Brevet FR2930974A1 — publié le 20091113

La présente invention concerne une éolienne verticale à profil variable et auto-régulation. Elle a des applications dans le domaine technique de la conversion de l'énergie du vent en énergie mécanique, notamment pour actionnement de générateurs électriques, pompes ou autres. On connaît déjà des éoliennes verticales et notamment du type Darrieus, du type Savonius ou, encore, du type à voilure tournante. Ce type d'éolienne présente un certain nombre d'inconvénients notamment en terme de capacité à pouvoir résister à des vents forts ou des bourrasques ou à pouvoir fonctionner sous faible vent. L'éolienne proposée à un profil de prise au vent qui varie en fonction du vent entre une forme refermée dans laquelle l'éolienne se présente sensiblement comme un cylindre droit vertical offrant peu de prise au vent et une forme qui s'évase plus ou moins tronconiquement avec des pales venant faire prise au vent. Grâce à cette particularité, elle est auto-régulée et peut fonctionner sous vents faibles tout en pouvant résister à de forts vents ou bourrasques. Ainsi, la présente invention concerne une éolienne à axe vertical à profil variable. Selon l'invention, l'éolienne comporte des pales reliées à l'axe vertical par l'intermédiaire de flasques horizontaux respectivement haut et bas, lesdits flasques étant mobiles en rotation autour de l'axe vertical, lesdites pales étant reliées aux flasques par des axes de pales verticaux, lesdites pales étant mobiles en rotation par rapport auxdits axes de pales, la forme desdites pales étant des portions de cylindre complémentaires formant en un état replié de l'éolienne un cylindre droit ayant pour axe l'axe vertical de l'éolienne. Dans divers modes de mise en oeuvre de l'invention, les moyens suivants pouvant être utilisés seuls ou selon toutes les combinaisons 30 techniquement possibles, sont employés : - au moins un des deux flasques est monobloc, - au moins un des deux flasques est constitué de l'assemblage de bras sur une rondelle, - les extrémités externes des flasques, soit hautes, soit basses, sont 35 dans des positions angulaires respectives fixes entre elles afin d'être équi-angulairement réparties entre-elles, - les extrémités externes des flasques hautes et basses sont dans des positions angulaires respectives fixes entre elles afin que chaque axe de pale soit vertical, - l'éolienne comporte cinq pales, (donc cinq extrémités externes de flasques en haut et cinq extrémités externes de flasques en bas), - dans une variante, les axes de pale sont inclinés et portés sur des droites concourantes en un point d'une droite de support de l'axe vertical de l'éolienne, l'état replié de l'éolienne correspondant à un tronc de cône droit complet ayant pour axe l'axe vertical de l'éolienne, - dans une variante, les axes de pale sont contournés chacun en deux parties principales hautes et basses, les parties principales hautes étant sensiblement portées sur des droites concourantes en un point haut d'une droite de support de l'axe vertical de l'éolienne, les parties principales basses étant sensiblement portées sur des droites concourantes en un point bas d'une droite de support de l'axe vertical de l'éolienne, l'état replié de l'éolienne correspondant à une forme en tonneau ayant pour axe l'axe vertical de l'éolienne, - dans une variante, les axes de pale sont contournés chacun en deux parties principales hautes et basses, les parties principales hautes étant sensiblement portées sur des droites concourantes en un point bas d'une droite de support de l'axe vertical de l'éolienne, les parties principales basses étant sensiblement portées sur des droites concourantes en un point haut d'une droite de support de l'axe vertical de l'éolienne, l'état replié de l'éolienne correspondant à une forme en barillet (inverse du tonneau) ayant pour axe l'axe vertical de l'éolienne, - chaque pale présente une forme correspondant à une portion d'un cylindre droit à bords haut et bas parallèles horizontaux et bords antérieur et postérieur parallèles inclinés par rapport à la verticale, - l'angle d'inclinaison par rapport à l'horizontale du bord de pale antérieur (ou postérieur du fait du parallélisme des bords) est d'environ 20°, - l'axe de pale est virtuel et correspond à deux articulations, une haute et une basse, sur les bords respectivement haut et bas de la pale, - l'axe de pale est une tige verticale s'étendant verticalement le long de la pale (ou décalé vers l'intérieur par rapport à la pale), ladite tige étant articulée sur les flasques et/ou la pale étant articulée sur ladite tige, - l'axe de pale vertical est disposé de manière à ce que la masse de la partie de pale en avant de l'axe de pale soit inférieure à la masse de la partie de pale en arrière de l'axe de pale, - une masse supplémentaire est installée sur la partie de pale en arrière 5 de l'axe de pale, - la masse supplémentaire installée sur la partie de pale en arrière de l'axe de pale correspond à une surépaisseur de la pale, - l'axe de pale vertical est disposé verticalement sensiblement le long de la pale, 10 - l'axe de pale vertical est sensiblement décalé vers l'intérieur de l'éolienne par rapport à la pale, - les pales ont une épaisseur uniforme, - pour chaque bord, soit haut, soit bas, soit haut et bas, de pale (les bielles peuvent soit être seulement en haut, soit être seulement en bas, 15 soit être, pour les premières, en haut et, pour les secondes, en bas), une bielle est étendue vers l'intérieur de l'éolienne entre un point dudit bord de pale et un point d'accrochage sur un support de bielles discoïde commun, support de bielles haut ou support de bielles bas selon le cas, le support de bielle étant monté libre en rotation autour de l'axe vertical 20 de l'éolienne et par rapport au flasque correspondant, le point de bord de pale étant à distance de l'axe de pale, et afin que toutes les pales aient sensiblement la même position d'ouverture ou fermeture, - les bielles sont des tiges rigides, - la longueur de chaque bielle est réglable, 25 - les bords haut et bas de chaque pale comportent respectivement un croissant de maintien haut et bas, - chaque bielle est fixée sur son croissant de maintien correspondant, - les croissants de maintien supérieur et inférieur sont fixés libres en rotation aux extrémités externes des flasques haut et bas correspondant 30 au niveau de l'axe de pale vertical, - les croissants de maintien supérieur et inférieur comportent chacun un pion venant s'insérer dans un palier de l'extrémité externe du flasque correspondant, - les croissants de maintien supérieur et inférieur comportent chacun un 35 pion étendu respectivement vers le haut et vers le bas et venant s'insérer dans un palier de l'extrémité externe du flasque correspondant, (le flasque haut est au dessus du croissant haut et le flasque bas est en dessous du croissant bas) - les croissants de maintien supérieur et inférieur comportent chacun un pion étendu respectivement vers le bas et vers le haut et venant s'insérer dans un palier de l'extrémité externe du flasque correspondant, (le flasque haut est en dessous du croissant haut et le flasque bas est au dessus du croissant bas) - le croissant est métallique, - le croissant présente en coupe transversale une forme en U dans laquelle est inséré le bord supérieur ou inférieur selon le cas de la pale, - le croissant présente en coupe transversale une forme en L, une plaque verticale allongée rapportée parallèle à la partie verticale du L permettant de prendre le bord supérieur ou inférieur selon le cas de la pale entre le L et ladite plaque, - le bord, haut ou bas selon le cas, de la pale est fixé dans l'épaisseur du croissant le long d'un bord allongé externe dudit croissant, - le bord, haut ou bas selon le cas, de la pale fixé dans l'épaisseur du croissant le long d'un bord allongé externe dudit croissant l'est par vissage avec interposition d'un joint intérieur entre la pale et le croissant et d'un joint extérieur entre un feuillard externe et la pale, - le croissant comporte un bord allongé externe épousant sensiblement la forme d'un bord de pale et un bord allongé interne divergent par rapport au bord externe afin qu'une extrémité du croissant soit plus large que l'autre, - l'axe de pale est décalé vers l'intérieur de l'éolienne par rapport à la pale et traverse le croissant vers son extrémité la plus large, - le point de bord de pale de fixation de la bielle est décalé vers l'intérieur de l'éolienne par rapport à la pale et traverse le croissant vers son extrémité la plus large, - le point de bord de pale de fixation de la bielle décalé par rapport à la pale est plus proche du bord de l'extrémité la plus large du croissant que l'axe de pale décalé par rapport à la pale, - le croissant de maintien comporte un bord allongé externe épousant sensiblement la forme d'un bord de pale et un bord allongé interne divergent par rapport au bord externe afin qu'une extrémité du croissant soit plus large que l'autre, et l'axe de pale est décalé vers l'intérieur de l'éolienne par rapport à la pale et traverse le croissant vers son extrémité la plus large et le point de bord de pale de fixation de la bielle est décalé vers l'intérieur de l'éolienne par rapport à la pale et traverse le croissant vers son extrémité la plus large, - les pales sont dans un matériau métallique, - les pales sont dans une matière plastique, - les pales sont dans une matière plastique qui est sensiblement transparente, - les pales sont dans une matière plastique sensiblement transparente et sont, de préférence, en polycarbonate, - l'éolienne est fixée sur un arbre d'entraînement coaxial à l'axe de rotation vertical pour entraîner en rotation ledit arbre, ledit arbre d'entraînement servant également de support à l'éolienne, - l'éolienne est montée libre en rotation sur un arbre support coaxial à l'axe de rotation vertical, un moyen de prise (engrenage par exemple) fixé à l'éolienne permettant d'entraîner en rotation un arbre d'entraînement distinct de l'arbre support, (arbre d'entraînement par exemple parallèle ou perpendiculaire à l'axe vertical de l'éolienne) - le moyen de prise est un engrenage circulaire solidaire d'un des flasques, soit flasque haut, soit flasque bas. Parmi les avantages de la présente invention on peut signaler l'auto-régulation (régulation intrinsèque) de l'éolienne, l'augmentation de la vitesse de rotation finissant par entraîner une diminution de sa prise au vent du fait de l'asymétrie de masse de chaque pale par rapport à son axe de pale vertical et de l'augmentation de la force centrifuge qui en résulte et tend à refermer l'éolienne. En complément, de part la forme des pales, les flux d'air déviés par chaque pale à l'intérieur de l'éolienne sont tels qu'ils agissent sur les autres pales pour aussi tendre à refermer l'éolienne lorsque ces flux augmentent. Il en résulte qu'il ne peut pas y avoir de surrégime et de risque d'emballement destructeur pour les pièces mécaniques ou électriques (génératrice électrique notamment ou appareillages en aval). Cette auto-régulation est obtenue simplement par des moyens mécaniques et structuraux. L'éolienne peut être réalisée avec un nombre de pièces de base réduit, un même type de pièce étant utilisé plusieurs fois (par exemple les pales, les flasques, les croissants de maintien...). Ce type d'éolienne est relativement silencieux et, dans le cas d'une réalisation avec des matériaux transparents, présente un impact visuel réduit. Elle peut commencer à fonctionner avec des vitesses de vent plus réduites que les éoliennes conventionnelles (fonctionnant avec des vents inférieurs à 16ms-1) et résister à des vents biens plus importants que ces mêmes éoliennes conventionnelles. Enfin, elle peut être mise en oeuvre aussi bien pour la production d'électricité que le pompage par exemple. La présente invention, sans qu'elle en soit pour autant limitée, va maintenant être exemplifiée avec la description qui suit de modes de réalisation en relation avec : - la Figure 1 qui représente une vue de coté d'une éolienne selon l'invention disposée sur un arbre support et d'entraînement vertical, ledit arbre étant maintenu par deux paliers sur un pied, - la Figure 2 qui représente une vue de dessus de l'éolienne de la Figure 1, - la Figure 3 qui représente une vue éclatée du montage d'une pale de l'éolienne avec ses croissants, - la Figure 4 qui représente une vue éclatée du montage de la partie supérieure de l'éolienne avec notamment le flasque haut, - la Figure 5 qui représente une vue éclatée du montage de la partie inférieure de l'éolienne avec notamment le flasque bas et une rondelle support de bielles, et - la Figure 6 qui représente une vue en perspective d'une éolienne selon l'invention qui est disposée dans une structure externe comportant des déflecteurs d'air. Sur la Figure 1, l'éolienne verticale 1 est vue latéralement et est disposée sur un arbre support d'entraînement 6 auquel elle est solidarisée afin que sa rotation entraîne en rotation ledit arbre. Dans cet exemple de réalisation, l'arbre support de rotation est maintenu par un pied 21 par l'intermédiaire de deux paliers 27 comportant de préférence des roulements. L'arbre support d'entraînement correspond à l'axe vertical de rotation de l'éolienne. Sur la périphérie latérale de l'éolienne 1, une série de pales 2, cinq dans cet exemple, peuvent pivoter le long d'axes de pales verticaux afin d'ouvrir plus ou moins l'éolienne et de permettre une plus ou moins grande prise au vent. Les axes de pales verticaux sont fixés en haut et bas de l'éolienne à respectivement des extrémités externes de flasques haut 4 et bas 4' par l'intermédiaire de croissants de maintien respectivement haut 3 et bas 3'. Fermée, l'éolienne a un diamètre d'environ 40 cm et ouverte d'environ 140 cm et sa hauteur est d'environ 70 cm. Sur la Figure 2, on distingue vers l'intérieur des pales 2, les croissants haut 3 et bas 3' et les axes de pale verticaux 20 qui correspondent en pratique à des goupilles 10 (Figure 3) venant pivoter dans des coussinets 11 (Figures 4 et 5) aux extrémités externes des flasques haut 4 et bas 4'. Des bielles 5 sont partiellement visibles sur la Figure 2 et on verra qu'elles sont disposées dans cet exemple vers la partie inférieure de l'éolienne et qu'elles servent à égaliser les ouvertures des pales 2. Sur la Figure 3, chaque pale 2, de préférence réalisée en polycarbonate pour être sensiblement transparente, est montée dans l'éolienne par l'intermédiaire de croissants haut 3 et bas 3' qui sont des pièces métalliques identiques mais inversées. Les pales ont une forme correspondant au découpage d'un cylindre droit le long de deux lignes parallèles inclinées par rapport à la base (et sommet) du cylindre. L'angle d'inclinaison des lignes de découpe est d'environ 20° par rapport à l'horizontale. La fixation des extrémités hautes et basses des pales dans l'épaisseur du bord externe des croissants de maintien haut 3 et bas 3' respectivement est assurée par vissage dans cet exemple avec interposition de joints intérieur 7 et extérieur 8 destinés notamment à amortir des chocs ou vibrations et compenser une éventuelle dilatation. Un feuillard 9 métallique sur l'extérieur assure une meilleure répartition des forces de serrage des vis. Les joints intérieurs 7 en haut et bas sont identiques. Les joints extérieurs 8 en haut et bas sont identiques. Les feuillards 9 en haut et bas sont identiques. Le croissant 3 ou 3' a une partie rétrécie et une partie élargie. Une goupille 10 est insérée et fixée dans la partie élargie du croissant et elle est en correspondance avec l'axe de pale vertical 20 déjà mentionné. Ainsi, dans cet exemple, l'axe de pale vertical est décalé vers l'intérieur par rapport à la pale 2 proprement dite. Sur la Figure 3, on remarque sur le croissant haut 3 (mais pas sur le croissant bas 3' car masqué par la goupille 10) un orifice 19 disposé encore plus dans la partie élargie du croissant. Cet orifice 19 est destiné à recevoir une extrémité de bielle, bielle qui dans cet exemple de réalisation est à la partie basse, inférieure, de l'éolienne comme visible sur la Figure 2. Sur la Figure 4, le flasque haut 4 est détaillé. Il est ici réalisé par assemblage de cinq bras 12 réunis ensembles par fixation par vissage (ou boulonnage, ces termes sont considérés équivalents dans le cadre de l'invention) à une rondelle 13 ici dite supérieure. On verra en relation avec la Figure 5 que le flasque bas 4' présente une constitution équivalente et que les bras 12 et rondelles 13 correspondantes sont identiques pour le haut et le bas. Aux extrémités externes des bras, des orifices sont réalisés dans lesquels des coussinets 11 sont placés pour servir de paliers aux goupilles 10 déjà mentionnées (Figure 3). Sur la Figure 4, le montage sur l'arbre support d'entraînement s'effectue par l'intermédiaire d'un moyeu expansible 23 (pour serrage permettant l'entraînement de l'arbre support d'entraînement lors de la rotation de l'éolienne) et d'un moyeu supérieur 14 fixé par des vis sur la rondelle 13 supérieure. Les bras du flasque haut restent dans des positions équiangulaires définies entre eux du fait de leur structure et fixation à la rondelle 13 supérieure. Sur la Figure 5, le flasque bas 4' s'apparente au flasque haut 4 avec cinq bras 12 fixés sur la rondelle 13 ici dite inférieure. Comme précédemment, des coussinets 11 sont disposés dans des orifices d'extrémité externe des bras dans lesquels des goupilles 10 viendront pivoter. Comme pour le haut, le montage sur l'arbre support d'entraînement s'effectue par l'intermédiaire d'un moyeu expansible 22 (pour serrage permettant l'entraînement de l'arbre support d'entraînement lors de la rotation de l'éolienne) et d'un moyeu inférieur 21 fixé par des vis sur la rondelle 13 inférieure. Les bras du flasque bas restent dans des positions équi-angulaires définies entre eux du fait de leur structure et fixation à la rondelle 13 inférieure. De plus, du fait que les flasques haut et bas sont fixées pour entraînement sur l'arbre support d'entraînement, les bras 12 du flasque haut et du flasque bas restent après montage adéquat dans des positions angulaires identiques entre eux et de telle manière que les axes de pales soient effectivement verticaux. Les parties métalliques de l'éolienne sont de préférence réalisées en aluminium ou dans le cas d'autres métaux ou alliages traités anticorrosion par exemple par un revêtement adéquat comme de la peinture. Le poids de l'éolienne pour une hauteur de pale d'environ 70 cm est au maximum de 50 Kg. Elle peut commencer à tourner pour une vitesse de vent de 0,5ms-'. L'éolienne de l'invention qui est une machine à axe vertical à pas variable, peut produire une puissance d'environ 1 KW en application génératrice d'électricité et cette production nominale est obtenue pour une vitesse de vent d'environ 12ms-1. En fonction du générateur électrique relié à l'arbre d'entraînement, une tension de 12V ou 24V ou 48V peut être produite. La vitesse de rotation régulée est comprise entre 150 et 180 tours par minute et le début de régulation (qui peut être réglé) commence à environ 130 tours par minute. En configuration de démarrage, éolienne ouverte, le diamètre de l'éolienne est d'environ 140 cm et à régulation totale (vitesse de vent à 25ms-' qui provoque la fermeture de l'éolienne), le diamètre de l'éolienne est d'environ 70 cm. Afin que les pales aient toutes la même position d'ouverture ou fermeture, les bielles 5 (Figure 2) sont toutes reliées par leurs extrémités internes à une même rondelle support de bielle 15 qui est libre en rotation autour et par rapport à l'arbre support. On rappelle que les extrémités externes des bielles sont reliées aux croissants 3' bas et donc aux pales 2. Le montage de la rondelle support de bielle 15 s'effectue sur le flasque bas 4' et l'arbre support d'entraînement par l'intermédiaire d'un roulement (SKF� ref. 1212EKTN9H212) et d'un manchon 17, ces éléments étant protégés par un cache 18 disposé au-dessus d'eux. Sur la Figure 6, une éolienne 1 selon l'invention est disposée à l'intérieure d'une structure 24 comportant des moyens déflecteurs 25 permettant de diriger le vent vers l'éolienne. Ces moyens déflecteurs 25 sont supportés par des bras 26. De préférence, les moyens déflecteurs sont dans une matière transparente ou translucide comme les pales de l'éolienne. De préférence, ces moyens déflecteurs 25 et leurs bras 26 restent fixes et immobiles mais, dans une variante, une commande mécanique peut être mise en oeuvre pour refermer ces moyens déflecteurs et diminuer la prise au vent globale de l'ensemble, notamment en cas de tempête. On comprend que l'invention peut être mise en oeuvre selon d'autres modalités. Par exemple les flasques peuvent être des pièces monobloc, ce qui évite d'avoir à effectuer des assemblages entre bras et rondelles. De plus, des organes de contrôle supplémentaires peuvent être mis en oeuvre et agir sur la rondelle support de bielle 15 pour ouvrir plus ou moins l'éolienne. Dans une variante, les bielles peuvent être disposées en haut au lieu d'en bas et dans une autre, des bielles peuvent être mises en oeuvre en haut et en bas. D'autres modalités d'entraînement d'un arbre ou d'un axe sont possibles et même transformation du mouvement de rotation de l'éolienne en mouvement de translation alternatif (vilebrequin). Un mécanisme empêchant la rotation dans un sens interdit (cliquet) peut être mis en oeuvre. REVENDICATIONS1. Eolienne (1) à axe vertical à profil variable, caractérisée en ce qu'elle comporte des pales (2) reliées à l'axe vertical par l'intermédiaire de flasques horizontaux respectivement haut (4) et bas (4'), lesdits flasques étant mobiles en rotation autour de l'axe vertical, lesdites pales étant reliées aux flasques par des axes de pales (20) verticaux, lesdites pales étant mobiles en rotation par rapport auxdits axes de pales, la forme desdites pales étant des portions de cylindre complémentaires formant en un état replié de l'éolienne un cylindre droit ayant pour axe l'axe vertical de l'éolienne. 2. Eolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque pale présente une forme correspondant à une portion d'un cylindre droit à bords haut et bas parallèles horizontaux et bords antérieur et postérieur parallèles inclinés par rapport à la verticale. 3. Eolienne selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'axe de pale vertical est disposé de manière à ce que la masse de la partie de pale en avant de l'axe de pale soit inférieure à la masse de la partie de pale en arrière de l'axe de pale. 4. Eolienne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'axe de pale vertical est sensiblement décalé vers l'intérieur de l'éolienne par rapport à la pale. 5. Eolienne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les pales ont une épaisseur uniforme. 6. Eolienne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que pour chaque bord, soit haut, soit bas, soit haut et bas, de pale, une bielle (5) est étendue vers l'intérieur de l'éolienne entre un point dudit bord de pale et un point d'accrochage sur un support de bielles (15) discoïde commun, support de bielles haut ou support de bielles bas selon le cas, le support de bielle étant monté libre en rotation autour de l'axe vertical de l'éolienne et par rapport au flasque correspondant, le point de bord de pale étant à distance de l'axe de pale, et afin que toutes les pales aient sensiblement la même position d'ouverture ou fermeture. 7. Eolienne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les bords haut et bas de chaque pale comportent respectivement un croissant de maintien haut (3) et bas (3'). 8. Eolienne selon la revendication 7, caractérisée en ce que le croissant de maintien comporte un bord allongé externe épousant sensiblement la forme d'un bord de pale et un bord allongé interne divergent par rapport au bord externe afin qu'une extrémité du croissant soit plus large que l'autre, et en ce que l'axe de pale est décalé vers l'intérieur de l'éolienne par rapport à la pale et traverse le croissant vers son extrémité la plus large et le point de bord de pale de fixation de la bielle est décalé vers l'intérieur de l'éolienne par rapport à la pale et traverse le croissant vers son extrémité la plus large. 9. Eolienne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les pales sont dans une matière plastique sensiblement transparente et sont, de préférence, en polycarbonate. 10. Eolienne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est fixée sur un arbre d'entraînement (6) coaxial à l'axe de rotation vertical pour entraîner en rotation ledit arbre, ledit arbre d'entraînement servant également de support à l'éolienne.25