Brevet FR2921984A1 — publié le 20090410

Machine de production d'énergie électrique à partir d'une roue à pales entraînée en rotation par un flux d'air et en prise sur le rotor d'un appareil générateur d'électricité. Domaine technique de l'invention. L'invention est du domaine des machines productrices d'énergie électrique à partir d'un flux d'air. Elle a pour objet une telle machine dans laquelle une roue à pales est entraînée par un flux d'air pour provoquer la rotation du rotor d'un appareil générateur d'électricité. Etat de la technique. Les éoliennes dans leur principe sont des machines agencées pour capter l'énergie du vent en vue de la production d'énergie électrique. Dans leur généralité, de telles machines comprennent une roue à pales qui est entraînée en rotation sous l'effet du vent, ce mouvement de rotation étant transmis au rotor d'un appareil générateur d'électricité, tel qu'un alternateur ou appareil analogue dans lequel un rotor coopère avec un stator pour produire de l'électricité. Les éoliennes présentent l'avantage d'offrir une production d'énergie électrique à partir d'une énergie naturelle et d'être non polluantes. Cependant, l'autonomie et le rendement des éoliennes sont soumis à la contrainte d'une présence de vent qui doit être d'une puissance suffisante pour l'entraînement satisfaisant du rotor de l'appareil générateur d'électricité. En outre, le vent est un élément naturel dont la présence est incertaine et qui est soumis à des variations de puissance aléatoires. En conséquence, les éoliennes doivent être implantées sur des sites naturels spécifiques qui sont adaptés à leur exploitation, et leur structure doit être agencée de manière à palier à des variations de puissance et de direction du vent. II est notamment commun que la roue à pales soit montée pivotante sur le mât qui la soutient, pour autoriser une modification de son orientation suivant la direction du vent. II est aussi commun de munir la roue d'un mécanisme à masselottes qui permet de faire varier l'orientation des pales de la roue en fonction de la puissance du vent. Il est aussi prévu d'agencer le profil des pales et leur robustesse pour limiter l'impact induit par les variations de puissance du vent. L'appareil générateur d'électricité est en relation avec un circuit de distribution qui doit incorporer des moyens de régulation de l'énergie électrique produite prenant en compte les variations de puissance du vent. II en ressort que la structure des éoliennes est complexe et coûteuse, et que leur implantation en milieu naturel répond à des exigences contraignantes. Le rendement et l'autonomie des machines produisant de l'énergie électrique à partir d'un flux d'air méritent d'être améliorés. En outre, il est souhaitable de simplifier la structure de ces machines, et notamment l'organisation de la roue à pales elle-même et de son montage en rotation sur une structure porteuse. Une telle simplification de structure ne doit néanmoins pas porter atteinte à la pérennité et la fiabilité de la machine, ni affecter la stabilité de production de l'énergie électrique obtenue. Objet de l'invention. Le but de la présente invention est de proposer une machine non polluante qui est agencée pour produire de l'énergie électrique à partir d'un flux d'air, une telle machine mettant en oeuvre une roue à pales dont l'entraînement en rotation est provoqué par un flux d'air pour entraîner à son tour en rotation le rotor d'un appareil générateur d'électricité, tel qu'un alternateur ou appareil analogue. Il est plus particulièrement visé par la présente invention de proposer une telle machine dont l'autonomie et le rendement sont optimisés, dont la production d'énergie électrique obtenue est la plus stable possible et dont les coûts d'obtention sont réduits. Une telle réduction de coûts est visée à partir d'une simplification de l'agencement structurel de la roue à pales et à partir d'une simplification de ses modalités de montage sur une structure porteuse et de mise en relation avec le rotor. La machine de la présente invention est une machine apte à produire de l'énergie électrique à partir d'au moins une roue à pales entraînée en rotation par un flux d'air. Cette roue à pales est en prise sur le rotor d'un appareil générateur d'électricité, de sorte que la roue entraîne en rotation le rotor qui, coopérant avec un stator, permet de produire de l'électricité. Un tel appareil générateur d'électricité est notamment constitué d'un alternateur ou autre appareil analogue apte à produire de l'électricité à partir de la rotation d'un arbre moteur, tel que constitutif du rotor. L'appareil générateur d'électricité est en relation avec un circuit de distribution de l'énergie électrique produite en vue de son exploitation. Selon la présente invention, une telle machine de production d'énergie électrique est principalement reconnaissable en ce que le flux d'air est produit par au moins un groupe moto ventilateur agencé en ventilateur motorisé préférentiellement équipé d'une volute. Plus particulièrement, un tel groupe moto ventilateur est principalement constitué d'un organe moteur qui est alimenté en énergie à partir d'une source électrique, et qui entraîne en rotation des ailes de brassage de l'air ambiant pour générer un flux d'air. Ce flux d'air produit par le groupe moto ventilateur est acheminé vers les pales de la roue à travers un canal qui débouche dans une zone périphérique de la roue. Le flux d'air est confiné à l'intérieur du canal pour être amené dans une zone restreinte de la roue, et plus particulièrement dans sa zone périphérique où s'étendent les pales. Le canal est muni d'un débouché d'admission du flux d'air en provenance du groupe moto ventilateur, et d'un débouché d'évacuation du flux d'air en périphérie de la roue, dans la zone d'extension radiale des pales. La roue est en prise sur le rotor soit directement autour d'un même axe de rotation, soit indirectement autour d'un tel axe commun de rotation par l'intermédiaire de moyens de liaison en rotation du type clavetage, brochage, goupillage ou analogue. La roue est aussi susceptible d'être en prise sur le rotor par l'intermédiaire d'organes de transmission coopérant, que la roue soit coaxiale ou non avec le rotor. Le circuit de distribution est susceptible d'être muni d'une réserve de l'énergie électrique produite par la machine, en vue de son stockage dans le cas où cette énergie n'est pas exploitée extemporanément. La machine est apte à alimenter la roue d'un flux d'air de force et de direction constante. A titre indicatif, ce flux d'air est susceptible d'être de l'ordre d'au moins 60 m3 par heure. Le flux d'air est dirigé par le canal vers les pales de la roue, en périphérie de cette dernière. Pour optimiser l'efficacité de la machine, les pales sont placées le plus loin possible vers la périphérie de la roue par rapport à son axe de rotation, suivant un compromis recherché entre capacité de production et encombrement de la machine. Le groupe moto ventilateur est susceptible d'être avantageusement alimenté en énergie à partir de l'appareil générateur d'électricité, pour tendre à obtenir un fonctionnement autonome et continu de la machine. A titre indicatif, 10% à 15% de l'énergie électrique produite par la machine peut être exploitée pour l'alimentation en énergie du groupe moto ventilateur, le reste étant renvoyé vers un réseau de distribution en vue de son exploitation domestique. De préférence, la machine comprend une pluralité de groupes moto ventilateur qui sont en relation avec des canaux qui leur sont affectés. Ces canaux débouchent en périphérie de la roue de manière angulairement répartie par rapport à son axe de rotation. Notamment, les groupes moto ventilateurs sont au nombre de deux, ce nombre n'étant pas restrictif quant à la faculté d'implantation de plusieurs groupes moto ventilateur. Dans ce cas, les canaux qui sont affectés à chacun des groupes moto ventilateur sont disposés de part et d'autre de l'axe de rotation de la roue, en étant diamétralement opposées. Dans le cas d'exemple où les groupes moto ventilateur sont au nombre de trois, les canaux débouchent sur les pales en périphérie de la roue en étant radialement répartis à 120° par rapport à l'axe de rotation de la roue. De préférence encore, la machine comprend une pluralité de roues coaxiales qui sont en prise sur le rotor d'un même appareil générateur d'électricité. Ces roues en pluralité sont axialement montées successivement autour d'un axe de rotation commun, les pales d'une première roue étant préférentiellement angulairement décalées par rapport aux pales d'une deuxième roue au regard de leur axe commun de rotation. La dite source d'énergie électrique d'alimentation du groupe moto ventilateur au moins comprend au moins partiellement l'appareil générateur d'électricité, voire aussi une source d'énergie électrique complémentaire exploitant l'énergie solaire par exemple. Le circuit de distribution comprend avantageusement une boîte de dérivation de l'énergie produite par l'appareil générateur d'électricité, d'une part vers le groupe moto ventilateur et d'autre part vers un réseau de distribution de l'énergie électrique produite, en vue de son exploitation. Un tel réseau de distribution est notamment un réseau domestique. Les pales de la roue au moins sont homothétiques en étant avantageusement recourbées en hélice dans leur plan général et en étant préférentiellement évasées vers leur extrémité suivant leur extension radiale par rapport à l'axe de rotation de la roue. Tel que visé plus haut, la roue est indifféremment en prise directe ou en prise indirecte par l'intermédiaire d'organes de transmission avec le rotor de l'appareil générateur d'électricité. La conformation d'extension du ou des canaux est susceptible d'être quelconque pour faciliter l'implantation du ou des groupes moto ventilateur. On notera30 cependant que cette conformation est souhaitée de manière à faciliter la circulation du flux d'air à travers le conduit afin de réduire les pertes de charge. Des moyens d'accélération du flux d'air généré par le groupe moto ventilateur sont préférentiellement prévus. De tels moyens d'accélération sont par exemple constitués par une volute dont est muni le groupe moto ventilateur, et/ou par un agencement au moins partiel en volute du canal d'acheminement du flux d'air vers les pales de la roue. Description des figures. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va être faite d'un exemple préféré de réalisation, en relation avec les figures de la planche annexée, dans laquelle : La fig.1 est un schéma illustrant le principe de fonctionnement d'une machine de la présente invention apte à produire de l'énergie électrique à partir d'au moins un flux d'air. La fig.2 est un schéma en coupe axiale illustrant des modalités structurelles d'agencement d'une machine illustrée sur la fig.1. La fig.3 est un schéma de face d'un couple de roues à pales constitutives de la machine représentée sur la fig.2. Sur la fig.1, une machine est destinée à la production d'énergie électrique à partir de la production d'au moins un flux d'air 2. Cette machine comprend 25 principalement : *) au moins un groupe moto ventilateur 1 pour générer le flux d'air 2. *) un canal 3 affecté au groupe moto ventilateur 1 pour acheminer le flux d'air 2 produit vers les pales périphériques 4 d'au moins une roue 5. *) un rotor 6 constitutif d'un appareil générateur d'électricité 7, ce rotor 6 étant en 30 prise sur la roue 5 pour son entraînement en rotation. *) un circuit de distribution 8 de l'énergie produite par l'appareil générateur d'électricité 7. Ce circuit de distribution 8 comprend une boîte de dérivation 9 de l'énergie électrique produite, qui permet de diriger l'énergie électrique produite d'une part vers le groupe moto ventilateur 1 pour l'alimentation en énergie de l'organe moteur 10 qu'il comprend, et d'autre part vers un réseau domestique de distribution 11 pour exploiter l'énergie produite par la machine. Le flux d'air 2 produit par le groupe moto ventilateur 1 est exploité pour entraîner en rotation la roue 5. Le canal 3 permet de confiner ce flux d'air 2 et de l'acheminer en périphérie de la roue 5 dans sa zone de localisation des pales 4. La roue 5 est entraînée en rotation, et étant en prise sur le rotor 6, provoque l'entraînement en rotation de ce dernier. L'appareil générateur d'électricité 7 est mis en oeuvre, et l'électricité produite est en partie utilisée pour l'alimentation du groupe moto ventilateur 1, l'autre partie étant distribuée vers le réseau domestique 11 en vue de son exploitation. Une source d'énergie complémentaire 12 permet selon les besoins d'alimenter le groupe moto ventilateur 1 en énergie électrique. Cette source d'énergie complémentaire 12 est de préférence constituée par un appareil non polluant apte à produire de l'énergie électrique à partir d'énergie propre, telle que l'énergie solaire. La machine est autonome et est apte à fonctionner en continu, tout en étant de structure simple notamment au regard de la structure de la roue 5 et des pâles qu'elle comprend, et au regard des modalités du montage de la roue sur une structure porteuse et de sa mise en relation mécanique avec le rotor 6. Sur la fig.2, les groupes moto ventilateur 1,1' sont au nombre de deux et sont chacun en relation avec un canal 3,3' qui leur est affecté pour l'acheminement du flux d'air 2,2' qu'ils produisent individuellement. Les débouchés d'évacuation des canaux 3,3' sont radialement équirépartis par rapport à l'axe A de rotation de la roue 5 au moins, en étant disposés en opposition diamétrale de part et d'autre de cet axe A de rotation. Les canaux 3,3' sont ménagés à l'intérieur d'une même enceinte 13 agencée en double coquille. Les groupes moto ventilateurs 1,1' sont chacun munis d'une volute 14,14' pour accélérer le flux d'air 2,2' qu'ils produisent, et sont logés à l'intérieur du canal 3,3' qui leur est affecté. Les pales 4,4' sont le plus éloignées possible de l'axe A de rotation de la roue 5,5' au moins, pour optimiser l'exploitation de l'énergie fournie par les flux d'air 2,2'. Les axes B de rotation des groupes moto ventilateur 1,1' sont disposés suivant 5 des orientations concourantes, orthogonales notamment, par rapport à l'axe A de rotation de la roue 5,5' au moins et du rotor 6. En se reportant par ailleurs sur la fig.3, les roues 5,5' sont au nombre de deux et sont en prise coaxiale sur le rotor 6. Les pales 4,4' des roues 5,5' sont 10 homothétiques en étant évasées vers leur périphérie suivant leur extension radiale par rapport à l'axe de rotation A des roues 5,5'. Les pales 4,4' de l'une des roues 5,5' sont angulairement décalées par rapport aux pales 4,4' de l'autre roue 5,5' au regard de leur axe commun A de rotation, de manière à être disposées suivant deux rangs en quinconce de l'une à l'autre des roues 5,5'. Ces 15 dispositions permettent d'optimiser le rendement de la machine à partir d'une exploitation maximale de l'énergie fournie par les flux d'air 2,2' produits par les groupes moto ventilateur 1,1'. Revendications 1.- Machine de production d'énergie électrique à partir d'au moins une roue (5) à pales (4) qui est entraînée en rotation par un flux d'air (2) et qui est en prise sur le rotor (6) d'un appareil générateur d'électricité (7) en relation avec un circuit de distribution (8) de l'énergie électrique générée, caractérisée en ce que le flux d'air (2) est produit par au moins un groupe moto ventilateur (1) alimenté en énergie à partir d'une source électrique, et en ce que le flux d'air (2) produit est acheminé vers les pales (4) de la roue (5) à travers un canal (3) qui débouche dans une zone périphérique de la roue (5). 2.- Machine de production d'énergie électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend une pluralité de groupe moto ventilateur (1,1') qui sont en relation avec des canaux (3,3') qui leur sont affectés et qui débouchent en périphérie de la roue (5) de manière angulairement équirépartie par rapport à son axe (A) de rotation. 3.- Machine de production d'énergie électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend une pluralité de roues (5,5') coaxiales en prise sur le rotor (6) de l'appareil générateur d'électricité (7). 4.- Machine de production d'énergie électrique selon la revendication 3, caractérisée en ce que les pales (4,4') d'une première roue (5,5') sont angulairement décalées par rapport aux pales (4,4') d'une deuxième roue (5,5') au regard de leur axe commun (A) de rotation. 5.- Machine de production d'énergie électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la source d'énergie électrique d'alimentation du groupe moto ventilateur (1) comprend au moins partiellement l'appareil générateur d'électricité (7). 9 6.- Machine de production d'énergie électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la source d'énergie électrique d'alimentation du groupe moto ventilateur (1) comprend une source d'énergie électrique complémentaire (12) exploitant l'énergie solaire. 7.- Machine de production d'énergie électrique selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisée en ce que le circuit de distribution (8) comprend une boîte de dérivation (9) de l'énergie produite par l'appareil générateur d'électricité (7) d'une part vers le groupe moto ventilateur (1) et d'autre part vers un réseau de distribution (11) de l'énergie électrique produite. 8.- Machine de production d'énergie électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les pales (4,4') sont homothétiques en étant recourbées en hélice dans leur plan général et en étant évasées vers leur extrémité suivant leur extension radiale par rapport à l'axe de rotation (A) de la roue (5). 9.- Machine de production d'énergie électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la roue (5) est indifféremment en prise directe ou en prise indirecte par l'intermédiaire d'organes de transmission avec le rotor (6) de l'appareil générateur d'électricité (7). 10.- Machine de production d'énergie électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le groupe moto ventilateur (1) est muni d'une volute (14) et/ou en ce que le canal (3) est au moins en partie agencé en volute.