'axe de rotation, destiné à l'entraînement d'une génératrice électrique, caractérisé en ce que l'éolienne (1) comporte une couronne porte-pales (6) d'une dimension pouvant atteindre plusieurs mètres de diamètre, placée dans le plan de symétrie des pales (4), les pales (4) ayant une disposition radiale et concentrique et constituant elles-mêmes les rayons d'une roue en étant fixée d'une part sur la couronne (6) et d'autre part sur un moyeu central (5).-10- 5) Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que le soutient et le guidage en rotation de l'éolienne (1) est réalisée par des jeux de galets (7) au nombre minimum de trois, répartis à égale distance à la périphérie de la couronne porte-pales (6) et coopérant avec la forme de celle-ci en prenant appui sur des faces dédiées au roulement des galets (7). 6) Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que chaque jeu de galet (7) est réalisé par l'association de deux galets (11) sur un même support (12), les axes de rotation de ces galets formant entre eux un angle aigu non nul, et que le profil de la couronne porte-pales (6) présente des faces (13) à pans inclinés de forme et dimension adaptées au profil des galets (11). 7) Galets selon la revendication 6, caractérisés en ce que le profil de roulement d'un galet (11) est de section conique plutôt que cylindrique, le sommet du cône étant orienté vers l'axe de rotation de l'éolienne, l'angle de conicité étant déterminé en fonction de la longueur de la génératrice de contact entre le galet (11) et une face (13) de la couronne (6), de l'inclinaison des faces (13) de la couronne, de la valeur des rayons du galet et de la couronne dans la zone de contact, afin que la vitesse tangentielle soit la même en tout point de la génératrice de roulement du galet (11) au contact avec une face (13) de la couronne (6). 8) Dispositif selon les revendications 1, 2, 4 et 5 caractérisé en ce que l'enceinte orientable (2) avec son dispositif d'orientation et les jeux de galets (7) de soutient et de guidage de l'éolienne à axe vertical (1) sont assemblés selon une disposition concentrique sur une structure porteuse unique (3). 9) Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce que la génératrice électrique (15) est placée soit au dessus de l'éolienne (1) avec une orientation coaxiale avec l'axe du moyeu (5) de l'éolienne, soit à côté de l'éolienne (1) avec une orientation perpendiculaire à l'axe du moyeu (5), la transmission mécanique entre le moyeu (5) de l'éolienne et le rotor de la génératrice étant réalisée par l'intermédiaire d'un renvoi d'angle, d'arbres de transmission et d'organes d'accouplement tolérant des débattements selon le sens axial et radial. 10) Dispositif selon les revendications 8 et 9 caractérisé en ce que les zones supérieures et inférieures d'accès aux pales (4) de l'éolienne (1) sont fermées ou rendues inaccessibles à une personne par des parois ou des grillages de sécurité et que les mécanismes de manoeuvre de l'enceinte périphérique (2) et des volets (14) sont équipés de limiteurs de force.