Brevet FR2907856A1 — publié le 20080502

-1- La présente invention est un dispositif constitué de turbines à aubes tangentielles optimisées pour capter l'énergie des courants d'air et d'eau. Il est polyvalent (production d'électricité et d'eau chaude, pompage de l'eau, oxygénation des étangs), et peut intéresser aussi bien des particuliers, des grandes entreprises produisant de l'énergie, ainsi que les services publiques. La puissance développée par ce dispositif est maximum lorsqu'on lui demande un travail (une charge) qui fait tourner ses turbines à une vitesse égale au 16/27 de sa vitesse maximum (sans charge). Les mesures effectuées avec différentes hélices et turbines verticales font toujours apparaître ce coefficient mis en évidence mathématiquement par l'allemand Betz dans son livre Wind Energie de 1926. C'est donc à cette vitesse-là que la puissance des machines est maximum, une puissance qui se calcule, en faisant le produit de leur vitesse angulaire par le couple qu'elles développent. Or, avec ce dispositif, nous obtenons une puissance environ 4 fois plus importante que celle d'une hélice bipale dans les mêmes conditions. L'hélice tourne 3 fois plus vite, mais son couple est 12 fois moins important. Les très bons résultats des hélices installées sont généralement donnés par rapport à des puissances calculées avec la formule (P = 16/27.'/2. M.S.V3) où M est ma masse volumique de l'air et V sa vitesse. Or, ce calcul est trop simple. La masse volumique de l'air varie probablement avec son taux d'humidité mais, surtout, sa vitesse moyenne n'est pas un bon paramètre, des vitesses moyennes identiques pouvant être produite par des vents qui n'ont pas la même énergie (des expériences simples peuvent le démontrer). Il faut aussi tenir compte qu'une erreur de 20% sur l'évaluation de la vitesse du vent fait varier sa puissance du simple au double. En fin de compte, le rendement de 90% que des spécialistes attribuent à l'hélice (par rapport à la puissance calculée du vent sur un site donné) est nécessairement exagéré si la puissance du vent est sous-estimée. Les comparaisons d'éoliennes effectuées démontrent sans ambiguïté que 30 les hélices actuelles ne peuvent pas récolter 90% de l'énergie du vent. Elles sont même peu puissantes par rapport aux tangentielles. L'utilisation de ce dispositif pourrait donc donner un nouveau souffle au développement des énergies renouvelables, autant grâce à sa remarquable 2907856 -2puissance que vis-à-vis de toutes les autres qualités qu'il possède, des qualités qui lui donnent un rendement global très élevé. Parmi ces qualités ont peut citer : une excellente sensibilité aux vents faibles (les hélices ne savent pas combiner puissance et sensibilité) ; une bonne répartition des forces qui rendra 5 possible l'exploitation des vents forts ; une simplicité qui fera baisser les coûts de production, d'installation et d'entretien. Avec ce dispositif, beaucoup de sites inexploitables pour des raisons techniques ou économiques vont devenir rentables. La technique du mur permet de récupérer le maximum d'énergie pour une surface donnée (ce n'est 10 pas le cas des fermes éoliennes actuelles qui n'exploitent pas le vent qu passe entre les hélices). La puissance des aubes tangentielles, leur silence, leur prix, leur discrétion et leur solidité, devraient favoriser l'installation du dispositif sur les toitures d'immeubles et de grands magasins. L'utilisation de nouveaux matériaux (comme des toiles très légères et résistantes utilisées par les 15 voiliers), et des nouvelles techniques pour installer des éoliennes en mer (comme celle des flotteurs tubulaires amarrés), rendent possible l'exploitation de toute la surface des océans. Une solution crédible à la crise de l'énergie D'après l'atlas européen des vents et le site web windpower.org , nous 20 disposons en Europe d'immenses étendues de surfaces maritimes où la vitesse moyenne du vent est supérieure à 9 m/s (32 km/h), ce qui correspond à une puissance théorique de plus de 800 watt par m2. Ce chiffre nous permet de calculer l'énergie que produirait un mur éolien de 50 m de hauteur et 100 m de longueur, qui aurait donc une surface réceptrice de (50 x 100) 5000 m2. En 25 considérant que ses turbines auraient un rendement de 38%, il produirait 1,5 MW (5000 x 300). En nous basant sur le prix de revient de l'installation des grandes hélices actuelles, d'environ 1 euro le watt, il faudrait réaliser, 200 modules de 5 mètres par 5 avec un budget de 7500 euros par module. Or, fabriquées en série, le coût de ces turbines et de leur cadre serait certainement beaucoup moins élevé. En fin de compte, sur une surface océanique de 10 km par 10, dans la mesure où nous placerions ces unités d'1,5 MW en enfilade tous les 500 mètres, nous pourrions en installer 2000, qui nous fourniraient donc 3000 MW, l'équivalent de 2 centrales nucléaires. (3000 MW, rien qu'avec 2907856 -3- le vent). Mais en pleine mer, d'autres sources d'énergie sont exploitables. Les vagues, les courants marins, la condensation de la vapeur facile à réaliser dans les mers froides. Tous ces moyens nous permettraient de multiplier la puissance des unités de production qui pourraient être installées loin des côtes 5 où l'énergie est la plus abondante dans le but de produire de l'hydrogène en permanence. A titre indicatif, un courant marin qui se déplace à la vitesse de 1 m/s véhicule 500 watts par m2 (2,5 MW pour 5000 m2). Les courants qui se déplacent 2 fois plus rapidement à 2 m/s ont une énergie potentielle 8 fois plus 10 grande (20 MW). Des courants marins, comme le Gulf Stream, ont des vitesses comprises entre 1,2 et 2,7 m/s, et des courants locaux dus aux marées vont aussi à des vitesses comparables. Les courants dus au déferlement des vagues sont particulièrement intéressants car ils sont plus puissants, et d'autres formules sont également possibles. Sur une surface maritime de 10 km par 10 15 nous avons donc l'équivalent de beaucoup plus que 2 centrale nucléaire si nous investissons dans ce domaine. L'intérêt majeur de ce dispositif est qu'il permet la réalisation de centrales électriques de très grande puissance qui ne seraient pas dangereuses et polluantes comme les centrales nucléaires, qui ne produiraient pas un 20 réchauffement climatique comme les énergies fossiles, qui ne détruiraient pas des paysages et des lieux de vie comme les barrages hydrauliques, qui seraient donc vraiment sans danger, qui rendraient l'énergie abondante, bon marchée et accessible à tous les pays. Voyons d'une façon plus détaillée les différents éléments qui le constituent. 25 Le dispositif selon l'invention est fondé sur au moins une turbine à axe vertical ayant des aubes tracées à partir de deux séries de lignes tangentielles L1, L2 . Les lignes L1 sont tangentielles à un cercle Cl de diamètre D1 compris entre 0,1 et 0,9 fois D (celui de la turbine). Les lignes L2 sont tangentielles à un cercle C2 ayant pour centre celui de la turbine et un 30 diamètre égal ou voisin de celui de la turbine. Le nombre des aubes et le diamètre du cercle Cl sont à déterminer en fonction de différents paramètres (nature du fluide, diamètre de la turbine, vitesse du fluide...) Mais les meilleures formes sont généralement les plus 2907856 -4- harmonieuses et moyennes en tout (nombre d'aubes, diamètres, lignes droites et courbes...). Un coefficient de puissance très élevé fut obtenu avec une turbine à 5 aubes ayant un rapport Dl sur D égal à 0,5, ses aubes ayant été tracées à partir de lignes L1 tangentielles par rapport à un cercle ayant 5 pour centre celui de la turbine et un diamètre égal à son rayon, Des mesures furent effectuées avec des aubes tangentielles droites, et d'autres avec des aubes tangentielles courbées (comme celles définies dans le certificat d'utilité N 9014969 du 20 novembre 1990, ou celles du brevet N 0600290 du 13 janvier 2006). Elles montrèrent que la forme la plus efficace 10 dans le cadre de notre expérimentation était intermédiaire, ni entièrement droite ou courbe, caractérisée par des aubes droites et courbées à leur extrémité dans le sens inverse de leur rotation. En observant cette forme, on comprend que la force des courants tend à se concentrer à l'extrémité des aubes, au meilleur endroit pour avoir un couple important. 15 Pour la même raison, la ligne qui rejoint l'extrémité de deux aubes opposées ne doit pas être coupée par les aubes intermédiaires. En diminuant la largeur des aubes nous ne réduisons pas seulement leur poids. L'observation nous montre qu'en le faisant, l'extrémité des aubes arrière reçoit plus de courant. Si les aubes sont trop larges, elles dirigent l'énergie des courants vers 20 le centre de la turbine ce qui est moins avantageux. Si elles sont trop étroites une partie des courants peut traverser la turbine sans rencontrer d'aubes, ce qui n'est pas non plus un avantage. Pour augmenter le couple, les aubes du côté réceptif doivent être plus en retraits afin d'opposer le moins possible de résistance au fluide. Lorsqu'elles 25 remontent face au vent elles sont dans une situation inverse, plus en avant. En somme, toute la force tend à converger vers le côté pénétré qui en reçoit d'autant plus qu'il est peu résistant à cette pénétration. Selon une réalisation particulière de l'invention, l'extrémité des aubes est équipée d'une pale gouvernée pouvant les rendre plus ouvertes ou fermées ; 30 dans le but de réguler leur vitesse de rotation. La turbine à aube tangentielle optimisée est donc au centre du dispositif qui comprend aussi les principales façon de l'utiliser : en colonnes sur un mât (amarré ou pas) ; en colonnes, mais sous forme de modules cylindriques ou 2907856 -5- polygonaux empilés ; en mur, sous formes de rangées de turbines équipées d'écrans ou pas ; intégrées dans l'architecture des bâtiments. Dans tous les cas l'éolienne est prévue pour s'associer à d'autres dans tous les sens ; permettre son installation et sa désinstallation sans démonter l'ensemble ; permettre le 5 remplacement d'une turbine par une autre ; pouvoir résister à des situations extrêmes ; et accepter la pose d'écrans de différentes formes. L'utilisation de l'éolienne sur un mât est actuellement la solution la moins coûteuse, tant que des cadres ne sont pas fabriqués en série. La ou les turbines peuvent être en tôle, en plexiglas ou en toile ; être tenues par un axe 10 ou pas. Les murs récepteurs peuvent être constitués de modules sans écran, ou de modules cylindriques ouverts des deux côtés, chaque module renvoyant la partie du courant qui aurait freiné sa turbine vers les aubes réceptrices du module suivant, par de biais de quart de cylindre. 15 Dans un autre type de réalisation, les modules sont pourvus d'écrans fixés entre deux turbines pour les amener à tourner en sens inverse de façon complémentaire, et à former des couloirs d'air ou d'eau. Hormis le fait de canaliser les courants vers la partie réceptrice des turbines et de protéger les aubes remontantes, les écrans contribuent aussi à renforcer la solidité du 20 dispositif. Ils peuvent être de forme arrondie, concave, convexe ou droite. Ils pourront être fait en tôle ondulée ou striée pour favoriser le guidage des courants. Ils peuvent aussi être en toile pour une plus grande légèreté. En mer, pour moins subir les mouvements de la houle, les murs ou colonnes sont portés par des caissons et tubes vides immergés, maintenus 25 verticaux sous la surface de flottaison par des lests, des amarres et la force d'Archimède. Pour ne pas être détruit par les tempêtes, le centre de gravité du dispositif sera le plus bas possible et son centre de poussé sera immergé le plus haut possible. Sa base sera large dans le sens des vents dominants, et faite, par exemple, de 2 rangés de caissons immergés en forme de tube. 30 Sur Terre, une forme particulière de réalisation consiste à concevoir des immeubles pour maintenir en place les turbines et leur servir d'écran. Comme pour les murs, deux types de réalisation sont possible, l'une avec des turbines qui tournent dans le même sens, et l'autre avec un sens de rotation inversé. 2907856 6 Les dessins illustrent l'invention. Les figures 1 et 2 montrent les principales lignes des turbines à aubes optimisées. La figure 3 montre l'aspect de quelques turbines ayant 3, 4, 5 et 6 aubes. 5 La figure 4 est une vue en perspective d'une 6 aubes tangentielles montée sur un mât fixe. La figure 5 montre le tracé des plateaux en tôle qui tiennent les aubes La figure 6 montre comment il est possible de réguler sa vitesse de rotation avec des volets à l'extrémité des aubes. 10 La figure 7 montre un mur de turbine du premier type, avec des écrans sous forme de module qui peuvent également contribuer à augmenter la solidité du dispositif. La figure 8 montre un autre type de mur avec des turbines insérées dans des cylindres. Les premiers tests ont montré que cette disposition était moins 15 performante que l'autre, mais elle pourrait être meilleure dans l'eau. La figure 9 montre une autre façon de tenir les aubes, lorsque nous réaliserons des turbines de grande dimension. La figure 10 est la vue en perspective d'un module cylindrique. La figure 11 est une vue transversale d'une centrale off-shore, et la 12 montre 20 l'aspect d'immeubles équipés de turbines. En référence à ces dessins, le dispositif comprend des turbines à aubes optimisées (1), tracées à partir de deux séries de lignes tangentielles LI, L2) Figure 1 ; les lignes LI étant tangentielles par rapport à un cercle Cl de diamètre D1 compris entre 0,1 et 0,9 fois D le diamètre de la turbine. 25 Les lignes L2 sont tangentielles à un cercle ayant pour centre celui de la turbine et un diamètre égal ou voisin de celui de la turbine. Les aubes peuvent être droites, figure 2 droites et courbées à leur extrémité dans le sens inverse de leur rotation (figure 3) ; elles peuvent décrire un arc de cercle tangentiellement à C1 ou à C2 . Pour chaque usage du dispositif des 30 essais et mesures devront être réalisés pour déterminer les meilleures formes. L'éolienne sensible aux petits vents est différente de celle qui convient le mieux aux vents puissants. De même la courbure à l'extrémité des aubes est parfois plus avantageuse, et inversement. Dans les maquettes testées, un rayon de 2907856 -7- courbure égale à 0,02 rrD fut utilisé. Mais il est évident que sa valeur idéale, ou celle du paramètre e de la figure 2, exige une étude approfondie pour être déterminée. La puissance des turbines verticales peut beaucoup varier en fonction de 5 faibles modifications de plusieurs paramètres. Par exemple, la largeur des aubes est importante. Il faut à la fois qu'elle guide l'air vers le creux des extrémités et qu'elle ne le laisse pas s'échapper. Il faut donc qu'elles soient ni trop étroites, ni trop larges. Pour déterminer la largeur des aubes, il faut tracer une ligne entre les extrémités de deux aubes opposées, une ligne que les 10 aubes intermédiaires ne doivent pas couper (Figure 1, EFGH). Les éoliennes verticales peuvent être réalisées d'une pluralité de façons. Insérées dans des cadres polygonaux pour former des modules pouvant être assemblés en pyramide (brevet N 04 02200) du 3 mars 2004 ; empilées sur des grands mâts (brevet N 06 00290) du 13 janvier 2006 ; ou plus 15 modestement sous forme de petites turbines d'1 m2, à monter soi-même, optimisées pour avoir un excellent rapport qualité prix. Dans ce dernier modèle (figures 4 et 5), les aubes (1) sont tenues par des plateaux (8) en tôles découpées, rigidifiés par des pliures (3), pliés en leur centre (9) pour emprisonner un roulement à billes (6) introduit sur un mât (2) 20 (comparable aux mâts d'antennes TV) et bloqué par une bague d'arrêt (7). Les aubes sont maintenues par des languettes (4) qui entrent dans des fentes (5). Les plateaux sont perforés de trous (12) soit pour lier 2 turbines, soit pour maintenir un pignon (11) séparé de son plateau par des rondelles (10). Les turbines insérées dans des cadres peuvent aussi avoir des aubes 25 tenues par un ou plusieurs plateaux. Mais en fonction de leur utilisation et des moyens disponibles, on pourra préférer les fixer à des barres boulonnées, vissées, emboîtées ou soudées (figure 9). Comme on peut l'observer sur la figure 9, l'une des réalisations fut d'utiliser un axe carré pour créer une structure métallique, triangulaire pour les 3 aubes, carrée pour les 4, pentagonale pour 30 les 5, hexagonale pour les 6 etc. L'une des principales caractéristiques du dispositif est qu'il est modulable. Les turbines sont prévues pour pouvoir facilement s'associer à d'autres et à des écrans. Grâce à cela, elles peuvent constituer des colonnes, des rangées et 2907856 -8- des murs récepteurs (figure 7,8,10,11). Les écrans permettent une accélération des courants qui sont dirigés vers la partie réceptrice des turbines sans pousser les aubes remontantes. Or, différents types d'écrans sont utilisables. Ils peuvent être proches des turbines, 5 comme dans le cas des modules cylindriques ouverts des deux côtés, chaque module renvoyant la partie du courant qui aurait freiné sa turbine vers les aubes réceptrices du module suivant, par le biais de quart de cylindre (figure 8 et10). Mais les écrans peuvent aussi constituer des modules séparés pouvant être fixés entre deux modules de turbines pour les amener à tourner en sens inverse 10 et à former des couloirs d'air ou d'eau (figure 8). Cette configuration là, qui est particulièrement efficace pour le vent, n'a pas encore été comparée à l'autre dans l'eau. Ces écrans peuvent avoir différentes formes : arrondies, concave, convexe, plate. Les écrans peuvent être fait en tôles ondulées souples, ou en toile tendue, comme celle des serres utilisées en agriculture. 15 Installer en pleine mer, le dispositif n'a pas besoin d'un mât scellé sur les fonds. Pour moins subir les mouvements de la houle, les murs et colonnes sont portés par des caissons et tubes vides immergés, maintenus verticaux sous la surface de flottaison par les lests, des amarres et la force d'Archimède (figure 11). A terre, le dispositif pourra se passer d'un mât et d'une structure s'il est 20 intégré dans des bâtiments. Les murs de ces bâtiments (en béton, verre et métal...) seraient utilisé pour faire tourner les turbines en sens contraire (figure 12) ou dans le même sens. REVENDICATIONS 1.- Dispositif pour capter l'énergie des courants d'air et d'eau comprenant au moins une turbine à aubes tangentielles, caractérisé par des aubes tracées 5 à partir de deux séries de lignes tangentielles L1, L2 Figure 1. 2. ù Dispositif selon les revendications 1, caractérisé par le fait que les lignes L1 sont tangentielles par rapport à un cercle ayant pour centre celui de la turbine et un diamètre égal à son rayon. Figure 2. 3. ù Dispositif selon les revendications 1, caractérisé par le fait que les 10 lignes L1 sont tangentielles à un cercle Cl de diamètre D1 compris entre 0,1 et 0,9 fois D (celui de la turbine). 4. ù Dispositif selon l'un quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les lignes L2 sont tangentielles à un cercle C2 ayant pour centre celui de la turbine et un diamètre égal ou voisin de celui de la 15 turbine. Figures 1 et 2 5. ù Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par des aubes tangentielles droites. (Figure 2) 6. ù Dispositif selon les revendications 1 à 4, caractérisé par des aubes tangentielles courbées. 20 7. ù Dispositif selon les revendications 1 à 4, caractérisé par des aubes droites et courbées à leur extrémité dans le sens inverse de leur rotation. (Figures 1 et 3) 8. ù Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que pour déterminer la largeur des aubes, il faut tracer 25 une ligne entre les extrémités de deux aubes opposées, une ligne que les aubes intermédiaires ne doivent pas couper (Figure 1, EFGH). 9. ù Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les aubes du côté réceptif doivent être plus en retraits afin d'opposer le moins possible de résistance au fluide. Lorsqu'elles remontent 30 face au vent elles sont dans une situation inverse, plus en avant. 10. ù Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que l'extrémité des aubes est équipée d'une pale gouvernée pouvant les rendre plus ouvertes ou fermées ; dans le but de réguler 2907856 -10- leur vitesse de rotation. Figure 6 11. ù Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par des aubes (1) tenues par des plateaux (8) en tôle découpée. 12. ù Dispositif selon la revendication 11 caractérisé par des pliures (3) pour rigidifier les plateaux. 13. ù Dispositif selon la revendication 11 caractérisé par le fait que les aubes sont maintenues par des languettes (4) qui entre dans des fentes (5). 14. ù Dispositif selon l'une des revendications de 1 à 10, caractérisé par le fait que les aubes des turbines sont fixées à des barres boulonnées, vissées, emboîtées ou soudées (figure 9). 15. ù Dispositif selon la revendication 14 caractérisé par l'utilisation d'un axe carré pour créer une structure métallique, triangulaire pour les 3 aubes, carrée pour les 4, pentagonale pour les 5, hexagonale pour les 6 etc. (figure 9) 16. ù Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend des modules permettant d'associer des turbines à d'autres pour constituer des colonnes, des rangées et des murs récepteurs. Figure 7, 8, 10, 11. 17. ù Dispositif selon la revendication 16 caractérisé par le fait que les modules sont pourvus d'écrans qui permettent une accélération des courants qui sont dirigés vers la partie réceptrice des turbines sans pousser les aubes remontantes (figure 7, 8, 10). 18. ù Dispositif selon la revendication 17 caractérisé par des modules cylindriques ouverts des deux côtés, chaque module renvoyant la partie du courant qui aurait freiné sa turbine vers les aubes réceptrices du module suivant, par le biais de quart de cylindre (figure 8 et10). 19. ù Dispositif selon la revendication 17 caractérisé par le fait que les écrans peuvent aussi constituer des modules séparés pouvant être fixés entre deux modules de turbines pour les amener à tourner en sens inverse et à former des couloirs d'air ou d'eau (figure 8). 20 ù Dispositif selon la revendication 19, caractérisé par le fait que les écrans sont de forme arrondie. 21. ù Dispositif selon la revendication 19, caractérisé par le fait que les écrans sont de forme concave 2907856 -11- 22. ù Dispositif selon la revendication 19, caractérisé par le fait que les écrans sont de forme convexe 23. ù Dispositif selon la revendication 19, caractérisé par le fait que les écrans sont plats. 5 24. ù Dispositif selon la revendication 19 caractérisé par le fait que les écrans sont fait avec des tôles ondulées souples. 25. ù Dispositif selon la revendication 19 caractérisé par le fait que les écrans sont en toile tendue. 26. ù Dispositif selon la revendication 16 caractérisé par le fait qu'en mer, 10 pour moins subir les mouvements de la houle, les murs et colonnes sont portés par des caissons et tubes vides immergés, maintenus verticaux sous la surface de flottaison par des lests, des amarres et la force d'Archimède. Figure 11 27. ù Dispositif selon les revendications 1 à 16 caractérisé par le fait qu'il est intégré dans des bâtiments. 15 28. ù Dispositif selon la revendication 27 caractérisé par l'utilisation des murs de bâtiments pour faire tourner les turbines qu'ils maintiennent en sens contraire (figure 12), ou dans le même sens.