Brevet FR2973843A1 — publié le 20121012

La présente invention concerne une éolienne à axe vertical à double rotors, qui présente de nombreux avantages comparativement aux éoliennes dites « à axe horizontal ». La technique actuelle des éoliennes dites à axe vertical de type Darrieus, Savonius, ou à volets articulés ont un rendement supérieur aux éoliennes dites à axe horizontal par rapport à la surface brassée par les palmes. Certaines ont aussi l'avantage de ne pas avoir besoin d'être orientées lors du changement de la direction du vent. Ces éoliennes conviennent avantageusement pour les petites structures, mais du fait de leurs formes elles sont difficilement utilisables pour de très grandes dimensions. Comparativemnt les éoliennes dites horizontales possèdent généralement des pales hélicoïdales, en forme d'hélices d'avion, fixées à un arbre horizontal et perpendiculaires à celui-ci. Ces pales sont relativement profilées à cause de leur vitesse de rotation et de pénétration dans l'air, leur largeur est faible par rapport à leur longueur ce qui nécessite de grandes dimensions pour avoir des surfaces actives intéressantes de récupération d'énergie. A faible vitesse du vent, l'énergie récupérée par des pales hélicoïdales passe par un maximum lorsque l'angle d'incidence de sa surface active, face au vent, est de 45°, 25 soit la moitié de ce que pourrait récupérer la même surface à 90°. Pour récupérer une forte énergie avec ces formes d'hélices il est donc nécessaire d'avoir recours à des structures importantes. Il n'est pas rare de voir des éoliennes horizontales avec des pales de 50 mètres voir de 30 100 mètres de longueur avec évidemment des pylônes de soutainement correspondant en dimension. Cette conformité pour les fortes puissances génère beaucoup de défauts et de nuisances : - Les pales passant vers le sol reçoivent un vent 35 plus faible et plus tourbillonnant que celles en hauteur, 20 d'où une mauvaise répartition des forces appliquées et captées. - Du fait de leur vitesse phériphérique, l'incidence du vent apparent devient trés importante et 5 eîminue le coéfficient de l'énergie récupérée. - La flexibilité dûe à leur longueur, provoque une entrée en oscillations en bout de pales d'où une source de vibrations sonores très néfastes pour l'environnement, surtout en ce qui concerne les installations maritimes où le 10 pylône communique dans l'eau des vibrations importantes, ce qui perturbe la vie du milieu aquatique autour de ces installations. - Le ou les très lourds générateurs électriques de transformation de l'énergie sont forcément accouplés à 15 l'arbre horizontal, donc à grande hauteur, ce qui ne rend pas l'Interchangeabilité facile et rapide de ces éléments, que ce soit par hélicoptères, par grues, ou autres, surtout par mauvais temps. - Les interventions de maintenance par le 20 personnel sur les structures très hautes ne sont pas aisées et par conséquent coûteuses et dangereuses. - la grande surface de brassage des pales est dangereuse et souvent mortelle pour les oiseaux. - L'esthétique ne s'harmonise pas avec la nature environnante. - Pour faire fonctionner ce type de machine, le vent doit être d'une force minimale de 3 à 5 mètres/seconde selon l'importance de la machine et de ce fait le nombre d'heures de fonctionnement par vent faible s'en trouve diminué et en conséquence le produit du rendement moyen est plus faible. En pratique les éoliennes dites à axe vertical, à volets articulés, ou à aubes pivotantes, ou de type Darrieus ou Savonius, commencent à tourner avec des vents plus faibles, de l'ordre de 1,5 à 2 mètres/seconde à surface active équivalente. 25 30 35 Dans la technique actuelle les éoliennes de type à axe vertical, les plus intéressantes sont celles qui offrent, pour la même surface de brassage, le plus de rendement à des niveaux de vents faibles tout en restant 5 fonctionnelles à des niveaux de vents très forts. De toutes les conformités connues les éoliennes de type à axe vertical ne présentent que 50* en surface active de brassage, par les aubes (ou les pales), avec peu ou pas de régulation compensant la variation de la vitesse (force) du vent. 10 La présente invention élimine ces inconvénients en utilisant un double flux d'air envoyé sur un bi-rotors muni d'aubes verticales. Cela est réalisé à l'aide d'un carénage particulier qui permet une concentration des flux d'air sur les aubes extérieures actives, mais aussi, une 15 aspiration au centre des deux rotors pour que les aubes occultées par ce même carénage deviennent également actives. Le moteur éolien selon l'invention se compose de deux rotors verticaux, dont les axes (1) et (2) sont montés sur des paliers (4;5;6;7), ils ont la forme de tronc de cône 20 et disposés côte à côte dans le plan horizontal ; ils comportent chacun un certain nombre d'aubes verticales (8 ;9 ;10 ;11) à géométrie variable, c'est-à-dire que la surface de chaque aube peut varier par le déplaçement d'un aileron (37) motorisé (29) et (34). Ces aubes peuvent avoir une forme plane, ou une forme de voilure galbée, rigide ou souple, de figure géométrique plus ou moins trapézoïdale. Le nombre et la forme de ces aubes peuvent varier selon l'importance des dimensions de 1'éolienne.(voir figure 1 :coupe AA de la figure 2). Ces rotors tournent en sens inverse et présentent donc face au vent des aubes opposées. Les aubes du milieu (8 ;11), contraires à l'action du vent, sont occultées par un carénage qui renvoie le flux d'air sur les surfaces actives des deux aubes extérieures (9,10) récupératrices 35 d'énergie. 25 30 4 Le carénage de l'éolienne se décompose en trois parties (voir figure 2 et figure 3 : coupe BB de fig 2): 1-Un carénage avant (54), avec deux panneaux (50;51) d'envergure variable, pour la déflection du flux direct du vent (voir figure 2 et figure 3 : coupe BB de fig.2) 2-Un carénage du milieu (65) permettant de créer un effet « Venturi » de dépression au milieu tangentiel des rotors ( voir figure 2 et figure 5). 3-Un carénage (55) arrière de fuite utilisant les tourbillons de traînée.( voir figure 2 et figure 4) La première partie composant le carénage avant est formé par deux panneaux, réunis par une articulation. Ces panneaux (50) et (51 ) forment un « V » dont la pointe est dirigée face au vent. L'écartement des panneaux est 15 ajustable par une motorisation (52) et (53) de façon à masquer les deux aubes du milieu, en rotation contraire au sens direct du vent. Ce premier carénage a une double action : d'une part, de diriger le flux du vent efficacement sur les deux aubes extérieures actives et d'autre part, de 20 faire fonctionner, par vent modéré, le carénage du milieu. Le carénage du milieu (65) se situe entre les bras du bouclier en « V » et au proche des rotors en épousant leurs formes. Il est constitué de caissons, empilés verticalement, à double compartiments internes (droite et 25 gauche) ce qui permet de former des canaux dits de « Venturi » Les ouïes d'ouvertures (60 ;61) de ces caissons sont sollicitées par le flux direct d'air dirigé par les panneaux du « V », entraînant à l'intérieur des caissons, une aspiration de « Venturi » provoquant un courant d'air dû 30 à la dépression qui se communique jusqu'aux ouvertures (63 et 64) du troisième carenage arrière. Le troisiéme carénage arrière (55) est configuré pour capter les turbulences de traînée provocant un courant d'air passant par le milieu des rotors et ressortant par les 35 ouïes (60 ;61) des caissons d'aspiration du carénage du 10 milieu, ce qui entraîne de ce fait, les aubes tangentielles du centre et sont donc soumises à un courant d'air interne, inverse à celui du vent extérieur et deviennent donc actives dans le sens de rotation. Cela augmente significativement le 5 rendement de l'éolienne par vent faible et modéré. Les panneaux du premier carénage en « V » motorisés en écartement, se déplaçent de la ligne médiane du centre, vers les extérieurs phériphériques des rotors, ce qui permet un réglage de l'application de la force du vent sur les aubes extérieures en les occultant plus ou moins et en diminuant plus ou moins et jusqu'à annuler complètement l'effet des ouvertures des « Venturi ». Ce réglage d'occultation permet la régulation de la vitesse des aubes par vent de force variable. La motorisation est assurée par un moto-réducteur électrique (53) et un vérin mécanique (52) pouvant fonctionner dans les deux sens, avant/arrière et commandé par une alimentation électronique (non représentée sur le schéma), indexée par un compte tours sur les axes centraux des rotors de l'éolienne, ou indexée sur la variation de tension de sortie du générateur électrique (33). De même les aubes à géométrie variable interviennent dans le réglage de vitesse, car elles sont munies d'ailerons rétractables commandés par des vérins 25 mécaniques à vis (34), couplés à des moto-réducteurs électriques (29). Ces moteurs sont fixés sur des platines (34;35) servant aussi à rigidifier les aubes entre elles et sur les axes rotatifs des rotors. Ces platines tournent donc avec l'ensemble de ces rotors. Sur le dessous de ces platines sont connectées les alimentations électriques à l'aide de contacts électriques rotatifs étanches (40;41), reliés au contact rotatif électrique (42) de pied de mât (3). L'ensemble de tous ces éléments repose sur une tourelle (27) orientable automatiquement au sens du vent. 30 35 6 Cette tourelle est articulée en rotation autour d'un mât central fixe et repose sur deux embases rotatives à billes (43) et (31). Elle est réalisée en matériaux robustes et légers de façon à être le plus maniable possible en orientation. La position cardinale de la tourelle est gérée par la girouette (38) de positionnement à la direction du vent. Celle-ci commande, par l'intermédiaire d'alimentations de commutation les trois moto-réducteurs électriques d'orientation, dans un sens de rotation, ou dans l'autre sens. Ces moto-réducteurs électriques sont disposés en trépied, à 120° l'un de l'autre sur le pourtour de la tourelle ; [(afin de ne pas encombrer le schéma, seulement deux moteurs (23;24) sont représentés de manière décalée sur la figure 1)]. Ces moteurs entraînent respectivement une roue caoutchoutée pneumatique, (22 ;25) pour faire pivoter la tourelle, mai aussi, dans cette conformité, pour empêcher la transmission des vibrations. Ces dispositifs sont placés en dessous et sur le pourtour, entre la tourelle (27) et le rebord de circulation de la tour (32) (ou pylône) d'élévation. Les axes des rotors transmetteurs de l'énergie sont reliés, par l'intermédiaire de cardans (12;13) de poulies (17;14) et de courroies crantées (18;19) aux deux poulies (20 ;21) centrales sur manchons à billes autour du mat (3). Celles-ci sont munies en vis-à-vis de plateaux qui sont eux-mêmes couplés par un galet cranté (26) (ou pignon denté) de transmission de l'énergie de la poulie (20) sur l'autre poulie (21), cela permet aussi le réglage et de garder la synchronisation de position des aubes des rotors afin que ces aubes aient une meilleure continuité dans la réception de la poussée du vent. La poulie récupératrice de l'ensemble de l'énergie (21) est dotée d'une denture entraînant un pignon (28) transmettant l'énergie, par l'intermédiaire d'un 35 régulateur (30) de vitesse mécanique, à un générateur (33) 7 d'électricité, finissant ainsi de parfaire la vitesse de rotation. De même que les transmissions par cardans, par courroies, par poulies, peuvent être remplacées par des arbres de transmission accouplés à des pignonnages, le régulateur de vitesse mécanique peut être de conceptions différentes (électromagnétiques, électromécaniques, hydrauliques, ou autres). La présente invention de ce moteur éolien est surtout destinée à transformer l'énergie du vent en énergie électrique avec un bon rendement en fonction de la surface de brassage, une trés bonne régulation de vitesse, par vent fort ou faible, de pouvoir être de petite ou de grande dimension, et d'avoir une esthétique plus passive que les éoliennes à axe horizontal actuelles. REVENDICATIONS1- Eolienne à axe vertical montée sur une tour comportant un mât central où sont fixés deux rotors verticaux équipés d'aubes et les divers éléments constitutifs, permettant de récupérer l'énergie du vent afin de la transformer en électricité, caractérisée en ce qu'elle comprend : -Une tourelle rigide et légère (27), supportant les rotors et les carénages de l'éolienne, reposant sur deux embases à billes (31 ;43), séparées par un manchon et disposées autour du mât fixe (3) érigé sur la tour de soutaînement (32), -Deux rotors identiques disposés verticalement et latéralement au mât, articulés respectivement en rotation, par un axe (1;2) et des paliers à billes (3;4;5;6), fixés à la tourelle et sur une platine rotative à billes (39) en haut du mât, )-Des aubes identiques à géométrie variable (8; 9;10;11) équipant les rotors, sont munies d'ailerons (37) 20 mobiles électromécanisés, S>-Un carénage avant (54), composé de deux panneaux (50;51) en forme de « V » pour dévier et maîtriser le flux direct du vent sur les, aubes extérieures (9;10) et occulter les aubes centrales (8;11), 25 )-Un carénage central (65) disposé entre les bras du « V » et proche des rotors, constitué pour créer un courant d'air d'aspiration produit par effet « Venturi » à partir des ouvertures latérales (60;61) jusqu'au milieu tangentiel des rotors, 30 p-Un carénage arrière (55) de fuite du vent, disposé proche de la partie arrière des rotors, récupérant une partie des turbulences de traînée pour favoriser le courant d'air d'aspiration provenant du carénage (65), au milieu tangentiel des deux rotors, 35 )-Une girouette (38) commandant la position cardinale de 9 la tourelle en fonction de la direction du vent, -Un dispositif de moto-réducteurs (23;24) et de roues pneumatiques (22;25) d'entraînement, pour éviter les vibrations et pour l'orientation de la tourelle, -une transmission mécanique de l'énergie récupérée par les aubes des rotors, sur un alternateur électrique (33) ou autres sortes de transformateurs d'énergie. 2- Éolienne à axe vertical selon la revendication 1 caractérisée en ce que les rotors ont une forme de i0 tronc de cône et sont équipés d'aubes trapézoïdales à géométrie variable assurée par un aileron (37) mobile, articulé par un moto-réducteur électrique (29) et un dispositif de translation mécanique (36). 3- Éolienne à axe vertical selon la revendication 2 15 caractérisée en ce que les alimentations des moto-réducteurs commandées par le contrôle de vitesse de l'éolienne et actionnant les ailerons (37),sont fixées à des platines tournantes (34;35) solidaires aux axes (1;2) des rotors et leurs connections étant 20 assurées par deux contacts rotatifs électriques (40;41) disposés a la base des rotors, et par le contact rotatif électrique principal (42), situé sur la tourelle et le mat central. 4- Éolienne à axe vertical selon l'une des revendications 1 25 à 3 caractérisée en ce que le carénage avant en forme de « V» est d'envergure variable et est constitué de panneaux (50; 51) réunis par une charnière (54), occultant le milieu des rotors en dirigeant le flux du vent sur les aubes extérieures et sur le carénage 30 central de dépression à effet « Venturi », lesdits panneaux étant actionnés en écartement par un dispositif électromécanique composé d'un moto-réducteur et d'un vérin mécanique commandé par le système de contrôle de vitesse de l'éolienne. 35 5- Éolienne à axe vertical selon l'une des revendications 1à 4 caractérisée en ce que le carénage central (65) disposé entre les bras du « V » et proche du milieu des rotors, est constitué de caissons empilés verticalement définissant des compartiments internes, qui par des ouvertures latérales (60 ; 61) soumises à l'action direct du flux du vent dirigé par les panneaux du carénage avant, créent une dépression à effet « Venturi » et par conséquence un courant d'air au milieu des caissons qui se propage jusqu'aux ouvertures (63; 64) du carénage arrière (55). 6- Éolienne à axe vertical selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que le carénage arrière (55) de fuite du vent, proche du milieu arrière des rotors captant une partie des turbulences de traînée, est configuré par la dimension et la forme de ses entrées d'air (63;64) pour faciliter la circulation du courant d'air du carénage (65), et augmentant de ce fait la force motrice de rotation des aubes tangentielles du milieu des rotors. 20 7- Éolienne à axe vertical selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que les deux rotors transmettent l'énergie récupérée par leurs axes (1;2) sur des poulies de renvoi (17; 14) par l'intermédiaire de cardans (12;13) et d'axes 25 (15;16) transmettant l'énergie à l'aide de deux courroies crantées (18;19) entraînant deux poulies principales (20;21), dont les flasques en vis-à-vis sont munis de dentures radiales en périphérie, et sont couplées entre elles par un galet cranté (26) ou un pignon denté permettant de cumuler l'énergie de ces deux poulies principales et de synchroniser la rotation de ces rotors. 8- Éolienne à axe vertical selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que la poulie principale (21), située en partie basse du 10 15 30 35mat central, possède une denture périphérique en bord extérieur pour recevoir un pignon (28) permettant la transmission de *l'énergie des rotors sur un régulateur de vitesse (30) pour entraîner un générateur électrique (33). 9- Eolienne à axe vertical selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que les moto-réducteurs (23;24) et les roues pneumatiques (25;22) orientant la tourelle, sont disposés entre le pourtour de celle-ci et le rebord de circulation de la tour.