Brevet FR2975138A1 — publié le 20121116

Rotor d'éolienne à axe vertical du type Darrieus et éolienne équipée d'un tel rotor L'invention a trait au domaine technique des éoliennes à axe vertical. On connaît dans l'art antérieur plusieurs types d'éoliennes à axe vertical. Les éoliennes de type Savonius, du nom de l'ingénieur finlandais S.J. Savonius qui les proposa en 1929, comportent un rotor pourvu de deux ou plus de deux godets demi-cylindriques, légèrement désaxés. Les éoliennes de type Darrieus, du nom de l'ingénieur français George Darrieus qui les proposa en 1931, comportent des pales reliées à un mat central, ces pales étant de formes variées : cintrées (eggbeater), troposkine, ou pales droites. L'invention se rapporte plus spécifiquement aux éoliennes de type Darrieus à pales droites. La modélisation aérodynamiques de ces éoliennes est complexe et reste sujet d'études (voir par exemple Mazharul et la, Aerodynamic models for Darrieus type straight bladed vertical axis wind turbines, Renewable and sustainable energy reviews 12, 2008, pp. 1087-1109). On connaît une grande variété de modes de réalisation de ces éoliennes de type Darrieus à pâles droites (voir par exemple les documents WO2010048152, WO2008141763, WO2008001080, US20080256795, US6913435, USD508893, USD509794S). Afin d'améliorer les performances des éoliennes de type Darrieus à pâles droites, on connaît, dans l'art antérieur, la mise en place de déflecteurs devant les pales. On peut se reporter, par exemple, aux documents DE102004053498, DE3505489, FR2567588. Ainsi qu'il est indiqué dans le document WO 2010125599, la mise en place de ces déflecteurs facilite la mise en rotation de l'éolienne, y compris pour des faibles vitesses de vent et quelle que soit l'orientation du vent. Malgré les recherches à la fois théoriques et expérimentales poussées depuis plusieurs décennies, les éoliennes de type Darrieus à pales droites restent toujours complexes à optimiser, cette difficulté étant illustrée par la grande variété de réalisations de l'art antérieur. C017 B001 FR - Eolienne Double Wind La demanderesse propose une nouvelle conception d'éoliennes à pales verticales présentant des performances améliorées, notamment à faible vitesse de vent. A cette fin, l'invention propose, en premier lieu, un rotor d'éolienne comprenant : un arbre central monté en libre rotation autour d'un axe vertical ; plusieurs pales distribuées circonférentiellement autour de l'arbre principal et s'étendant sensiblement parallèlement à son axe, chaque pale incluant une aile principale ayant un plan de corde principal, et un aileron fixe par rapport à l'aile principale et ayant un plan de corde secondaire formant un angle d'attaque non nul avec le plan de corde principal ; des bras de fixation des pales à l'arbre central, qui s'étendent radialement à partir de celui-ci. Dans ce rotor, l'aileron est positionné devant l'aile principale, le plan de corde principal coupant l'aileron, l'angle d'attaque de l'aileron étant négatif, l'aileron étant incliné vers l'extérieur par rapport à l'aile principale, un bord d'attaque de l'aileron étant situé d'un côté intérieur du plan de corde principal, tandis qu'un bord de fuite de l'aileron est situé d'un côté extérieur du plan de corde principal. En deuxième lieu, l'invention propose une éolienne à axe vertical munie d'un mât et d'un tel rotor fixé en libre rotation à ce mât. Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaison : l'aileron est écarté de l'aile principale d'une distance comprise entre un quart et la moitié d'une longueur de corde de l'aile principale, et de préférence d'environ le tiers de la longueur de corde de l'aile principale ; l'angle d'attaque de l'aileron est compris entre 10° et 40°, et de préférence d'environ 25 ; l'aileron présente une longueur de corde comprise entre un tiers et deux tiers (et de préférence d'environ la moitié) de la longueur de corde de l'aile principale ; l'aile principale présente un profil asymétrique, tandis que l'aileron présente un profil symétrique ; C017 B001 FR - Eolienne Double Wind l'aile et l'aileron sont fixés mutuellement au moyen d'entretoises réparties sur la hauteur de la pale ; l'aileron présente une épaisseur faible par rapport à sa longueur de corde ; le rotor comprend au moins deux bras de fixation de chaque pale à l'arbre central ; les bras sont inclinés par rapport à un plan horizontal. D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description d'un mode préféré de réalisation, faite ci- après en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une en perspective d'un rotor d'éolienne à axe vertical ayant trois pales réparties à 120° autour d'un arbre central ; la figure 2 est une vue en coupe horizontale du rotor de la figure 1 ; la figure 3 est une vue de détail en section horizontale d'une aile du rotor ; la figure 4 est une vue schématique en coupe horizontale montrant l'aile au niveau d'une entretoise ; - la figure 5 est une vue schématique en coupe horizontale montrant l'aile au niveau d'une platine ; la figure 6 est une vue de détail en perspective montrant un système de fixation d'une pale au rotor. Sur la figure 1 est représentée une éolienne 1 à axe Z vertical, comprenant un mât 2 fixe et un rotor 3 muni d'un arbre 4 central fixé à une extrémité supérieure du mât 2, par exemple par l'intermédiaire d'une bride 5. L'arbre 4 central est monté en libre rotation par rapport au mât 2, autour de l'axe Z. Le rotor 3 comprend plusieurs pales 6 droites, réalisées dans un matériau métallique (tel qu'aluminium) ou composite distribuées circonférentiellement autour de l'arbre 4 central et s'étendant sensiblement parallèlement à son axe Z, et des bras 7A, 7B de fixation des pales 6 à l'arbre 4 central, qui s'étendent radialement à partir de celui-ci. C017 B001 FR - Eolienne Double Wind Selon un mode préféré de réalisation illustré sur les figures 1 et 2, le rotor 3 comprend trois pales 6 distribuées à 120°, mais il pourrait en comprendre un nombre supérieur (par exemple entre 4 et 7). Comme cela est visible sur les figures, chaque pale 6 comprend une aile 8 principale ayant un intrados 9 tourné vers l'arbre 4, un extrados 10 tourné à l'opposé de celui-ci, un bord 11 d'attaque et un bord 12 de fuite situés aux jonctions entre l'intrados 9 et l'extrados 10, un aileron 13 ayant également un intrados 14 tourné vers l'arbre 4, un extrados 15 tourné à l'opposé de celui-ci, un bord 16 d'attaque et un bord 17 de fuite situés aux jonctions entre l'intrados 14 et l'extrados 15. Le bord 11 d'attaque et le bord 12 de fuite de l'aile 8 principale forment ensemble un plan 18 de corde principal ; de même, le bord 16 d'attaque et le bord 17 de fuite de l'aileron 13 forment ensemble un plan 19 de corde secondaire. Les pales 6 peuvent indifféremment être orientées dans le sens horaire (auquel cas le rotor 3 entraîné par le vent tournera dans le sens horaire), ou dans le sens antihoraire (auquel cas le rotor 3 entraîné par le vent tournera dans le sens antihoraire). Dans l'exemple de réalisation illustré sur les figures, et notamment sur la figure 2, les pales 6 sont orientées dans le sens horaire, mais elles pourraient l'être dans le sens antihoraire. On a représenté par des flèches sur la figure le sens du vent (du haut vers le bas sur la figure) et le sens (horaire) de rotation du rotor 3. Le plan 18 de corde principal forme un angle sensiblement nul avec un plan tangent au cylindre balayé par le bord 11 d'attaque. En d'autres termes, l'angle d'attaque de l'aile 8 principale est sensiblement nul, au bénéfice d'une diminution de sa traînée moyenne au cours d'une révolution complète du rotor. L'aileron 13 est fixe par rapport à l'aile 8 principale ; comme on le voit notamment sur la figure 3, le plan 19 de corde secondaire forme avec le plan 18 de corde principal un angle A d'attaque non nul, compris entre 10° et 40°, et de préférence de 25° environ. L'aileron 13 est positionné devant l'aile 8 principale (dans le sens de rotation du rotor), à une distance prédéterminée fixe du bord 11 d'attaque de celle-ci. Plus précisément, et comme cela est illustré sur C017 B001 FR - Eolienne Double Wind la figure 3, le plan 18 de corde principal coupe l'aileron 13, qui est incliné vers l'extérieur par rapport à l'aile 8 principale, c'est-à-dire que son bord 16 d'attaque est situé d'un côté intérieur du plan 18 de corde principal (du côté du 18 plan principal contenant l'arbre 4 central), tandis que le bord 17 de fuite de l'aileron 13 est situé d'un côté extérieur du plan 18 de corde principal (c'est-à-dire du côté du plan 18 principal ne contenant pas l'arbre 4 central). En d'autres termes l'angle A d'attaque de l'aileron 13 est négatif. On voit sur les figures 3 à 5 que l'aileron 13 est positionné à une distance D du bord 11 d'attaque de l'aile 8 principale suffisante pour ménager entre l'intrados 14 de l'aileron 13 et le bord 11 d'attaque de l'aile 8 principale un passage 20, propre à permettre une circulation et une canalisation de l'air entre l'aile 9 principale et l'aileron 13. Cette distance D, mesurée dans le plan 18 de corde principal, est comprise entre le quart et la moitié de la longueur LI de corde de l'aile 8 principale, c'est-à-dire la distance séparant son bord 11 d'attaque de son bord 12 de fuite. Selon un mode de réalisation préféré illustré sur les figures, et notamment sur la figure 3, cette distance D est égale au tiers environ de la longueur LI de corde de l'aile 8 principale. L'aileron 13 présente de préférence une longueur L2 de corde comprise entre un tiers et deux tiers de la longueur LI de corde de l'aile 8 principale. Selon un mode de réalisation préféré illustré sur les figures, et notamment sur la figure 3, la longueur L2 de corde de l'aileron est égale à la moitié de la longueur LI de corde de l'aile 8 principale. L'aileron 13 présente par ailleurs une certaine finesse aérodynamique, c'est-à-dire que son épaisseur, mesurée au plus large entre l'intrados 14 et l'extrados 15, est très inférieure (dans un rapport inférieur à 1/5, et par exemple entre 1/10 et 1/5) à la longueur L2 de corde de l'aileron 13. Le profil aérodynamique de l'aile 8 principale est de préférence asymétrique, c'est-à-dire que son intrados 9 est, dans le plan de coupe transversal, d'une longueur d'arc inférieure à son extrados 10. En revanche, comme cela est visible sur la figure 3, le profil aérodynamique de l'aileron 13 est symétrique, les longueurs d'arc de son intrados 14 et de son extrados 15 dans le plan de coupe transversal étant sensiblement égales. On pourra choisir les profils C017 B001 FR - Eolienne Double Wind aérodynamiques de l'aile principale 8 et de l'aileron 13 parmi la liste établie en son temps par la NACA. Afin de tenir rigidement l'aile 8 principale et l'aileron 13, et de maintenir constant l'écartement entre eux, l'aile 8 et l'aileron 13 sont fixés l'un à l'autre : d'une part, à leurs extrémités haute et basse, au moyen de deux platines 21 identiques, d'autre part, entre les deux platines 21, au moyen d'une série d'entretoises 22 régulièrement espacées, dont le nombre dépend de la hauteur des pales 6. Dans l'exemple illustré, chaque pale 6 est munie de deux entretoises 22. On a représenté une entretoise 22 sur la figure 4. Celle-ci se présente sous forme d'une plaque réalisée dans un matériau métallique ou composite, ayant un bord 23 interne profilé en intrados, et un bord 24 externe creusé de deux échancrures, à savoir une échancrure 25 arrière de forme complémentaire à l'intrados 9 de l'aile 8 principale à laquelle l'entretoise 22 est fixée (par exemple par soudage), et une échancrure 26 avant de forme complémentaire à l'intrados 14 de l'aileron 13 à laquelle l'entretoise 22 est également fixée (par exemple par soudage ou au moyen d'un système de liaison décrit ci-après). Selon un mode de réalisation préféré illustré sur la figure 4, l'échancrure 25 arrière de l'entretoise 22 enveloppe le bord 11 d'attaque de l'aile 8 principale. On voit que l'entretoise 22 présente un bord 27 arrière qui relie le bord 11 d'attaque de l'aile 8 principale au bord 17 de fuite de l'aileron 13. Il résulte de cette structure une bonne tenue de l'aile 8 et de l'aileron 13, au bénéfice de la rigidité de la pale 6. On a représenté une platine 21 sur la figure 5. On voit qu'elle présente un profil aérodynamique, qui facilite sa pénétration dans l'air. Chaque platine sert d'une part à fermer les extrémités des ailes 8 principales et des ailerons 13 (lesquels peuvent en effet être creux aux fins de gagner de la masse, ce qui peut générer des turbulences aérodynamiques lors de la rotation des pales 6), et d'autre part à limiter les mouvements hélicoïdaux d'air aux extrémités des pales 6, à la manière de winglets. Selon un mode de réalisation illustré sur la figure 1, chaque pale 6 est fixée à l'arbre 4 central au moyen d'une paire de bras de fixation C017 B001 FR - Eolienne Double Wind superposés, à savoir un bras supérieur 7A et un bras inférieur 7B. Ces bras 7A, 7B sont parallèles mais ils pourraient être inclinés par rapport à l'horizontale, suivant la longueur des pales 6. A une extrémité radiale externe 28, chaque bras 7A, 7B se raccorde à la pale 6 en étant fixé (par exemple par soudage) à l'aile 6 principale, sur l'intrados 9 de celle-ci. A une extrémité radiale interne 29, chaque bras 7A, 7B est fixé à un support 30 central solidaire de l'arbre 4. Chaque 7A, 7B bras présente en section un profil d'aile et présente un intrados 31 et un extrados 32, de manière à limiter la traînée de la pale 6 lors de la rotation du rotor 3. Afin toutefois d'annuler les forces de portance des arbres 7A, 7B, le bras 7A supérieur et le bras 7B inférieur sont tournés à l'opposé l'un de l'autre en étant symétriques par rapport à un plan médian, l'extrados 31 du bras supérieur 7A étant par exemple tourné vers le haut, tandis que l'extrados 31 de l'arbre 7B inférieur est tourné vers le bas (ou inversement). Diverses variantes de réalisation peuvent être prévues sans sortir du cadre. Ainsi, comme illustré sur la figure 6, la fixation des bras 7A, 7B aux pales 6 peut être réalisée au moyen de systèmes 33 comprenant un étrier 34 à section en U couché, muni d'une paroi 35 verticale auquel est fixée l'extrémité radiale 28 externe du bras 7A, 7B (par exemple par boulonnage) et de deux flancs 36 horizontaux faisant saillie de la paroi 35, munis chacun d'une découpe 37 complémentaire du profil de l'aile 8 principale, laquelle passe au travers de ces découpes 37 en y étant fixée (par exemple par soudure ou collage, suivant les matières utilisées). Le rotor qui vient d'être décrit présente les avantages présumés suivants, qui demeurent des hypothèses compte tenu de la complexité de l'aérodynamique des éoliennes de type Darrieus (cf. Mazharul et al, précité). Premièrement, la présence de l'aileron devant l'aile principale, avec son écartement de l'aile principale et son inclinaison par rapport au plan de corde principal, permet de canaliser un flux d'air sur l'intrados de l'aile principale, ce qui permet de réduire la traînée moyenne de celle-ci que soit l'angle azimutal du rotor, tout en augmentant sa portance et donc le couple moteur du rotor. D'une part, cela facilite le démarrage du rotor 3 à faible vitesse de vent. D'autre part, cela accroît la vitesse de rotation du rotor 3. C017 B001 FR - Eolienne Double Wind Deuxièmement, l'angle d'attaque négatif de l'aileron 13 permet, lorsque la pale 6 est en opposition par rapport au vent (c'est-à-dire qu'elle lui présente son bord de fuite) de générer sur l'aileron 13 une portance qui est simultanément nulle sur l'aile 8 principale. Cela permet d'augmenter la valeur moyenne de la portance générée sur chaque pale 6 au cours d'une révolution complète du rotor 3. Troisièmement, la longueur de l'aileron 13 est suffisamment faible pour maintenir une traînée relativement faible de la pale 6, tout en étant suffisamment importante pour générer une augmentation sensible de la portance. C017 B001 FR - Eolienne Double Wind NOMENCLATURE 1 éolienne, axe Z 2 mât 3 rotor 4 arbre central bride 6 pale 7A, 7B bras de fixation 8 aile principale (longueur L1) 9 intrados aile principale extrados aile principale 11 bord d'attaque aile principale 12 bord de fuite aile principale 13 aileron (longueur L2) 14 intrados aileron extrados aileron 16 bord d'attaque aileron 17 bord de fuite aileron 18 plan de corde principal 19 plan de corde secondaire, angle A passage (largeur D) 21 platine 22 entretoises 23 bord interne de l'entretoise 24 bord externe de l'entretoise échancrure arrière 26 échancrure avant 27 bord arrière de l'entretoise 28 extrémité radiale externe du bras 29 extrémité radiale interne du bras support central 31 intrados du bras 32 extrados du bras 33 Système de fixation 34 Étrier Paroi verticale 36 Flancs horizontaux 37 Découpe profilée C017 B001 FR - Eolienne Double Wind REVENDICATIONS1. Rotor (3) d'éolienne (1) comprenant : un arbre (4) central monté en libre rotation autour d'un axe (Z) vertical ; plusieurs pales (6) distribuées circonférentiellement autour de l'arbre (4) principal et s'étendant sensiblement parallèlement à son axe (Z), chaque pale (6) incluant une aile (8) principale ayant un plan (18) de corde principal, et un aileron (13) fixe par rapport à l'aile (8) principale et ayant un plan (19) de corde secondaire formant un angle (A) d'attaque non nul avec le plan (18) de corde principal ; des bras (7A, 7B) de fixation des pales (6) à l'arbre (4) central, qui s'étendent radialement à partir de celui-ci ; ce rotor (3) étant caractérisé en ce que l'aileron (13) est positionné devant l'aile (8) principale, le plan (18) de corde principal coupant l'aileron (13), et en ce que l'angle (A) d'attaque de l'aileron (13) est négatif, l'aileron (13) étant incliné vers l'extérieur par rapport à l'aile (8) principale, un bord (16) d'attaque de l'aileron (13) étant situé d'un côté intérieur du plan (18) de corde principal, tandis qu'un bord (17) de fuite de l'aileron (13) est situé d'un côté extérieur du plan (18) de corde principal. 2. Rotor (3) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'aileron (13) est écarté de l'aile (8) principale d'une distance (D) comprise entre un quart et la moitié d'une longueur (LI) de corde de l'aile (8) principale. 3. Rotor (3) selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'aileron (13) est écarté de l'aile (8) principale d'une distance (D) d'environ le tiers de la longueur (LI) de corde de l'aile (8) principale. 4. Rotor (3) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'angle (A) d'attaque de l'aileron (13) est compris entre 10° et 40°. 5. Rotor (3) selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'angle (A) d'attaque de l'aileron (13) est de 25° environ. 6. Rotor (3) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aileron (13) présente une longueur (L2) de C017 B001 FR - Eolienne Double Windcorde comprise entre un tiers et deux tiers de la longueur (LI) de corde de l'aile (8) principale. 7. Rotor (3) selon la revendication 6, caractérisé en ce que la longueur (L2) de corde de l'aileron (13) est égale à environ la moitié de la longueur (LI) de corde de l'aile (8) principale. 8. Rotor (3) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aile (8) principale présente un profil asymétrique, tandis que l'aileron (13) présente un profil symétrique. 9. Rotor selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aileron (13) présente une épaisseur faible par rapport à sa longueur (L2) de corde. 10. Rotor (3) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aile (8) et l'aileron (13) sont fixés mutuellement au moyen d'entretoises (22) réparties sur la hauteur de la pale (6). 11. Rotor (3) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux bras (7A, 7B) de fixation de chaque pale (6) à l'arbre (4) central. 1 2 . Rotor (3) selon l a revendication 1 1 , caractérisé en ce que les bras (7A, 7B) sont inclinés par rapport à un plan horizontal. 13. Eolienne (1) à axe vertical, comprenant un mât (2), et un rotor (3) selon l'une des revendications précédentes fixé en libre rotation audit mât (2). C017 B001 FR - Eolienne Double Wind