Brevet FR2970047A1 — publié le 20120706

Eolienne à axe vertical à pales déployantes, auto-orientable en fonction de la force du vent, entraînant un volant d'inertie variable, associable en unité groupé relocalisable. La présente invention concerne une éolienne à axe vertical dont les pales s'auto-5 déploient. Les éoliennes à axe vertical existantes, sont basées sur différents principes: 'pales hélicoïdales fixes. - pales tournantes orientables à la direction du vent faisant entrer en action des capteurs à commandes programmées. 10 -stator fixe canalisant le vent sur un rotor mobile. Le désavantage des éoliennes verticales est qu'à la différence des éoliennes horizontales elles n'offrent pas assez de surface de pale exposée à la poussée du vent. Les avantages des éoliennes verticales sont qu'elles peuvent travailler, indifféremment de la surface des pales, à une distance rapprochée du sol d'où une maitrise plus 15 importante du moment de basculement de la structure. Elles possèdent aussi la qualité d'avoir un impact sonore plus limité du fait de l'angle d'attaque sur le flux du vent et de la vitesse de rotation. La présente invention vise à améliorer les performances des éoliennes à axe vertical en permettant : - une bonne exposition des pales au vent 20 - une bonne sensibilité au vent faible, - une nuisance sonore limitée, - un moment résultant de basculement de prise au vent limitée, - une infrastructure au sol allégée et démontable. Ces atouts peuvent en fonction du site d'implantation offrir une option technologique 25 favorable permettant un bon rendement infrastructure/captation de l'énergie du vent, une technologie plus traditionnelle faisant entrer plus de mécanique simple et rustique que d'électroniques, une facilité de mise en place en montage/démontage. La présente invention se décline selon plusieurs principes technologiques : - pales auto-déployantes, 30 - auto-protection aux vents forts, .volant d'inertie à géométrie variable, -association d'éoliennes en structure stable. L'invention sera mieux comprise à la lecture du mode de réalisation/mode opératoire de fonctionnement de l'ensemble, décrit ci après : 35 - La base du principe (Figure 1) Le principe des pales se déployant au plus fort de la poussée du vent: l'éolienne est constituée d'un premier type de couronnes (dites couronnes externes) hautes et basses dont la rotation est entraînée par des pales, solidaires de ces couronnes, se déployant au plus fort de la poussée du vent, en vent arrière et se repliant lorsqu'elles 40 remontent ce vent. Ce principe permet d'entrainer une action renforcée de rotation sur les couronnes transmettant l'énergie de la rotation à un générateur électrique. Le jeu des deux couronnes externe et interne: la simultanéité de révolution des deux types de couronnes, couronne externe et couronne interne (1/2&4) dont les axes ne correspondent pas (1/1&3), permet au cours de la révolution simultanée de ces 45 couronnes de créer une distance différente sur deux points fixés sur chacune de ces couronnes (1/6). Cette différence de distance permet par l'intermédiaire d'un bras mobile de liaison de modifier l'angle d'attaque et de fuite, par rapport à la couronne externe, de la pale (1/5). Plus la couronne interne est proche de la couronne externe, plus le bras repousse le bord de fuite de la pale donc plus elle prend un angle 50 favorable à une prise au vent, à l'inverse plus les couronnes sont éloignées, plus le bras rapproche le bord de fuite donc plus l'angle de fuite par rapport à la couronne externe est refermée. Forme de la pale avec profiles externe et interne différents : pour que la prise au vent soit la plus favorable, il faut donner un profil (intrados et extrados) performant à la 55 pale avec un profil interne à fort creux favorable aux poussées de vent portant et un profile externe de courbure adoucie épousant l'aérodynamisme de la courbe générale de la couronne, permettant de ne pas offrir une trop forte empreinte aérodynamique pour la remontée au vent contraire (1/ 7). Détails des légendes de la Figure 1 (Principe du déploiement des pales en fonction de 60 la rotation de deux couronnes désaxées) : Axe central (1/1), Couronne Externe (1/2), Axe secondaire (1/3), Couronne interne (1/4), Pale (1/5), Différence de distance (1/6), Extrados (1/7), Intrados (1/8). - Simultanéité de parcours des deux couronnes dans leur révolution (Figure 2) Simultanéité des révolutions des couronnes: il est nécessaire que lorsque la couronne 65 externe (2/4) fasse un tour complet (une révolution), la couronne interne (2/2) fasse elle aussi un tour complet en parfaite simultanéité. Différence de distance entre deux points figés des couronnes: cette simultanéité de parcours des révolutions permet d'établir une différence de distance (2/7) entre deux points figés sur chacune des couronnes et ainsi en conséquence entre le point au bord 70 de fuite de la pale et l'axe central (2/6) de la structure. Bras de liaison orientable: cette différence de distance du bord de fuite de la pale par rapport à la couronne interne sera assurée par un bras de liaison orientable (2/8), solidaire par un point de liaison de la couronne interne (2/2). Ce bras de liaison est l'élément qui permet de jouer sur le déploiement de la pale (angle d'attaque et de 75 fuite par rapport à la couronne externe). Relation de simultanéité: la relation de simultanéité entre les deux couronnes s'établie comme le jeu de trois cercles solidaires dans leur mouvement, deux sont de mêmes diamètres les cercles a et b (2/1&2), ils tournent chacun autour de leur propre axe, la transmission entre les circonférences de ces deux cercles est assurée par un cercle de 80 diamètre inférieur le cercle c(2/3). Par effet de transmission la distance effectuée par le cercle a imprime au cercle b la même distance grâce au transfert de la distance du cercle c. Dans la réalité la couronne externe transmet sa rotation à une couronne de report (2/1) qui entraîne le galet secondaire (2/3), lui même transmettant à la couronne interne (2/2) la même 85 simultanéité de rotation. Désaxement constant: il est nécessaire de pouvoir assurer un désaxement constant de la couronne interne pour se maintenir aux mêmes distances et position angulaire de la couronne externe, selon un Angle Constant (AC) (2/11) entre l'Axe Galet Secondaire Couronne Externe(AGSCE) (2/9) et un Axe Virtuel passant par l'Axe Principal (AVAP) 90 (2/ 10). Coordination du désaxement et de la simultanéité: en maintenant la combinaison de ces deux principes (désaxement et simultanéité) on génère une différence de distance (2/7) entre des points fixés des deux couronnes et ainsi une différence d'éloignement entre le bord de fuite de la pale et l'axe central de la structure. 95 Détails des légendes de la Figure 2 (Combinaison désaxement et simultanéité de révolutions en plan): a=Couronne de report de la couronne externe (2/1), b=Couronne interne (2/2), c=Galet secondaire (2/3), Couronne externe (2/4), Barre de liaison horizontale (2/5), Axe central de la structure (2/6), Différences de distance (2/7), Bras de liaison auto orientable (2/8), AGSCE (2/9), AVAP (2/10), Angle Constant 100 AC (2/11). - Désaxement et maintien dans sa position de la couronne interne (Figure 3) Deux couronnes: Afin de pouvoir maintenir l'axe de la couronne interne (3/3) à une distance régulière dans sa longueur et son orientation angulaire de l'axe de la couronne extérieure (axe centrale de la structure) cette couronne interne sera tenue 105 sur son pourtour interne par deux galets, principal et secondaire (3/6&7). Afin d'éviter que la couronne interne ne sorte de sa position, les galets seront équipés de lèvres hautes et basses (3/5) maintenant cette couronne dans sa position verticale. Deux galets: La position de ces deux galets sera constante en distance et en orientation angulaire par rapport à l'axe central afin que la couronne interne 110 maintienne sa position vis à vis de la couronne externe. Le premier galet est centré sur l'axe central (3/1) de la structure et le second est centré sur un axe dit secondaire (3/2). Bras d'appui fixes: Ces deux axes sont maintenus à distance et en position entre eux grâce à un bras d'appui (3/4) ancré sur une barre sans rotation (3/8), localisée à 115 l'intérieur de l'axe central. Détails des légendes de la Figure 3 (Principe du désaxement des rotations): Axe central (3/1), Axe secondaire (3/2), Couronne interne (3/3), Bras d'appui fixe (3/4), Lèvres de maintien (3/5), Galet secondaire (3/6), Galet principal (3/7), Barre centrale sans rotation (3/8), Entraînement cranté (3/9), Roulement à billes (3/10). 120 - Mécanisme de la combinaison désaxement et simultanéité (Figure 4) La synthèse des deux principes de bases, le désaxement et la simultanéité des rotations, se réalise grâce à un système d'engrenages- permettant l'interaction des deux systèmes mécaniques. Décomposition du système: Un ensemble solidaire couronne externe/barres de liaison 125 horizontales/couronne de report de la couronne externe (4/10&9), transmet une rotation au moyen d'un entraînement cranté à un galet secondaire (4/6). Le galet secondaire transmet au moyen d'un entraînement cranté à une couronne interne dans son pourtour interne, une rotation identique à la couronne externe (4/3). Cette couronne interne est maintenue en position par deux galets : un galet 130 secondaire (4/6) avec entraînement cranté et un galet principal (4/7), ce galet principal est lié par entraînement cranté à cette couronne mais libre dans son parcours autour de l'axe central (4/1) au moyen d'un roulement à billes. Détails des légendes de la Figure 4 (Combinaison désaxement et simultanéité de révolution en coupe de détail): Axe central (4/1), Axe secondaire (4/2), Couronne 135 interne (4/3), Bras d'appui fixe (4/4), Lèvres de maintien (4/5), Galet secondaire (4/6), Galet principal (4/7), Barre centrale sans rotation (4/8), Couronne de report de la couronne externe (4/9), Barre de liaison horizontale (4/10), Entraînement cranté (4/11), Roulement à billes (4/12). - Effets du mécanisme de la combinaison désaxement et simultanéité sur les 140 pales (Figures 5 et 6) Couronnes externes et barres de liaison verticales: La couronne externe en partie basse est solidarisée avec l'autre couronne externe en partie haute par l'intermédiaire de barres de liaison verticales (5/11-6/10). Barres de liaison horizontales: Les barres de liaison verticales (et par conséquence les 145 couronnes externes) sont rendues solidaires du mécanisme général de combinaison précédemment décris par des barres de liaison horizontales (5/10-6/9). Pales: Les pales tournent autour d'un axe de rotation vertical (5/13-6/12) s'axant sur la fibre centrale des couronnes externes (5/9-6/8), afin que les pales ne subissent pas un moment d'effort trop important, cet axe se localise en retrait d'une certaine 150 distance par rapport au bord d'attaque de cette pale (5/17), on doit considérer qu'entre les bords d'attaque et de fuite, l'axe se situe au tiers de la distance par rapport au bord d'attaque. Profiles des pales: Pour que la prise au vent soit la plus favorable il faut donner un profil en intrados et extrados performant à la pale (5/19) avec un profil interne à fort 155 creux favorable aux poussées de vent portant et un profile externe de courbure adoucie épousant l'aérodynamisme de la courbe générale de la couronne permettant de ne pas offrir une trop forte empreinte aérodynamique pour la remontée au vent contraire. Parcours des pales: Les pales au cours de la révolution des couronnes effectuent une 160 variation d'orientation par rapport au vent, caractérisée par les trois allures classiques de la voile: allure de vent arrière (5/15- 6/13), allure de largue (5/16) et allure de remontée au vent (5/14). Détails des légendes de la Figure 5 (Combinaison désaxement et simultanéité de révolutions en plan): Axe central (5/1), Axe secondaire (5/2), Couronne interne (5/3), 165 Bras d'appui fixe (5/4), Galet secondaire (5/5), Galet principal (5/6), Barre centrale sans rotation (5/7), Couronne de report de la couronne externe (5/8), Couronne externe (5/9), Barre de liaison horizontale (5/10), Barre de liaison verticale (5/11), Bras mobile (5/12), Axe de rotation des pales (5/13), Pale en remontée au vent (5/14), Pale en vent arrière (5/15), Pale en grand largue (5/16), Bord d'attaque de la 170 pale (5/17), Bord de fuit de la pale (5/18), Extrados de la pale (5/19). Détails des légendes de la Figure 6 (Combinaison désaxement et simultanéité de révolutions en élévation): Axe central (6/1), Axe secondaire (6/2), Couronne interne (6/3), Bras d'appui fixe (6/4), Galet secondaire (6/5), Galet principal (6/6), Couronne de report de la couronne externe (6/7), Couronne externe (6/8), Barre de liaison 175 horizontale (6/9), Barre de liaison verticale (6/10), Bras mobile (6/11), Axe de rotation des pales (6/12), Pale en vent arrière (6/13), Volant d'inertie (6/14). - Amplification et stabilisation du mouvement circulaire des couronnes au moyen de volants d'inertie à géométrie variable (Figure 7) : Afin de stabiliser la vitesse et la force de poussée des couronnes, elles sont équipées 180 de volants d'inertie capitalisant l'énergie cinétique des rotors. Pour augmenter leur efficacité, ces volants d'inertie auront en allure de vent faible une masse déportée plus éloignée de la couronne du volant qu'en position de vent fort ou les masses se rapprocheront de cette couronne au moyen d'un mécanisme proportionnel à la force du vent. 185 Des barres portant des masselottes (A et B) à chaque extrémité seront fixées à la couronne du volant d'inertie par un point de liaison courant selon l'axe d'une rainure équipée d'un ressort. Par vent faible, le ressort est détendu (7/1) et le point de liaison est dans une position de la rainure qui donne a la barre un profil ou le moment de la masselotte A l'emporte sur le moment de la masselotte B (7/2&3). Dans cette 190 configuration la barre adopte une géométrie ou les masses A sont éloignées de l'axe et de la couronne du volant d'inertie. A l'inverse lorsque le vent se renforce le ressort se comprime (7/14) du fait de l'augmentation de l'inertie générale du système, la configuration s'inverse puisque le moment de la masselotte B devient prépondérant (augmentation de la distance OB par rapport à OA) faisant alors rentrer la barre dans 195 un profil réduisant le déport des masses (7/4). Des crans d'arrêt permettent à la barre de rester dans cette position (7/5). Ces modifications de géométrie augmentent les performances du volant d'inertie par vent faible. Détails des légendes de la Figure 7 (Volant d'inertie): Ressort détendu en vent faible (7/1), Position favorable à la force centrifuge sur masselotte A (7/2), Ressort 200 comprimé en vent fort (7/3), Position favorable à la force centripète sur masselotte B (7/4), Crans d'arrêt des masselottes A & B (7/5). - Position des volants d'inertie dans la structure de l'éolienne (Figure 8) : Les volants d'inertie seront placés en position verticale médiane (idéalement entre deux batteries d'éoliennes) en hauteur afin de ne pas introduire un déséquilibre des 205 forces sur les axes verticaux haut et bas des mécanismes couronnes/éoliennes. Ils seront positionnés autour de l'axe central et tenu à celui-ci par des barres de maintien (8/5). Détails des légendes de la Figure 8 (Volants d'inertie en assemblage): Barre (8/1), Masselotte (8/2), Rainure (8/3), Point d'ancrage (8/4), Barre de maintien (8/5). 210 - Principe d'auto orientation en fonction de la force du vent (Figures 9 & 10) : Le système doit pouvoir s'auto orienter afin de diminuer sa prise au vent, ceci afin d'éviter d'endommager la structure lorsque le vent est supérieur à une limite déterminée. - Position en cas de force du vent peu important (Figure 9) : 215 Une girouette en arrière de l'éolienne la positionne dans la position la plus favorable (9/6) à savoir les pales les plus ouvertes perpendiculaires au sens du vent, soit en plein vent arrière (9/1). Aucun mécanisme de compensation (9/3) ne joue, l'éolienne est en position optimale, l'angle est maximal (9/2) entre l'axe du vent (9/4) et un axe fixé solidaire de la structure générale de l'éolienne (9/5). 220 Détails des légendes de la Figure 9 (Position axiale de la structure en cas de force du vent régulier): Pale la plus ouverte en vent arrière (9/1), Angle structure/vent maximal (9/2), Mécanisme d'auto compensation (9/3), Axe du vent (9/4), Axe solidaire de la structure (9/5), Profil maximal de prise au vent (9/6). - Position en cas de renforcement du vent (figure 10) : 225 Afin d'offrir une moindre prise au vent (10/6), lorsque sa force devient supérieure à une limite pré étalonnée, la structure opère une rotation par rapport à l'axe du vent afin de diminuer son profil, cette action permet alors de réorienter les pales les plus ouvertes qui ne se positionnent plus au vent arrière mais dans le sens du vent de travers (10/1). 230 Pour exécuter cette rotation de la structure, l'axe de la girouette/axe du vent (10/4) se rapproche de l'axe solidaire de la structure (10/5) qui sous l'effet du renforcement du vent sur cette structure tend vers un profil général de moindre prise au vent (angle minimum). Cette compensation entre les deux directions se réalise grâce à un jeu entre l'axe de la 235 girouette/axe du vent et un axe figé de la structure par l'intermédiaire d'un mécanisme d'auto compensation programmable et réglable (10/3) modifiant la valeur de l'angle entre ces deux axes : - angle maximal/profil maximal de prise au vent (Fig. 9): axe de la structure le plus favorable à la prise au vent (pale la plus ouverte en vent arrière). 240 - angle minimal/profil minimal de prise au vent (Fig. 10): axe de la structure le moins favorable à la prise au vent (pale la plus ouverte en vent de travers). Ce mécanisme d'auto compensation est un simple système de bras articulés jouant autour d'un vérin équipé d'un ressort étalonnable rapprochant les deux axes précités en fonction de l'augmentation de l'appui sur la structure, équivalent à l'augmentation 245 de la force du vent. Détails des légendes de la Figure 10 (Position axiale de la structure en cas de force du vent renforcé): Pale la plus ouverte en vent de travers (10/1), Angle structure/vent minimal (10/2), Mécanisme d'auto compensation (10/3), Axe du vent (10/4), Axe solidaire de la structure (10/5), Profil minimal de prise au vent (10/6) 250 - Regroupement d'éoliennes en structure stable (Figures 11, 12 et 13) : Le regroupement d'éoliennes peut se faire en associant trois unités à minima (ou plus) en structure solidaire, permettant de pouvoir exposer le maximum de surfaces de pales au vent le plus favorable en offrant une prise au vent de la structure minimale. Le principe du regroupement d'éoliennes est de pouvoir amplifier la puissance reçue 255 par le vent dans une structure s'auto orientant selon le principe évoqué dans le chapitre précédant (principe d'auto orientation en fonction de la force du vent). Afin d'offrir une stabilité statique correcte, cette structure de regroupement s'appuie sur une base fixée sur un trépied (11/1) en position fixe solidaire du sol ou du support d'assise. 260A l'intérieur de cette base fixe (trépied), une structure mobile autour d'un axe (11/2), auto oriente la structure associant trois éoliennes, en fonction de la direction du vent au moyen d'une girouette de grande surface (11/3) capable de mouvoir la structure en rotation autour de l'axe central par le jeu de deux cercles interne/externe, mobiles l'un par rapport à l'autre. 265 Un jeu de ressorts de compensation (11/4) étalonné, similaire au système évoqué au chapitre sur l'auto orientation, oriente la structure associant plusieurs éoliennes dans un cercle mobile interne à un cercle externe fixe solidaire du trépied d'assise, en fonction de la puissance du vent et en proportion avec l'augmentation de cette puissance. 270 Afin de stabiliser l'ensemble du système, le moment de basculement induit par l'effet du vent (force résultante à la distance de l'axe de basculement) est compensé par un ballast en contrepoids (force de la masse d'eau à la distance de l'axe de basculement) selon le même axe de la girouette mais dans la position opposée par rapport à l'axe central de la structure/axe de basculement. 275 Cette structure est réputée statiquement stable de par le moment du ballast et l'assise générale du trépied, sous réserve de dispositifs d'accroche simple afin de résister aux forces tendant au glissement horizontal de la structure sur le support par un jeu de piquets plantés dans le sol sous les pieds du trépied ou sous la structure, la structure est alors totalement fixe par rapport à son support. 280 Elle peut facilement être déplacée et relocalisée sur un autre site sans générer d'importantes mises en oeuvre d'appuis en génie civil ou d'infrastructures lourdes de fondations d'ancrage. Détails des légendes de la Figure 11 (Plan de regroupement d'éoliennes en structure stable par vent normal): Base fixée sur un trépied (11/1), Structure mobile en axe 285 avec compensation de la force du vent en position ouverte (11/2), Ensemble girouette d'orientation et ballast de contrepoids (11/3), Jeu de compensation entre les deux axes (11/4), Axe fixe solidaire de la structure (11/5), Axe du vent (11/6), Eoliennes solidarisées sur structure rigide fixée à la structure mobile (11/7), Patins mobiles d'accroche du ballast fixé sur la couronne de la structure mobile (11/8), Pales 290 en position ouverte au vent arrière (11/9), Volant d'inertie (11/10). Détails des légendes de la Figure 12 (Plan de regroupement d'éoliennes en structure stable par vent renforcé): Structure mobile en axe avec compensation de la force du vent en position refermée (12/2), Jeu de compensation entre les deux axes (12/4), Axe fixe solidaire de la structure (12/5), Axe du vent (12/6), Pales en position ouverte 295 au vent de travers (12/9), Volant d'inertie (12/10). Détails des légendes du Figure 13 (Elévation de regroupement d'éoliennes en structure stable): Base fixée sur un trépied (13/1), Structure mobile en axe avec compensation de la force du vent (13/2), Ensemble girouette d'orientation et ballast de contrepoids (13/3), Jeu de compensation entre les deux axes (13/4), Eoliennes 300 solidarisées sur structure rigide fixée à la structure mobile (13/7), Patins mobiles d'accroche du ballast fixé sur la couronne de la structure mobile (13/8), Pales en position ouverte au vent arrière (13/9), Générateur de courant (13/10), Transmission des rotations des éoliennes au générateur (13/11), Pieux d'auto ancrage au sol (13/12), Câbles et piquets d'attache au sol (13/13), Volant d'inertie (13/14). 305 - Types des matériaux des différents éléments (à titre indicatif) : Axe central/ Barre centrale sans rotation Couronne Externe Axe secondaire Couronne interne 310 Pale Bras d'appui fixe Lèvres de maintien Galet secondaire Galet principal 315 Entraînement cranté Roulement à billes Couronne de report de la couronne externeFibre de carbone Inox Fibre de carbone Polymère haute dureté Aluminium ou polymère Fibre de carbone Polymère haute dureté Polymère haute dureté Polymère haute dureté Polymère haute dureté/fibre de carbone Inox Polymère haute dureté Barre de liaison horizontale Bras de liaison orientable 320 Barre de liaison verticale Axe de rotation des pales Bord d'attaque de la pale Ressort d'axe de la barre mobile d'inertie Barre mobile de maintien d'inertie 325 Masselotte Crans d'arrêt des masses Rainure Point d'ancrage Mécanisme d'auto compensation 330 Base fixée sur un trépied Structure mobile en axe Girouette d'orientation Ballast de contrepoids Structure rigide fixée à la structure mobile 335 Patins mobiles d'accroche du ballast Générateur de courant Transmission au générateur Pieux d'auto ancrage au sol Câbles et piquets d'attache au sol Fibre de carbone Fibre de carbone Fibre de carbone Aluminium Aluminium renforcé Inox Aluminium Inox Inox Aluminium Inox Inox Aluminium Aluminium Aluminium Aluminium+matière plastique Aluminium Inox Matériel non sujet à l'oxydation Fibre de carbone Acier galvanisé Inox/Acier galvanisé