Brevet FR2922607A1 — publié le 20090424

La présente invention concerne une génératrice d'électricité tirant son énergie à partir du vent, permettant la fabrication de nouvelles sortes d'éoliennes. Les éoliennes comme alternatives aux énergies fossiles et au nucléai- re se heurtent à deux problèmes majeurs. Le premier concerne le coût de revient d'une unité de production comparé à son potentiel productif et surtout sa régularité de production soumise aux variations climatiques. L'autre handicap est sa faible fiabilité et donc son coût de maintenance élevé sur les sites de productions par définition éloignés et soumis aux intempéries. Ces deux problèmes proviennent de la complexité du principe comportant de nombreux éléments mécaniques que sont globalement la turbine alternateur, la boite de vitesse multiplicatrice, les palles du rotor, les redresseurs de tensions. Tous ces éléments sont eux même constitués de mécanismes complexes qui ne manquent pas de tomber en panne perchés à des hauteurs dif- faciles d'accès et soumis à l'abrasion et aux manifestations des éléments naturels. L'invention se propose d'éliminer toutes les parties mécaniques et mobiles afin d'obtenir une machine statique et donc n'offrant aucun espace à des pannes et par là même ne nécessitant que peu de maintenance. L'invention consiste en une génératrice d'électricité caractérisée en ce qu'elle utilise une matière piézoélectrique excitée par des déformations obtenues grâce aux variations de pressions induites par l'écoulement du vent sur une voilure solide et une structure rigide faisant le lien sous tension mécanique entre le vent et la matière piézoélectrique. Un bras de levier obtenu par la géométrie de l'éolienne sert à tirer le maximum de l'écoulement du fluide et surtout de ses irrégularités. Combinés à un circuit électronique, des tendeurs et le poids du système agissent en près-contraintes permettant la modification du moment d'inertie du système et facilitant sa résonance et la réversibilité du phénomène afin d'obtenir un rendement optimisé de la production d'électricité. Les conditions dans lesquelles l'éolienne est implantée déterminent les dimensions et la forme aérodynamique de la voilure rigide. La génératrice sen l'invention comporte une voilure solide pouvant être formée d'une coque dure en métal ou matériaux composites ou encore en matériaux naturels tels que le bois, pouvant se fondre dans l'environne-ment. Elle se dresse face au vent ou de profile tel une aile d'avion et profite des variations de la force du vent ou des rafales de vent qui la contraignent et exercent des forces considérables sur sa structure et plus particulière-ment à sa base de fixation à l'élément solide. Ce sont ces forces que nous utilisons pour produire de l'électricité grâce à l'effet piézoélectrique en utili- sant des éléments piézo PZT disponible dans l'industrie à de très faibles coût sous la forme de petites barres de céramiques qui sont regroupés en grand nombre et positionnées sur une partie bien choisie de sa structure. Cette partie de la géométrie de l'éolienne particulièrement apte à exciter les éléments piezo se situe généralement à la base de la structure près de l'axe de rotation du système là où le mouvement est le plus faible en amplitude et le plus puissant en force. L'axe de rotation peut être naturel ou contraint. Le mouvement longitudinal étant le seul acceptable pour l'intégrité des éléments piezoélectrique, ils sont confinés dans un mécanisme assurant leur protection. Ce mécanisme tout en permettant la compression des éléments piezo regroupe ceux-ci entre deux platines qui assurent le contact électrique de leur pôles et répartissent les forces. Un des reproches fait aux éoliennes est de produire de l'électricité uniquement dans une fenêtre de puissance de vent réduite. En effet s'il y a trop peu de vent, l'éolienne s'arrête. A l'inverse un vent trop fort oblige à débrayer le système pour éviter la casse. On comprend aisément que l'éolienne décrite dans la présente invention permet de profiter des variations du vent plus que de sa puissance, or cette variation a une présence bien plus constante que l'intensité du vent. L'éolienne ainsi conçue permet une production d'é- lectricité plus régulière que les éoliennes à rotor et hélices. On parle souvent de nuisances sonores et de pollution visuelle lorsque les éoliennes tournent et gâchent le paysage, alors que nous proposons ici d'éoliennes totalement silencieuses et pouvant s'intégrer plus facile-ment dans le paysage, voir même s'adosser aux habitations qu'elles alimen- tent en énergie. Voici comment la résonance peut augmenter l'efficacité du système. Le 7 novembre 1940, à approximativement 11 h 00, le premier pont suspendu de Tacoma Narrows s'effondra a cause des vibrations dues au vent. Situé près de la ville de Tacoma dans l'état de Washington, le pont avait seulement été ouvert que depuis quelques mois. Les vents n'étaient pourtant pas très forts (65 km/h environ), le pont a commencé à se balancer de plus en plus, tordant le tablier et les câbles. Certains câbles ont alors cédés, laissant tomber des parties entières de tablier. L'ouvrage a en fait été victime d'un phénomène de résonance : les rafales de vent avaient une fré- quence proches de la fréquence propre du pont, et celui-ci entrant en résonance, a subi des oscillations qui peuvent paraître disproportionnées par rapport à leur cause. Lors de l'excitation d'une structure rigide comme une éolienne statique décrite dans la présente invention des oscillations se propagent dans la structure et rebondissent sur les bords. Elles deviennent alors des ondes stationnaires, c'est-à-dire qu'elles ne se propagent plus mais oscillent sur place, et peuvent s'additionner. Or, chaque système possède sa fréquence naturelle appelée fréquence propre. Quand ce système est excité à une cer- taine fréquence, le système va être mis en mouvement, il va vibrer. Si la fréquence d'excitation se trouve être la même que la fréquence naturelle du système, la vibration s'amplifie jusqu'à atteindre un niveau extrêmement important : elle résonne. Cela peut se caractériser par une excitation importante des éléments piézoélectriques judicieusement positionnés aux endroits les plus exposés aux vibrations généralement aux points d'encrage du système, générant un courant électrique alternatif à la même fréquence que celle du système oscillant formé par l'éolienne statique et vibrante ainsi constituée. La résonance n'est donc qu'une réponse particulièrement importante à une excitation produisant une quantité d'électricité plus importante et plus régulière que les éoliennes à rotors et hélices. Pour obtenir une production multipliée l'éolienne décrite par l'invention peut s'accorder en temps réel à la fréquence des rafales de vent. Les méthodes misent en jeux se fondent sur les méthodes anti-vibratoires utilisées à l'inverse bien connue de l'homme de l'art. Ainsi tout comme le pont de Tacoma qui bien que les vent n'étaient pas très fort à emmagasiné une grande partie de l'énergie du vent à cause de la résonance parce que sa fréquence propre était accordée involontairement avec la fréquence du vent, notre éolienne peut comporté un réglage permettant d'accorder en permanence sa fréquence propre avec la fréquence du vent constatée. La structure de l'éolienne et sa géométrie sont étudiés grâce aux savoirs faires et aux études entreprises dans le domaine des ponts suspen- dus pour lesquels on cherche tout en rigidifiant ses éléments à prévenir l'ef-fet de résonance avec les rafales de vents. Mais ici plutôt que de vouloir l'é- viter on recherche l'accord de la fréquence propre de l'éolienne avec les rafales de vent afin de profiter des puissances multipliées du vent sur les éléments structurels de l'éolienne qui produisent l'électricité par déformation que sont les élément piézoélectriques. Un élément mécanique peut ainsi être installé de manière à pourvoir modifier la fréquence propre de l'éolien- ne pour l'accorder en temps réelle au vent qui la fait vibrer, cette modifica- tion de fréquence propre pouvant se faire en modifiant la rigidité de la struc- ture par des tentions sur des élément gérés par un moteur pas à pas et pilo- té par un ordinateur. La modification de fréquence propre peut également se faire en modifiant le moment d'inertie de l'éolienne par le déplacement d'un 2922607 -4- poids dans sa structure. L'accord de la fréquence de l'éolienne avec le vent peut également se faire au niveau du vent en agissant sur celui-ci avant qu'il n'atteigne l'éolienne par la disposition d'ailerons mobiles et précurseurs en amont du vent afin de créer des perturbations modifiant la captation par l'éo- 5 tienne de l'énergie des perturbations du vent. Le dimensionnement d'une éolienne de 10 Mega Watts annuels devra par exemple être de quinze mètres de hauteur pour une largeur de 2 mètres et une épaisseur à sa base formant le bras de levier de 50cm. Comportera 1000 éléments piézoélectriques. Cela en considérant les performances des 10 éléments piézoélectriques actuellement sur le marché de type barre de céramiques appelées PZT. Les spécificités des producteurs de ces éléments sont données pour un travail de 100 Watts de pression physique à une fréquence de 15KHz qui alors produisent 9Watt/seconde d'électricité. En effet pour quinze mètres de hauteur d'une structure en aluminium 15 aptes à générer les 100 Watts de travail pression sous un vent faible, la fréquence se situe aux alentour de 5 hz et cette vibration affecte les éléments piézoélectriques avec un travail du bras de levier constitué de la base de 50 cm par rapport à sa hauteur de 15 mètres. Il faut donc multiplier les 9 Watts produits par un élément piezo sous forme de courant électrique par le rap- 20 port 15000/5 pour obtenir le nombre d'élément à combiner pour produire 9 watts par secondes soit 27000 éléments. Pour simplifier les calculs nous devrions définir en l'état de la technique ; qui peut bien sure évoluer considérablement notamment en fabricant des éléments piezo spécifiques à cette application ; que 27000/9 soit 3000 25 élément sont nécessaires par watts secondes produits. Enfin pour ramener ce chiffre au besoins annuel d'une maison arbitrairement posé de 10 méga Watts, nous devons faire les conversions et calculer 3000 * 10000000/(3600*24*365) soit 951 éléments piézoélectriques. Pour atteindre une production suffisante pour une habitation indivi- 30 duelle moyenne il faut donc calibrer une éolienne statique telle que décrite dans la présente invention de quinze mètres de haut comportant 1000 éléments piezoélectriques de puissance unitaires de 9 Watts par seconde d'électricité pour 100 Watts de puissance mécanique à 15Khz. La structure de l'éolienne est pré-contrainte par des éléments élas- 35 tiques pour que les éléments piézoélectriques soient en permanence sous pression afin de produire des décharges aussi bien en pression qu'en relâ- chement de pression. En effet les éléments piezo fournissent autant d'élec- tricité quand ils sont compressés que lorsqu'ils sont relâchés et ils se com-portent comme un ressort. Pour produire le maximum d'énergie et que la structure puisse vibrer facilement une pré-contrainte à mis parcours des compressions maximums permettent de profiter au mieux des oscillations. Grâce à la présente invention, le principe de l'éolien peut s'appliquer à des objets inattendus comme les lampadaires, les éclairages d'extérieurs, l'alimentation électrique des bateaux. La voilure rigide peut être en profile d'aile d'avion comportant une face de sous pression et une face de sur pression afin d'obtenir un transfert d'énergie au éléments piézoélectrique maximum par une sensibilité accrue des variations de vent. La réunion des éléments piézoélectriques en grands nombre permet la fabrication l'éléments suffisamment grands pour supporter les pressions exercées par la structure en réaction aux contraintes faites sur la voilure par le vent, dont on compte récupérer l'énergie. Une éolienne ainsi constituée exercera sur ces éléments piézoélectriques son poids en prés contraintes et les vibrations formées par les rafales du vent seront proportionnelles à sa surface de prise au vent. La près contrainte des éléments piézoélectriques peut également se faire par des éléments de compressions élastiques tels que des lames de métal ou des ressorts ou encore une masse. Cette près contrainte est indispensable pour amener les éléments piézoélectriques à un niveau de pression à mis valeurs de leur maximum afin que tout mouvement génère des décharges électriques aussi bien en relâchement qu'en pression. Des éléments de butées viennent empêcher de dépasser les valeur maximum de déformation que peuvent supporter les céramiques et dans le cas du relâ- chement la buté empêche le relâchement excessif en reportant l'effort sur les éléments piezo opposés. Le chémat de principe de la génératrice d'électricité selon la présente invention montre l'ensemble exhaustif des éléments pouvant constituer l'éo- lienne lui permettant de capter de l'énergie issue du vent (1). Il montre une structure rigide (2) et une série d'éléments piézoélectriques (3) organisés de tel sorte que la circulation du vent, au contact d'une voilure solide (4) solidai- re à la structure (2), se répercute sous forme de variation de pression sur les éléments piézoélectriques (3) situés aux endroits les mieux exposées pour transformer les vibrations et micro-mouvements en décharges électriques récupérables dans un circuit électrique formant ainsi une éolienne statique. Les éléments piézoélectriques (3) organisés en regroupement d'unités élé- mentaires de type barres ou barreaux (8) de céramiques ferroélectriques PZT, en quantité importante, ont leurs pôles couplés en parallèles de tel sorte que leurs décharges électriques s'additionnent en intensité, caractéri- sant la puissance du potentiel productif de la génératrice. Ces regroupements d'éléments piézoélectriques (8) sont constitués de deux gouttières isolantes en plastique (9) aptes à protéger les éléments unitaires et leurs permettre uniquement un mouvement longitudinal de compression par le chevauchement des parois des gouttières (9), la liaison électrique des pôles des éléments piezo (8) étant assurée par deux platines métalliques (10) par contact, qui protègent les barres (8) des mouvements latéraux en répartis-sent les forces à égale puissance sur chacune d'entre elles constituant également une enceinte stable, étanche et protectrice (16). La structure(2) de l'éolienne forme un bras de levier apte à agir sur les éléments piezoélectriques et est défini par le rapport de sa hauteur (A) et la largeur (B) de sa base, la voilure rigide (4) agit sur une structure (2) elle-même rigide dont la base en équerre (7) subit les forces décuplées du vent qu'elle est ainsi capable de répercuter aux ensembles d'éléments piezoélectriques (3). Le dimensionnement de la voilure (2) et la rigidité de la structure (4) de l'éolienne sont calculés de sorte que la fréquence d'oscillation naturelle de l'ensemble soit proche des fréquences du vent constatées lors d'une étude du site d'implantation pour que l'éolienne ainsi fabriquée entre facile-ment ; et le plus souvent possible ; en résonance avec le vent, ces oscilla- tions étant alimentées par les rafales du vent. Un mécanisme peut être prévu à cet effet, constitué par un rigidificateur agissant sur la structure (2) par tension mécanique grâce à une tige de tension (11) tendue par une mécanisme de visse sans fin (12) actionnée par un moteur pas à pas tournant un boulon (13) apte modifier l'ensembles des interactions élastiques entre les élé- ments constitutifs de la génératrice modifiant la fréquence propre de l'en-semble. Un positionnement face au vent adapté à la situation du lieux ou elle est implantée, permet à l'éolienne ; grâce à sa forme profilée de façon à offrir le maximum de résistance au vent de façon ; de produire le maximum de tra- vail sur les éléments piézoélectriques qu'elle comprend et cela de façon à vibrer le plus fortement et le plus régulièrement possible lui conférant une aptitude à exploiter l'irrégularité du vent plus que son intensité. De plus un élément moteur peut être ajouté dans ce but pour agir sur l'orientation de tout ou partie de l'éolienne afin que la prise au vent soit la meilleur en per- manence. Ce positionne ment peut être obtenu naturellement en laissant libre de rotation l'éolienne qui se positionne naturellement face au vent car la prise au vent d'une forme libre se positionne face au vent. Un poids (5) mobile le long de sa structure (2) permet dans certains cas de modifier le moment d'inertie de l'éolienne afin que celui-ci s'accorde avec les rafales de vent et puisse agir avec force sur les éléments piézoélectriques, ce poids étant placé en position haute afin de déstabiliser l'en-semble dans un équilibre instable apte à produire des oscillations de puissance maximum activées par le vent et de fréquence adéquates. Les propriétées actives des éléments piezoélectriques peuvent êtres utilisées pour agir sur la structure afin d'accorder les vibrations au rafales de vent pour multiplier les effets du vent et réguler la production d'électricité en utilisant la vibration mécanique de la voilure et de la structure comme un capaciteur emmagasinant l'énergie par instants. Les circuits électroniques de type RLC sont particulièrement adaptés à cet usage. Les dessins annexés illustrent l'invention La figure 1 représente en coupe le chémat de principe de la génératrice éolienne. La figure 2 représente une solution pour associer les éléments de céramique piézoélectriques regroupés afin d'obtenir un potentiel électrique important et capable de résister aux pressions exercées lors de vibrations en même temps que la connexion de leurs pôles en parallèle. La figure 3 représente l'application de la génératrice à une habitation et l'utilisation de la pente de son toit, La figure 4 représente une éolienne utilisant les principes de l'invention adaptée au mat d'un bateau. La figure 5 représente un lampadaire constitué comme une éolienne selon l'invention. La figure 6 représente une simplification extrême de l'éolienne selon l'inven- tion possible quand un mur servant de versant exposé au vent est disponible comme support où la voilure et la structure ainsi que l'élément de tension sont réunis en une seule pièce.. En référence aux premier dessins un socle en béton (16) comporte une cavité qui reçoit les regroupements d'éléments piézoélectriques (8) sur lesquels vient se positionner la structure rigide (2) en aluminium elle même recouverte par la voilure solide (4) augmentant sa prise au vent (1). Le tout est maintenu en place par les buttées (17) qui forcent la structure à rester à la verticale en appuis sur deux regroupements d'éléments piézoélectriques (8). Cette génératrice éolienne est placée face au vent. En référence au dessin 2 un regroupement d'éléments piézoélectrique est constitués d'un ensemble agencés d'éléments en céramique PZT dont les pôles uniformément orientés sont en contact avec les platines conductrice (9) et contenus dans des gouttières hermétiquement closes mais permet- tant un mouvement de compression longitudinale par rapport aux longueurs des éléments qu'il contient. En référence au troisième dessin une maison comporte sur son toit une structure rigide (2) recouverte d'une voilure solide (4) accrochée à la base d'un des versants de la toiture. Un élément de tension tel qu'un câble (11) maintient le système en place exerçant sur la structure (2) et par voie de conséquence une pré compression des ensembles d'éléments piezoélectrique (3) confinés dans une cavité protectrice et stable (16). Le vent (1) qui vient glisser sur la voilure avec les perturbations produites par la présence de la maison, secoue la voilure et la structure excitant les éléments piezoé- lectriques qui produisent leurs décharges électrique utilisées au saint d'un circuit électronique pour les transformer de manière à être utilisables soit au chargement de batteries soit pour une utilisation immédiate dans le secteur de la maison. En référence au quatrième dessin une éolienne pour bateau est cons- titué d'une voilure solide (4) faisant office de structure rigide est positionnée autour du mat (19) du bateau enserre deux ensembles d'éléments piézoélectriques (3) pré contraint par les visses de serrages (18). Le tout est laisé libre de tourner autour du mat la position naturelle d'une telle forme etant face au vent ce qui est la meilleure position. En référence au cinquième dessin un lampadaire d'extérieur particulièrement adapté aux espaces non alimentés en électricité comme les jardins ou les rues de villages isolés se compose d'un mat faisant office de structure rigide (2) sur lequel vient un globe en position haute faisant office de voilure solide (4) se trouvent en prise avec le vent (1). La base est un socle en béton (16) assurant la stabilité et qui peut être enterré. les deux parties ainsi constituées sont reliées par les ensembles d'éléments piézoélectriques (3) qui sont donc soumis avec force à la moindre sollicitation du vent sur la hauteur du lampadaire et qui produisent alors des décharges électrique aptes à recharger les batteries (18) du lampadaire ou alimenter direc- tement la lampe d'éclairage (17). Les applications industrielles sont multiple notamment en production d'éolienne à faible coût de revient aussi bien en fabrication qu'en maintenance. Toutes les tailles sont possibles et l'intégration dans des objets est un pôle important du développement industriel. Par exemple en considérant les lampadaires qui semblent particulièrement adaptés avec un éclairage alimenté par une batterie rechargée par le vent qui fait vibrer la structure. Sur les bateaux le bruit des éolienne est un facteur important qui donne à la pré-sente invention totalement silencieuse puisque sans mécanismes ni mouvement un atout majeur au niveau de sa commercialisation. REVENDICATIONS 1) L'invention est une génératrice d'électricité à partir de l'énergie du vent (1) caractérisée en ce qu'elle est constituée d'une structure rigide (2) et d'une série d'éléments piézoélectriques (3) organisés de tel sorte que la circulation du vent, au contact d'une voilure solide (4) solidaire à la structure (2), se répercute sous forme de variations de pressions sur les éléments piézoélectriques (3) transformant les vibrations et micro-mouvements en décharges électriques récupérables dans un circuit électrique formant une éolienne statique. 2) La génératrice d'électricité selon la revendication 1 est caractérisée en ce qu'elle comporte une série d'éléments piézoélectriques (3) organisés en regroupement d'unités élémentaires de type barres ou barreaux (8) de céramiques ferroélectriques PZT, en quantité importante, dont les pôles sont couplés en parallèles de tel sorte que leurs décharges électriques s'additionnent en intensité caractérisant la puissance du potentiel productif de la génératrice d'électricité qu'ils constituent. 3) La génératrice d'électricité selon l'une quelconque des revendica-tions précédentes est caractérisée en ce qu'elle comporte des regroupements d'éléments piézoélectriques (8) constitués de deux gouttières isolantes en plastique (9) aptes à protéger les éléments unitaires et leurs permettre uniquement un mouvement longitudinal de compression par le chevauchement des parois des gouttières (9), la liaison électrique des pôles des éléments piezo (8) étant assurée par deux platines métalliques (10) par contact, protégeant les barres (8) des mouvements latéraux en répartissant les forces à égale puissance sur chacune d'entre elles constituant égale-ment une enceinte stable étanche et protectrice (16). 4) La génératrice d'électricité selon l'une quelconque des revendica-tions précédentes est caractérisée en ce que sa structure(2) forme un bras de levier apte à agir sur les éléments piezoélectriques défini par le rapport de sa hauteur (A) et la largeur (B) de sa base, la voilure rigide (4) agissant sur une structure (2) elle-même rigide dont la base en équerre (7) subit les forces décuplées du vent qu'elle est ainsi capable de répercuter aux ensem- bles d'élément piezoélectriques (3). 5) La génératrice d'électricité selon l'une quelconque des revendications précédentes est caractérisée en ce que le dimensionnement de sa voilure (2) et la rigidité de sa structure (4) soient calculés de sorte que la fréquence d'oscillation naturelle de l'ensemble soit proche des fréquences duvent constatées lors d'une étude du site d'implantation pour que l'éolienne ainsi fabriquée entre facilement ; et le plus souvent possible ; en résonance avec le vent, ces oscillations étant alimentées par les rafales du vent. 6) La génératrice d'électricité selon l'une quelconque des revendica-tions précédentes est caractérisée par un mécanisme constitué par un rigidificateur (6) agissant sur la structure (2) par tension mécanique grâce à une tige de tension (11) tendçue par une mécanisme de visse sans fin (12) action-née par un moteur pas à pas agissant sur un boulon (13) apte à près comprimer, les éléments piézoélectriques (3) et modifiant l'ensembles des inter- actions élastiques entre les éléments constitutifs de la génératrice modifier la fréquence propre de l'ensemble pour l'amener à entrer le plus souvent possible en résonance avec le vent. 7) La génératrice d'électricité selon l'une quelconque des revendications précédentes est caractérisée par un positionnement face au vent adap- té à la situation du lieux ou elle est implantée, sa forme étant profilée de façon à offrir le maximum de résistance au vent de façon à produire le maximum de travail sur les éléments piézoélectriques qu'elle comprend et cela de façon à vibrer le plus fortement et le plus régulièrement possible lui conférant une aptitude à exploiter l'irrégularité du vent plus que son intensité. 8) La génératrice d'électricité selon l'une quelconque des revendications précédentes est caractérisée par un élément moteur apte à agir sur l'orientation de tout ou partie de l'éolienne pour que la prise au vent soit la meilleur en permanence et que les vibrations obtenues soient d'intensités et de fréquences les plus régulières possibles et apte à profiter le plus possi- ble des irrégularités du vent, ces différence de pressions exercés sur les parties piézoélectrique sont ainsi récupérées et génèrent l'électricité. 9) La génératrice d'électricité selon l'une quelconque des revendications précédentes est caractérisée en ce qu'elle comporte un poids (5) mobile le long de sa structure (2) permettant de modifier son moment d'inertie afin que celui-ci permette un accord avec les rafales de vent et puisse agir avec force sur les éléments piézoélectriques, ce poids étant placé en position haute afin de déstabiliser l'ensemble dans un équilibre instable apte à produire des oscillations de puissance maximum activées par le vent et de fréquence adéquates.35