Brevet FR3016414A1 — publié le 20150717

La présente invention a pour objet une turbine telle qu'une éolienne d'axe essentiellement vertical notamment de type Darrieus à portance active. Les spécialistes cherchent depuis longtemps à récupérer 5 l'énergie éolienne qui a l'avantage d'être propre, c'est-à-dire de ne pas engendrer de pollution thermique ou chimique, et parallèlement d'être inépuisable. Ces avantages sont toutefois compensés dans une large mesure par une série d'inconvénients, liés en particulier au caractère dis-10 persé et intermittent du vent. Il est en outre bien connu que les « parcs » d'éoliennes consomment beaucoup d'espace et ne fonctionnent pas sans nuisances sonores. A ces nuisances sonores s'ajoutent des problèmes écolo-15 gigues, notamment consécutifs aux risques encourus par les oiseaux à proximité des éoliennes. Ces inconvénients font que le marché des éoliennes n'a pas connu ces dernières années l'essor auquel on aurait pu s'attendre, de sorte que les perspectives de développement dans ce domaine sont au-20 jourd'hui très larges. La majeure partie des éoliennes commerciales raccordées au réseau comporte un rotor en forme d'hélice soumis à l'action du vent et monté sur un axe horizontal, lui-même fixé à un mât vertical, ainsi qu'une génératrice qui coopère avec le rotor pour fournir de l'énergie électrique. 25 De telles éoliennes sont particulièrement performantes mais présentent un certain nombre d'inconvénients parmi lesquels on peut mentionner l'obligation de leur adjoindre un mécanisme d'orientation ayant pour fonction d'orienter le rotor dans la direction du vent. De plus, la génératrice ainsi que les organes qui lui sont as-30 sociés (multiplicateur, système de régulation électrique...) doivent obligatoirement être montés à la partie supérieure du mât, ce qui entraîne différentes contraintes. Pour remédier à ces inconvénients, les spécialistes ont cherché à développer des éoliennes d'axe essentiellement vertical, en par-35 ticulier de type Darrieus. De telles éoliennes comportent au moins deux, de préférence trois ailes de rotor profilées, actionnées par le vent et reliées à un axe central essentiellement vertical par des bras de liaison ainsi qu'une génératrice coopérant avec les ailes de rotor pour fournir de l'énergie élec- trique. Ces éoliennes ont en règle générale un profil de type dit « naca ». Elles présentent l'avantage de ne pas avoir à être orientées dans la direction du vent et de permettre de placer la génératrice et les organes associés à terre, mais ne sont pas dénuées d'inconvénients en particulier du fait qu'elles ne démarrent pas automatiquement, ce qui n'est toutefois que peu contraignant dans le cas d'une éolienne raccordée au réseau, compte tenu du fait qu'il est alors possible d'utiliser la génératrice comme un moteur absorbant du courant du réseau pour démarrer l'éolienne. Toutefois, l'inconvénient majeur qui a jusqu'à présent freiné le développement des éoliennes d'axe essentiellement vertical est lié à leur faible efficacité qui est une conséquence directe de leur principe de fonctionnement. En effet, le fonctionnement d'une éolienne d'axe essentiel- lement vertical repose sur l'effet de portance subi par les ailes de rotor profilées soumises à l'action d'un vent apparent dont la vitesse correspond à la résultante de la vitesse tangentielle de l'aile de rotor et de la vitesse réelle du vent. L'effort aérodynamique (force induite) qui s'exerce sur une aile de rotor est pratiquement normal au vent apparent. Cette force induite peut se décomposer en une force axiale ou tangentielle dénommée traînée dans le domaine aéronautique et en une force normale ou portance perpendiculaire à celle-ci. Le couple moteur s'exerçant sur chacune des ailes de rotor correspond ainsi au produit du rayon de l'éolienne par cette force axiale. Par suite, la force normale ou portance de la force induite qui est beaucoup plus importante n'est pas récupérée. Il en résulte qu'une éolienne d'axe essentiellement vertical même très performante ne peut tout au plus que récupérer 50 % de la puissance disponible du vent. Pour remédier à cet inconvénient, on a déjà proposé con-5 formément au document EP 2 183 479 une turbine telle qu'une éolienne d'axe essentiellement vertical à portance active. Il est à noter que dans le cadre de cette description, le terme « essentiellement » doit être compris dans un sens très large, et qu'une turbine d'axe essentiellement vertical peut être constituée par une 10 éolienne de type Darrieus mais également par des éoliennes ou des turbines autres, voire d'axe quasi horizontal, à simple traînée, à traînée différentielle, à circulation instationnaire, pouvant utiliser différents fluides hydrauliques (air, eau...) telles qu'à titre d'exemple non limitatif des turbines de type Giromill ou de type à aubes profilées, fixes ou non. 15 Selon le document EP 2 183 479, il a, plus précisément, dé- jà été proposé une turbine telle qu'une éolienne d'axe essentiellement vertical comportant au moins deux de préférence trois ailes de rotor profilées actionnées par un fluide hydraulique, notamment par le vent et reliées à un axe central essentiellement vertical par des bras de liaison ainsi que 20 des moyens d'activation permettant de récupérer l'énergie mécanique des composantes normales ou portance des forces induites par le fluide hydraulique, notamment par le vent apparent et coopérant avec des moyens telles qu'une génératrice permettant de transformer l'énergie mécanique ainsi récupérée en énergie électrique. 25 Selon cette publication antérieure, de tels moyens d'activation sont constitués par des générateurs linéaires dont les noyaux sont respectivement solidaires des ailes de rotor associées. Or, de tels générateurs linéaires ne sont pas sans présenter des inconvénients dans la mesure où leur rendement est faible ; de plus la 30 récupération de l'énergie à partir de tels moteurs est complexe du fait qu'ils ont un mouvement de rotation par rapport à l'axe central de la turbine, ce qui oblige à leur associer des éléments onéreux tels que par exemple un connecteur tournant. La présente invention a pour objet de proposer une turbine telle qu'éolienne d'axe essentiellement vertical à portance active du type susmentionné de nature à remédier à ces inconvénients. A cet effet, on a eu l'idée conformément à l'invention de 5 remplacer les générateurs linéaires par des moyens d'activation autres permettant de transformer le déplacement linéaire des ailes de rotor en un mouvement de rotation centré sur l'axe de la turbine. Selon l'invention, les moyens d'activation permettant de récupérer l'énergie mécanique de la portance des forces induites par le fluide 10 hydraulique sont ainsi constitués par des organes d'activation linéaires associés à chacune des ailes de rotor qui subissent un mouvement de translation alternatif lors de la rotation de la turbine et par des organes de conversion qui permettent de transformer ce mouvement de translation alternatif en un mouvement de rotation centré sur l'axe de la turbine. 15 Par suite, les efforts de portance exercés par le fluide hy- draulique sur les ailes de rotor profilées créent un mouvement linéaire alternatif sur les bras de liaison qui est conformément à l'invention transformé en un mouvement de rotation centré sur l'axe de la turbine. On peut ainsi centraliser la récupération des efforts de por20 tance et des efforts de traînée exercés par le fluide hydraulique sur les ailes de rotor profilées et créer un couple moteur permettant soit de récupérer l'énergie soit d'entrainer un organe moteur. Selon une autre caractéristique de l'invention, les organes de conversion comportent un galet de récupération d'énergie centré sur 25 l'axe de la turbine. Un tel galet de récupération d'énergie centré sur l'axe de la turbine peut être constitué par un pignon rotatif coopérant avec des organes d'activation linéaires constitués pour chacune des ailes de rotor par un levier oscillant en forme de fourche comportant un bras central fixé à 30 l'aile de rotor par son extrémité et par deux branches latérales respectivement positionnées de part et d'autre du pignon rotatif. Selon un tel mode de réalisation, les branches latérales du levier oscillant sont montées élastiquement et sont équipées, sur leur face interne située en regard du pignon rotatif de crémaillères escamotables 35 susceptibles d'engrener alternativement avec le pignon rotatif. La mise en prise de la crémaillère équipant l'une ou l'autre des branches latérales du levier oscillant avec le pignon rotatif est commandée par une came montée solidairement sur le pignon. Le déplacement en va et vient du levier oscillant entraine ainsi la rotation du pignon rotatif, ce toujours dans le même sens de manière à permettre d'entrainer les moyens permettant de transformer l'énergie mécanique ainsi récupérée en énergie électrique, notamment la génératrice. Toutefois, selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, le galet de récupération d'énergie central est constitué par un galet stationnaire qui coopère avec des galets satellites de même rayon solidaires de ce galet stationnaire central et tournant autour de celui-ci, un galet satellite étant associé à chacune des ailes de rotor. Conformément à un tel mode de réalisation, les organes d'activation linéaires associés à chacune des ailes de rotor sont constitués par une bielle articulée d'une part à l'une de ses extrémités ou première extrémité sur le galet satellite associé à cette aile de rotor, ce en un point de ce galet situé sur sa périphérie, et d'autre part à son autre extrémité ou seconde extrémité à une extrémité d'un coulisseau mobile en translation le long du bras de liaison associé à l'aile de rotor et dont l'autre extrémité est fixée à cette aile de rotor. Le mouvement de translation du coulisseau est de préférence guidé par une glissière solidaire du bras de liaison associé. Selon cette configuration, les bras de liaison ne sont ainsi 25 pas reliés aux ailes de rotor associées directement, mais indirectement par l'intermédiaire des coulisseaux qui se déplacent en translation en va et vient. De manière plus précise, lors de la rotation de la turbine sous l'action du fluide hydraulique les coulisseaux et les bielles se dépla- 30 cent successivement entre une position déployée et une position repliée en entrainant la rotation des galets satellites associés autour du galet stationnaire central. Selon l'invention, les galets satellites associés à chacune des ailes de rotor sont avantageusement montés sur un même plateau 35 centré sur l'axe de la turbine et mobile en rotation par rapport à cet axe. L'axe de ce plateau rotatif permet d'entrainer une génératrice électrique ou un mécanisme autre tel qu'une pompe. L'invention présente ainsi l'avantage de permettre de centraliser au niveau de l'axe central de la turbine la récupération des forces 5 de portance et des forces de traînée générées sur les ailes de rotor par le fluide hydraulique. Les forces de traînée tangentielles sont en effet classiquement récupérées au niveau de l'axe central de la turbine par l'intermédiaire des bras de liaison, tandis que les forces de portance nor- 10 males sont récupérées par l'intermédiaire des ensembles coulisseaux/bielles/galets satellites au niveau de l'axe du plateau rotatif qui est coaxial à cet axe central. Selon une autre caractéristique préférentielle de l'invention le galet stationnaire central n'est pas véritablement fixe, mais est équipé 15 d'une gouverne permettant de l'orienter correctement vis-à-vis du fluide hydraulique. Une telle gouverne qui peut être assimilée à une girouette qui s'oriente automatiquement dans le sens du fluide permet de garantir que les galets satellites et les bielles soient constamment correctement po- 20 sitionnés par rapport au fluide hydraulique et donc de garantir une récupération optimum de l'énergie mécanique de la portance des forces induites par ce fluide hydraulique. Selon une variante de réalisation de l'invention le galet stationnaire central et les galets satellites peuvent être constitués par des 25 poulies, chacune des poulies satellites étant reliée à la poulie stationnaire centrale par une courroie. Il est à noter que deux poulies reliées par une courroie tournent dans le même sens de sorte que selon cette variante de réalisation chacune des poulies satellites doit être montée du même côté du cou- 30 lisseau et de l'aile de rotor associés par rapport à la poulie stationnaire centrale. Une telle configuration permet aux bielles d'exercer un effort moteur permanent sur les poulies satellites respectives. Selon la variante de réalisation préférentielle de l'invention, le galet stationnaire et les galets satellites associés à chacune des ailes de rotor sont constitués par des pignons. Du fait que deux pignons engrenant l'un avec l'autre tour-5 nent en sens inverse une telle variante de réalisation oblige de monter les pignons satellites à l'opposé du coulisseau et de l'aile de rotor associés par rapport au pignon stationnaire central. L'utilisation de jeux de pignons au lieu de jeux de poulies et de courroies présente l'avantage de limiter fortement les pièces d'usure 10 telles que les courroies. Il est à noter que selon l'invention, les bielles peuvent être évidées pour ne pas rentrer en collision avec l'axe central de la turbine. Les caractéristiques de la turbine à portance active qui fait l'objet de l'invention seront décrites plus en détail en se référant aux des- 15 sins non limitatifs annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue de dessus schématique d'une turbine d'axe vertical classique représentant les forces s'exerçant sur cette turbine, - la figure 2 est un schéma illustratif de la configuration d'une turbine correspondant à la variante de réalisation préférentielle de l'invention, 20 - la figure 3 est un schéma illustratif du mode de fonctionnement de cette turbine. Selon la figure 1, la turbine comporte trois ailes de rotor profilées 1 reliées à un axe vertical x-x' par l'intermédiaire de bras de liaison 2. 25 Les ailes de rotor 1 sont soumises à l'action d'un vent appa- rent Va dont la vitesse correspond à la résultante de la vitesse du vent réel V et de la vitesse tangentielle des ailes de rotor 1. Ce vent apparent Va exerce sur les ailes de rotor 1 une force induite F qui est normale à celui-ci. 30 Cette force induite F se décompose en une force axiale ou traînée T et en une force normale ou portance P. La traînée T est classiquement utilisée par une génératrice non représentée pour fournir de l'énergie électrique. Selon la figure 2, la turbine à portance active conforme à 35 l'invention permet également de récupérer l'énergie des forces normales ou portance P des forces F induites sur les ailes de rotor 1 par le fluide hydraulique. Selon la figure 2, cette turbine à portance active comporte également trois ailes de rotor profilées 1 dont une seule est représentée qui sont reliées indirectement à l'axe vertical x-x' par des bras de liaison 2, ce par l'intermédiaire de moyens d'activation qui permettent de récupérer l'énergie mécanique de la portance P des forces F induites par le fluide hydraulique. Ces moyens d'activation comportent un pignon stationnaire 10 central 3 ainsi que trois pignons satellites 4 de même rayon engrenant avec ce pignon stationnaire central 3 de façon à tourner autour de celui-ci. Un galet satellite 4 est associé à chacune des ailes de rotor 1 et à chacun des bras de liaison 2. 15 Dans un but de clarté, seuls sont représentés sur la figure 2 un pignon satellite 4 et les éléments de liaison de ce pignon satellite 4 et de l'aile de rotor 1 associée. Il va de soi que ces éléments de liaison sont identiques pour les trois pignons satellites 4 et les trois ailes de rotor 1. 20 Selon la figure 2, le pignon satellite 4 est équipé sur sa pé- riphérie d'une pige cylindrique 5 sur laquelle est articulée une bielle 6 par une première de ses extrémités. Cette bielle 6 est évidée au niveau de l'axe x-x' de la turbine pour ne pas rentrer en collision avec cet axe. 25 La bielle 6 est en outre articulée au niveau de sa seconde extrémité 7 à une extrémité d'un coulisseau 8 dont l'autre extrémité 9 est fixée à l'aile de rotor 1. Le coulisseau 8 est mobile en va et vient le long du bras de liaison 2. 30 Cette translation du coulisseau 8 est guidée par une glis- sière 10 fixée solidairement sur ce bras de liaison 2. Le pignon satellite 4 est monté à l'opposé du coulisseau 8 et de l'aile de rotor 1 par rapport au pignon stationnaire central 3. La bielle 6 exerce ainsi en permanence un effort moteur sur 35 le pignon satellite 4 de façon à l'entrainer en rotation. Selon la figure 2, les trois pignons satellites 4 sont montés sur un même plateau 12 centré sur l'axe x-x' de la turbine et mobile en rotation par rapport à cet axe. L'axe de ce plateau rotatif 12 permet d'entrainer une géné5 ratrice électrique non représentée sur les figures. Comme représenté schématiquement sur la figure 3, lors de la rotation de la turbine sous l'action du fluide hydraulique, les coulisseaux 8 et les bielles 6 se déplacent successivement entre une position déployée sur un demi-tour et une position repliée sur un demi-tour en en- 10 traînant la rotation des pignons satellites 4 associés autour du pignon stationnaire central 3. Le mouvement de translation en va et vient des bielles 6 et des coulisseaux 8 est transformé en un mouvement de rotation de l'axe du plateau rotatif 12 centré sur l'axe x-x' de la turbine. 15 Une gouverne 11 montée sur l'axe x-x' du pignon station- naire central 3 permet de l'orienter correctement vis-à-vis du fluide hydraulique. REVENDICATIONS1°) Turbine telle qu'éolienne d'axe essentiellement vertical comportant au moins deux de préférence trois ailes de rotor profilées (1) actionnées par un fluide hydraulique, notamment par le vent et reliées à un axe central 5 essentiellement vertical par des bras de liaison (2) ainsi que des moyens d'activation permettant de récupérer l'énergie mécanique des composantes normales ou portance des forces induites par le fluide hydraulique, notamment par le vent apparent et coopérant avec des moyens permettant de transformer l'énergie mécanique ainsi récupérée en énergie électrique, 10 caractérisée en ce que les moyens d'activation permettant de récupérer l'énergie mécanique de la portance des forces induites par le fluide hydraulique sont constitués par des organes d'activation linéaires (6, 8) associés à chacune des ailes de rotor (1) qui subissent un mouvement de translation alternatif lors de 15 chaque rotation de la turbine ainsi que par des organes de conversion (3,4) qui permettent de transformer ce mouvement de translation alternatif en un mouvement de rotation centré sur l'axe x-x' de la turbine. 2°) Turbine conforme à la revendication 1, 20 caractérisée en ce que les organes de conversion comportent un galet de récupération d'énergie (3) centré sur l'axe x-x' de la turbine. 3°) Turbine conforme à la revendication 2, 25 caractérisée en ce que le galet de récupération d'énergie central est un galet stationnaire (3) et coopère avec des galets satellites (4) de même rayon solidaires de ce galet stationnaire central (3) et tournant autour de celui-ci, un galet satellite (4) étant associé à chacune des ailes de rotor (1), et, 30 les organes d'activation linéaires associés à chacune des ailes de rotor (1) sont constitués par une bielle (6) articulée d'une part à l'une de ses extrémités ou première extrémité sur le galet satellite (4) associé à cette aile de rotor (1) en un point de ce galet situé sur sa périphérie, et d'autre part à son autre extrémité ou seconde extrémité (7) à une extrémité d'un coulis-seau (8) mobile en translation le long du bras de liaison (2) et dont l'autre extrémité (9) est fixée à l'aile de rotor (1) associé. 4°) Turbine conforme à la revendication 3, caractérisée en ce que le mouvement de translation du coulisseau (8) est guidé par une glissière (10) solidaire du bras de liaison (2) associé. 5°) Turbine conforme à l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisée en ce que le galet stationnaire central (3) est équipé d'une gouverne (11) permettant de l'orienter correctement vis-à-vis du fluide hydraulique. 6°) Turbine conforme à l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisée en ce que les galets satellites (4) associés à chacune des ailes de rotor (1) sont montés sur un même plateau (12) mobile en rotation par rapport à l'axe x-x' central de la turbine. 7°) Turbine conforme à l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisée en ce que le galet stationnaire (3) et les galets satellites (4) associés à chacune des ailes de rotor (1) sont constitués par des pignons. 8°) Turbine conforme à la revendication 7, caractérisée en ce que les pignons satellites (4) sont montés à l'opposé du coulisseau (8) associé par rapport au galet stationnaire central (3). 9°) Turbine conforme à l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisée en ce que les bielles (6) sont évidées pour ne pas rentrer en collision avec l'axe central de la turbine. 30 35