Brevet FR3059180A1 — publié le 20180525

Domaine de l'invention Le domaine de l'invention est la production d'électricité à partir du vent, et plus précisément, l'utilisation du cerf-volant dans ce but. Plus particulièrement, l'invention porte sur un cerf-volant pilotable dont la partie volante comporte en surface des matériaux choisis pour se charger d'électricité statique du fait des frottements de l'air ou bien du contact avec les particules ionisées présentes dans l'atmosphère. Suivant le choix des matériaux, des charges positives ou négatives sont accumulées. Les suspentes du cerf-volant sont conductrices, ce qui permet de récupérer les charges sous forme d'un courant en fort voltage en théorique. De part l'absence de stator et de rotor, l'invention apporte une solution spécifique et simplifiée à la production d'électricité à partir du vent, et sous fort voltage. État de la technique antérieure Il existe de nombreuses machines destinées à transformer l'énergie cinétique du vent - en énergie électrique Les plus courantes sont les éoliennes avec de grandes hélices qui tournent dans les campagnes, et en mer. Parallèlement à ces machines qui nous _ sont familières, de nouveaux concepts sont actuellement développés sur la base de cerf-volants pilotables. L'avantage est d'aller chercher des vents plus forts à des hauteurs inaccessibles aux éoliennes classiques. De plus, les fondations et l'ancrage au sol sont plus simples puisqu'il n'y a plus ce très important moment fléchissant imposé par l'effort du rotor en haut d'un mât. Il est possible de classer ces cerfs-volants générateurs de courants en deux familles : 1. Soit la génératrice est au sol, et elle est actionnée par la tension du câble retenant le cerf-volant. C'est le principe utilisé par exemple dans les brevets W02016085337, W02014101735, EP2698312, W02008034421, W02013147600 et W02012016319. La partie volante est simple et légère, mais par contre, le courant est produit cycliquement entre deux phases pendant laquelle le câble est rembobiné. 2. Soit la génératrice est embarquée dans le cerf-volant, et elle est mise en rotation par une hélice entraînée par le vent relatif qui est accentué lorsque le cerf-volant effectue des volutes dans le ciel. C'est sur ce principe que fonctionnent par exemple les inventions des brevets FR2955627, 3059180 -2- W02011119876 et FR0904001. Le courant électrique est produit en continu. Cependant, la partie volante est alourdie, ce qui présente un risque en cas de chute. Cela demande un vent plus fort pour le lancement initial, ou bien que les hélices soient motrices dans cette phase, et non génératrices. 5 Dans les 2 configurations, l'électricité est produite par des génératrices avec rotor et stator ce qui alourdi les structures et impose des frais de maintenance, et ceci est d'autant plus vrai pour les génératrices embarquées avec l'aile. De plus, la tension délivrée n'est pas suffisante pour le transport sans perte de l'électricité, et il est 10 nécessaire d'utiliser un transformateur. Exposé et présentation détaillée de l'invention 15 L'objectif de l'invention est de cumuler les avantages des systèmes précédents tout en s'affranchissant des principaux inconvénients et en proposant des solutions novatrices. Pour ce faire, l'invention est spécifiquement conçue pour exploiter un phénomène naturel qui consiste en l'accumulation de la charge d'électricité statique du fait des frottements de l'air lors du déplacement d'un objet. Ce phénomène est considéré 20 comme parasite dans un avion ou une automobile. Dans notre cas, l'objectif est au _ contraire de l'amplifier et de le mettre à profit pour produire un courant sous haute tension. Pour ce faire, l'invention comprend les éléments suivants, qui sont d'abord référencés 25 dans la figure 1 : - Une aile volante (10) recouverte d'un revêtement sélectionné pour sa facilité à accumuler des charges d'origine triboélectrique par frottement dans l'air. Ces charges pouvent être positives ou négatives suivant la nature du revêtement. Il faut noter que le revêtement est choisi aussi pour se charger au contact des 30 ions présents naturellement dans l'atmosphère. - Un câble comportant des filins (20) conducteurs permettant de transporter ces charges de la partie volante vers la partie fixée au sol (30), Un treuil (30) sur lequel est enroulé le câble. Ce treuil comporte un touret spécifique pour les câbles électriques, c'est à dire avec des anneaux 35 concentriques sur lesquels frottent des balais ou des charbons afin de conduire le courant des câbles vers l'extérieur du treuil sans problème de torsades. 3059180 - 3 - Un régulateur de tension (50), branché entre les câbles sortant du treuil (ceux reliés aux balais décrits ci dessus), et les câbles de transport (60). Les revêtements accumulant soit les charges positives (+), soit les charges négatives 5 (-), sont placés sur l'aile suivant les variantes suivantes : - L'un sur l'extrados, et l'autre sur l'intrados comme représenté sur la figure 2, - L'un sur le bord d'attaque et l'autre sur le bord de fuite de l'aile, comme représenté sur la figure 3 L'un à droite, et l'autre à gauche de l'aile, comme le montre la figure 4 10 L'un sur une première aile, l'autre sur une seconde aile indépendante comme illustré figure 5. Le courant passe d'une aile à l'autre par les treuils, ou bien est dirigé vers la terre. Chaque aile est chargée soit positivement, soit négativement, ce qui simplifie les problèmes d'isolation. 15 Avantageusement, l'envol sera aidé, de façon à ce que l'aile atteigne une vitesse et une hauteur suffisante même par vent faible. Pour cela, comme illustré sur la figure 6, il est prévu d'équiper l'aile avec des hélices (15) à pales rétractables. Ces pales sont dépliées lors de l'envol (figure 6a), puis rétractée (16) en phase de production - électrique (figure 6b), de façon à éviter une traînée aérodynamique parasite. 20 Une variante consiste à remplacer chaque hélice par un système à réaction, construit à partir d'une bouteille d'air comprimé (18), comme montré dans la figure 7. L'air en sortant rapidement propulse l'aile vers l'avant par simple action-réaction. La bouteille est remise en pression après retour au sol. 25 Dans tous les cas, le système d'aide au décollage est réversible, et sera utilisé pour mieux contrôler la phase de retour et de rembobinage du cerf-volant. Les variantes suivantes sont envisagées quant à la rigidité de l'aile : 30 - L'aile est rigide (voir sur la figure 8), maintenue en forme par des nervures internes comme dans une aile d'avion, ou bien par une mousse interne solide (voir figure 8a) comme pour une planche de surf. - L'aile est semi-rigide (voir figure 9), et sa forme est assurée par des boudins transversaux (voir (17) sur la figure 9a) gonflés avec de l'air sous pression ou 35 bien un gaz léger. 3059180 -4- - L'aile est souple, mais maintenue en forme par des caissons gonflés par la pression dynamique du vent relatif sur le bord d'attaque, exactement comme pour une aile de parapente (figure 10 et 10a). 5 Avantageusement, l'assiette de l'aile peut être peut-être contrôlée (voir figure 11) par un système permettant de modifier la longueur de certains filins ou leur point d'attache, et dont le principe est donné sur la figure 10a. Ce changement d'assiette permet de diriger l'aile, afin de lui donner l'incidence, le déplacement et la vitesse qui produit le plus d'électricité. 10 Avantageusement, il est envisagé d'ajouter un ensemble de fibres ayant aussi des propriétés triboélectriques. Un exemple du positionnement de ces fibres (35) est donné figure 12. 15 Perspectives d'application industrielle : L'invention est destinée au marché grandissant de la production d'électricité à partir du vent. Dans la mesure où son efficacité est confirmée par les essais, l'invention serait susceptible d'être installée en grand nombre sur des champs éoliens terrestres ou bien offshore pour alimenter des villes; ou bien de façon plus ponctuelle dans le but de 20 fournir de l'électricité dans des lieux ventés et isolés. Présentation des figures 25 - La figure 1 est une vue générale d'un exemple de cerf-volant conforme à l'invention. - Les figures 2 à 5 illustrent des variantes possibles du positionnement des revêtement se chargeant soit en particules positives (+) ou bien en particules négatives (-). 30 - La figure 2 montre un des revêtements en intrados, l'autre sur l'extrados de l'aile. - La figure 3 montre un des revêtements sur le bord d'attaque de l'aile, et l'autre sur le bord de fuite. - La figure 4 montre un des revêtements sur le coté droit de l'aile, et 35 l'autre sur le coté gauche. 3059180 - 5 - La figure 5 montre que l'un des revêtements recouvre entièrement l'un des cerfs-volants, alors que l'autre cerf-volant est recouvert entièrement par le revêtement de l'autre nature. - La figure 6 montre l'invention configurée avec les hélices qui vont lui donner 5 l'impulsion de départ. - La figure 6a permet de visualiser les hélices déployées pour la phase de lancement. - La figure 6b est un détail de la figure 6 montrant les hélices repliées. - 3059180- 5 -La figure 5 montre que l'un des revêtements recouvre entièrement l'un des cerfs-volants, alors que l'autre cerf-volant est recouvert entièrementpar le revêtement de l'autre nature.La figure 6 montre l'invention configurée avec les hélices qui vont lui donner 5 l'impulsion de départ.La figure 6a permet de visualiser les hélices déployées pour la phase delancement.La figure 6b est un détail de la figure 6 montrant les hélices repliées.La figure 7 montre l'invention dans une configuration utilisant un réacteur à air- La figure 8 montre l'invention dans une configuration d'aile rigide - La figure 8 montre l'invention dans une configuration d'aile rigide - La figure 8a est une coupe de l'aile, montrant qu'elle est remplie d'une mousse rigide lui conférant la rigidité nécessaire. La figure 9 montre l'aile dans une configuration semi-rigide. 15 La figure 9a montre les alvéoles sous pression donnant son profil aérodynamique à l'aile dans sa configuration semi rigide. La figure 10 est une option souple de l'aile, avec des caissons de type parapente. - La figure 11 est un exemple de principe permettant de changer l'assiette de 20 l'aile. - La figure 12 est un exemple de positionnement de fibres additionnelles permettant d'amplifier le phénomène triboélectrique. 25 REVENDICATIONS.1) Cerf-volant pilotable caractérisé en ce qu'il comporte: Une aile (10) comportant sur sa surface des matériaux choisis pour leur facilité à se charger électriquement du fait des frottements de l'air ou du contact avec des particules ionisées présentes naturellement dans l'atmosphère, Des filins conducteurs (20) et (30) pouvant transporter un courant sous très haut voltage, Un treuil (40), permettant de récupérer le courant électrique venant des filins sans problème de torsade. 2) Cerf-volant pitotable selon la revendication 1 caractérisé en c e qu'il comporte un régulateur de tension électrique (50) entre des câbles de sortie du treuil (40) et des câbles de transport (60). 3) Cerf-volant pilotable selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est équipé d'un système à hélices ou bien à réaction permettant une assistance au décollage et un meilleur contrôle de la phase de retour ou de rembobinage du cerf-volant. 4) Cerf-volant pilotable selon l'une quelconque des revendications précédentes, et caractérisé par une conception rigide de l'aile (10) avec des nervures internes comme une aile d'avion ou rempli avec une mousse solide comme une planche de surf, ou bien une conception semi-rigide et maintenue par des boudins (17) gonflés avec de l'air sous pression ou bien un gaz léger, ou une conception souple et à caissons comme une aile de parapente. 5) Cerf-volant pilotable selon l'une quelconque des précédentes revendications et caractérisé par l'utilisation supplémentaire de fibres (35) dont la nature est choisie afin d'augmenter l'effet triboélectrique. 6) Cerf-volant pilotable selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé par le fait que des matériaux se chargeant positivement et d'autres 3059180 - 7 - se chargeant négativement sont répartis sur l'aile (10) selon l'une des variantes suivantes: L'un en intrados, et l'autre en extrados de l'aile (10) L'un en bord d'attaque l'autre en bord de fuite de (10) 5 L'un à droite, l'autre à gauche de l'aile (10) 7) Ensemble de cerfs-volants caractérisé en ce qu'il comprend deux cerfs-volants pilotables réalisés chacun selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, et en ce que les matériaux se chargeant positivement sont placés sur l'aile de l'un 10 des cerfs-volants et que les matériaux se chargeant négativement sont placés sur l'aile de l'autre cerf-volant.