Brevet FR2924180A1 — publié le 20090529

-1- La présente invention concerne un moteur éolien à axe de rotation vertical. Généralement, ce type de moteur est constitué de plusieurs pales 5 réparties verticalement 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 10 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. 15 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 20 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 du vent. 25 Le rendement de ces machines n'est donc pas optimal. La figure 1 montre une pale en coupe soumise à l'action du vent. Cette figure 1 est un rappel des principes aérodynamiques à 30 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 et permettent de déterminer l'angle d'incidence optimal i pour lequel le rapport Cz / Cx est maximal. La pale doit donc être orientée par rapport à la direction du vent 35 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 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 40 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 cercle (voir la figure 2). Ainsi donc, la surface à prendre en compte pour le calcul de la puissance de tels moteurs éoliens n'est pas celle du rectangle, égale à 45 D x H, qui est face au vent mais celle du cylindre sur lequel les pales se déplacent, égale à 3,14 x D x H (H étant la longueur des pales). 2924180 -2- Le moteur éolien suivant l'invention, sera équipé d'au minimum 2 pales. Les figures 2, 3, 4 et 6 sont des vues de dessus schématiques 5 du moteur éolien selon l'invention. Sur ces vues, le sens de rotation du moteur éolien est le sens trigonométrique. Ce choix est arbitraire, le sens de rotation pouvant être horaire. 10 La figure 2 fait apparaître 4 zones autour de l'axe de rotation A du moteur éolien. Une zone Aval Zav (suivant le sens du vent) à A où les pales se déplacent de droite à gauche et donc, où l'angle i est positif (sens trigonométrique). Une zone Amont Zam à A où les pales se déplacent de gauche à droite et donc, où l'angle i est négatif (sens 15 horaire). Une zone intermédiaire � pale en fuite � Z1 où l'angle d'incidence passe de la valeur ù i à + i et une zone intermédiaire � pale face au vent � Z2 où l'angle d'incidence passe de la valeur + i à i. En principe, pour avoir une orientation optimale des pales sur 360°, 20 les zones Amont et Aval devraient être de 180° chacune et les zones intermédiaires devraient être nulles. Ceci signifie que l'angle d'incidence devrait passer de ù i à + i instantanément aux deux jonctions des zones Amont et Aval. C'est pratiquement impossible sans créer d'importants à-coups mécaniquement préjudiciables. 25 Il y a donc un compromis à trouver entre la taille réduite au maximum des zones intermédiaires et les contraintes mécaniques 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 30 de rotation A de la machine, et qui, elles-mêmes, tournent chacune autour de l'axe a passant approximativement par le centre de gravité de leur section. 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 35 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, par sa forme de pomme, 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 40 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. 45 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. La figure 5 est une vue en coupe schématique du moteur éolien 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. Elle fait aussi apparaître 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 l'orientation optimale. La 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. 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.... Ces machines pourront être de toutes tailles. 40 45 REVENDICATIONS 1) Dispositif d'un moteur éolien à axe de rotation vertical caractérisé par le fait que la surface à prendre en compte pour le calcul de la puissance éolienne récupérée, n'est pas celle du rectangle (D x H) qui est face au vent, mais celle du cylindre sur lesquelles les pales se déplacent (3,14 x D x H). 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce fait qu'il comporte des pales pouvant pivoter autour de l'axe a, passant approximativement par le centre de gravité de leur section, indépendamment les unes des autres. 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. 4) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce fait que la forme de cette came permet d'obtenir sur la majeure partie du cercle de diamètre D sur lequel les pales se déplacent, l'orientation optimale de celles-ci afin de capter le maximum d'énergie. 5) Dispositif selon la revendication 4, 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 le rapport Cz / Cx est maximal. Cz et Cx étant des coefficients déterminés en soufflerie et propres au profil de la pale. 6) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce fait que 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. 7) 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. 8) Dispositif selon la revendication 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 la came autres que l'orientation optimale.