Brevet FR2922969A1 — publié le 20090501

Dispositif de conversion d'énergie éolienne à axe vertical La présente invention concerne une turbine à axe de rotation vertical, et 5 s'applique notamment à la conversion d'énergie éolienne en énergie électrique, en particulier en milieu urbain. A ce jour, la grande majorité des systèmes de conversion d'énergie éolienne consiste en une hélice tripale d'axe horizontal et placée au sommet d'un mât de hauteur compatible avec le diamètre du rotor de l'hélice. Ces systèmes to sont souvent concentrés sur un site favorable et sont de grande puissance électrique, mais partagent, avec les grandes centrales nucléaires ou hydrauliques, l'inconvénient d'être éloignées des unités d'utilisation, ce qui conduit à des pertes, notamment par effet Joule, de l'ordre de 10 à 20 % minimum lors du transport de cette énergie. 15 De plus, ces systèmes sont très dépendants de la direction et de l'intensité du vent et, de ce fait, leur puissance doit être limitée, voire réduite à zéro pour de grandes vitesses de vent. II existe aussi d'autres systèmes à axe vertical, en particulier celui décrit dans le document FR 2 752 599. Ce dispositif est composé d'un stator extérieur 20 muni d'aubes fixes ayant un rôle de déflexion de l'écoulement du vent vers les aubes mobiles d'un rotor central. Cette disposition utilisant un stator réduit, par frottements, l'intensité du vent incident au niveau des aubes du rotor central. Cela a pour effet de diminuer l'efficacité du dispositif et donc son rendement. Il semble donc nécessaire de créer un dispositif plus efficace qui récupère 25 la plus grande intensité possible du vent avec le meilleur rendement possible. A cet effet, la présente invention propose une turbine dotée d'un rotor à aubes dont la direction d'extrusion est orientée suivant l'axe du rotor de la turbine, et caractérisée par le fait que les aubes sont organisées par couples comprenant une aube aval et une aube amont décalée de l'aube aval d'un angle 30 de sens opposé au sens de rotation de la turbine. Les couples d'aubes sont uniformément répartis autour de l'arbre de la turbine, créant ainsi une répartition axisymétrique des aubes. -2- Cette disposition axisymétrique des couples d'aubes est très avantageuse car elle permet à la turbine de fonctionner avec la même intensité quelle que soit la direction et l'intensité du vent. Dans le cas de turbines éoliennes, l'invention est particulièrement utile en 5 milieu urbain, où l'écoulement du vent présente des turbulences et des changements fréquents de direction. Avantageusement, l'aube amont et l'aube aval sont positionnées de sorte que le bord d'attaque de l'aube amont soit en regard du bord de fuite de l'aube aval, afin de dévier le vent incident sur les faces intrados des aubes 10 (surpressions), et de l'accélérer sur les faces extrados des aubes (dépressions). On entend par intrados les faces aval des aubes et par extrados les faces amont des aubes. Les faces intrados doivent être le siège des pressions les plus élevées, et les faces extrados doivent être le siège des pressions les plus faibles, afin de générer un effet moteur maximal. 15 La présente invention est très efficace tout particulièrement grâce au positionnement des aubes en couples qui permet non seulement de guider le vent incident sur les faces intrados des couples d'aubes en amont de l'écoulement du vent incident, mais aussi de diriger ce flux vers les faces intrados des couples d'aubes en aval de l'écoulement. Les aubes aval récupèrent 20 principalement l'énergie dans la zone amont de l'écoulement, alors que les aubes amont récupèrent principalement l'énergie dans la zone aval de l'écoulement. L'ensemble des aubes (amont et aval) est également positionné de manière à générer un effet de portance (dépression) par accélération du flux sur les faces extrados des aubes amont dans la zone amont, et sur les faces 25 extrados des aubes aval dans la zone aval. L'effet moteur est donc augmenté et le rendement de la turbine est plus élevé que pour les dispositifs de l'art antérieur. La turbine de l'invention est avantageusement couplée à un dispositif de conversion d'énergie mécanique en énergie électrique. 30 L'efficacité et la taille de cette turbine sont tout particulièrement adaptées pour le milieu urbain. Ainsi, l'énergie produite est au plus près de son lieu de consommation, ce qui limite les pertes importantes lors du transport de l'énergie. D'autres buts et avantages apparaîtront au cours de la description qui suit d'un mode préféré de réalisation. -3- Il convient tout d'abord de rappeler que l'objet de l'invention est une turbine dotée d'un rotor à aubes dont la direction d'extrusion est orientée suivant l'axe du rotor de la turbine caractérisée par le fait que les aubes sont organisées par couples comprenant une aube aval et une aube amont décalée de l'aube aval d'un angle de sens opposé au sens de rotation de la turbine. Suivant des variantes possibles mais non limitatives de l'invention la turbine est telle que : - l'aube amont et l'aube aval sont positionnées de sorte que le bord d'attaque de l'aube amont soit en regard du bord de fuite de l'aube aval. - les deux plans passant d'une part par le bord d'attaque et le bord de fuite d'une aube amont, et d'autre part par le bord d'attaque et le bord de fuite d'une aube aval, encadrent l'axe de rotation. - les couples d'aubes sont placés à la périphérie de la turbine entre un cercle extérieur et un cercle intérieur, délimités respectivement par les bords d'attaque et les bords de fuite des aubes aval. - les aubes aval et les aubes amont peuvent être identiques ou non, et présentent un profil asymétrique. - le rapport entre le diamètre du cercle extérieur et le diamètre du cercle intérieur est inférieur ou égal à 3. - le rapport entre le diamètre du cercle extérieur et la hauteur de la turbine est compris entre 0,1 et 10. - elle est insérée dans une structure support au moyen d'un palier auto aligneur au sommet de l'arbre et, pour une meilleure facilitation de la maintenance, d'une cage extractible de roulement conique à la base de l'arbre. - elle comprend un dispositif d'amortissement et d'absorption des vibrations mécaniques. - elle est reliée à un dispositif de conversion d'énergie mécanique en énergie électrique pouvant comporter un multiplicateur de vitesse de rotation, et intégrant un dispositif de régulation de la puissance et une génératrice. Les dessins ci-joints sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l'invention. Ils représentent seulement un mode de réalisation de l'invention et permettront de la comprendre aisément : Figure 1 : vue de profil de la turbine selon l'invention. Figure 2 : vue de dessus selon la coupe a-b de la figure 1. -4- - Figure 3 : agrandissement d'une zone de l'invention selon la figure 2. A titre d'exemple, on considérera une turbine 1 de type éolien et donc que le fluide est de l'air. La turbine 1 de forme globale cylindrique est relativement plate. 5 Avantageusement, le facteur de forme égal au rapport entre le diamètre du cercle extérieur 3 et la hauteur 2, est compris entre 0,1 et 10. La turbine 1 comporte un axe de rotation vertical 5. La turbine 1 comprend un nombre de couples d'aubes 4 par exemple compris entre 2 et 32, uniformément répartis autour de l'axe de rotation 5 de la 10 turbine 1. Les couples d'aubes 4 comprennent une aube amont 7 et une aube aval 8, en considérant le sens de rotation de la turbine indiqué par les flèches des figures 2 et 3. Les deux aubes 7 et 8 sont de sections profilées bidimensionnelles 15 positionnées à la périphérie de la turbine entre un cercle extérieur et un cercle intérieur délimités respectivement par les bords d'attaque 12 et les bords de fuite 13 des aubes aval 8. Ainsi, le centre de la turbine 1 est creux, permettant le passage du flux au travers. 20 L'aube amont 7 et l'aube aval 8 sont placées de sorte que le bord d'attaque 12 de l'aube amont 7 soit en regard du bord de fuite 13 de l'aube aval 8. Les plans 14 et 15 passant respectivement par le bord d'attaque et le bord de fuite d'une aube amont, et par le bord d'attaque et le bord de fuite d'une 25 aube aval, encadrent l'axe de rotation 5. Avantageusement, l'angle entre le plan 14 de l'aube amont et le plan 15 de l'aube aval est compris entre 10° et 70°. II est aussi possible que l'aube aval 8 soit décalée par rapport au rayon de la turbine d'un angle de sens identique au sens de rotation de la turbine. 30 Selon cette disposition préférée, l'aube amont 7 présente un bord d'attaque 12 tourné vers l'intérieur de la turbine 1, et donc sa face extrados 10 tournée vers l'extérieur de la turbine 1. Inversement, l'aube aval 8 présente un bord d'attaque 12 tourné vers l'extérieur de la turbine 1 et sa face extrados 10 est tournée vers l'intérieur de la turbine. -5- Le principe de fonctionnement de la présente invention repose sur deux objectifs : engendrer sur l'ensemble des aubes (amont 7 et aval 8) d'une part des zones de surpression sur les faces intrados 9, et, d'autre part, des zones de dépression sur les faces extrados 10, et ce de manière à obtenir un effet moteur maximal. L'écoulement incident dans la zone amont Am du rotor engendre simultanément une pression importante au niveau des faces intrados 9 des aubes aval 8, et une pression faible au niveau des faces extrados 10 des aubes amont 7. Après avoir traversé le centre de la turbine, le flux pénètre la zone aval Av du rotor, où il engendre simultanément une pression importante au niveau des faces intrados 9 des aubes amont 7, et une pression faible au niveau des faces extrados 10 des aubes aval 8. La dépression au niveau des faces extrados 10 des aubes aval 8 dans la zone aval Av de l'écoulement est amplifiée par les bords de fuite 13 des aubes amont 7, qui guident le flux vers les extrados 10 des aubes aval 8. L'ensemble des surpressions et dépressions appliqué sur les aubes engendre un moment sur l'arbre particulièrement élevé, ce qui conduit à des performances optimales. Les aubes aval 8 et les aubes amont 7 sont de forme profilée asymétrique et peuvent être ou non identiques les unes aux autres, ce qui est le cas dans les schémas de principe proposés dans la présente demande. Avantageusement, le rapport entre le diamètre du cercle extérieur 3 et le diamètre du cercle intérieur 6 est inférieur ou égal à 3. Par exemple, les schémas ci-joints se rapportent à un diamètre du cercle extérieur de la turbine égal à 4 mètres, un diamètre du cercle intérieur de la turbine égal à 2,75 mètres, pour une hauteur de 2 mètres, le nombre de couples d'aubes étant égal à 8, créant ainsi un intervalle entre chaque couple d'aubes 4 d'une valeur entière égale à 45°. Ce type de turbine 1 est utilisable sur les toits d'immeubles industriels tertiaires ou d'habitations de type individuelles ou collectives. Il est préférable que les abords du toit où est positionnée la turbine 1 fassent l'objet d'une étude aérodynamique pour garantir un bon écoulement du vent au niveau de la turbine 1. Avantageusement, la turbine 1 est insérée dans une structure support par le seul lien du palier auto aligneur 11 au sommet de l'arbre, et de la cage extractible de roulement conique 11 bis à la base de l'arbre. Le rôle de cette -6- structure est de supporter un dispositif de conversion de l'énergie mécanique disponible sur l'arbre de rotation 5 en énergie électrique. Avantageusement, le dispositif de conversion de l'énergie mécanique comporte un système de régulation de la puissance, une génératrice, et éventuellement un multiplicateur de vitesse de rotation. La turbine 1 peut aussi être directement reliée à un dispositif de transmission directe de l'énergie mécanique pour une utilisation particulière (par exemple une pompe hydraulique). L'ensemble de la turbine 1 et de sa structure support repose avantageusement sur un dispositif d'amortissement et d'absorption des vibrations mécaniques. Le rendement aérodynamique brut de la turbine 1 selon l'invention est évalué dans les conditions les plus pessimistes à 22%. Or, il faut savoir que les rendements des dispositifs à axe horizontal de l'art antérieur actuellement sur le marché se situent autour de 30%, avec les limitations de puissance explicitées plus haut. La turbine 1 peut également s'appliquer à un grand nombre d'utilisations parmi lesquelles : - la recharge de batteries d'un véhicule à motorisation électrique en déplacement par transformation de l'énergie de pression accumulée sur les parties frontales du véhicule en énergie électrique utilisée pour recharger les batteries. - la récupération de l'énergie des marées montantes et descendantes grâce à l'indépendance de la turbine à la direction de l'écoulement du fluide. 25 - la production d'énergie électrique sur un voilier. 30 -7-REFERENCES 1. Turbine 2. Hauteur 3. Cercle extérieur 4. Couple d'aubes 5. Axe de rotation 6. Cercle intérieur to 7. Aube amont 8. Aube aval 9. Intrados 10. Extrados 11. Palier auto aligneur 15 11 bis. Cage extractible de roulement conique 12. Bord d'attaque 13. Bord de fuite 14. Plan de l'aube amont 15. Plan de l'aube aval 20 Am. Amont Av. Aval REVENDICATIONS 1. Turbine (1) dotée d'un rotor à aubes dont la direction d'extrusion est orientée suivant l'axe vertical (5) du rotor de la turbine (1) caractérisée par le fait que les aubes sont organisées par couples (4), comprenant une aube aval (8) et une aube amont (7) décalée de l'aube aval (8) d'un angle de sens opposé au sens de rotation de la turbine (1), le nombre de couples d'aubes étant, par exemple, compris entre 2 et 32. 2. Turbine (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'aube amont (7) et l'aube aval (8) sont positionnées de sorte que le bord d'attaque (12) de l'aube amont (7) soit en regard avec le bord de fuite (13) de l'aube aval (8). 3. Turbine (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que deux plans (14, 15) passant par les bords d'attaque (12) et les bords de fuite (13) respectivement de l'aube amont (7) et de l'aube aval (8) encadrent l'axe de rotation (5). 4. Turbine (1) selon une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que les couples d'aubes (4) sont placés à la périphérie de la turbine entre un cercle extérieur (3) et un cercle intérieur (6) délimités respectivement par les bords d'attaque (12) et les bords de fuite (13) des aubes aval (8). 5. Turbine (1) selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les aubes aval (8) et amont (7) peuvent être identiques ou non, et présentent un profil asymétrique. 6. Turbine (1) selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que le rapport entre le diamètre du cercle extérieur (3) et le diamètre du cercle intérieur (6) est inférieur ou égal à 3. 7. Turbine (1) selon une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que le rapport entre le diamètre du cercle extérieur (3) et la hauteur (2) de la turbine (1) est compris entre 0,1 et 10. 8. Turbine (1) selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est insérée dans une structure support au moyen d'un palier auto aligneur (11) au sommet de l'arbre, et d'une cage extractible de roulement conique (11 bis) à la base de l'arbre.-9- 9. Turbine (1) selon une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif d'amortissement et d'absorption des vibrations mécaniques. 10. Turbine (1) selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est reliée à un dispositif de conversion d'énergie mécanique en énergie électrique, comportant un dispositif de régulation de puissance, une génératrice, et éventuellement un multiplicateur de vitesse de rotation.