Brevet FR2924182A1 — publié le 20090529

-1- La présente invention concerne un moteur éolien dont les pales sont parallèles à son axe de rotation, ce dernier étant perpendiculaire à la direction du vent. Généralement, ce type de moteur est constitué de plusieurs pales réparties autour de l'axe de la machine. La rotation de l'ensemble est due à la forme des pales dont la section présente une face possédant une plus grande résistance à l'écoulement de l'air que l'autre. Le rendement de telles machines reste faible. Par contre, elles fonctionnent quel que soit le sens du vent. D'autres systèmes existants permettent d'orienter des pales durant la rotation de la machine en les faisant pivoter sur elles-mêmes afin de présenter au vent le maximum de surface lorsqu'elles se trouvent du côté portant et le minimum du côté remontant au vent. Cette orientation est réalisée à l'aide de liaisons mécaniques par chaînes, courroies ou engrenages. Ces liaisons mécaniques limitent le nombre de pales. D'autre part, elles relient les orientations de chaque pale les unes aux autres et ne permettent donc pas d'orienter au mieux, chacune des pales indépendamment les unes des autres en fonction de leurs positions respectives autour de l'axe du moteur éolien. Un autre inconvénient de ces systèmes tient au fait que la vitesse linéaire de déplacement des pales ne peut être supérieure à la vitesse 25 du vent. Le rendement de ces machines n'est donc pas optimal. La figure 1 montre une pale en coupe soumise à l'action du vent. 30 Cette figure 1 est un rappel des principes aérodynamiques à appliquer à une pale soumise à l'action du vent. Chaque profil de pale possède des paramètres de pénétration dans l'air Cz et Cx spécifiques. Ceux-ci sont déterminés en soufflerie ou par calcul et permettent de déterminer l'angle d'incidence optimal i pour lequel la somme des 35 couples des forces de portance et de traînée, dépendantes de Cz et Cx, est maximale. La pale doit donc être orientée par rapport à la direction du vent apparent Va suivant cette valeur d'angle i. Le vent apparent étant la résultante vectorielle du vent Vp dû au déplacement de la pale, pour 40 un observateur embarqué sur cette pale, et du vent réel Vv. La présente invention est le système permettant d'orienter chacune des pales du moteur éolien suivant cet angle i, sur la majeure partie du cercle de diamètre D, sur lequel les pales se déplacent et ce, alors que le vent apparent varie en orientation et intensité tout au long de ce 45 cercle (voir la figure 2). Ainsi donc, la surface à prendre en compte pour le calcul de la puissance de tels moteurs éoliens est celle du cylindre sur lequel les 2924182 -2- pales se déplacent, égale à 3,14 x D x H (H étant la longueur des pales). Le moteur éolien suivant l'invention, sera équipé d'au minimum 2 5 pales. Les figures 2, 3, 4 el: 6 sont des vues, en bout de pales, schématiques du moteur éolien selon l'invention. Sur ces vues, le sens de rotation du moteur éolien est le sens 10 trigonométrique. Ce choix est arbitraire, le sens de rotation pouvant être horaire. La figure 2 fait apparaître 2 zones autour de l'axe de rotation A du rnoteur éolien. Une zone Aval Zav à A (suivant le sens du vent) où 15 les pales se déplacent de droite à gauche et donc, où l'angle i est négatif (sens horaire), une zone Amont Zam à A où les pales se déplacent de gauche à droite et donc, où l'angle i est positif (sens trigonométrique), l'angle i prenant la valeur zéro à chacune des deux jonctions des ces zones. 20 La figure 3 présente le moteur éolien selon l'invention, qui dispose d'au moins deux pales p réparties de façon équidistante autour de l'axe de rotation A de la machine, et qui, elles-mêmes, tournent chacune autour de l'axe a, parallèle à A, passant approximativement par le centre de poussée de leur section. Le centre de poussée d'un profil étant, pour mémoire, le point d'application de la résultante des forces de portance et de traînée. Ces axes a se déplacent sur un cercle de diamètre D dont le centre est l'axe A. Une bielle b relie une des extrémités d'une pale p à un tirant Tr qui peut translater dans un coulisseau c. Ce tirant est équipé à son autre extrémité, d'un système de galets ou patins roulant ou glissant dans la came Ca. C'est cette came qui permet l'orientation optimale des pales. Ce système de renvoi, composé de la bielle b et du tirant Tr, relie chaque pale p à la came Ca. Ceci permet de réduire au maximum les 3.5 dimensions de celle-ci, d'en réduire le coût, le poids et l'inertie et aussi de diminuer la vitesse des galets ou patins g sur la came Ca. Chaque bras bs, tournant autour de A, supporte un coulisseau c et une pale p au niveau de son axe a. 40 La figure 4 présente les différentes positions des bielles b, des tirants Tr et donc des galets ou patins g suivant les orientations voulues des pales p tous les 30°. On obtient donc ainsi le dessin de la came Ca. 45 La figure 5 est une vue en coupe schématique du moteur éolien, dont l'axe A est dans ce cas VERTICAL, faisant apparaître le fût de l'éolienne dans lequel, à titre d'exemple, une ligne d'arbre ramène l'énergie captée au pied de ce fût. L'on voit que la came Ca est supportée par un plateau Pc porte came, qui est libre en rotation autour de l'axe A de l'éolienne et qui s'oriente par rapport à la direction du vent, afin que les pales conservent leurs orientations optimales à la captation de l'énergie du vent. L'orientation de ce plateau peut être assurée par : une dérive. - manuellement. à l'aide d'un système automatique asservi à la direction du vent, analogue à ceux des gros moteurs éoliens existants. Les dimensions et l'inertie de la came étant réduites au maximum, l'orientation de celle-ci n'est pas soumise à des efforts ni a un couple gyroscopique important, comme c'est le cas pour une éolienne à axe horizontal classique. Elle est donc, de ce fait, d'une grande réactivité. La régulation de la vitesse de rotation et l'arrêt du moteur éolien sont assurés par des orientations de la came Ca, autres que 20 l'orientation optimale. ILa figure 6 montre qu'en tournant la came d'environ 90°, la somme des couples des forces utiles à la rotation du rotor devient nulle. Ainsi donc, l'éolienne s'immobilise. 25 Dans le cas d'un axe A HORIZONTAL, le plateau Pc porte came ne tourne pas autour de cet axe. Il est orienté de façon optimum par rapport au vent qui se déplace horizontalement. C'est l'ensemble du moteur éolien qui tourne autour de l'axe vertical du fût de l'éolienne 30 afin de s'orienter dans le vent: par un des trois systèmes énoncés ci-dessus afin que l'axe de rotation A reste perpendiculaire au vent. [)ans ce cas encore, l'arrêt du moteur éolien est obtenu lorsque qu'on le fait tourner de 90° afin que son axe A et donc aussi les pales 35 soient parallèles au vent et donc en � drapeau �. Ces moteurs éoliens sont destinés à fournir de l'énergie mécanique qui pourra être utilisée comme telle ou bien transformée en électricité ou encore utilisée pour le pompage, la compression de fluide etc.... 40 Ces machines pourront être de toutes tailles. 45 REVENDICATIONS 1) Moteur éolien dont l'axe de rotation A est perpendiculaire à la direction du vent, comportant au moins deux pales p caractérisé en ce que lesdites pales p pivotent autour de l'axe a parallèle à A, passant approximativement par le centre de poussée de leur section, indépendamment les unes des autres, de manière à obtenir une orientation optimale entre la pale et la direction du vent apparent Va sur la majeure partie du cercle de diamètre D sur lequel les pales se déplacent, afin de capter le maximum d'énergie. 2) Moteur éolien selon la revendication 1, caractérisé en ce fait que cette orientation optimale est obtenue lorsque l'angle entre la pale et la direction du vent apparent est égal à l'angle d'incidence i pour lequel la somme des couples des forces de portance et de traînée propres au profil des pales est maximale. Ces forces sont déterminées par calcul ou en soufflerie. 3) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce fait que le pivotement des pales autour de leurs axes respectifs a est obtenu par l'emploi de galets, doigts ou patins de guidage circulant dans une came Ca. 4) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce fait que dans le cas d'un axe A VERTICAL, le plateau porte came P est libre en rotation autour de l'axe de rotation A du moteur éolien et s'oriente par rapport à la direction du vent, afin que les pales conservent leurs orientations optimales à la captation de l'énergie du vent. 5) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce fait que la liaison entre les pales et les galets de came ou patins est réalisé par des tirants et biellettes, ceci afin de réduire au maximum la dimension de la came et de ce fait d'en diminuer le coût, l'inertie et la vitesse de déplacement des galets ou patins sur la came. 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce fait que la régulation de la vitesse de rotation et l'arrêt du moteur éolien sont assurés par des orientations de la came autres que l'orientation optimale. 7) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce fait que dans le cas d'un axe A HORIZONTAL, le plateau porte came P est orienté afin que les pales conservent leurs orientations optimales à la captation de l'énergie du vent, celui-ci se 2924182 -5- déplaçant horizontalement dans la plupart des cas et que c'est l'ensemble du moteur éolien qui tourne autour de l'axe vertical du fût de l'éolienne, afin que l'axe A et donc les axes a des pales p restent perpencliculaires à la direction du vent. 5 8) Dispositif selon les revendications 1, 2, 3, 5 et 7 caractérisé en ce fait que la régulation de la vitesse de rotation et l'arrêt du moteur éolien sont assurés par des orientations de l'axe A et donc des pales p autres que l'orientation optimale qui est 10 perpendiculaire à la direction du vent.