Brevet FR3038013A1 — publié le 20161230

La présente invention a pour objet une turbine à portance active à déplacement contrôlé. Les spécialistes cherchent depuis longtemps à récupérer 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 dispersé 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- giques, 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 aujourd'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. 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 associés (multiplicateur, système de régulation électrique...) doivent obligatoirement être montés à la partie supérieure du mât, ce qui entraîne différentes contraintes. 3038013 2 Pour remédier à ces inconvénients, les spécialistes ont cherché à développer des éoliennes d'axe essentiellement vertical, en particulier de type Darrieus. De telles éoliennes comportent au moins deux, de préfé- 5 rence 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 électrique. Ces éoliennes ont en règle générale un profil de type dit 10 « 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 15 qui n'est toutefois que peu contraignant dans le cas d'une éolienne rac- cordée 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 20 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 25 profilées soumises à l'action d'un vent apparent dont la vitesse corres- pond 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. 30 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 ro- tor correspond ainsi au produit du rayon de l'éolienne par cette force axiale. 3038013 3 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 verti- cal même très performante ne peut tout au plus que récupérer 50 `)/0 de 5 la puissance disponible du vent. Pour remédier à cet inconvénient, on a déjà proposé des turbines d'axe essentiellement vertical à portance active. On a en particulier déjà proposé une turbine telle qu'une éolienne d'axe essentiellement vertical comportant au moins deux de 10 préférence trois ailes de rotor profilées actionnées par un fluide hydrau- lique, notamment par le vent et reliées à un axe central essentiellement vertical par des bras de liaison 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 15 le vent apparent et coopérant avec des moyens telles qu'une génératrice permettant de transformer l'énergie mécanique ainsi récupérée en énergie électrique. Selon le document EP 2 183 479, de tels moyens d'activation sont constitués par des générateurs linéaires dont les 20 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 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 de rota- 25 tion de la turbine, ce qui oblige à leur associer des éléments onéreux tels que par exemple un connecteur tournant. Pour remédier à ces inconvénients, on a également déjà proposé, conformément au document non publié FR 14 50334, une turbine à portance active du type susmentionné dans laquelle les bras 30 de liaison sont équipés de moyens d'activation autres que des généra- teurs linéaires. Selon ce document, une telle turbine à portance active comprend des organes d'activation linéaires associés à chacune des ailes de rotor qui subissent un mouvement de translation alternatif lors 35 de chaque rotation de la turbine et des organes de conversion qui per- 3038013 4 mettent de transformer ce mouvement de translation alternatif en un mouvement centré sur l'axe de rotation de la turbine de façon à permettre de récupérer l'énergie mécanique des composantes normales ou portance des forces induites par le fluide hydraulique pour pouvoir la 5 transformer en énergie électrique. Les organes de conversion sont plus précisément constitués par un galet stationnaire centré sur l'axe de la turbine et coopérant avec des galets satellites respectivement associés à chacune des ailes de rotor, solidaires du galet stationnaire et tournant autour de ce galet. 10 Les organes d'activation linéaires associés à chacune des ailes de rotor sont quant à eux 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, en un point de ce galet situé sur sa périphérie, et d'autre part à son autre extrémité ou seconde extrémité à une 15 extrémité d'un coulisseau mobile en translation le long du bras de liai- son et dont l'autre extrémité est fixée à l'aile de rotor associée. Malgré ses performances globalement satisfaisantes, une telle turbine à portance active présente un inconvénient consécutif au fait que le mouvement de translation radial d'une aile de rotor lié à la 20 rotation du pignon satellite associé autour du pignon stationnaire crée une vitesse de translation transversale de nature à réduire l'angle d'incidence, c'est-à-dire l'angle entre la vitesse de rotation tangentielle de l'aile de rotor et le vent apparent et par suite la force induite s'exerçant sur cette aile de rotor qui est essentiellement perpendiculaire 25 au vent apparent et dépend de l'angle d'incidence et de la vitesse du vent. La présente invention a pour objet de proposer une tur- bine telle qu'éolienne à portance active à déplacement contrôlé du type susmentionné de nature à remédier à cet inconvénient. 30 Selon l'invention, une telle turbine est caractérisée en ce que la distance entre l'axe de rotation de la turbine et le point de fixation du coulisseau sur l'aile de rotor associée est contrôlée et est notamment essentiellement constante au cours de la rotation de la turbine alors que la distance entre le centre du galet satellite et l'axe de rotation 3038013 5 de la turbine varie au cours de la rotation du galet satellite autour du galet stationnaire. Selon l'invention, deux variantes peuvent être envisagées pour permettre de maintenir constante la distance susmentionnée. 5 Selon la première de ces variantes, le centre du galet sta- tionnaire est décalé par rapport à l'axe de rotation de la turbine. Selon la seconde variante, le galet stationnaire et/ou les galets satellites est(sont) constitué(s) par une(des) came(s) de forme non circulaire. 10 Une combinaison de ces deux variantes peut également être envisagée. Selon l'invention, le galet stationnaire et les galets satel- lites associés à chacune des ailes de rotor sont en règle générale constitués par des pignons. 15 Selon l'invention, le mouvement de translation du coulis- seau est de préférence guidé par une glissière solidaire du bras de liaison associé. Les bras de liaison ne sont ainsi pas reliés aux ailes de rotor associées directement, mais indirectement par l'intermédiaire des 20 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 déplacent successivement entre une position déployée et une position repliée en entraînant la rotation des pignons satellites associés autour du 25 pignon stationnaire. Les pignons satellites associés à chacune des ailes de rotor sont avantageusement montés sur un même plateau centré sur le centre géométrique du galet stationnaire qui n'est pas confondu avec l'axe de rotation de la turbine et mobiles en rotation par rapport à un 30 axe secondaire passant par ce centre géométrique. Cet axe secondaire permet d'entraîner une génératrice électrique ou un mécanisme autre tel qu'une pompe. De même, l'axe de rotation de la turbine permet d'entraîner une génératrice électrique ou un mécanisme autre tel 35 qu'une pompe. 3038013 6 L'axe secondaire non confondu avec l'axe de rotation de la turbine permet de récupérer les forces de portance tandis que l'axe de rotation de la turbine permet de récupérer les forces de traînée. Ces forces de portance et de traînée sont générées sur les 5 ailes de rotor par le fluide hydraulique. Les forces de traînée tangentielles sont en effet classiquement récupérées au niveau de l'axe de rotation de la turbine par l'intermédiaire des bras de liaison tandis que les forces de portance normales sont récupérées par l'intermédiaire des ensembles coulis- 10 seaux/bielles/pignons satellites au niveau de l'axe secondaire qui n'est pas coaxial à l'axe de rotation de la turbine. Les caractéristiques de la turbine à portance active à dé- placement contrôlé qui fait l'objet de l'invention seront décrites plus en détail en se référant aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels : 15 la figure 1 est un schéma illustratif d'une turbine à portance active conforme à la première variante de l'invention, la figure 2 est un schéma illustratif des forces s'exerçant sur les ailes de rotor d'une turbine classique la figure 3 est un schéma représentant les forces s'exerçant sur 20 une turbine à portance active telle que décrite dans le document non publié FR 14 50334, la figure 4 est un schéma correspondant à la figure 3 mais représentant une turbine conforme à la première variante de l'invention, la figure 5 est un schéma illustrant une autre variante de turbine à 25 portance active. Selon la figure 1, la turbine à portance active comporte trois ailes de rotor profilées 1 dont une seule est représentée qui sont reliées indirectement à l'axe de rotation de la turbine x-x' par des bras de liaison 2, ce par l'intermédiaire de moyens d'activation qui permet- 30 tent de récupérer l'énergie mécanique de la portance P des forces F in- duites par le fluide hydraulique. Ces moyens d'activation comportent un pignon station- naire central 3 dont le centre géométrique A est décalé par rapport à l'axe de rotation x, x' de la turbine ainsi que trois pignons satellites 4 de 3038013 7 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. 5 Dans un but de clarté, seuls sont représentés sur la fi- gure 1 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. 10 Selon la figure 1, le pignon satellite 4 est équipé sur sa périphérie d'une pige cylindrique 5 sur laquelle est articulée une bielle 6 par une première de ses extrémités. 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 15 est fixée à l'aile de rotor 1. Le coulisseau 8 est mobile en va et vient le long du bras de liaison 2. Cette translation du coulisseau 8 est guidée par une glissière 10 fixée solidairement sur ce bras de liaison 2. 20 La bielle 6 exerce ainsi en permanence un effort moteur sur le pignon satellite 4 de façon à l'entrainer en rotation. Selon la figure 1, les trois pignons satellites 4 sont mon- tés sur un même plateau 12 centré sur le centre géométrique A du pignon stationnaire 3 et mobile en rotation autour d'un axe secondaire 25 y, y' passant par ce centre géométrique A. L'axe y, y' de ce plateau rotatif 12 permet d'entrainer une génératrice électrique non représentée. Lors de la rotation de la turbine sous l'action du fluide hydraulique, les coulisseaux 8 et les bielles 6 se déplacent successive- 30 ment entre une position déployée sur un demi-tour et une position re- pliée sur un demi-tour en entrainant 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 35 l'axe du plateau rotatif 12 centré sur l'axe secondaire y, y'. 3038013 8 Une gouverne 11 centrée sur l'axe de rotation x, x' de la turbine permet de positionner correctement le pignon stationnaire 3 vis-à-vis du fluide hydraulique. Selon la figure 2, une aile de rotor 1 d'une turbine clas- 5 Bique est soumise à l'action d'un vent apparent W. Ce vent apparent crée sur le profil d'aile 1 une force in- duite F qui est essentiellement perpendiculaire à la direction du vent apparent W. Cette force induite F se décompose en une force tangen- 10 tielle T (ou traînée) et en une force normale N (ou portance) Selon la figure 3, la vitesse apparente W correspond à la résultante de la vitesse du vent réel V, de la vitesse tangentielle U des ailes du rotor 1 et de la composante transversale R, créée par le mouvement de translation radiale de l'aile du rotor 1 lié à la rotation du pi- 15 gnon satellite 4 associé autour du pignon stationnaire 3. La valeur de la force induite F dépend de l'angle d'inci- dence i entre le vent apparent W et la vitesse tangentielle U de l'aile de rotor 1. Or la présence de la composante R, liée à la translation 20 radiale de l'aile de rotor 1 est de nature à réduire la valeur de l'angle d'incidence i et donc la valeur de la force induite F. Selon la figure 4, on peut réduire, annuler ou inverser la direction de la composante transversale R en maintenant essentiellement constante au cours de la rotation de la turbine la distance entre 25 l'axe de rotation x, x' de la turbine (point 0) et le point de fixation C du coulisseau 8 sur l'aile de rotor 1 associée, alors que la distance entre le centre B du pignon satellite 4 et l'axe de rotation x, x' de la turbine (point O) varie au cours d'une rotation. Une autre possibilité non représentée sur les figures con- 30 siste à réaliser le pignon stationnaire et/ou le pignon satellite 4 sous la forme d'une ou deux cames non circulaires. Selon figure 5, pour optimiser ou réduire les vibrations, il est possible de décaler angulairement d'un angle d l'axe du coulisseau 8 par rapport à l'axe O-B reliant les deux centres géométriques des 35 pignons 3 et 4. 3038013 9 NOMENCLATURE 1 Ailes de rotor 2 Bras de liaison 5 3 Pignon stationnaire central 4 Pignons satellites 5 Pige cylindrique 6 Bielle 7 Seconde extrémité 10 8 Coulisseau 9 Autre extrémité 10 Glissière 11 Gouverne 12 Plateau tournant 15 / Vent réel W Vent apparent u Vitesse tangentielle R Composante transversale 20 F Force induite P Portance T Traînée i Angle d'incidence 25 A Centre géométrique du pignon stationnaire B Centre du galet satellite C Point de fixation du coulisseau sur l'aile de rotor O Centre de rotation de la turbine x, x' Axe de rotation de la turbine 30 y, y' Axe secondaire REVENDICATIONS1°) Turbine telle qu'éolienne 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 des organes d'activation linéaires asso- ciés à chacune des ailes de rotor qui subissent un mouvement de translation alternatif lors de chaque rotation de la turbine et des organes de conversion qui permettent de transformer ce mouvement de translation alternatif en un mouvement centré sur l'axe de la turbine, de façon à permettre de récupérer l'énergie mécanique des composantes normales ou portance des forces induites par le fluide hydraulique pour pouvoir les transformer en énergie électrique, turbine dans laquelle les organes de conversion sont constitués par un galet de récupération d'énergie stationnaire (3) monté sur l'axe de rotation de la turbine (x, x') et coopé- rant avec des galets satellites (4) respectivement associés à chacune des ailes de rotor, solidaires du galet stationnaire (3) et tournant autour de ce galet, et 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 (4) situé sur sa périphérie et d'autre part, à son autre extrémité ou seconde extrémité, à une extrémité d'un coulisseau (8) mobile en translation le long du bras de liaison (2) et dont l'autre extrémité (C) est fixée à l'aile de rotor (1) associée, caractérisée en ce que la distance entre l'axe de rotation (x, x') de la turbine (point O) et le point de fixation (C) du coulisseau (8) sur l'aile de rotor (1) associée est contrôlée et est notamment essentiellement constante au cours de la rotation de la turbine alors que la distance entre le centre (B) du galet satellite (4) et l'axe de rotation (x, x') de la turbine (point O) varie au cours de la rotation du galet satellite (4) autour du galet stationnaire (3). 2°) Turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce que 3038013 11 le galet stationnaire (3) et les galets satellites (4) associés à chacune des ailes de rotor (1) sont constitués par des pignons. 3°) Turbine selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, 5 caractérisée en ce que le centre géométrique (A) du galet stationnaire (3) est décalé par rapport à l'axe de rotation (x, x') de la turbine. 4°) Turbine selon la revendication 1, 10 caractérisée en ce que le galet stationnaire (3) et/ou les galets satellites (4) est(sont) constitué(s) par une(des) came(s) de forme non circulaire. 15