Brevet FR3011285A1 — publié le 20150403

La présente invention concerne le domaine technique des appareils permettant de capter l'énergie d'un fluide en mouvement, et elle vise en particulier les éoliennes capables de transformer l'énergie du vent en une énergie mécanique ou électrique. Selon l'application préférée, l'objet de l'invention concerne une éolienne à axe de rotation vertical ou sensiblement vert cal. Les éoliennes à axe vertical présentent, par rapport aux éoliennes à axe horizontal, un certain nombre d'avantages tels que l'absence d'un mécanisme pour les orienter dans le sens du vent, un fonctionnement correct même avec un vent qui change rapidement d'orientation, et un positionnement statique du générateur électrique facilitant le raccordement électrique. Dans le domaine des éoliennes à axe vertical, il est connu les éoliennes exploitant principalement la tramée différentielle, telles que les éoliennes de type Savonius. Ce type d'éoliennes présente une conception simple, fonctionnant correctement avec des vents turbulents et démarrant généralement seul, mais présente toutefois un rendement faible. Il est également connu les éoliennes de type Darrieus qui exploitent principalement la portance. Ce type d'éolienne permet d'obtenir des rendements supérieurs aux éoliennes de type Savonius, mais présente l'inconvénient d'une difficulté à démarrer seul ou sans assistance. Par exemple, la demande de brevet FR 2 567 588 décrit une éolienne à axe vertical visant à supprimer le recours au système auxiliaire de mise en route tout en augmentant le rendement. L'éolienne décrite par ce document comprend une structure de support pour des pales se présentant sous la forme d'un axe de rotation vertical équipé radialement de bras à l'extrémité desquels sont fixées des pales. Chaque pale comporte d'une part, une aile présentant un bord d'attaque relié à un bord de fuite par un corps délimitant une face externe et une face interne et d'autre part, un déflecteur s'étendant à distance du bord d'attaque de l'aile. L'analyse des solutions techniques antérieures conduit à constater qu'il n'existe pas d'éolienne apte à démarrer seule, même à faible vitesse, tout en présentant un bon rendement. L'objet de l'invention vise donc à satisfaire ce besoin en proposant un nouveau rotor pour éolienne conçu pour permettre le démarrage sans recourir à un système d'assistance ou auxiliaire, même en cas de vents à vitesse faible, tout en atteignant un haut rendement. L'invention concerne ainsi un rotor pour éolienne comportant une structure de support d'une série de pales réparties à la périphérie de la structure et comportant chacune d'une part, une aile présentant un bord d'attaque relié à un bord de fuite par un corps délimitant une face externe et une face interne et d'autre part, un déflecteur s'étendant à distance du bord d'attaque de l'aile. Selon l'invention, pour chaque pale, le déflecteur s'étend en vis-à-vis de l'aile sur une longueur limitée pour délimiter avec l'aile, un couloir d'entrée d'air dont la largeur décroit du bord d'attaque en direction du bord de fuite. Le rotor selon l'invention comporte en outre, en combinaison, l'une et/ou l'autre des caractéristiques additionnelles suivantes : pour chaque pale, le couloir d'entrée d'air décroit progressivement, - pour chaque pale, le couloir d'entrée d'air décroit d'une valeur comprise entre 30 et 50% entre son entrée et sa sortie, délimitées respectivement par les bords externe et interne du déflecteur, - pour chaque pale, la largeur maximale du couloir d'entrée est égale à une valeur comprise entre 10 et 20% de la longueur de la ligne de corde de l'aile, - au moins une partie de la face externe des ailes s'étend selon un cercle à partir duquel sont localisés les bords externes des déflecteurs, pour chaque aile, le bord d'attaque présente un profil convexe reliant les faces interne et externe entre elles et les faces interne et externe présentent des profils différents tels que la ligne de cambrure de l'aile possède à partir du bord d'attaque, une flèche vers la face interne, et à partir du bord de fuite, une flèche vers la face externe, - pour chaque pale, la flèche de la ligne de cambrure de l'aile vers la face interne, possède une vale'ur comprise entre 0,5% et 2% de la longueur de la ligne de corde de l'aile tandis que la flèche de la ligne de cambrure de l'aile vers la face externe possède une valeur comprise entre 3 et 5% de la longueur de la ligne de corde de l'aile, - pour chaque pale, l'aile possède à partir du bord d'attaque, des faces interne et externe de profil bombé, et à partir du profil bombé, un profil se rétrécissant jusqu'au bord de fuite, - pour chaque pale, l'épaisseur maximale présentée par l'aile est égale 10 à une valeur comprise entre 20 et 30% de la longueur de la ligne de corde de l'aile, - la somme des longueurs de la ligne de corde des ailes des pales est égale à une valeur comprise entre 0,45 et 0,55 fois la circonférence du cercle passant par les surfaces externes des ailes, 15 - la structure de support des pales comporte un disque et une couronne entre lesquels les pales sont montées, la couronne laissant subsister dans son centre une ouverture pour l'air, - le rotor est équipé d'un générateur à aimants permanents, - le rotor comporte un nombre pair de pales, 20 - le disque est pourvu à sa périphérie d'une jupe de protection s'étendant en direction opposée des pales. Un autre objet de l'invention concerne une éolienne équipée d'un rotor conforme à l'invention et avec un axe vertical comportant un stator équipé d'un système de guidage en rotation pour le rotor. 25 Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. La Figure 1 est une vue d'ensemble en coupe élévation d'une éolienne conforme à l'invention. 30 La Figure 2 est une vue en perspective d'un exemple de réalisation d'un rotor conforme à l'invention pour une éolienne illustrée à la Fig. 1. La Figure 3 est une vue en coupe transversale du rotor conforme à l'invention, montrant la disposition relative des pales. La Figure 4 est une vue montrant le profil d'une aile conforme à l'invention. Tel que cela ressort des figures, l'objet de l'invention concerne une éolienne 1 comportant un stator 2, équipé d'un système de guidage en rotation 3, pour un rotor 4 selon un axe de rotation X. Le rotor 4 tourne autour de l'axe de rotation X selon un sens de déplacement, représenté à la figure 3, par la flèche f (fig. 3). Selon une application préférée, l'éolienne 1 est montée de manière que l'axe de rotation X du rotor 4 s'étende verticalement ou sensiblement verticalement lors de son fonctionnement. Il est à noter que l'éolienne 1 selon l'invention peut également être facilement positionnée dans des positions différentes avec son axe de rotation qui se trouve perpendiculaire ou sensiblement perpendiculaire par rapport à la direction du fluide. Tel que cela ressort plus précisément des Fig. 1 et 2, le rotor 4 comporte une structure de support 6 pour une série de pales 7 réparties avantageusement, de manière régulière, à la périphérie de la structure de support 6. Dans l'exemple de réalisation illustré sur les dessins, la structure de support 6 comporte un disque inférieur 8 supportant l'une des extrémités inférieures des pales 7 et une couronne 9 dite supérieure fixée sur les extrémités supérieures des pales 7. De préférence, la couronne 9 laisse subsister en son centre, une ouverture 11 pour le passage de l'air. Le disque 8 est avantageusement plein en étant pourvu en son centre d'un axe 12 coopérant avec le système de guidage en rotation 3. Bien entendu, la structure de support 6 des pales 7 peut être réalisée de manière différente. Par exemple, cette structure de support 6 peut comporter un axe à partir duquel s'étendent radialement des bras aux extrémités desquels les pales 7 sont fixées. Les pales 7 sont montées pour s'étendre parallèlement entre elles et parallèlement à l'axe de rotation X. Dans l'exemple illustré, les pales 7 sont considérées comme s'étendant verticalement. Chaque pale 7 comporte une aile 1.3 présentant un bord d'attaque 1.4 relié à un bord de fuite 15 par un corps 16 qui délimite d'un côté, une face externe 17 et du côté opposé, une face interne 18 (figure 3). Les faces 17 et 18 du corps 16 de l'aile 13 sont dites externe et interne en considération de l'intérieur et de l'extérieur du rotor 4. De manière classique, chaque aile 13 présente une ligne de corde 19 correspondant à la ligne droite prise entre les points d'extrémité du bord d'attaque 14 et du bord de fuite 15 (Fig. 4). De même, chaque aile 13 présente une ïgne de cambrure correspondant à la ligne médiane 20 entre les faces externe 17 et interne 18 du corps 16. Les corps 16 des ailes 17 s'étendent ainsi continument entre le disque 8 et la couronne 9 avec les bords d'attaque 14 et les bords de fuite 15 qui s'étendent parallèlement à l'axe de rotation X. Comme cela ressort plus précisément de la Fig. 3, les ailes 13 sont orientées de manière à être contenues entièrement à l'intérieur d'un cercle C passant par au moins une partie des faces externes 17 des ailes. Le cercle C correspond ainsi à la surface maximale couverte par les pales 7 lors de leur rotation. Le cercle C est ainsi tangent sur au moins une partie des faces externes des ailes 13. Chaque pale 7 comporte également un déflecteur 21 s'étendant à distance du bord d'attaque 14 de l'aile 13. Chaque déflecteur 21 s'étend 20 également continument entre le disque 8 et la couronne 9. Chaque déflecteur 21 est délimité par un bord externe 22 et à l'opposé, par un bord interne 23. Les bords externe 22 et interne 23 pris en considération de l'intérieur et l'extérieur du rotor s'étendent parallèlement entre eux et parallèlement à l'axe de rotation X. Les bords externes 22 des déflecteurs 25 sont situés avantageusement au niveau sensiblement du cercle C. Conformément à l'invention, pour chaque pale 7, le déflecteur 21 s'étend en vis-à-vis de l'aile 1.3 sur une longueur limitée pour délimiter avec cette aile 13, un couloir d'entrée d'air 25 dont la largeur 1 décroit du bord d'attaque 14 en direction du bord de fuite 15. Le couloir d'entrée 25 30 présente ainsi une entrée délimitée entre le bord externe 22 du déflecteur et la partie de l'aile 13 en correspondance, à savoir le bord d'attaque 14, et une sortie délimitée entre le bord interne 23 et la partie de l'aile en correspondance, à savoir la face interne 18. Selon une variante avantageuse de réalisation, le couloir d'entrée d'air 25 décroit progressivement entre son entrée et sa sortie c'est-à-dire que sa largeur I décroit progressivement de son entrée jusqu'à sa sortie. Avantageusement, pour chaque pale 7, le couloir d'entrée d'air 25 décroit d'une valeur comprise entre 30 et 50% entre son entrée et sa sortie. Il doit donc être considéré que la distance entre le déflecteur 21 et l'aile 13 se réduit en allant de l'extérieur vers l'intérieur afin d'accélérer la 10 vitesse de l'air en passant dans ce sens. Ce flux d'air rapide favorise l'accrochage de la couche limite. La distance entre le déflecteur 21 et l'aile 1.3 doit être suffisamment grande pour laisser passer une quantité significative d'air entre les deux et suffisamment petite pour ne pas trop augmenter la tramée de l'aile 13. Avantageusement, pour chaque pale 7, la 15 largeur maximale du couloir d'entrée 25 est égale à une valeur comprise entre 10 et 20% de la longueur de la ligne de corde 19 de l'aile 13. Selon une variante de réalisation illustrée sur les dessins, pour chaque pale 7, le bord d'attaque 14 présente un profil convexe reliant les faces interne 18 et externe 17 entre elles. 20 Les faces interne 18 et externe 17 présentent des profils différents tels que la ligne de cambrure 20 de l'aile possède à partir du bord d'attaque 14, une flèche d vers la face interne 18 et à partir du bord de fuite 15, une flèche d vers la face externe 17. En d'autres termes, l'aile 13 présente une ligne de cambrure 20 avec une flèche positive pour la partie la plus proche 25 du bord d'attaque 14 (bombé vers l'intérieur du rotor) tandis que la ligne de cambrure 20 présente une flèche négative (bombé vers l'extérieur du rotor), pour la partie située à proximité du bord de fuite 15. Cette disposition permet d'obtenir un bon coefficient de couple dans le sens de rotation de l'éolienne. 30 Selon une variante avantageuse de réalisation, pour chaque pale 7, la flèche d de la ligne de cambrure 20 de l'aile possède, vers la face interne 18, une valeur comprise entre 0,5 et 2°/0 et par exemple une valeur égale à 1% de la longueur de la ligne de corde 19 de l'aile, tandis que la flèche d de la ligne de cambrure 20 de l'aile vers la face externe 1.7 possède une valeur comprise entre 3 et 5% de la longueur de la ligne de corde 19 de l'aile et par exemple une valeur égale à 4%. Selon cette variante de réalisation, l'aile présente une tramée pas trop élevée. Il est à noter que la face externe 17 de l'aile suit, sur une partie sensiblement le cercle C du rotor de l'éolienne et que le bord externe 22 du déflecteur 21 se trouve à peu près situé sur ce cercle C, permettant ainsi d'obtenir une tramée relativement faible pour le mouvement de l'aile contre le sens du vent. Tel qu'il ressort des Figures, pour chaque pale 7, l'aile 13 possède à partir du bord d'attaque 14, des faces interne 18 et externe 17 de profil bombé, et à partir du profil bombé, un profil se rétrécissant jusqu'au bord de fuite. Chaque aile 13 possède ainsi un corps 16 de forme tridimensionnelle. Pour chaque pale 7, l'épaisseur maximale présentée par l'aile 13 est égale à une valeur comprise entre 20 et 30% de la longueur de la ligne de corde 19 de l'aile. Un tel dimensionnement permet d'augmenter l'angle d'incidence maximal avant décrochage. Selon une caractéristique avantageuse de réalisation, la somme des longueurs de la ligne de corde 19 de l'ensemble des ailes 13 du rotor 4 est égale à une valeur comprise entre 0,45 et 0,55 fois la circonférence du cercle C passant par les faces externes 17 des ailes. Un tel dimensionnement permet de vaincre le couple de friction même à très faible vitesse du vent. Un tel dimensionnement permet de fournir un couple relativement important. Selon une variante avantageuse de réalisation, le rotor 4 comporte un nombre pair de pales 7. Ainsi, chaque aile 13 qui doit se déplacer dans le sens opposé au vent, est contrebalancée par une aile de même taille et de même bras de levier qui se déplace dans le sens du vent. Par exemple, il peut être prévu de réaliser un rotor avec 4 ailes. Avantageusement, le rotor est équipé d'un générateur 31 à aimants permanents. Selon une variante de réalisation illustrée plus particulièrement à la Fig. 1, le disque 8 est pourvu à sa périphérie d'une jupe de protection 30 s'étendant en direction opposée des pales et permettant de protéger le générateur à aimants permanents 31 dont une partie est montée solidaire du disque 8. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS1. - Rotor pour éolienne comportant une structure de support (6) d'une série de pales (7) réparties à la périphérie de la structure et comportant chacune d'une part, une aile (13) présentant un bord d'attaque (14) relié à un bord de fuite (15) par un corps (16) délimitant une face externe (17) et une face interne (18) et d'autre part, un déflecteur (21) s'étendant à distance du bord d'attaque de l'aile caractérisé en ce que pour chaque pale (7), le déflecteur (21) s'étend en vis-à-vis de l'aile (13) sur une longueur limitée pour délimiter avec l'aile (13), un couloir d'entrée d'air (25) dont la largeur décroit du bord d'attaque (14) en direction du bord de fuite (15). 2 - Rotor pour éolienne selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour chaque pale (7), le couloir d'entrée d'air (25) décroit progressivement. 3 - Rotor pour éolienne selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que pour chaque pale (7), le couloir d'entrée d'air (25) décroit d'une valeur comprise entre 30 et 500/0 entre son entrée et sa sortie, délimitées respectivement par les bords externe et interne du déflecteur (21). 4 - Rotor pour éolienne selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que pour chaque pale (7), la largeur maximale du couloir d'entrée (25) est égale à une valeur comprise entre 10 et 20% de la longueur de la ligne de corde (19) de l'aile. 5 - Rotor pour éolienne selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins une partie de la face externe (17) des ailes (13) s'étend selon un cercle (C) à partir duquel sont localisés les bords externes (22) des déflecteurs (21). 6 - Rotor pour éolienne selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que pour chaque aile (13), le bord d'attaque (14) présente un profil convexe reliant les faces interne (18) et externe (17) entre elles et en ce que les faces interne (18) et externe (17) présentent des profils différents tels que la ligne de cambrure (20) de l'aile possède à partir du bord d'attaque (14), une flèche (d) vers la face interne (18), et à partir du bord de fuite, une flèche vers la face externe (17). 301 1 2 8 5 10 7 - Rotor pour éolienne selon la revendication 6, caractérisé en ce que pour chaque pale (7), la flèche (d) de la ligne de cambrure (20) de l'aile vers la face interne (18), possède une valeur comprise entre 0,5% et 2% de la longueur de la ligne de corde (19) de l'aile tandis que la flèche (d) de la 5 ligne de cambrure (20) de l'aile vers la face externe possède une valeur comprise entre 3 et 5% de la longueur de la ligne de corde (19) de l'aile. 8 - Rotor pour éolienne selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que pour chaque pale (7), l'aile (13) possède à partir du bord d'attaque (14), des faces interne (18) et externe (17) de profil bombé, et à partir du 10 profil bombé, un profil se rétrécissant jusqu'au bord de fuite (15). 9 - Rotor pour éolienne selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que pour chaque pale (7), l'épaisseur maximale présentée par l'aile (13) est égale à une valeur comprise entre 20 et 30% de la longueur de la ligne de corde (19) de l'aile. 15 10 - Rotor pour éolienne selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la somme des longueurs de la ligne de corde (19) des ailes (13) des pales (7) est égale à une valeur comprise entre 0,45 et 0,55 fois la circonférence du cercle (C) passant par les surfaces externes des ailes. 11- Rotor pour éolienne selon l'une des revendications 1 à 10, 20 caractérisé en ce que la structure de support des pales (7) comporte un disque (8) et une couronne (9) entre lesquels les pales (7) sont montées, la couronne (9) laissant subsister dans son centre une ouverture (11) pour l'air. 12 Rotor pour éolienne selon l'une des revendications 1 à 11, 25 caractérisé en ce qu'il est équipé d'un générateur à aimants permanents (31), 13 - Rotor pour éolienne selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte un nombre pair de pales (7). 14 - Rotor pour éolienne selon l'une des revendications 11 à 13, 30 caractérisé en ce que le disque (8) est pourvu à sa périphérie d'une jupe de protection (30) s'étendant en direction opposée des pales (7).15 - Eolienne à axe vertical caractérisée en ce qu'elle comporte un stator (2) équipé d'un système de guidage en rotation (3) pour le rotor (4) conforme à l'une des revendications 1 à 14.