Brevet FR2986282A1 — publié le 20130802

La présente invention concerne un dispositif pour capter l'énergie éolienne du vent et l'énergie thermique du soleil afin de produire de l'électricité. Pour la suite, le dispositif est dénommé Tour Éolienne à Déflecteurs TED. Il existe des éoliennes (à axe horizontal), de très grande taille, pour produire de l'électricité mais qui présentent bon nombre d'inconvénients comme l'impact visuel dans les paysages (le sujet fait très polémique), les bruits qu'elles génèrent et spécialement les infrasons inaudibles mais très nocifs pour la santé des êtres vivants, les dangers pour la faune aviaire, les perturbations des ondes électromagnétiques (radio, télévision, radars), les projections dangereuses de 10 blocs de glace en saison hivernale, la grande sensibilité à la foudre, les grandes surfaces de terrain nécessaires en cas d'installations multiples, etc... Ces inconvénients interdisent toute installation à proximité des cités et imposent une distance minimum par rapport à toute habitation en zone rurale, ce qui induit un inconvénient supplémentaire : le transport obligé de l'électricité 15 produite, entraînant un coût plus élevé, éventuellement des pylônes supplémentaires dans le paysage... Le dispositif, selon l'invention, permet de s'affranchir de la plupart de ces inconvénients : il se présente en effet dans le paysage comme une tour d'habitation, (normalement acceptable tant les populations y sont habituées), ne 20 diffuse pas de bruits alentours, ne présente pas de danger pour la faune aviaire, ne craint pas la foudre (c'est une excellente cage de FARADAY), ne perturbe pas les ondes électromagnétiques, ne peut rien projeter à l'extérieur (pas même en cas de bris de pale accidentel mais très peu probable), n'exige qu'un minimum de terrain même en cas d'implantation multiple ... 25 Le principe basique d'une TED consiste à capter le vent (toujours pratiquement horizontal), quel que soit la direction d'où il provient, et de le dévier vers le haut à l'aide de déflecteurs afin d'obtenir un flux d'air ascendant énergétique dans lequel on interpose des turbines (éoliennes à axe vertical) pour transformer l'énergie cinétique du flux vertical ainsi obtenu en énergie mécanique. 30 Cette énergie mécanique est ensuite transmise par un axe vertical à un générateur électrique à la base de la tour, selon un processus classique. Par ailleurs, on profite de la constitution des TED pour chauffer les déflecteurs grâce au soleil, provoquant ainsi un effet cheminée par convection d'air chaud, ce qui accroît le rendement énergétique de l'ensemble. Les dessins annexés illustrent l'invention : La figure 1 représente une coupe longitudinale et une coupe transversale du dispositif de l'invention. La coupe longitudinale montre la forme des déflecteurs courbes qui transforment le vent horizontal en un flux ascendant qui va rencontrer les pales des turbines, ce qui va entraîner ces dernières en rotation. La coupe transversale montre qu'une TED, sous cette forme, est parfaitement omnidirectionnelle et ne nécessite donc pas un système de pivotement pour faire toujours face à des vents changeant de direction. La figure 2 montre, en coupe transversale également, une variante directionnelle de TED plus économique pour les sites où le vent provient d'une direction privilégiée (couloir rhodanien, fronts de mer, par exemple) : seule la portion soumise au vent unidirectionnel est équipée de déflecteurs ; le reste peut n'être qu'une simple paroi lisse. Des déflecteurs latéraux verticaux y sont prévus afin d'augmenter très sensiblement la surface utile de prise au vent, au bénéfice de la puissance captée. La figure 3 montre en coupe transversale une autre variante de TED de forme ovoïde, pouvant comporter deux axes verticaux, qui convient pour les sites où le vent a une direction privilégiée mais peut provenir aussi de n'importe quelle autre direction. La figure 4 montre en coupe transversale une autre variante pour des 25 vents à direction privilégiée : il s'agit d'un groupement de TED directionnelles occupant un minimum de terrain pour une production accrue d'énergie électrique. La figure 5 est un photomontage qui donne une idée de l'aspect visuel que peuvent avoir des TED à proximité d'un site urbain. En référence à ces dessins, le dispositif comporte des piliers (1) 30 disposés en cercle et formant l'armature principale de la tour ces piliers (1) sont réalisés préférentiellement en treillis métallique (tels les pylônes supportant les lignes électriques à haute tension) pour de meilleures légèreté et solidité ainsi qu'un moindre coût par rapport à d'autres procédés de construction. 3 2986282 En renfort de l'armature principale, plusieurs ceinturages (7) sont disposés, dont certains à hauteur proche des turbines (4) ; ces derniers sont utilisés pour supporter des passerelles {8) facilitant la maintenance des matériels ; ces passerelles (8) permettent à leur tour de supporter les paliers 5 (10) de guidage de l'axe vertical (3) : à partir d'une certaine longueur il y a lieu de prévoir ces paliers (10) pour éviter le phénomène de flambage. La forme cylindrique générale, la constitution en treillis métallique des piliers (1) et les renforts ci-dessus confèrent de très grandes solidité et rigidité mécaniques à une TED, ce qui lui permet de supporter de très forts vents sans 10 redouter des dommages. Les déflecteurs (2) sont de simples plaques minces en n'importe quel matériau convenant, rigide voire souple comme un tissu, cintrées afin de dévier vers le haut (à l'intérieur de la tour) les filets d'air du vent horizontal captés à l'extérieur ; ces déflecteurs (2) sont fixés entre les piliers (1) sur toute la hauteur 15 de la tour, et sur tout son pourtour ou partiellement selon la version de TED. L'ensemble se comporte comme un tube car l'air qui y pénètre ne peut en ressortir que par le sommet, en produisant même un effet d'aspiration le long des déflecteurs (2) non soumis au vent pénétrant il s'agit-là à la fois de l'effet de carénage et de l'effet d'aérateur statique qui améliorent le 20 rendement d'un système aérodynamique tel que celui constitué par une TED. L'axe vertical (3) est disposé sur toute la hauteur de la tour d'un seul tenant ; il supporte les turbines (4) dont il transmet au générateur électrique (5), situé logiquement à la base de la tour, l'énergie captée à la colonne d'air verticale ascendante. Au sommet de la TED, là où la colonne d'air verticale s'échappe dans 25 l'espace, entraînant avec elle les bruits éventuels générés par les turbines (4), est disposé un système de volets de fermeture (6) dont le rôle est de sécuriser le fonctionnement de la tour en contrôlant la puissance du flux d'air ascendant ; ainsi, par vent fort par exemple, la fermeture partielle des volets (6) réduit la vitesse d'échappement et par conséquent d'écoulement de toute la colonne d'air, donc 30 réduit sa puissance énergétique ; leur fermeture complète empêche l'ascendance de l'air et bloque alors le fonctionnement de la TED, la mettant ainsi en sécurité totale. Ainsi, même par vent de tempête, la régulation assurée par les volets (6) permet à la TED de fonctionner normalement à sa puissance optimale, sans le moindre risque de destruction. La constitution d'une TED permet d'installer plusieurs turbines (4) le long de l'axe vertical (3), ce qui améliore sensiblement le rendement de l'ensemble. On sait en effet qu'une turbine, comme une éolienne à axe horizontal, ne peut récupérer que 59,3% au grand maximum de l'énergie cinétique 5 véhiculée par le vent (loi physique d'Albert BETZ), le reste de l'énergie traversant la turbine étant habituellement perdu. La disposition de plusieurs turbines (4) étagées fait que l'énergie non récupérée par la première (à partir du bas de la tour) se retrouve dans la seconde, cumulée avec celle du vent ayant pénétré dans la tour entre ces deux premiers étages. 10 La même chose se reproduit avec la turbine suivante et ainsi de suite jusqu'à la dernière turbine en sortie au sommet de la tour. On peut multiplier à loisir le nombre d'étages, (compte-tenu du rapport entre les coûts et le rendement !) ; à la limite on peut concevoir une turbine à multiples pales disposées en hélice sur toute la hauteur de l'axe (3), voire 15 même une seule pale hélicoïdale qui se développerait sur toute la longueur de l'axe vertical (3), à l'image d'une tarière. La constitution d'une TED permet aussi de ménager aisément un système venturi (9) au niveau de chaque étage à l'intérieur de la tour, simplement en allongeant les déflecteurs (2) proches des turbines (4) dans le sens ascendant, 20 ce qui améliore le rendement énergétique de l'ensemble en augmentant la vitesse du flux d'air au niveau de ces turbines ; en outre cela permet d'installer des turbines d'un diamètre sensiblement plus réduit. Il est possible d'augmenter encore le rendement énergétique d'une TED simplement en peignant la face supérieure extérieure (celle qui reçoit le soleil) des 25 déflecteurs (2) en noir mat afin de mieux capter la chaleur du soleil ; ce faisant, une convection d'air chaud se produit grâce à l'effet cheminée, convection qui vient augmenter le débit de la colonne d'air verticale et donc sa puissance énergétique. En lieu et place de cette simple peinture noire mate, il est possible d'équiper la partie des déflecteurs soumise au soleil de cellules photovoltaïques 30 pour produire un surcroît d'énergie électrique. Enfin, une TED peut avoir une autre forme que la forme cylindrique pure, par exemple elle peut être plus large à la base qu'au sommet (allure de tour Eiffel) pour l'esthétique et pour une solidité encore meilleure, ou bien présenter un renflement sur sa hauteur, ou encore présenter une forme pyramidale allongée, ou 35 tout autre profil fonctionnel et visuellement agréable. On remarquera qu'une TED autorise le bénéfice de plusieurs phénomènes physiques aérodynamiques favorables à son objectif effet d'aérateur statique, effet de carénage, effet cheminée, effet venturi, effet cumulatif 5 de plusieurs turbines...toutes choses inconcevables sur la plupart des modèles d'éoliennes et en particulier les grandes éoliennes classiques à axe horizontal. Le dispositif, selon l'invention, est particulièrement destiné à capter les énergies propres et renouvelables contenues dans le vent et te soleil pour produire de l'énergie électrique. REVENDICATIONS1) Dispositif pour capter les énergies du vent et du soleil et les transformer en énergie électrique (Tour Éolienne à Déflecteurs TED), caractérisé en ce qu'il consiste en une tour cylindrique dont l'armature principale est composée de piliers en treillis métallique supportant des déflecteurs courbes pour dévier le vent horizontal en un flux vertical énergétique à l'intérieur de la tour, des turbines pour capter l'énergie de ce flux vertical, des volets mécaniques commandés au sommet pour en contrôler la puissance et sécuriser la tour, des moyens pour capter l'énergie thermique du soleil, des moyens pour transformer les énergies captées en énergie électrique, des moyens pour améliorer le rendement énergétique de l'ensemble. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'armature principale est renforcée par des ceinturages (7). 3) Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend des passerelles (8) renforçant encore la structure générale de la tour, également utilisées pour supporter les paliers (10) de guidage de l'axe vertical (3) de transmission de l'énergie mécanique jusqu'au générateur électrique (5), ainsi que pour la maintenance des matériels. 4) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au sommet de la tour un système de volets mécaniques (6) de régulation du fonctionnement et de sécurisation de la TED : leur fermeture partielle réduit l'échappement du flux d'air vertical et donc sa vitesse, par conséquent sa puissance énergétique ; leur fermeture totale bloque complètement le débit d'air et donc arrête le fonctionnement de la TED pour une sécurisation totale. 5) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des déflecteurs (2) insérés entre les piliers (1), disposés sur toute la hauteur et le pourtour de la tour, constitués de plaques minces rigides ou souples, cintrées pour dévier le vent horizontal et l'amener ainsi à constituer un flux d'air vertical, ascendant et énergétique à l'intérieur de la tour. 6).Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, 30 caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs turbines (4) réparties sur la hauteur de la tour, chacune d'elles constituant un étage, pour augmenter le rendement de l'ensemble (l'énergie du flux d'air non captée par la première turbine se retrouve au niveau de la seconde et ainsi de suite) et pour répartir les efforts mécaniques sur la longueur de l'axe vertical (3) de transmission. 7) Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les déflecteurs (2) n'occupent qu'une portion de la circonférence de la tour, pour les sites où les vents proviennent d'une direction à peu près constante. 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, 5 caractérisé en ce qu'il comprend des déflecteurs latéraux verticaux (12) pour augmenter la surface de prise au vent et donc la puissance d'une TED directionnelle. 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un assemblage de plusieurs TED contiguës et directionnelles. 10 10) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un axe vertical (3), d'un seul tenant sur toute la hauteur de la tour, pour supporter les différentes turbines (4) et véhiculer leur énergie mécanique jusqu'au générateur électrique (5). 11) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, 15 caractérisé en ce que certains des déflecteurs (2) présentent une élongation plus importante (9) à l'intérieur de la tour et à chaque étage de façon à constituer un venturi pour chacune des turbines (4). 12) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la section de la TED présente une forme ovoïde pouvant 20 contenir deux ensembles complets d'axes (3), de turbines (4), de volets de régulation (6) et éventuellement deux générateurs électriques (5). 13) Dispositif selon les revendications 5, 7, et 9, caractérisé en ce que la face supérieure et extérieure des déflecteurs (2) soumis au soleil est peinte en noir mat de façon à mieux capter l'énergie thermique du soleil, 25 pour renforcer le flux d'air ascendant grâce à l'effet cheminée. 14) Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que les parties des déflecteurs (2) soumises au soleil sont équipées de cellules photovoltaïques produisant un surcroît d'énergie électrique. 15) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, 30 caractérisé en ce que la forme générale de la TED peut être différente de celle d'un cylindre régulier, par exemple plus large à la base qu'au sommet, ou renflée vers le milieu de sa hauteur, ou en forme de pyramide verticale allongée, ou tout autre profil visuellement agréable mais toujours fonctionnel.