Brevet FR2954416A1 — publié le 20110624

La présente invention concerne une éolienne, notamment d'axe vertical, implantée au dernier étage d'un bâtiment, par exemple habitation, immeuble, tour, etc., en particulier en zone urbaine, et munie d'un rotor équipé de pales, actionné par le vent entraînant une génératrice pour fournir de l'énergie électrique. Les spécialistes cherchent depuis longtemps à récupérer l'énergie éolienne qui a l'avantage d'être propre, c'est-à-dire de ne pas engendrer de pollution thermique ou chimique, et parallèlement d'être inépuisable. Ces avantages sont toutefois compensés dans une large mesure par une série d'inconvénients liés en particulier au caractère dispersé et intermittent du vent. Il est en outre bien connu que les parcs d'éoliennes consomment beaucoup d'espace et ne fonctionnent pas sans nuisances 15 sonores. Ces inconvénients font que le marché des éoliennes ne connaît pas l'essor auquel on aurait pu s'attendre. Ces dernières années, on a vu apparaître dans nos campagnes et le long de nos cotes, de nombreuses éoliennes d'axe horizontal de 20 grande dimension, montées sur des mats de grande hauteur pour tirer profit de vitesses du vent plus élevées en altitude. De telles éoliennes qui sont implantées dans des zones très ventées et où le vent est relativement stable permettent en règle générale de produire de l'électricité pendant 30 % de l'année. 25 L'implantation d'éoliennes en zone urbaine est nettement plus problématique dans la mesure où le vent y est instable et où les seuls lieux réellement favorables à l'implantation d'éoliennes sont des immeubles de grande hauteur ou des bâtiments situés dans des emplacements privilégiés, à titre d'exemple sur des buttes. 30 Une éolienne ainsi implantée dans un lieu favorable a néanmoins toujours un rendement faible du fait des tourbillons créés par le bâtiment qui constitue un obstacle que le vent est obligé de contourner. De plus, l'implantation d'éoliennes dans nos villes entraîne des problèmes de sécurité, d'esthétique et de nuisances sonores qui sont 35 très difficiles à résoudre. Pour cette raison, l'intégration des éoliennes en milieu urbain est actuellement très limitée. 2 Pour remédier à cet inconvénient, il a déjà été proposé, conformément au document FR 2 913 072, d'ajouter un étage à un immeuble d'habitation pour le dédier à l'implantation d'une série d'éoliennes, ce en y intégrant des éléments techniques tels que motorisation de cages d'ascenseur. Les éoliennes ainsi implantées comportent une embase de canalisation du vent associée à des entrées d'air situées à la périphérie de l'étage du bâtiment réservé à celles-ci et se prolongeant vers l'extérieur par une cheminée, notamment une cheminée conique divergente au niveau du col de laquelle est logé le rotor. Un tel système présente l'avantage de permettre de supprimer les zones d'écoulement tourbillonnaires et d'augmenter les surfaces de captage du vent. Dans ce but, il a été proposé d'équiper les entrées d'air de volets motorisés permettant de régler le débit de l'air et de le canaliser sur une ou plusieurs éoliennes en fonction de la vitesse du vent et de la direction du vent. En présence d'un vent faible, l'air peut ainsi être canalisé vers une seule éolienne alors que lorsque la vitesse du vent augmente, l'air capté peut être orienté vers plusieurs éoliennes, ce qui permet d'optimiser la récupération de l'énergie, même lorsque la vitesse du vent est faible. La présente invention a pour objet de proposer une éolienne du type susmentionné ayant un rendement augmenté. A cet effet, l'invention concerne une éolienne implantée au dernier étage d'une habitation, en particulier en zone urbaine, caractérisée en ce qu'elle comporte un moyeu de canalisation médian monté à la partie interne du col de la cheminée. Les aubes de l'éolienne peuvent être plutôt de type à portance active ou plutôt de type à traînée active. Dans une éolienne du type considéré dans le cadre de l'invention, la vitesse de l'air est plus importante à la partie médiane du col de la cheminée qu'à la périphérie de celle-ci le long des parois. Or, cette répartition de vitesse est défavorable au rende-ment de l'éolienne dans la mesure où du fait de la structure de celle-ci, le couple maximum doit être situé à l'extrémité des pales, et non dans la zone centrale. Conformément à l'invention, on a eu l'idée de remédier à cet inconvénient en empêchant toute circulation d'air à la partie médiane du 3 col de la cheminée grâce à l'adjonction d'un moyeu de canalisation médian de nature à permettre d'augmenter la vitesse de l'air à la périphérie du col de la cheminée, c'est-à-dire au niveau de l'extrémité des pales de l'éolienne. Cette optimisation de la circulation de l'air autour des pales de l'éolienne peut être complétée par une diminution de la hauteur de la cheminée et une augmentation de son diamètre. Il est en particulier avantageux que la cheminée ait la forme d'un cône très évasé se prolongeant dans le sens de circulation de l'air par une couronne périphérique droite ou conique de diamètre plus important ayant pour fonction de permettre de maintenir l'écoulement de l'air à proximité des parois de la cheminée. Conformément à l'invention, la récupération de l'énergie du vent et donc le rendement de l'éolienne peut également être augmentée grâce à une optimisation de la géométrie des entrées d'air situées à la périphérie du dernier étage du bâtiment où elle est implantée, c'est-à-dire de la hauteur et de la largeur de ces entrées d'air, dans la mesure où celles-ci sont en règle générale de forme rectangulaire. Dans le cas de section on rectangulaire, une étude aéroli-20 que soit par calcul numérique, soit par des essais en soufflerie permet d'optimiser la géométrie de la section d'entrée d'air. Ces entrées d'air peuvent de surcroît avantageusement être équipées d'éléments de captage de l'air tels qu'une casquette située en partie haute, des déflecteurs latéraux ou des éléments de canalisation de 25 l'air situés en partie basse. Dans la mesure où les vitesses du vent sont en règle générale plus faibles en milieu urbain que dans les campagnes, il est essentiel conformément à l'invention de pouvoir également récupérer l'énergie de vents faibles. 30 A cet effet, il est avantageux que le rotor de l'éolienne soit associé non pas une seule génératrice, mais à un jeu de génératrices pouvant être entraînées sélectivement en fonction de la vitesse du vent. Ainsi, lorsque le vent est faible et par suite que la vitesse de rotation des pales est faible, le rotor est accouplé à une génératrice de fai- 35 ble puissance, alors que lorsque la vitesse du vent et la vitesse de rotation des pales augmentent, le rotor est accouplé à une génératrice de plus grande puissance. 4 La présence d'un tel jeu de génératrices pouvant être accouplées sélectivement au rotor permet de récupérer progressivement l'énergie du vent pendant une très grande partie de l'année, donc d'augmenter le rendement de l'éolienne conforme à l'invention. Il est à noter que conformément à l'invention, les génératrices peuvent être entraînées directement par le rotor de l'éolienne ou par l'intermédiaire d'un système multiplicateur pouvant être ou non débrayable dans la mesure où ces génératrices présentent de faibles inerties. La gestion du couplage des génératrices sur le réseau élec- trique peut quant à elle être effectuée à partir de la vitesse du vent ou de la vitesse de rotation du rotor. Selon une autre caractéristique de l'invention, le moyeu de canalisation médian est équipé d'au moins une hélice de répartition de l'air fixée le long de sa périphérie externe. Cette ou ces hélice(s) qui peut(vent) avoir un pas constant ou variable assure(nt) une homogénéisation de l'écoulement d'air dans le col de la cheminée autour des pales de l'éolienne et permet dans cette me-sure d'augmenter le rendement de celle-ci. Un autre avantage de telles hélices de répartition de l'air est lié au fait qu'elles permettent d'optimiser l'angle d'incidence c'est-à-dire l'inclinaison du vent apparent qui agit sur les pales du rotor de façon à éviter les problèmes liés au phénomène dit de « décrochage » inhérent aux éoliennes implantées en milieu urbain du fait de l'instabilité du vent. Il est connu des spécialistes que les pales du rotor d'une éo- lienne sont soumises à l'action d'un vent apparent dont la vitesse correspond à la résultante de leur vitesse tangentielle et de la vitesse réelle du vent. Ce vent apparent, qui est reçu avec un angle d'incidence donné, induit une force se décomposant en une composante tangentielle 30 ou traînée et une composante axiale ou portance. Une variation de la vitesse du vent entraîne une variation du vent apparent et de ce fait de l'angle d'incidence. Or, le profil d'une pale d'éolienne est déterminé pour une plage d'angles d'incidences relativement faible, et, si l'on sort de cette 35 plage, la portance et la traînée deviennent quasiment nulles : il s'agit là du phénomène dit de « décrochage » qui est peu important dans le cas des grandes éoliennes implantées dans les campagnes où les vents sont relativement stables, mais qui pose un réel problème en milieu urbain. Ce problème peut être résolu en créant une poussée réactive induite par un blocage de la fraction du vent apparent ressortant directement du rotor que les pales doivent compenser par une augmentation de leur vitesse. 5 Toutefois, pour optimiser cette poussée réactive, il est né- cessaire que le vent apparent entrant agissant sur les pales soit incliné. Une telle inclinaison peut être obtenue grâce à la présence d'au moins une hélice de répartition de l'air. Dans ce but, il est également possible conformément à une autre caractéristique de l'invention d'équiper le moyeu de canalisation médian d'un ensemble d'aubes de redressement radiales réparties autour de ce moyeu. De telles aubes de redressement radiales peuvent avantageusement coopérer avec au moins une hélice de répartition de l'air et être situées en aval de cette hélice dans le sens de circulation du vent. Selon une première variante de l'invention, le moyeu de canalisation médian est constitué par un élément essentiellement cylindrique. Selon une seconde variante de l'invention, l'embase de ca- nalisation du vent est constituée par un tube de canalisation du vent renfermant à sa partie interne un tube rotatif coaxial sur lequel sont fixées les pales et équipé d'un diaphragme créant un rétrécissement de section et constituant le moyeu de canalisation médian. Un tel rétrécissement provoque une chute de pression et 25 par suite une accélération de l'air au niveau des pales du rotor de nature à améliorer le rendement de l'éolienne. Selon une troisième variante de l'invention, l'embase de canalisation du vent est constituée par un tube de canalisation du vent renfermant à sa partie interne un moyeu ovoïdal divergent/ convergent monté 30 coaxialement, constituant le moyeu de canalisation médian et comportant dans le sens de circulation du vent une partie fixe divergente ou stator se prolongeant par une partie rotative convergente ou rotor sur laquelle sont fixées les pales. Un tel moyeu ovoïdal constitué d'un stator et d'un rotor 35 permet d'obtenir un rétrécissement progressif de la section d'écoulement de l'air entraînant une augmentation de sa vitesse. 6 De plus, ce rétrécissement oblige l'air en circulation à se rapprocher du tube de canalisation, permettant ainsi d'optimiser le rayon utile des pales du rotor. Selon une autre caractéristique de cette troisième variante de l'invention, le stator est équipé d'aubes de redressement radiales. Selon une autre caractéristique de cette troisième variante de l'invention, le tube de canalisation du vent renferme à sa partie interne un tube rotatif coaxial qui entoure le stator et sur lequel est fixé un second ensemble de pales. Conformément à cette caractéristique, l'éolienne est équipée d'un double rotor à pales, à savoir d'une part un rotor interne et d'autre part un rotor externe constitué par une éolienne classique. Il est à noter que les pales équipant le ou les rotor(s) de l'éolienne conforme à l'invention peuvent être de type quelconque (profil d'aile d'avion, aubes...) et être combinées à une ou plusieurs hélice(s) de répartition de l'air et/ou à des aubes de redressement radiales. Les caractéristiques de l'éolienne qui fait l'objet de l'invention seront décrites plus en détail en se référant aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective schématique du dernier étage d'un immeuble d'habitation dédié à l'implantation d'une série d'éoliennes, conformément à l'art antérieur, - la figure 2 est une perspective en coupe partielle d'une éolienne conforme à la première variante de l'invention implantée au dernier 25 étage d'un tel immeuble d'habitation, - la figure 3 est une vue en perspective du moyeu de canalisation médian d'une éolienne conforme à la première variante de l'invention équipé d'une hélice d'homogénéisation de l'air et d'un ensemble d'aubes de redressement radiales, 30 - la figure 4 est une vue en perspective d'une éolienne correspondant à la seconde variante de l'invention, - la figure 4a est un schéma illustratif de la configuration de l'éolienne représentée sur la figure 4, - la figure 5 est une vue en perspective partiellement coupée d'une éo-35 lienne correspondant à un premier mode de réalisation de la troisième variante de l'invention, - la figure 5a est un schéma illustratif de la configuration de l'éolienne représentée sur la figure 5, 7 - la figure 6 est une vue en perspective d'une éolienne correspondant à un second mode de réalisation de la troisième variante de l'invention, - la figure 6a est un schéma illustratif de la configuration de l'éolienne représentée sur la figure 6. Selon la figure 1, un étage supérieur 2 a été ajouté à un immeuble d'habitation 1 représenté schématiquement. Cet étage supérieur 2 est dédié à l'implantation d'une série d'éoliennes 3 au nombre de quatre dans l'exemple représenté sur la figure 1. Chacune de ces éoliennes comporte une embase de circula- tion du vent 4 se prolongeant par une cheminée conique divergente 5. Un rotor équipé d'une série de pales, non visible sur la figure 1, est logé à la partie interne du col 6 de la cheminée 5. L'embase de canalisation 4 de chacune des éoliennes 3 est 15 associée à des entrées d'air 7 situées à la périphérie de l'étage supérieur 2 du bâtiment 1. Ces entrées d'air 7 sont de forme rectangulaire et ont une géométrie et en particulier une largeur et une hauteur adaptées à un captage maximum du vent, et sont équipées d'éléments de captage de l'air 20 non représentés sur la figure 1. Selon la figure 2, un moyeu de canalisation médian 8 est monté à la partie interne du col 6' de la cheminée 5' au niveau duquel est logé le rotor de l'éolienne qui n'est pas représenté. Ce moyeu de canalisation 8 qui est constitué par un élé-25 ment essentiellement cylindrique permet d'empêcher toute circulation d'air à la partie médiane du col 6' de la cheminée 5'. Comme représenté sur la figure 2, la cheminée 5' a la forme d'un cône très évasé ayant une hauteur plus faible et un diamètre plus élevé que l'éolienne 5 représentée sur la figure 1. 30 De plus, ce cône 5' se prolonge à sa partie externe par une couronne périphérique de diamètre plus important 5" qui a pour fonction de permettre de maintenir l'écoulement d'air à proximité des parois de la cheminée 5'. Selon la figure 3, le moyeu de canalisation médian 8 est 35 équipé d'une hélice de répartition de l'air 9 fixée le long de sa périphérie externe. Cette hélice de répartition de l'air 9 se prolonge par un en-semble d'aubes de redressement radiales 10 qui sont réparties autour du 8 moyeu de canalisation médian 8, en aval de l'hélice 9 dans le sens de circulation du vent, qui est schématisé par la flèche A. Selon les figures 4 et 4a, l'embase de canalisation du vent est constituée par un tube de canalisation du vent 40 qui renferme à sa partie interne un tube rotatif coaxial 11 sur lequel sont fixées les pales 12. Selon la figure 4, le tube rotatif coaxial 11 est équipé d'un diaphragme médian de forme ovoïdale 81 fixé à celui-ci au moyen de pattes 13 et constituant le moyeu de canalisation médian. Selon la figure 4a, le tube rotatif 11 est équipé sur sa périphérie interne d'un diaphragme annulaire 14 constituant là encore le moyeu de canalisation médian. Selon les figures 5 et 5a, l'embase de canalisation du vent est constituée par un tube de canalisation du vent 41 qui renferme à sa partie interne un moyeu ovoïdal convergent/ divergent 15 monté coaxiale- 15 ment qui constitue le moyeu de canalisation médian. Ce moyeu ovoïdal 15 comporte dans le sens de circulation du vent représenté par les flèches A une partie fixe divergente 151 ou stator qui se prolonge par une partie rotative convergente 152 ou rotor sur laquelle sont fixées les pales 121. 20 Le stator 151 est quant à lui équipé d'aubes de redresse-ment radiales 101. Selon les figures 6 et 6a, le tube de canalisation du vent 41 renferme à sa partie interne un tube rotatif coaxial 16 qui entoure le stator 151 et sur lequel est fixé un second ensemble de pales 122. 25 L'éolienne représentée sur les figures 6 et 6a est ainsi équipée d'un double rotor à pales, à savoir un rotor interne similaire à celui représenté sur les figures 5 et 5a et un rotor externe correspondant à une éolienne classique. 30 NOMENCLATURE 1 Immeuble d'habitation 2 Etage supérieur 3 Eoliennes 4 Embase de canalisation 5, 5' Cheminée 5" Couronne périphérique 6, 6' Col de la cheminée 7 Entrées d'air 8 Moyeu de canalisation médian 81 Diaphragme médian 9 Hélice de répartition de l'air 10, 101 Aubes de redressement 11 Tube rotatif 12, 121, 122 Pales 13 Pattes 14 Diaphragme annulaire 15 Moyeu ovoïdal 151 Stator 152 Rotor 16 Tube rotatif coaxial 40, 41 Tube de canalisation du vent25 REVENDICATIONS1 °) Eolienne notamment d'axe vertical implantée au dernier étage (2) d'une habitation (1), en particulier en zone urbaine et munie d'un rotor équipé de pales actionné par le vent entraînant une génératrice pour fournir de l'énergie électrique, cette éolienne comportant une embase de canalisation du vent (4) se prolongeant vers l'extérieur par une cheminée (5'), notamment une cheminée conique divergente au niveau du col (6') de laquelle est logé le rotor, caractérisée en ce qu' elle comporte un moyeu de canalisation médian (8) monté à la partie in-terne du col (6') de la cheminée (5'). 2°) Eolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moyeu de canalisation médian (8) est équipé d'au moins une hélice de répartition de l'air (9) fixée le long de sa périphérie externe. 3°) Eolienne selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le moyeu de canalisation médian (8) est équipé d'un ensemble d'aubes de redressement radiales (10) réparties autour de ce moyeu. 4°) Eolienne selon les revendications 2 et 3, caractérisée en ce que les aubes de redressement radiales (10) coopèrent avec au moins une hé-lice de répartition de l'air (9) et sont situées en aval de cette hélice dans le sens de circulation du vent. 5°) Eolienne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le moyeu de canalisation médian (8) est constitué par un élément essentiellement cylindrique. 6°) Eolienne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'embase de canalisation du vent est constituée par un tube de canalisation du vent (40) renfermant à sa partie interne un tube rotatif coaxial (11) sur lequel sont fixées les pales (12) et équipé d'un diaphragme (81, 14) 11 créant un rétrécissement de section et constituant le moyeu de canalisation médian. 7°) Eolienne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'embase de canalisation du vent est constituée par un tube de canalisation du vent (41) renfermant à sa partie interne un moyen ovoïdal divergent/convergent (15) monté coaxialement, constituant le moyen de canalisation médian et comportant dans le sens de circulation du vent une partie fixe divergente ou stator (151) se prolongeant par une partie rotative convergente ou rotor (152) sur laquelle sont fixées les pales (121). 8°) Eolienne selon la revendication 7, caractérisée en ce que le stator (151) est équipé d'aubes de redressement radiales (101). 9°) Eolienne selon la revendication 7, caractérisée en ce que le tube de canalisation du vent (41) renferme à sa partie interne un tube 20 rotatif coaxial (16) entourant le stator (151) et sur lequel est fixé un second ensemble de pales (122). 25