Brevet FR2985290A1 — publié le 20130705

La présente invention se rapporte à une éolienne de type à axe vertical. Les éoliennes sont des dispositifs de génération d'énergie électrique qui revêtent une importance croissante pour le développement des 5 énergies renouvelables. Il existe par conséquent un besoin permanent d'améliorer leur efficacité et d'optimiser leur rendement. De manière générale, une éolienne comprend un mât, une nacelle et un rotor supportant des pâles. 10 Le mât est destiné à l'implantation de l'éolienne et permet d'amener le rotor à une hauteur suffisante pour permettre la prise au vent des pâles et la rotation de l'ensemble. La nacelle est montée au sommet du mât et abrite divers composants mécaniques et électriques, notamment, nécessaires au 15 fonctionnement de la machine. La nacelle sert notamment à supporter le rotor et est généralement montée de manière mobile en rotation sur le mât, afin de permettre l'orientation de la machine dans la bonne direction. Le rotor est la structure permettant de convertir l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique avant éventuelle conversion en énergie 20 électrique. Pour ce faire, le rotor est équipé de pâles d'entraînement et est monté sur la nacelle. On peut distinguer deux structures principales d'éoliennes, à savoir les éoliennes à axe horizontal et les éoliennes à axe vertical. Les éoliennes à axe horizontal comprennent un rotor dont l'axe est 25 orienté de manière sensiblement perpendiculaire à l'axe du mât, et donc sensiblement horizontalement lorsque l'éolienne est implantée. Les pâles sont elles mêmes montées sur le rotor selon une direction sensiblement perpendiculaire à ce dernier. Le rotor et ses pales forment ainsi une hélice orientable 30 perpendiculairement au vent. Dans ce type d'éoliennes, toutes les pales sont orientées face au vent, et sont donc toutes des pâles travaillantes tout au long d'un cycle de rotation, ce qui permet un rendement élevé. Il convient toutefois de noter que l'axe de rotation de pâles étant 35 orienté sensiblement dans la direction du vent, ces dernières doivent être profilées de manières à permettre la transformation d'une poussée axiale du vent en mouvement de rotation autour de ce même axe. Il s'ensuit que le rapport de la surface totale d'emprise au vent des pâles sur la surface totale des pâles (rapport de puissance) est relativement faible. Par ailleurs, de telles éoliennes nécessitent généralement une 5 vitesse minimale du vent relativement élevée, ce qui vient abaisser leur rendement global sur, par exemple, une année dans une région exposée à des vents relativement faibles. La taille des pâles impacte donc directement sur le rapport de puissance et il sera plus intéressant d'un point de vue énergétique de réaliser 10 des éoliennes avec de grandes pâles. On notera également que la vitesse linéaire des extrémités des pâles peut être très élevée. L'énergie cinétique de la pâle peut ainsi devenir très importante, jusqu'à gêner son exploitation et nécessité sa mise en pane. Par ailleurs, on comprend que de telles éoliennes sont sensibles à 15 une orientation optimale de l'axe du rotor dans la direction du vent. Cela nécessite généralement une motorisation de la nacelle, ce qui rend le système complexe, consommateur d'énergie, et peu réactif à des vents changeants en direction. Les éoliennes à axe horizontal sont ainsi des dispositifs 20 généralement encombrants, difficilement intégrables en ville ou sur des toits de bâtiments. En effet, ce type d'éoliennes nécessite en outre une hauteur de mât relativement élevée et dépendant de la taille des pâles puisque la hauteur du mât doit être au moins supérieur à la dimension des pâles afin de les dégager 25 du sol. La hauteur d'une telle éolienne est généralement d'environ 20 mètres pour les petites éoliennes, et jusqu'à plusieurs dizaines de mètres pour les plus grandes. Les éoliennes à axe vertical présentent quant à elle un rotor dont 30 l'axe de rotation est orienté sensiblement dans le prolongement de l'axe du mât. Les pâles sont montées sur des bras support et s'étendent selon une direction sensiblement parallèle au rotor, et au mât. Ainsi, la hauteur du mât n'est pas liée à la hauteur des pales et peut être extrêmement réduite. Par ailleurs le mât peut éventuellement être 35 réalisé sous la forme d'une base de forme indifférente qui ne risque pas d'interférer avec les pâles. Ce type d'éoliennes présente donc des avantages incontestables en termes d'encombrement, et elles peuvent être plus facilement intégrées dans des environnements urbains ou sur le toit de bâtiments. Par ailleurs, une éolienne à axe verticale visant à transformer une 5 poussée axiale du vent en mouvement de rotation autour d'un axe sensiblement perpendiculaire à ce même axe, il est possible de mettre en oeuvre des pâles présentant une surface d'emprise maximale et un rapport de puissance (surface d'emprise au vent sur la surface totale de la pâle) maximal. Par rapport à une pâle d'éolienne à axe horizontale, pour une 10 même taille de pâle, le rapport de puissance présente au moins un facteur dix en faveur de l'éolienne à axe vertical. On notera également que la vitesse linéaire de l'extrémité d'une hélice d'éolienne présente le même genre de ratio entre les deux systèmes. Il convient toutefois de noter que les éoliennes à axe vertical 15 possèdent généralement un rendement inférieur à celui des éoliennes à axe horizontal et sont moins utilisées. En effet, alors qu'une éolienne à axe horizontal a toutes ses pales travaillantes, une éolienne à axe vertical doit prendre en compte le travail des pâles au cours d'un cycle complet de rotation où chaque pâle passe 20 alternativement d'une phase travaillante, dans laquelle, la pression du vent s'exerçant sur la pâle génère un couple orienté dans le sens de rotation souhaité (générateur), à une phase potentiellement freinante susceptible de générer un couple orienté dans un sens opposé (freinant ou résistant). Ainsi, le parcours de chaque pâle doit être pris en compte et ses 25 profils (profil travaillant exposé en vent en phase travaillante et profil freinant exposé au vent en phase freinante) optimisés pour maximiser la prise au vent de chaque pâle en phase travaillante et inversement la minimiser au cours de sa phase potentiellement freinante. Pour ce faire, il convient généralement de prévoir des pâles 30 présentant une dissymétrie de profil entre leur profil travaillant et leur profil freinant. On distingue ainsi plusieurs types d'éoliennes à axe vertical. Le type DARRIEUS utilise l'effet de portance subi par un profil soumis à l'action d'un vent relatif, similaire à l'effet qui s'exerce sur une aile 35 d'avion. Plus précisément, son fonctionnement utilise le fait qu'un profil placé dans un écoulement d'air selon différents angles (cycle de rotation) est soumis à des forces de traînée et de portance d'intensités et de directions variables. Une étude et modélisation précise du profil des pâles en fonction de leur orientation, des vitesses de vents attendues, du nombre de pâles, entre autres paramètres, doit donc être réalisée afin de générer un couple moteur élevé et obtenir un rendement maximal. Ceci peut donner lieu à des calculs complexes et les résultats obtenus sont rarement à la hauteur des performances escomptées. Le type SAVONIUS comprend des pales se présentant sous la forme de godets de forme sensiblement demi-cylindrique et désaxés. Le profil creux du godet offre une prise au vent maximale, tandis que le profil bombé de la pale opposée offre une prise au vent réduite permettant son écoulement autour de la pâle lors de la phase potentiellement freinante du cycle. Le bilan des forces s'exerçant sur l'éolienne penche alors nettement en faveur des forces d'entraînement, ce qui permet la rotation de l'éolienne. Ainsi, bien que chaque pâle présente un rapport de puissance élevé, a priori plus avantageux que pour une éolienne à axe horizontal, le bilan 20 global sur l'éolienne en prenant en compte les forces freinantes, entraîne un rendement globalement inférieur. On notera toutefois, que la prise au vent maximale de chaque pâle permettent aux éoliennes à axe vertical de démarrer à des vitesses de vent relativement réduites et inférieures aux vitesses minimales des éoliennes à axe 25 horizontal. Afin de résoudre le problème des phases freinantes lors d'un cycle de rotation, une solution antique (panémone) consistait à ériger un muret autour de la moitié de l'éolienne afin de ne laisser que les pâles travaillantes exposées au vent. Bien évidemment, cette solution ne permet aucune 30 adaptation à la direction du vent. On connaît également un type d'éolienne à axe vertical développé plus récemment et dont les pales s'orientent en temps réel au cours de leur cycle de rotation de manière à reproduire sensiblement les allures d'une voile de voilier qui suivrait une trajectoire circulaire avec un vent déterminé. Ce type 35 est connu sous le nom d'éolienne à voilure tournante ou à calage variable. Dans ce type éolienne, chaque pâle se comporte donc sensiblement comme un voilier avançant à l'allure appropriée et n'a donc plus de phase freinante, ou extrêmement réduite, pour peu que l'orientation de sa voilure soit optimale. Cette orientation dynamique est toutefois particulièrement difficile à gérer et maîtriser. Elle nécessite des engrenages et autres systèmes introduisant des frottements mécaniques additionnels qui viennent limiter le rendement global de l'éolienne. Il faut également tenir compte de l'usure de ces mécanismes soumis à une sollicitation permanente. Par ailleurs, il reste nécessaire de considérer les pâles dans leur ensemble et de faire un bilan des couples s'exerçant sur le mât. Cela peut rendre complexe l'adaptation du système en fonction du nombre de pâles équipant l'éolienne. Par ailleurs, le modèle théorique utilisé (trajectoire circulaire, vent 15 stable) correspond rarement à la réalité des conditions auxquelles une éolienne est soumise. Il existe donc toujours un besoin de développement des éoliennes à axe vertical, notamment afin d'améliorer leur rendement, diminuer leur bruit en rotation et optimiser leur fonctionnement de manière générale. 20 La présente invention vise à pallier les inconvénients précédemment mentionnés et consiste pour ce faire en une éolienne à axe vertical comprenant au moins un rotor supportant une pluralité de pâles à calage variable chacune montée mobile en rotation autour d'un axe de calage sensiblement parallèle au rotor, caractérisée en ce que les pâles sont 25 associées à au moins une came de guidage décrivant une trajectoire périphérique autour du rotor et apte à coopérer avec au moins un moyen d'actionnement des pâles de manière à permettre leur rotation autour de leur axe de calage en fonction de la trajectoire de la came par rapport à la trajectoire sensiblement circulaire dudit axe de calage autour du rotor. 30 Ainsi, grâce à un calage par came de guidage périphérique, on dispose d'un système mécaniquement simple et fiable répondant à cette problématique. Par ailleurs, cela rend le système particulièrement adaptable à la configuration de l'éolienne puisqu'il suffit de changer la came en fonction de la trajectoire souhaitée, du nombre de pâles, etc. Préférentiellement, le moyen d'actionnement des pâles est un bras de levier. Préférentiellement encore, le bras de levier est monté sur l'axe de calage. Avantageusement, caractérisée en ce que l'axe de calage est un 5 axe sensiblement médian de la pâle. Préférentiellement, la came de guidage se présente sensiblement sous la forme d'un rail. Préférentiellement encore, le moyen d'actionnement de la pâle coopère avec la came par l'intermédiaire d'au moins un galet de roulement. 10 Un système rail / galet permet de réduire les frottements de manière importante par rapport à un système à engrenages. Selon un mode de réalisation, la came de guidage présente une trajectoire elliptique. Bien évidemment, la forme de la came de guidage et la trajectoire 15 formée sera adaptée à l'orientation souhaitée pour les pâles au cours d'un cycle de rotation. On pourra assurer des transitions progressives ou des variations d'orientation plus marquées, voire jusqu'à atteindre un quasi basculement entre une position active sur une portion du trajet de la pâle et une position inactive dite drapeau sur le reste du cycle. 20 De manière avantageuse, la came de guidage est orientable, notamment en fonction de la direction du vent. On comprendra aisément qu'une telle disposition réduit l'usure générale des pièces, la came de guidage n'étant réorientée qu'en fonction des changements de vent alors qu'un système selon l'art antérieur dans lequel 25 chaque pâle est individuellement réorientée entraîne des sollicitations mécaniques plus importantes et permanentes. Préférentiellement, la came de guidage est orientable à l'aide d'au moins un servomoteur. Un tel servomoteur pourra être asservi à une girouette, mécaniquement ou électroniquement. 30 De manière avantageuse, les moyens d'actionnement des pâles sont débrayables de la came de guidage de manière à notamment permettre la mise en drapeau desdites pâles et l'inhibition de l'éolienne. La présente invention sera mieux comprise à la lumière de la description détaillée qui suit en regard du dessin annexé dans lequel : 35 - la figure 1, est une vue de côté de principe d'une éolienne à axe vertical et à calage variable, - la figure 2 est une représentation schématique de l'éolienne à axe vertical et à calage variable selon l'invention, - la figure 3 est une est une vue de dessus de principe illustrant le fonctionnement de l'éolienne selon l'invention de la figure 2. De manière simplifiée, une éolienne 1 à axe vertical et à calage variable comprend un mât 2 implanté dans le sol 3 (ou sur une autre surface, notamment par l'intermédiaire d'un pied de mât 2) et un ensemble de pâles 4 montées mobiles en rotation autour dudit mât 2. Les pâles 4 présentent de manière schématique une forme plane 10 sensiblement rectangulaire mais elles peuvent bien évidemment être profilées ou présenter d'autres formes. Par ailleurs, elles sont réalisées généralement dans un matériau rigide, mais il est bien évidemment possible de les réaliser sous la forme de voiles montées sur un cadre par exemple. 15 Chaque pâle 4 est montée en rotation autour du mât 2 par l'intermédiaire de bras latéraux 5 d'un rotor 6 destiné à entraîner une génératrice (non visible). Plus précisément, chaque pâle 4 est supportée par un bras inférieur 5a et un bras supérieur 5b constituant respectivement les bras 20 latéraux 5 d'un palier inférieur 6a et d'un palier supérieur 6b formant le rotor 6. Afin de permettre l'orientation des pâles 4 en cours de cycle, chaque pâle 4 est montée sur ses bras inférieur 5a et supérieur 5b par l'intermédiaire d'un pivot. Les liaisons aux bras inférieur 5a et supérieur 5b définissent ainsi un axe R sensiblement médian de la pâle autour duquel elle 25 est apte à pivoter. Conformément à l'invention et comme représenté sur la figure 2, une éolienne 100 selon l'invention diffère de l'éolienne 1 en ce qu'elle comprend une came de guidage 110 décrivant une trajectoire périphérique autour du mât 2 et du rotor 6, et apte à assurer le pivotement des pâles 4 selon 30 une trajectoire prédéterminée. Pour ce faire, chaque pâle 4 est associée au niveau du bras supérieur 5b à un levier de pivotement 111 lié au pivot et constituant ainsi un moyen d'actionnement de la pâle 4 permettant de l'entraîner en rotation autour de l'axe R. Chaque levier de pivotement 111 est équipé d'un doigt de guidage (ou galet de roulement) 112 coopérant avec la came de guidage 110 (se présentant par exemple sous la forme d'un rail). Ainsi, alors que chaque pâle 4 possède une trajectoire 5 sensiblement circulaire autour du mât 2, la came de guidage 111 permet d'ajuster la trajectoire de chaque levier de pivotement 111 et de l'en dissocier. A chaque instant, la différence de trajectoire entre la pâle 4 et son levier de pivotement 111 (le doigt de guidage 112 étant déporté de l'axe de pivotement R) permet de créer un pivotement permettant de modifier le calage 10 de la pâle 4 en fonction de sa position dans son cycle de rotation. De manière simplifiée, comme visible sur la figure 3, la came de guidage 111 pourra présenter une forme sensiblement elliptique. Bien évidemment, la forme de la came de guidage 111 peut être travaillée et ajuster plus finement en fonction des paramètres de l'éolienne (forme des pâles, 15 nombre de pâles, etc). Comme visible sur la figure 3, au cours de son cycle de rotation autour du mât 2, chaque pâle 4 sera amenée à pivoter afin d'adopter une position la moins freinante et la plus travaillante possible par rapport au vent (flèche). 20 Afin de pouvoir s'adapter aux changements de direction du vent, la came de guidage 111 pourra être montée orientable, notamment par asservissement à une girouette, cet asservissement pouvant être mécanique, ou électronique par l'intermédiaire d'un servomoteur. Avantageusement également, on prévoira des moyens de 25 débrayage des leviers de pivotement 111 de la came de guidage 110 afin de permettre la mise en panne des pâles 4 de l'éolienne 100. Bien que l'invention ait été décrite avec un exemple particulier de réalisation, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs 30 combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.