Brevet FR2954399A1 — publié le 20110624

ÉLÉMENT DE ROTOR POUR SYSTEME DE PRODUCTION D'ENERGIE ET SYSTEME DE PRODUCTION D'ENERGIE L'UTILISANT La présente invention porte sur un élément de rotor pour un système de production d'énergie et sur un système de production d'énergie l'utilisant. Les systèmes de production d'énergie dits « propres », c'est-à-dire utilisant de l'énergie naturelle telle que l'énergie du vent ou des écoulements de fluide, connaissent un succès grandissant. Il existe ainsi par exemple de nombreux types d'éolienne, à axe horizontal comme à axe vertical, utilisant des rotors de diverses formes. Les rotors de l'état antérieur de la technique présentent certains inconvénients. Tout d'abord, pour obtenir une production d'énergie suffisante, le rotor, et donc l'éolienne, doivent être de grandes dimensions pour capter suffisamment d'énergie. La plupart de ces systèmes ne peuvent donc pas être installés chez des particuliers, ou demandent un temps et un coût d'installation prohibitifs, notamment pour des particuliers. De plus, généralement, les rotors sont de formes complexes et difficiles à entretenir. Il existe donc un besoin pour un élément de rotor de structure simple, présentant une surface en contact avec l'écoulement de fluide avec lequel il interagit importante, permettant de produire suffisamment d'énergie avec une taille réduite. Cet élément de rotor pourra ainsi être utilisé dans des éoliennes miniatures, pouvant être mises en oeuvre chez des particuliers, dans des jardins ou balcons, pour produire de l'électricité. Ce type d'éolienne, simple de structure, pourra également être installé dans des pays dans lesquels il est à l'heure actuelle impossible d'installer des éoliennes, en raison de leur coût prohibitif de fabrication. La présente invention vise à résoudre les problèmes de l'état antérieur de la technique, et propose un élément de rotor, notamment apte à être installé sur une éolienne en tant que rotor, ou dans tout dispositif de production d'énergie utilisant un écoulement de fluide pour entraîner un axe en rotation pour produire de l'énergie. La présente invention a donc pour objet un élément de rotor pour système de production d'énergie, comprenant : ù un axe ; ù une pluralité de pales identiques fixées sur l'axe, caractérisé par le fait que : chaque pale est constituée de deux ailettes symétriques par rapport à l'axe, assemblées sur une bordure ; chaque pale est fixée sur l'axe à la jonction entre les deux ailettes ; ù les pales sont contiguës sur l'axe ; ù les pales sont agencées sur l'axe de l'élément de rotor à partir d'une première pale située à une extrémité sur l'axe de l'élément de rotor, de telle sorte que, pour deux pales consécutives sur l'axe, les plans moyens des deux pales contenant l'axe forment un angle constant. La symétrie par rapport à l'axe est l'opération de symétrie en trois dimensions qui, à chaque point d'une ailette, associe un point symétrique par rapport à l'axe dans un plan contenant l'axe et le point de l'ailette considéré, de telle sorte que dans le plan considéré, l'axe est la médiatrice du segment formé par le point de l'ailette considéré et son symétrique. De part cette symétrie par rapport à l'axe, les ailettes d'une même pale sont donc en position opposée et inverse par rapport à l'axe, l'effet étant que, pour une même pale, la résistance de l'ailette opposée à l'ailette qui recueille le mouvement est minimale. Le caractère contigu des pales sur l'axe permet de rendre maximale une surface de contact avec le fluide en écoulement sur l'élément de rotor. Cela permet également une circulation de fluide entre les différentes pales, puisque aucun élément ne sépare les différentes pales sur l'axe. Selon une caractéristique facultative de l'élément de rotor de l'invention, l'angle formé entre les plans moyens de deux pales consécutives sur l'axe de l'élément de rotor et contenant l'axe de l'élément de rotor est égal à 360° divisé par le nombre de pales sur l'axe de l'élément de rotor. Il y a ainsi une répartition uniforme des plans moyens des pales contenant l'axe sur 360° autour de l'axe de l'élément de rotor. Selon une autre caractéristique facultative de l'élément de rotor de l'invention, chaque ailette d'une pale comprend une première face, une deuxième face orthogonale à la première face, et une troisième face, formant un angle avec la deuxième face et située d'un même côté du plan formé par la deuxième face que la première face. Cette structure des ailettes de chaque pale permet d'obtenir un mouvement saccadé du rotor lorsqu'il est entraîné par un écoulement de fluide sur les pales. On peut également obtenir un effet saccadé, toutefois moins prononcé, sur l'élément de rotor de l'invention, avec des ailettes en forme de S. Selon une première variante facultative, les 5 première, deuxième et troisième faces de chaque ailette sont rectangulaires. Les faces de chaque ailette peuvent avoir une dimension commune dans la direction de l'axe de l'élément de rotor. Selon une deuxième variante facultative, la dimension dans la direction de l'axe de l'élément de rotor de chaque ailette augmente de manière continue de l'extrémité de l'ailette liée à l'axe de l'élément de rotor à l'extrémité libre de l'ailette. Chaque ailette peut comprendre un retour en équerre sur les bords des première, deuxième et troisième faces non parallèles à l'axe, ledit retour en équerre étant dirigé du côté de l'ailette dans lequel les première et deuxième faces forment un angle de 90°. L'invention a également pour objet une éolienne à axe vertical, caractérisée par le fait qu'un élément de rotor tel que défini ci-dessus constitue le rotor de l'éolienne. L'invention a également pour objet une éolienne à 25 axe vertical, comprenant un axe vertical relié à une extrémité inférieure à une dynamo, et comprenant à son extrémité supérieure une ou plusieurs branches, chacune constituée par un élément de rotor tel que défini ci-dessus. 30 L'élément de rotor tel que défini ci-dessus peut également être mis en oeuvre sur d'autres dispositifs de production d'énergie que des éoliennes, utilisant l'écoulement d'un autre fluide que le vent. 10 15 20 15 L'élément de rotor tel que défini ci-dessus pourrait par exemple être utilisé pour produire de l'énergie par rotation de l'axe consécutive à un écoulement de fluide sur le rotor. Pour mieux illustrer l'objet de la présente invention, on va maintenant en décrire plusieurs modes de réalisation préférés, en référence au dessin annexé. Sur ce dessin : - la Figure 1 est une vue en perspective d'un élément de rotor selon la présente invention ; - la Figure 2 est une vue de dessus de l'élément de rotor de la Figure 1 ; la Figure 3 est une vue en perspective d'une première variante d'une pale de l'élément de rotor selon l'invention ; 20 la Figure 4 est une vue en perspective analogue à la Figure 3 d'une seconde variante d'une pale de l'élément de rotor selon l'invention ; la Figure 5 est une vue en perspective d'une éolienne à 25 axe verticale, sur laquelle est monté l'élément de rotor de la Figure 1 ; - la Figure 6 est une vue de dessus du pied de l'éolienne selon la ligne VI-VI de la Figure 5 ; la Figure 7 est une vue schématique en perspective d'une autre éolienne à axe vertical utilisant l'élément de rotor selon la présente invention ; et 30 - la Figure 8 est une vue schématique de dessus de l'éolienne à axe verticale représentée sur la Figure 7. Si l'on se réfère aux Figures 1 à 3, on peut voir qu'il y est représenté un élément de rotor 1 selon la présente invention. L'élément de rotor 1 comprend un axe 2 et une pluralité de pales 3. Chaque pale 3 comprend un élément de fixation 4 sur l'axe 2 de l'élément de rotor 1, et deux ailettes 5, fixées par exemple par soudure sur l'élément de fixation 4. Chaque ailette 5 est constituée de trois faces rectangulaires, 5a, 5b, 5c. La première face rectangulaire 5a est fixée à l'élément de fixation 4 sur l'axe 2 de l'élément de rotor 1, la deuxième face 5b est orthogonale à la première face 5a, et la troisième face 5c forme un angle d'environ 120° avec la deuxième face 5c de l'ailette 5, les première et troisième faces 5a et 5c étant situées d'un même côté du plan formé par la deuxième face 5b. Un rebord 5d est formé de façon continue sur les bords inférieur et supérieur des premières et deuxièmes faces 5a et 5b, correspondant aux bords de l'ailette 5 orthogonaux à l'axe 2 de l'élément de rotor 1, de telle sorte que le rebord 5d est orienté vers le côté fermé de l'ailette 5 correspondant au côté de l'ailette 5 où les faces 5a et 5b forment un angle de 90°. Pour chaque pale 3, les ailettes 5 sont disposées de façon symétrique par rapport à l'élément de fixation 4 sur l'axe 2, de telle sorte que les deux faces 5a d'une pale 3 sont dans le même plan, appelé dans ce qui suit plan moyen de la pale 3, et que les faces 5b des ailettes 5 respectives sont situées chacune d'un côté différent de ce plan moyen de la pale. Sur l'élément de rotor 1, les pales 5 sont fixées les unes au-dessus des autres sur l'axe 2 de manière contiguë, les plans moyens de deux pales 3 consécutives sur l'axe 2 de l'élément de rotor 1 formant un angle fixe, l'angle fixe correspondant à 360° divisé par le nombre de pales 3 sur l'axe 2. Dans le mode de réalisation représenté sur les Figures 1 et 2, trois pales étant fixées sur l'axe 2, l'angle formé par les plans moyens de deux pales consécutives sur l'axe 2 est de 120°. Les plans moyens des pales 3 sont ainsi uniformément répartis autour de l'axe 2 pour couvrir uniformément une amplitude angulaire de 360° autour de l'axe 2 de l'élément de rotor 1. Pour une mise en oeuvre avec un petit nombre de pales 3 sur l'axe 2, une couverture uniforme de l'amplitude angulaire de 360° autour de l'axe 2 pourra être obtenue en divisant 360° par le nombre de pales pour obtenir l'angle formé par les plans moyens de deux pales consécutives sur l'axe 2. Pour un plus grand nombre de pales, on pourra envisager de faire plusieurs groupes de pales consécutives sur l'axe, les pales dans chaque groupe couvrant uniformément une amplitude angulaire de 360° autour de l'axe de l'élément de rotor, et fixer les différents groupes de pales les uns au-dessus des autres sur l'axe de l'élément de rotor. Si l'on se réfère à la Figure 4, on peut voir qu'il y est représenté une pale 30 selon une seconde variante. Comme la pale 3 représentée sur la Figure 3, la pale 30 comprend un élément de fixation 40 sur l'axe 2 de l'élément de rotor 1, et deux ailettes 50, fixées par exemple par soudure sur l'élément de fixation 40. Chaque ailette 50 est constituée de trois faces, 50a, 50b, 50c. La première face 50a est fixée à l'élément de fixation 40 sur l'axe 2 de l'élément de rotor 1, la deuxième face 50b est orthogonale à la première face 50a, et la troisième face 50c forme un angle d'environ 120° avec la deuxième face 50c de l'ailette 50, les première et troisième faces 50a et 50c étant situées d'un même côté du plan formé par la deuxième face 50b. Un rebord 50d est formé de façon continue sur les bords inférieur et supérieur des premières et deuxièmes faces 50a et 50b, correspondant aux bords de l'ailette 50 orthogonaux à l'axe 2 de l'élément de rotor 1, de telle sorte que le rebord 50d est orienté vers le côté fermé de l'ailette 50 correspondant au côté de l'ailette 50 où les faces 50a et 50b forment un angle de 90°. La forme de l'ailette 50 diffère de celle de l'ailette à faces rectangulaire 5 de la Figure 3 par le fait que la dimension en coupe transversale de chaque face de l'ailette 50 augmente de façon continue depuis le bord de l'ailette 50 fixé à l'élément de fixation 40 jusqu'au bord d'extrémité de l'ailette 50. Si l'on se réfère à la Figure 5 et à la Figure 6, on peut voir qu'il y est représenté l'élément de rotor 1 de l'invention utilisé en tant que rotor dans une éolienne à axe vertical 6, comprenant l'élément de rotor 1 de la Figure 1, et un pied 7. Comme indiqué ci-dessus, l'élément de rotor 1 comprend plusieurs groupes de pales 3, les plans moyens des pales 3 étant uniformément répartis à 360° autour de l'axe 2, pour une prise au vent optimale de l'élément de rotor 1. Le pied 7 de l'éolienne 6 est de forme pyramidale carrée, et comprend un cadre de base carré 8, et quatre montants 9 formant les arêtes de la pyramide. Des éléments de renfort 10 relient des bords opposés du cadre de base 8 pour renforcer sa structure. Un ensemble de générateur électrique 11 de type dynamo est monté au centre du cadre de base 8. Un tube 12, creux, vertical, est fixé à son extrémité supérieure au sommet de la pyramide, et est dirigé vers le centre du cadre de base 8 et l'ensemble de générateur électrique 11. L'axe 2 de l'élément de rotor est introduit à l'intérieur du tube 12, et est apte à tourner dans celui-ci au moyen de roulements 13 disposés à l'intérieur du tube creux 12. Ainsi, l'éolienne 6 étant placée à l'extérieur, l'action du vent sur l'élément de rotor 1 va provoquer une rotation de celui-ci, qui sera transmise à l'ensemble de générateur électrique 11 par l'axe 2 de l'élément de rotor, de manière connue pour les éoliennes à axe vertical. Les Figures 7 et 8 illustrent de manière schématique une autre application de l'élément de rotor selon la présente invention sur une éolienne dite en arbuste. Dans cette application, une éolienne à axe vertical 60 est constituée d'un axe vertical 2, au sommet duquel quatre branches 61 sont fixées, chaque branche 61 étant constituée par un élément de rotor selon l'invention, avec une pluralité de pales 3 représentées schématiquement pour faciliter la lecture de la Figure. Chaque élément de rotor 61 est fixe par rapport à l'axe 2 de l'éolienne 60, mais l'action de l'écoulement du vent sur les pales 3 des éléments de rotor 61 va entraîner la rotation de l'axe 2, lequel, comme pour l'éolienne des Figures 5 et 6, est relié à un système de générateur électrique (non représenté).5 REVENDICATIONS1 - Élément de rotor (1) pour système de production d'énergie (6 ; 60), comprenant : - un axe (2) ; - une pluralité de pales (3 ; 30) identiques fixées sur l'axe (2), caractérisé par le fait que : chaque pale (3; 30) est constituée de deux ailettes (5; 10 50) symétriques par rapport à l'axe (2), assemblées sur une bordure ; chaque pale (3; 30) est fixée sur l'axe (2) à la jonction entre les deux ailettes (5; 50) ; les pales (3; 30) sont contiguës sur l'axe (2) ; 15 les pales (3; 30) sont agencées sur l'axe (2) de l'élément de rotor (1) à partir d'une première pale (3; 30) située à une extrémité sur l'axe (2) de l'élément de rotor (1), de telle sorte que, pour deux pales (3; 30) consécutives sur l'axe (2), les plans moyens des deux 20 pales (3; 30) contenant l'axe (2) forment un angle constant. 2 - Élément de rotor (1) selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'angle formé entre les plans moyens de deux pales (3; 30) consécutives sur l'axe 25 (2) et contenant l'axe (2) est égal à 360° divisé par le nombre de pales (3; 30) sur l'axe (2). 3 - Élément de rotor selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que chaque ailette (5; 50) d'une pale (3; 30) comprend une première 30 face (5a ; 50a), une deuxième face (5b ; 50b) orthogonale à la première face (5a ; 50a), et une troisième face (5c ; 50c), formant un angle avec la deuxième face (5b ; 50b) etsituée d'un même côté du plan formé par la deuxième face (5b ; 50b) que la première face (5a ; 50a). 4 - Élément de rotor (1) selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les première (5a), deuxième (5b) et troisième (5c) faces de chaque ailette (5) sont rectangulaires. 5 - Élément de rotor (1) selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les faces (5a, 5b, 5c) de chaque ailette (5) ont une dimension commune dans la direction de l'axe (2). 6 - Élément de rotor (1) selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la dimension dans la direction de l'axe (2) de chaque ailette (50) augmente de manière continue de l'extrémité de l'ailette (50) liée à l'axe (2) à l'extrémité libre de l'ailette (50). 7 - Élément de rotor (1) selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé par le fait que chaque ailette (5; 50) comprend un retour en équerre sur les bords des première, deuxième et troisième faces (5a, 5b, 5c ; 50a, 50b, 50c) non parallèles à l'axe, ledit retour en équerre étant dirigé du côté de l'ailette (5; 50) dans lequel les première et deuxième faces (5a, 5b ; 50a, 50b) forment un angle de 90°. 8 - Eolienne (6) à axe vertical, caractérisée par le fait que l'élément de rotor (1) tel que défini à l'une quelconque des revendications 1 à 7 constitue le rotor (1) de l'éolienne (6). 9 - Eolienne (60) à axe vertical, comprenant un axe vertical (2) relié à une extrémité inférieure à une dynamo (11), et comprenant à son extrémité supérieure une ou plusieurs branches (61), chacune constituée par un élément de rotor (1) tel que défini à l'une quelconque des revendications 1 à 7.