Brevet FR2969423A1 — publié le 20120622

MOTEUR PHOTOVOLTAIQUE MIXTE [1] DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION [2] L'invention concerne un moteur photovoltaïque mixte permettant de fournir de l'énergie mécanique même en l'absence de soleil. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des moteurs solaires utilisés pour le pompage de l'eau dans les pays chauds, ou des moteurs solaires entraînant des ventilateurs. [3] ETAT DE LA TECHNIQUE [4] Le moteur 1 photovoltaïque autocommuté décrit dans le document ~o FR-2941336 et montré à la Figure 1 comporte un stator 2 muni de bobines 3 formant les phases AA', BB', et CC' du moteur 1. Un rotor 5 est positionné à l'intérieur du stator 2. Ce rotor 5 réalisé en matériau ferromagnétique, par exemple en fer doux, est muni de dents 6 qui sont des pôles du rotor 5. Ce rotor 5 est associé à un arbre 5.1 de sortie. 15 [05] Par ailleurs, un circuit 8 de commutation comporte une couronne 9 de secteurs 10 composés chacun d'une ou plusieurs cellules 11 élémentaires délimitant une zone photovoltaïque principale. Chacun de ces secteurs 10 est relié à une des bobines 3. Le circuit 8 de commutation comporte également un disque 12 obturateur lié en rotation avec le rotor 5 et 20 positionné au dessus de la couronne 9 de secteurs 10. Ce disque 12 comporte des fenêtres 13 ayant de préférence une forme sensiblement identique à celle des secteurs 10. [6] Lorsque le disque 12 découvre un secteur 10, ce secteur 10 se trouve dans un état dit « découvert » dans lequel les cellules 11 autorisent le 25 passage du courant à travers les bobines 3 reliées à ce secteur 10. Lorsque le disque 12 cache un secteur 10, ce secteur 10 se trouve dans un état dit « obturé » dans lequel les cellules 11 bloquent le passage du courant à travers les bobines 3 reliées à ce secteur 10. [7] L'alternance d'états « découverts » et « cachés » des secteurs 10 30 permet d'assurer une rotation du rotor 5. 2 [8] OBJET DE L'INVENTION [9] Outre sa simplicité de construction, le moteur sans aimants présente l'avantage de ne pas avoir de couple de retenue (encore appelé couple de détente). En d'autres termes, cela signifie qu'il n'oppose aucun couple résistant lorsqu'il n'est pas alimenté électriquement. [10] L'invention tire partie de cette caractéristique du moteur pour coupler ce moteur à une éolienne afin de pouvoir fournir de l'énergie mécanique en l'absence de soleil. [11] Plus précisément, l'invention concerne un moteur photovoltaïque lo mixte comportant : - un rotor sans aimant associé à un arbre de sortie d'axe, - un stator positionné autour du rotor comprenant des bobines formant les phases du moteur, - un circuit de commutation comportant une ou plusieurs cellules 15 photovoltaïques, ces cellules photovoltaïques étant reliées aux bobines du stator, et - un disque obturateur lié en rotation avec le rotor positionné au dessus des cellules photovoltaïques, ce disque obturateur comportant au moins une fenêtre, 20 caractérisé en ce qu'il comporte en outre: - une éolienne couplée audit arbre de sortie par l'intermédiaire d'un système à roue libre. [17] Selon une réalisation, l'éolienne est coaxiale avec l'arbre de sortie. [18] Selon une réalisation, le système à roue libre est installé à la 25 périphérie du disque obturateur. [19] Selon une réalisation, l'éolienne comporte un corps de forme sensiblement cylindrique muni à une de ses extrémités d'une couronne qui s'étend radialement par rapport à l'arbre, le système à roue libre étant installé entre la couronne et la périphérie du disque obturateur. 30 [015] Selon une réalisation, le système à roue libre comportant une bague extérieure et une bague intérieure, la couronne constitue la bague extérieure, la périphérie du disque obturateur formant la bague intérieure, le disque présentant des redans, des rouleaux étant positionnés à l'intérieur de chaque redan. [016] Selon une réalisation, le moteur comporte un support portant les s cellules photovoltaïques, ce support étant relié à un carter ayant une portion en forme de cuvette à l'intérieur de laquelle est positionné le rotor et le stator, le carter comportant en outre une portion cylindrique ayant un axe confondu avec l'axe de l'arbre de sortie, l'arbre de sortie étant positionné à l'intérieur de cette portion cylindrique. io [017] Selon une réalisation, le disque obturateur est solidaire à sa périphérie d'un boîtier englobant la portion en forme de cuvette, ce boîtier étant mobile en rotation par rapport à la portion cylindrique, le système à roue libre étant installé entre le boîtier et l'éolienne. [018] Selon une réalisation, l'éolienne présente une couronne supérieure 15 qui s'étend radialement par rapport à l'axe de l'arbre de sortie, le boîtier comporte une portion cylindrique liée en rotation avec la périphérie externe du disque, une portion radiale et une portion axiale reliée à l'extrémité de la portion radiale située du côté de l'arbre, le système à roue libre étant installé entre la portion axiale du boîtier et une périphérie interne de la couronne. 20 [019] Selon une réalisation, le système à roue libre comportant une bague extérieure et une bague intérieure, la couronne constitue la bague extérieure, la portion axiale du boîtier constituant la bague intérieure, la portion axiale présentant des redans, des rouleaux étant positionnés à l'intérieur de chaque redan. 25 [020] Selon une réalisation, l'éolienne est un modèle de type «Darrieus» dont les pales sont rendues orientables et/ou escamotables sous l'effet de fort vent [21] BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [22] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui 30 suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. Elles montrent : [023] Figure 1 (déjà décrite) : une représentation schématique d'un moteur autocommuté selon l'état de la technique ; [024] Figures 2a-2b (déjà décrite) : une représentation schématique d'une couronne de secteurs photovoltaïques et d'un disque obturateur d'un moteur selon l'état de la technique ; [025] Figure 3a : une vue en coupe d'un moteur photovoltaïque mixte selon l'invention selon un premier mode de réalisation; io [026] Figure 3b : une vue de dessus du moteur de la Figure 3a; [27] Figure 4a : une vue en coupe d'un moteur photovoltaïque mixte selon l'invention selon un deuxième mode de réalisation; [28] Figure 4b: une vue suivant la coupe A-A du moteur selon la Figure 4a 15 [029] Figure 5: une représentation schématique d'un système à roue libre utilisé dans le moteur photovoltaïque mixte des Figures 3 et 4. [30] Les éléments identiques, similaires ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. [31] DESCRIPTION D'EXEMPLES DE REALISATION DE 20 L'INVENTION [32] Les figures 3 et 4 montrent un moteur 1' mixte selon l'invention comportant un stator 2 muni de bobines formant les phases du moteur 1'. [33] Par ailleurs, le moteur 1' comporte un rotor 5 réalisé en matériau ferromagnétique positionné à l'intérieur du stator 2. Le rotor 5 est un cylindre 25 non aimanté dans lequel sont taillées des dents qui sont des pôles du rotor. Le mouvement du rotor 5 est indépendant du sens d'alimentation des différentes phases du moteur: le choix de la séquence d'alimentation détermine son sens de rotation. Les pôles du rotor se positionnent dans la direction de la plus faible réluctance. Dans un exemple, le rotor 5 comporte quatre pôles. Le rotor 5 est associé à un arbre de sortie 5.1 d'axe X. [34] Par ailleurs, comme pour le moteur des Figures 1 et 2, un circuit 8 de commutation comporte une couronne 9 de secteurs 10 formés par des cellules photovoltaïques reliés aux bobines du stator 2. Plus précisément, pour un moteur à trois phases, les bobines présentent une borne commune et une borne reliée à un des secteurs 10. Pour augmenter la puissance du moteur 1' sans augmenter exagérément le diamètre de la couronne 9, il est possible d'utiliser des panneaux photovoltaïques reliés chacun aux bornes lo d'un ensemble de bobines branchées en parallèle. [35] Le circuit 8 de commutation comporte également un disque 12 obturateur lié en rotation avec le rotor 5 et positionné au dessus de la couronne 9 de secteurs 10. Ce disque 12 comporte des fenêtres 13 ayant de préférence une forme identique à celle des secteurs 10. 15 [036] Le moteur 1' comporte en outre un support 14 portant la couronne 9. Ce support 14 est relié à un carter 15 du moteur ayant une portion 15.1 en forme de cuvette à l'intérieur de laquelle sont positionnés le rotor 5 et le stator 2. Ce carter 15 comporte en outre une portion 15.2 cylindrique ayant un axe Y confondu avec l'axe X de l'arbre de sortie, l'arbre 5.1 de sortie étant 20 positionné à l'intérieur de cette portion 15.2 cylindrique. L'arbre 5.1 est mobile en rotation par rapport à la portion 15.2 par l'intermédiaire de roulements 18 à billes. [037] Par ailleurs, une éolienne 17 à axe vertical comporte un corps 17.1 de forme sensiblement cylindrique et des pales 17.2 (dans un exemple 25 quatre) disposées à sa périphérie externe. Cette éolienne 17 est reliée à l'arbre 5.1 par l'intermédiaire d'un système 19 à roue libre. De préférence, le système 19 à roue libre est une roue libre à rouleaux. De préférence, l'éolienne 17 est un modèle dit de « Darrieus » dont les pales 17.2 peuvent être rendues orientables, voire même escamotables sous l'effet de fort vent. 30 A cet effet, les pales 17.2 seront mobiles en rotation par rapport au corps 17.1 suivant un axe vertical 16. [38] Dans un premier mode de réalisation montré sur les figures 3a et 3b, l'éolienne 17 comporte un corps 17.1 de forme sensiblement cylindrique ayant deux couronnes supérieure 17.3, et inférieure 17.4 qui s'étendent radialement à ses extrémités. L'éolienne 17 comporte également une couronne intermédiaire 17.5. La couronne inférieure 17.4 et la couronne intermédiaire 17.5 sont mobiles en rotation par rapport à la portion 15.2 cylindrique par exemple par l'intermédiaire de roulements à billes 18. [39] Le système 19 à roue libre est installé entre la couronne supérieure 17.3 et la périphérie du disque 12 obturateur. lo [040] La couronne 17.3 constitue la bague 19.1 extérieure du système 19 à roue libre à rouleaux. La périphérie du disque 12 obturateur forme la bague 19.2 intérieure du système 19 roue libre. Le disque 12 présente des redans 19.3 à sa périphérie terminé par des creux 19.4, des rouleaux 19.5 étant positionnés à l'intérieur de chaque redans 19.3. De préférence, des 15 ressorts 19.6 ont tendance au repos à repousser les rouleaux 19.5 hors des redans 19.3 par l'intermédiaire d'un doigt 19.7. Ces doigts 19.7 maintiennent ainsi les rouleaux 19.5 en contact avec la couronne 17.3 extérieure afin que l'entraînement ait quasi-instantanément lieu dès que la couronne 17.3 extérieure devient motrice (cf. Figures 3b et 5). Le nombre de rouleaux 19.5 20 du système 19 est d'autant plus important que le couple à transmettre est élevé. [041] En l'absence de vent, le disque 12 obturateur, solidaire de l'arbre 5.1 de sortie tourne seul, et les rouleaux 19.5, repoussés dans les creux 19.4 des redans 19.3, n'exercent aucune pression sur la couronne 17.3, de sorte 25 que l'éolienne 17 n'est pas entraînée. Au contraire, en l'absence de soleil, et sous l'action du vent, la couronne 17.3 de l'éolienne tend à entraîner les rouleaux 19.5 hors des redans 19.3. Ceci à pour effet de provoquer le coincement des rouleaux 19.5 entre le disque 12 obturateur et la couronne 17.3. De ce coincement résulte l'entraînement du disque 12 obturateur par la 30 couronne 17.3 de l'éolienne. Enfin, sous l'action combinée du soleil et du vent, et pour autant que ce dernier tende à faire tourner les pales de l'éolienne 17 plus vite que le rotor du moteur solaire, les deux couronnes 12, 17.3 sont rendues solidaires par les rouleaux 19.5, et les énergies produites s'ajoutent. [42] Les Figures 4 montrent un deuxième mode de réalisation de l'invention dans lequel le disque 12 obturateur est solidaire à sa périphérie d'un boîtier 21 englobant la cuvette 15.1, ce boîtier 21 étant mobile en rotation par rapport à la portion cylindrique 15.2 via un roulement à billes 18, le système 19 à roue libre étant installé entre le boîtier 21 et l'éolienne 17. [43] Plus précisément, l'éolienne 17 présente un corps 17.1 délimité par une couronne supérieure 17.3 et une couronne inférieure 17.4. La to couronne 17.4 est mobile en rotation par rapport à la portion cylindrique 15.2 par exemple par l'intermédiaire d'un roulement 18 à billes. [44] Le boîtier 21 comporte une portion 21.1 cylindrique liée en rotation avec la périphérie externe du disque 12, une portion radiale 21.2 et une portion axiale 21.3 reliée à l'extrémité de la portion radiale située du côté de 15 l'arbre 5.1. Le roulement 18 est installé entre la portion du carter 15.2 et la portion 21.3 du boîtier. Le système 19 à roue libre est installé entre la portion axiale 21.3 du boîtier et une périphérie interne de la couronne 17.3. [45] Dans ce mode de réalisation, la couronne 17.3 constitue la bague 19.1 extérieure du système 19 à roue libre à rouleaux. La portion axiale 21.3 20 forme la bague 19.2 intérieure du système 19 roue libre. Comme précédemment, la portion 21.3 présente des redans 19.3 à sa périphérie ayant des creux 19.4, des rouleaux 19.5 étant positionnés à l'intérieur de chaque redans 19.3. De préférence, des ressorts 19.6 ont tendance au repos à repousser les rouleaux 19.5 hors des redans 19.3 par l'intermédiaire d'un 25 doigt 19.7. Ces doigts 19.7 maintiennent ainsi les rouleaux 19.5 en contact avec la couronne 17.3 extérieure afin que l'entraînement ait quasi-instantanément lieu dès que la couronne 17.3 extérieure devient motrice (cf. Figure 5). [46] En l'absence de vent, le disque 12 obturateur, solidaire de l'arbre 30 5.1 de sortie tourne seul, et les rouleaux 19.5, repoussés dans les creux 19.4 des redans 19.3, n'exercent aucune pression sur la couronne 17.3, de sorte que l'éolienne 17 n'est pas entraînée. Au contraire, en l'absence de soleil, et sous l'action du vent, la couronne 17.3 de l'éolienne tend à entraîner les rouleaux 19.5 hors des redans 19.3. Ceci à pour effet de provoquer le coincement des rouleaux 19.entre la portion axiale 21.3 et la couronne 17.3. De ce coincement résulte l'entraînement du disque 12 obturateur par la s couronne 17.3 de l'éolienne. Enfin, sous l'action combinée du soleil et du vent, et pour autant que ce dernier tende à faire tourner les pales de l'éolienne 17 plus vite que le rotor du moteur solaire, les éléments 21.3, 17.3 sont rendus solidaires par les rouleaux 19.5, et les énergies produites s'ajoutent. Io [047] Dans les deux modes de réalisation, l'invention propose ainsi un moteur 1' dont l'énergie mécanique produite peut provenir, soit du soleil, soit du vent, soit encore des deux. REVENDICATIONS1. Moteur (1') photovoltaïque mixte comportant : - un rotor (5) sans aimant associé à un arbre (5.1) de sortie d'axe (X), - un stator (2) positionné autour du rotor (5) comprenant des bobines formant les phases du moteur, - un circuit (8) de commutation comportant une ou plusieurs cellules photovoltaïques, ces cellules photovoltaïques étant reliées aux bobines du stator (2), et to - un disque (12) obturateur lié en rotation avec le rotor (5) positionné au dessus des cellules (10) photovoltaïques, ce disque (12) obturateur comportant au moins une fenêtre (13), caractérisé en ce qu'il comporte en outre: - une éolienne (17) couplée audit arbre de sortie par l'intermédiaire d'un 15 système (19) à roue libre. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'éolienne (17) est coaxiale avec l'arbre (5.1) de sortie. 20 3. Moteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le système (19) à roue libre est installé à la périphérie du disque (12) obturateur. 4. Moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'éolienne (17) comporte un corps (17.1) de forme sensiblement cylindrique muni à une de 25 ses extrémités d'une couronne (17.3) qui s'étend radialement par rapport à l'arbre (5.1), le système (19) à roue libre étant installé entre la couronne (17.3) et la périphérie du disque (12) obturateur. 5. Moteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le système (19) à 30 roue libre comportant une bague (19.1) extérieure et une bague (19.2) intérieure, la couronne (17.3) constitue la bague (19.1) extérieure, la périphérie du disque (12) obturateur formant la bague (19.2) intérieure, le disque (12) présentant des redans (19.3), des rouleaux (19.5) étant positionnés à l'intérieur de chaque redan (19.3). 35 6. Moteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un support (14) portant les cellules (10) photovoltaïques, ce support (14) étant relié à un carter (15) ayant une portion (15.1) en forme de cuvette à l'intérieur de laquelle est positionné le rotor (5) et le stator (2), le s carter (15) comportant en outre une portion (15.2) cylindrique ayant un axe (Y) confondu avec l'axe (X) de l'arbre de sortie, l'arbre (5.1) de sortie étant positionné à l'intérieur de cette portion (15.2) cylindrique. 7. Moteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le disque (12) lo obturateur est solidaire à sa périphérie d'un boîtier (21) englobant la portion (15.1) en forme de cuvette, ce boîtier (21) étant mobile en rotation par rapport à la portion (15.2) cylindrique, le système (19) à roue libre étant installé entre le boîtier (21) et l'éolienne (17). 15 8. Moteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'éolienne (17) présente une couronne supérieure (17.3) qui s'étend radialement par rapport à l'axe (X) de l'arbre (5.1) de sortie, le boîtier (21) comporte une portion (21.1) cylindrique liée en rotation avec la périphérie externe du disque (12), une portion radiale (21.2) et une portion axiale (21.3) reliée à l'extrémité de la 20 portion radiale située du côté de l'arbre (5.1), le système (19) à roue libre étant installé entre la portion axiale (21.3) du boîtier et une périphérie interne de la couronne (17.3). 9. Moteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le système (19) à 25 roue libre comportant une bague (19.1) extérieure et une bague (19.2) intérieure, la couronne (17.3) constitue la bague (19.1) extérieure, la portion axiale (21.3) du boîtier constituant la bague (19.2) intérieure, la portion axiale (21.3) présentant des redans (19.3), des rouleaux (19.5) étant positionnés à l'intérieur de chaque redan (19.3). 30 10. Moteur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'éolienne (17) est un modèle de type «Darrieus» dont les pales (17.2) sont rendues orientables et/ou escamotables sous l'effet de fort vent