Brevet FR2900987A1 — publié le 20071116

EOLIENNE FLOTTANTE AUTOPORTEUSE -i Description Il s'agit d'une éolienne flottante à axe vertical, se présentant sous la forme d'un ballon captif, et formée de plusieurs éléments de structure gonflés à l'hélium. Elle a une forme ovoïde étoilée en fruit de carambole , et présente une symétrie d'ordre six autour de son axe r vertical. La coupe équatoriale de l'ovoïde est représentée sur la fig.l et l'élévation sur la fig.2. Six tubes gonflables, en forme de croissant, gonflés à pression identique, mais indépendants, ont leurs axes disposés sur les sommets d'un hexagone régulier dont le centre O correspond à l'axe vertical de l'ensemble du dispositif. Ces tubes sont reliés entre eux deux à deux par des toiles PQ (fig. 1) tangentes de manière alternativement interne et externe à deux 1. croissants voisins. L'espace intérieur délimité par les six croissants et par les six toiles PQ est lui même gonflé à l'hélium, quoique à une pression moindre que celle de l'intérieur des croissants. Sur le schéma proposé, nous avons représenté un système à symétrie d'ordre six. D'autres variantes, avec des ordres de symétrie (nombre de pales) différents pourraient être envisagés. r f De même, les rapports entre les rayons des croissants dans un plan de section donné, et le rayon du cercle porteur des centres des croissants, rapport montré égal à 1:4 sur la fig.l, pourront éventuellement être modifiés en vue d'améliorer le rendement du système. Des câbles de stabilisation radiaux OA et OB ainsi que des câbles transversaux CD et DC assureront la stabilité de forme du dispositif une fois celui-ci gonflé (seule une partie de ce système de câbles a été représentée, ceci afin d'alléger la figure 1). Du fait de 1'asymétie induite par le positionnement des toiles PQ, le dispositif se comportera au vent à la manière d'une éolienne basée sur le principe de la traînée différentielle. Des câbles obliques assureront le transfert du couple moteur à des câbles d'ancrage reliant le ballon-éolienne au dispositif éléctrogénérateur . La fig.2 donne une image de l'ensemble du système. (pour alléger la figure, seuls deux câbles d'amarrage-transmission sont représentés, sur un nombe total au moins égal à six). Quantification du système Cette quantification portera d'une part sur la stabilité au vent du dispositif, dont l'angle 3,. d'inclinaison, résultante de la portance de l'hélium et de la pression latérale du vent, devra rester dans des limites acceptables, et d'autre part sur l'estimation de l'ordre de grandeur de la puissance fournie (celle ci sera bien entenduùcomme c'est toujours le cas des éoliennes à traînée différentielle- inférieure à celle d'une éolienne classique rigide à axe horizontal, ce rendement plus faible devant être économiquement compensé par la légèreté du système )( proposé, et l'absence d'infrastructures au sol). On fera également une évaluation de l'ordre de grandeur des vitesses de rotation du système. Pour nos calculs, nous partirons des chiffres (estimés) suivants : Portance dans l'air de l'hélium gonflé à environ 0,5 at : 10 N/m3 Densité moyenne de l'air p=1,2 Kg/m3 Ife Coefficient de puissance Cp= P/ ( %2 p V 3 S) = 0,1 (1) Cx du système Cx= F/ ('/2 p V2 S) = 0,3 (2) Portance totale de l'éolienne : HMl = 10. Vol [m.3] Avec P puissance produite, V vitesse du vent, S section au vent du dispositif et F force exercée par le vent sur le dispositif Quand le vent incline l'éolienne d'un angle a par rapport à la verticale, on obtient une section au vent égale à s cos a et: F=1/2 pv2Scosa Cx (2a) et, du fait de la combinaison des trois forces poussée du vent, portance et résistance du câble d'amarrage au sol : F= N tg a (la traction sur les câbles d'amarrage étant T = N/cosa ) d'où V2=[2Ntga]/ [p SCxcosa] V=V![2N/pSCxJ.'q[tga/cosa] (3) Pour tenir compte de l'inclinaison au vent a du dispositif, et de la diminution correspondante re' de la section utile de celui-ci, on corrigera l'équation de puissance (1) en : P IWi='/2 p Cp S V 3 cosa (la) Ces deux équations nous permettent, pour une éolienne de dimensions données, d'établir en fonction de la vitesse du vent, une courbe des inclinaisons de l'éolienne flottante et une courbe des puissances. ;o Le Cp d'une éolienne est aussi fonction du paramètre de rapidité X quotient de la vitesse périphérique U de l'éolienne par la vitesse du vent V, soit : = U/V = co R/V (co étant exprimé en radis) Evaluation des puissances pouvant être produites Si l'on pose comme hypothèse, pour le calcul des puissances nominales, une vitesse du vent (f de 15 m/s, on obtient Puissance nominale du vent à 15 m/s : Po = 1/2 p V3 = %2 .1,2 .153 = 2000 W/m2 Puissance nominale utile par m2 de section d'éolienne avec Cp= 0,1 : 200 W/m2 Soit pour l'éolienne de 20 m de hauteur, de 7,5 m de rayon à la section équatoriale et de kf fa 2900987 235 m2 de section au vent : 47 KW estimés. La valeur du paramètre de rapidité habituellement admise comme permettant, pour des éoliennes à traînée différentielle, d'obtenir les meilleurs Cp, est 2. = 0,6 , ce qui donne, pour une éolienne de rayon 7,5 m (fig 1), des vitesses de rotation de 0,2 t/s pour un vent de 15 m/s et de 0,4 t/s pour un vent de 30 m/s. Pour des éoliennes de plus grandes dimensions, ces vitesses de rotation seront proportionnellement inférieures. 1-ä' Deux remarques sont à faire : 1/ Les valeurs de Cp et de Cx que nous avons employées résultent d'une simple estimation d'ordre de grandeur (les valeurs de Cp trouvées dans la littérature pour des éoliennes à traînée différentielle vont de 0,1 à 0,18 , nous avons retenu la limite inférieure de la fourchette) et sont de plus supposées constantes dans les limites des angles d'inclinaison au vent du dispositif. Seuls des essais en soufflerie permettraient une pi estimation plus exacte. 2 / L'équation (3) reflète le fait que l'éolienne, dont la portance augmente avec le cube des dimensions linéaires, et la prise au vent avec le carré seulement, sera d'autant plus stable au vent qu'elle sera de dimensions importantes. (Pour un angle d'inclinaison donné, la vitesse de vent correspondante sera proportionnelle à la racine carrée des dimensions linéaires). If Applications Deux types d'applications peuvent être considérées pour des éoliennes flottantes autoporteuses. 1/ Eoliennes de petites ou moyennes dimensions, de hauteur de 20 à 60m, de volume de 2000 à 60000 m 3 correspondant (pour des vents de l'ordre de 15 m/s) à des ordres de grandeur de il puissances nominales de 50 à 400 KW , avec groupe générateur posé au sol, et exploitant des vents situés à une altitude ne dépassant pas 100m. Elles seront adaptées à la production décentralisée d'électricité. Leur facilité de mise en place et de démontage rapide leur confèrera une grande souplesse d'emploi. 2/ Eoliennes d'altitude (fig 3), de grandes dimensions, permettant d'aller chercher le vent à edes altitudes de plusieurs centaines de mètres, bien au dessus de ce qui est atteignable pour des éoliennes basées au sol, et dont la portance (de l'ordre de 3 106 [N] pour une éolienne de 100 mètres de hauteur et d'un volume de l'ordre de 300000 m 3 permet l'emport en altitude du groupe éléctrogénérateur. Le système consistera alors en deux ballons superposés de sens de rotation opposés, l'un entraînant le rotor du générateur, l'autre le stator (ou plus exactement en l'occurrence, contre-rotor). Ces systèmes pourront avoir des puissances nominales de 2 MW. De tels systèmes n'exigeant qu'un simple ancrage et aucune infrastructure de support au sol seront particulièrement adaptés à l'exploitation de l'énergie éolienne au large des côtes maritimes. Revendications 1. Eolienne flottante autoporteuse, constituée d'au moins un ballon captif tournant au vent et relié au sol au moyen d'un câble ou d'un ensemble de câbles et caractérisée en ce qu'elle constitue une structure entièrement gonflable, dépourvue d'éléments structuraux rigides. 2. Eolienne flottante autoporteuse selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un ballon compartimenté intérieurement de manière à lui donner une forme extérieure asymétrique lui permettant de tourner au vent par effet de traînée différentielle . 3. Eolienne flottante autoporteuse selon l'une quelconque des revendications f o précédentes, caractérisée en ce qu'elle est compartimentée en deux types de compartiments : al un ensemble d'éléments gonflables en forme de croissants se joignant entre eux à leurs deux extrémités et disposés symétriquement autour de l'axe central de l'éolienne. b/ un espace interne, gonflé à pression moindre, et délimité d'une part par les croissants, d'autre part par des toiles PQ (fig 1) tangentes aux Ir croissants de manière alternativement interne et externe, générant de la sorte des ailettes asymétriques (sur l'élévation de la fig 2 les croissants sont représentés en grisé, sur la section équatoriale de cette même figure le grisé correspond à l'ensemble de l'espace compartimenté) . 4. Eolienne flottante autoporteuse, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est constituée de deux ballons tournant en sens inverse et activant un générateur électrique emporté en altitude et dont le rotor et le contre-rotor sont respectivement solidaires des deux ballons successifs (fig 3). 4