Brevet FR2991007A1 — publié le 20131129

Eolienne améliorée à effet Magnus La présente invention concerne le domaine des éoliennes. Elle concerne plus particulièrement une méthode de transformation de l'énergie éolienne en énergie 5 mécanique utilisant l'effet Magnus, ainsi qu'une éolienne à effet Magnus améliorée. Le domaine de la production de courant est en forte évolution. Les énergies fossiles, au-delà de leur possible épuisement, sont de fortes productrices de gaz carbonique, et de gros efforts sont faits actuellement pour trouver des sources 10 d'énergie rentables qui soient propres. L'éolien a été fortement développé ces derniers temps. En effet le vent est une source d'énergie parfaitement propre et renouvelable. Une éolienne utilise un mouvement rectiligne de l'air pour produire un mouvement de rotation d'un rotor, par l'intermédiaire de pales. Pour transformer le mouvement 15 de translation du vent en mouvement de rotation du rotor, les pales présentent une forme particulière, leur permettant d'effectuer un mouvement perpendiculaire à celui du vent, pour conférer au rotor son mouvement circulaire. Ceci provoque des pertes de rendement qui ont fait l'objet d'efforts particuliers pour les réduire. Le document DE102005001235 divulgue une éolienne avec des pales 20 substantiellement cylindriques rendues mobiles en rotation autour de leur axe, le vent induisant sur ces pales un effet Magnus, qui a la particularité de se traduire par une force perpendiculaire au vent, et donc de conférer un mouvement de rotation au rotor. L'effet Magnus est un effet de pression et dépression observé sur un corps soumis 25 à un flux de gaz, par exemple d'air, lorsque le comportement de l'air au passage de l'objet n'est pas identique d'un côté et de l'autre. Pour une aile d'avion, c'est la forme de l'aile qui fait que l'air prend une vitesse plus élevée sur le dessus de l'aile, et plus faible sur le dessous, induisant une pression plus faible au-dessus, et une pression plus forte en dessous, et donc une force de portance allant de la 30 forte pression vers la pression plus faible. Quand un cylindre immobile est placé dans un flux d'air, le comportement de l'air est similaire des deux côtés du cylindre, et on n'observe pas de différence de pression ni de force en découlant. En revanche, quand on confère à un tel cylindre un mouvement de rotation, le frottement de l'air sur la face du cylindre fait que l'air est ralenti, et donc la pression augmente du côté où la face du cylindre effectue un mouvement contre le vent, et l'air est accéléré, et donc la pression diminue du côté où la face du cylindre effectue un mouvement dans le sens du vent. La différence de pression produit un effort de la haute pression vers la basse pression. C'est l'apparition de cet effort qui est appelé l'effet Magnus. Néanmoins autant les éoliennes traditionnelles que l'éolienne à effet Magnus du document DE102005001235 nécessitent des pales déployées autour d'un axe de rotation horizontal, et donc nécessitent une grande hauteur et largeur, ce qui les rend très visibles dans le paysage. Cet aspect est un frein d'un point de vue écologique à leur développement. Le document GB2 471 272 divulgue une éolienne à effet Magnus avec un rotor à axe vertical. Les pales cylindriques sont verticales, mobiles autour de leur axe, disposées autour de l'axe vertical du rotor. Cette disposition présente l'avantage d'être beaucoup plus compacte. L'effet Magnus produit donc un effort perpendiculaire à la vitesse du vent dans le sens déterminé par le sens de rotation des pales. Or pour que le mouvement de rotation du rotor soit continu, il faut que les pales effectuent un mouvement de rotation autour de l'axe du rotor. Elles doivent donc aller tantôt dans un sens, tantôt dans l'autre par rapport au vent. L'effet cumulé est donc proche d'un effet nul. Le document GB2 471 272 divulgue que les pales les premières touchées par le vent sont plus sensibles au vent, et ce sont donc elles qui confèrent le sens de rotation, les pales situées en arrière étant protégées du vent par les pales situées en avant. Néanmoins il reste une très grande perte de rendement. Le document JP2010-121518 divulgue une éolienne similaire, avec un moteur sur chaque pale, et la possibilité de faire tourner ou non la pale, selon sa position. Néanmoins cela rend le dispositif cher et complexe à gérer. La présente invention cherche à résoudre au moins une partie de ces divers inconvénients, et propose une méthode de transformation d'énergie éolienne en 2 énergie mécanique par le moyen d'une éolienne comprenant un mât mobile en rotation autour d'un axe de mât sensiblement vertical et au moins un cylindre d'axe de cylindre décalé et parallèle audit axe de mât et solidaire dudit mât, ledit cylindre étant mobile en rotation autour dudit axe de cylindre. Cette méthode est particulière en ce que ledit cylindre tourne autour de l'axe de mât dans un premier sens de rotation autour dudit axe de cylindre lorsqu'il est au vent, et dans le sens contraire lorsqu'il est sous le vent, de sorte que l'effort produit par effet Magnus sous l'effet du vent se traduise par un couple de même sens sur le mât lorsque ledit cylindre se trouve au vent ou sous le vent ; de cette façon, le rendement est amélioré. La présente invention propose également une éolienne spécialement conçue pour mettre en oeuvre une méthode selon l'invention comprenant un mât mobile autour d'un axe de mât sensiblement vertical, et comprenant au moins un cylindre mobile autour d'un axe de cylindre parallèle audit axe de mât et solidaire dudit mât, et un moyen de mise en rotation dudit cylindre autour dudit axe de cylindre dans un premier sens de rotation. Cette éolienne est particulière en ce qu'elle comprend en outre un moyen de mise en rotation dudit cylindre autour dudit axe de cylindre dans le sens contraire du premier sens de rotation. Une telle éolienne permet d'obtenir sur ledit cylindre un effort d'effet Magnus efficace à la fois au vent et sous le vent, et donc un rendement amélioré. Selon d'autres caractéristiques : ledit moyen de mise en rotation peut comprendre un pignon disposé solidaire dudit cylindre et une couronne munie d'une denture externe sur sensiblement une demi-circonférence et une denture interne sur sensiblement l'autre demi- circonférence, configurés pour que ledit pignon engrène sur la denture externe pour tourner dans ledit premier sens de rotation, et sur la denture interne pour tourner dans le sens contraire dudit premier sens de rotation ; une telle disposition permet la mise en oeuvre de la méthode selon l'invention par des moyens mécaniques, sans l'utilisation de moteurs, et donc d'une manière simple et robuste, ledit moyen de mise en rotation peut comprendre un galet à friction disposé solidaire dudit cylindre et une couronne munie d'une bande à friction externe 3 sur sensiblement une demi circonférence et une band à friction interne sur sensiblement l'autre demi circonférence, configurés pour que ledit galet à friction engrène sur la bande à friction externe pour tourner dans ledit premier sens de rotation, et sur la bande à friction interne pour tourner dans le sens contraire dudit premier sens de rotation ; une telle disposition permet également la mise en oeuvre de la méthode selon l'invention par des moyens mécaniques, sans l'utilisation de moteurs, et donc d'une manière simple et robuste, - ladite couronne peut être mobile en rotation autour dudit axe de mât, et munie d'une voile configurée pour conférer une orientation constante de ladite couronne par rapport au vent, ce qui permet d'optimiser le fonctionnement de l'éolienne, quel que soit la direction du vent ; il est remarquable qu'il suffit d'orienter une seule pièce, la couronne, pour obtenir cette optimisation, - ladite éolienne peut comprendre un nombre pair de cylindres répartis uniformément sur leur trajectoire, permettant ainsi une compensation intégrale des efforts efficaces pour la rotation du mât, à reprendre par l'ancrage de l'éolienne sur son support, en particulier sur le toit d'une maison, et réduisant donc significativement les efforts induits sur ledit support même par fort vent, - ladite éolienne peut comprendre six cylindres, permettant une bonne répartition du couple le long d'un tour du mât, - ledit cylindre peut être fabriqué en un matériau composite de densité inférieure à 1, permettant ainsi de réduire l'effort d'entraînement en rotation du cylindre autour de son axe de cylindre, - ladite éolienne peut comprendre un multiplicateur disposé entre ledit mât et un arbre moteur et configuré pour transformer le mouvement de rotation du mât en un mouvement de rotation de vitesse supérieure dudit l'arbre moteur, le rapport des vitesses entre l'arbre moteur et le mât étant réglable ; ceci permet d'obtenir une vitesse de rotation appropriée au niveau d'une génératrice, par exemple pour produire un courant alternatif d'une fréquence donnée, mais aussi de régler la vitesse de rotation du mât, et donc la vitesse de rotation du cylindre pour optimiser l'effet Magnus. L'avantage de la présente invention est essentiellement de proposer une 4 méthode, ainsi qu'une éolienne à effet Magnus, permettant d'obtenir un meilleur rendement ainsi qu'un effort résultant sur son support réduit, la rendant adaptée pour une implantation sur le toit d'une maison. D'autres avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description d'un exemple de réalisation et des dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 représente une vue de haut d'une éolienne selon l'invention, la figure 2 représente une vue schématique de côté de l'éolienne de la fig. 1. Comme illustré dans les figures 1 et 2, l'éolienne selon l'invention comporte un mât vertical central 1, et un châssis mobile 2. Des cylindres 3 mobiles en rotation autour de leur axe 13 sont disposés sur le châssis mobile 2, au-dessus, comprenant chacun un pignon 4 en sa base. Le mât 1 est solidaire du châssis mobile 2, et est monté mobile en rotation autour de son axe 12 par rapport à un châssis fixe non représenté. Il est relié à un multiplicateur de vitesse 5, duquel sort un arbre moteur 6, tournant à la vitesse requise pour alimenter en énergie mécanique la génératrice 7. Un accumulateur 8 permet de stocker un peu d'électricité, et la génératrice 7 est conçue pour pouvoir fonctionner en moteur pour le démarrage de l'éolienne, en s'alimentant en courant auprès de l'accumulateur 8. Le châssis mobile 2 présente par exemple un diamètre de 3 mètres. Les cylindres 3 peuvent avoir une longueur de 2 mètres, et un diamètre de 400 mm. De telles dimensions permettent un montage sur une maison individuelle sans difficulté majeure, et avec un ancrage compatible avec les charpentes existantes pour un toit de maison individuelle. Les pignons 4 peuvent présenter un diamètre de 50 mm. Ainsi quand le mât 1 tourne à un tour par seconde, la vitesse linéaire d'un point de la périphérie d'un cylindre 3 sera d'environ 75 m/s, ce qui permet de produire un effort d'effet Magnus significatif. L'éolienne comprend une couronne 14 munie d'une denture externe 9 sur sensiblement une demi-circonférence, et d'une denture interne 10 sur sensiblement l'autre demi-circonférence, avec un espace sans denture entre les extrémités de chacune des dentures. De cette façon les cylindres 3 tournent dans un sens sur une demi circonférence, et dans l'autre sens sur l'autre demi 5 circonférence. Le mot « sensiblement » une demi circonférence est à comprendre ici comme étant sur la demi circonférence à l'exception dudit espace, configuré juste suffisant pour permettre au pignon 4 d'avoir quitté de manière certaine la denture externe 9 avant de s'engager dans la denture interne 10. L'espace peut s'étendre par exemple sur moins d'un dixième de la demi circonférence. La couronne 14 est disposée elle-même mobile en rotation autour de l'axe vertical 12, avec une voile 11 configurée pour que le vent maintienne la couronne 14 toujours dans la même position par rapport au vent, de sorte que les dentures 9 et 10 sont toujours orientées de la même façon par rapport au vent, la denture interne 10 étant au vent, c'est-à-dire du côté d'où vient le vent, et la denture externe 9 étant sous le vent, c'est-à-dire du côté opposé à celui d'où vient le vent. La fig. 1 montre la disposition de l'éolienne, avec le vent venant de la gauche (flèche V). La denture externe 9 est à droite, sous le vent, et la denture interne 10 est à gauche, au vent. Ainsi quand un des six cylindres 3 arrive au point B, il s'engage peu après dans la denture externe 9, et commence à tourner dans le sens de la flèche D. Cette rotation produit une force d'effet Magnus vers le haut (voir flèche M), la rotation du cylindre 3 dans le sens D induisant une vitesse plus forte du vent en haut sur le dessin, et plus faible en bas sur le dessin ; la pression est donc plus forte en bas, et l'effort va vers le haut. Ceci reste ainsi jusqu'à ce qu'il arrive au point H, point juste avant lequel le pignon 4 quitte la denture externe 9, et il arrête donc d'être entrainé en rotation. Peu après il s'introduit dans la denture interne 10, et commence à tourner dans le sens inverse (flèche G), ce qui produit une force d'effet Magnus vers le bas (voir flèche M') la rotation du cylindre 3 dans le sens G induisant une vitesse plus forte du vent en bas sur le dessin, et plus faible en haut sur le dessin ; la pression est donc plus forte en haut, et l'effort va vers le bas. Chaque cylindre 3 contribue donc à faire tourner le mât 1 en appliquant un couple dans le même sens, que le cylindre 3 soit sous le vent ou au vent. Pour les éoliennes à effet Magnus de l'état de la technique, cette contribution se limite substantiellement à la moitié de la trajectoire. Ceci permet d'augmenter significativement le rendement de l'éolienne selon l'invention. En outre, on observe que les efforts M appliqués par les cylindres 3 situés à droite correspondent à peu près aux efforts M', appliqués par les cylindres 3 situés à gauche, mais en sens contraire. En effet, la même force d'effet Magnus est h appliquée à chacun des cylindres 3, soit dans un sens M, soit dans l'autre sens M'. La somme de ces forces donne une force résultante nulle. Il n'y a donc pas d'effort lié à l'effet Magnus à prendre en compte pour le dimensionnement de l'ancrage de l'éolienne sur le toit, ou sur son support. On obtient donc selon l'invention une éolienne pour laquelle les efforts produits pour la rotation du mât 1, et donc pour la production d'électricité se compensent les uns les autres, et répercutent une résultante nulle sur l'ancrage de l'éolienne. Cette compensation des efforts est complète dans le cas d'un nombre pair de cylindres 3 régulièrement répartis sur la trajectoire d'un cylindre 3, en supposant les longueurs des dentures externe 9 et interne 10 de même longueur. C'est le cas de l'éolienne représentée sur le dessin, qui comporte six cylindres 3. Lorsqu'on dispose un nombre impair de cylindres 3, par exemple trois ou cinq cylindres 3, les efforts d'effet Magnus sont partiellement compensés, et il reste en résultante une force correspondant à l'effort d'effet Magnus exercé sur un seul des cylindres 3, ce qui correspond somme toute à un effort bien inférieur que la somme de tous les efforts des pales ou cylindres actifs tel que cela se présente sur les éoliennes de l'état de la technique. Le nombre de cylindres 3 peut être choisi de manière à optimiser la performance, sans trop augmenter les coûts. Avec un seul cylindre, on perd le bénéfice de la compensation des forces. Avec deux cylindres disposés symétriquement, on passe par une position - l'un des cylindres en B, l'autre en H - dans laquelle la force d'effet Magnus est perpendiculaire à la trajectoire du cylindre, et donc à effet nul sur la rotation du mât 1 qui fournit l'énergie mécanique à la génératrice 7, et une position, à 90° de la position précédente, ou l'effet sur le mât 1 de la force d'effet Magnus est maximal. Cela est défavorable pour la cinématique se trouvant an aval, qui doit encaisser des variations de couple significatives. Avec quatre cylindres, lorsque deux des cylindres sont aux points B et H, les deux autres subissent l'effet Magnus maximum, ce qui permet d'avoir toujours un couple exercé sur le mât 1. Néanmoins, on observe une variation de l'effet sur le mât 1 de la résultante des forces d'effet Magnus au cours de la rotation du châssis mobile 2, de l'ordre de 40% entre l'effet résultant maximum et l'effet résultant minimum. 7 Avec trois cylindres, les efforts latéraux ne se compensent que partiellement, mais la variation de la résultante sur la circonférence se limite à environ 15%, ce qui est beaucoup plus acceptable. On peut aussi prévoir cinq cylindres, ce qui réduit la variation de l'effort résultant à environ 5%, et les efforts latéraux résultants sont encore réduits à l'équivalent de l'effort sur un cylindre parmi cinq. Le nombre de six cylindres représenté sur le dessin peut permettre un compromis acceptable entre la régularité du couple produit, avec une variation de l'ordre de 15% comme avec trois cylindres, l'effort résultant sur le châssis fixe, entièrement compensé du fait du nombre pair, et le coût de l'éolienne, d'autant plus élevé qu'on prévoit un nombre important de cylindres 3. L'homme du métier saura choisir le nombre adéquat de cylindres 3 selon les divers paramètres à prendre en compte Le multiplicateur 5 peut être prévu à rapport variable, de sorte à permettre à l'arbre moteur 6 d'avoir toujours une vitesse adaptée à la production de courant alternatif de fréquence adaptée, quelle que soit la vitesse de rotation du mât 1. La vitesse de rotation du mât 1 est la conséquence de la résultante des effets sur le châssis mobile 2 des efforts d'effet Magnus appliqués aux cylindres 3, et de l'effort de résistance de la génératrice 7 pour produire le courant ; par le réglage du rapport du multiplicateur 5 et de l'effort induit par la génératrice 7, on peut choisir la vitesse de rotation du mât 1, ce qui détermine la vitesse de rotation des cylindres 3 par la dimension des pignons 4. On peut donc adapter cette vitesse à la vitesse du vent, et en particulier l'augmenter lorsque la vitesse du vent augmente. A cet effet, un anémomètre (non représenté) est disposé à proximité de l'éolienne, permettant de mesurer la vitesse du vent. Les dentures 9 et 10 peuvent être remplacées par des bandes à friction, et les pignons 4 par des galets à friction. En effet il n'est pas nécessaire d'assurer un indiçage des pignons 4 sur les dentures, la vitesse des cylindres 3 peut être approximative sans aucun inconvénient. Par ailleurs cela présente l'avantage de faciliter la mise en mouvement des cylindres 3. Toute autre moyen de mise en mouvement dans un sens sur une demi circonférence et dans l'autre sens sur l'autre demi circonférence peut convenir. 8 Les avantages de la présente invention résident en particulier en ce qu'elle propose une éolienne à effet Magnus améliorée, dans laquelle les cylindres 3 sont actifs sur sensiblement toute la circonférence. Cela non seulement améliore la performance énergétique de l'éolienne, mais encore permet de réduire significativement le dimensionnement de l'ancrage de l'éolienne, puisque les efforts latéraux de production d'énergie sont en grande partie compensés par des efforts en sens contraires produisant également de l'énergie. Par ailleurs, l'éolienne selon l'invention est plus simple et plus rustique que les éoliennes à effet Magnus de l'état de la technique, ne nécessitant pas de moteur sur chacun des cylindres 3. Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec des structures particulières, elle n'y est nullement limitée et on peut y apporter de nombreuses variantes. Les combinaisons des différentes réalisations représentées sur les dessins ou décrites ci-dessus ne sortent pas du cadre de l'invention. Les signes de référence insérés après les caractéristiques techniques mentionnées dans les revendications ont pour seul but de faciliter la compréhension de ces dernières et n'en limitent aucunement la portée. 9 REVENDICATIONS1. Méthode de transformation d'énergie éolienne en énergie mécanique par le moyen d'une éolienne comprenant un mât (1) mobile en rotation autour d'un axe de mât (12) sensiblement vertical et au moins un cylindre (3) d'axe de cylindre (13) décalé et parallèle audit axe de mât (12) et solidaire dudit mât (1), ledit cylindre (3) étant mobile en rotation autour dudit axe de cylindre (13), caractérisée en ce que ledit cylindre (3) tourne autour de l'axe de mât (12) dans un premier sens de rotation autour dudit axe de cylindre (13) lorsqu'il est au vent, et dans le sens contraire lorsqu'il est sous le vent, de sorte que l'effort produit par effet Magnus sous l'effet du vent se traduise par un couple de même sens sur le mât (1) lorsque ledit cylindre (3) se trouve au vent ou sous le vent. 2. Eolienne spécialement conçue pour mettre en oeuvre une méthode selon la revendication précédente comprenant un mât (1) mobile autour d'un axe de mât (12) sensiblement vertical, et comprenant au moins un cylindre (3) mobile autour d'un axe de cylindre (13) parallèle audit axe de mât (12) et solidaire dudit mât (1), et un moyen de mise en rotation dudit cylindre (3) autour dudit axe de cylindre (13) dans un premier sens de rotation, caractérisé en ce qu'elle comprend en outre un moyen de mise en rotation dudit cylindre (3) autour dudit axe de cylindre (13) dans le sens contraire du premier sens de rotation. 3. Eolienne selon la revendication 2, dans laquelle ledit moyen de mise en rotation comprend un pignon (4) disposé solidaire dudit cylindre (3) et une couronne (14) munie d'une denture externe (9) sur sensiblement une demi circonférence et une denture interne (10) sur sensiblement l'autre demi circonférence, configurés pour que ledit pignon (4) engrène sur la denture externe (9) pour tourner dans ledit premier sens de rotation, et sur la denture interne (10) pour tourner dans le sens contraire dudit premier sens de rotation. 4. Eolienne selon l'une des revendications 2 ou 3, dans laquelle ledit moyen11 de mise en rotation comprend un galet à friction (4) disposé solidaire dudit cylindre (3) et une couronne (14) munie d'une bande à friction externe (9) sur sensiblement une demi circonférence et une bande à friction interne (10) sur sensiblement l'autre demi circonférence, configurés pour que ledit galet à friction (4) engrène sur la bande à friction externe (9) pour tourner dans ledit premier sens de rotation, et sur la bande à friction interne (10) pour tourner dans le sens contraire dudit premier sens de rotation. 5. Eolienne selon l'une des deux revendications précédentes, dans laquelle ladite couronne est mobile en rotation autour dudit axe de mât (12), et munie d'une voile (11) configurée pour conférer une orientation constante de ladite couronne par rapport au vent. 6. Eolienne selon l'une des revendications 2 à 5 comprenant un nombre pair de cylindres (3) répartis uniformément sur leur trajectoire. 7. Eolienne selon la revendication précédente, comprenant six cylindres (3). 8. Eolienne selon l'une des revendications 2 à 7, dans laquelle ledit cylindre (3) est fabriqué en un matériau composite de densité inférieure à 1. 9. Eolienne selon l'une des revendications 2 à 8, comprenant un multiplicateur (5) disposé entre ledit mât (1) et un arbre moteur (6) et configuré pour transformer le mouvement de rotation du mât (1) en un mouvement de rotation de vitesse supérieure de l'arbre moteur (6), le rapport des vitesses entre l'arbre moteur (6) et le mât (1) étant réglable.