Brevet FR3120923A1 — publié le 20220923

Eolienne, à axe horizontale, munie d’aubes en forme d’ailes d’avion, résistant aux vents les plus violents et offrant un rendement 8 fois supérieur aux éoliennes à hélices, au regard de l’encombrement et plus de 4 fois au regard du coût. Figure pour l’abrégé : Figure 1. Dessin Eolienne horizontale à flux d’air guidé Le brevet n°FR0302551 du 03/03/2003 décrit une éolienne composée d'une turbine horizontale du type moulin à aubes et à carénages mobiles. Ce système a l'avantage par rapport aux éoliennes à très grandes hélices, présentement en usage, d'avoir un bien meilleur rendement pour une même section de vent captée. La présente invention a pour but d'améliorer encore ce rendement tout en simplifiant les carénages. Selon l'invention, des aubes sont toujours composées d'ailes d'avion à profil convexe sur l'extrados et concave sur l'intrados avec des volets de courbure fixes sur leur bord de fuite. Les carénages selon l’invention sont maintenant fixes et servent à guider les veines de vent de façon à ce qu'elles enroulent la turbine dans le sens de sa rotation. Toujours selon l'invention, les aubes prennent l’assiette la mieux adaptée pour une portance maximale, en fonction de la direction du vecteur vent qu'elles reçoivent, correspondant à leur position au cours de la rotation de la turbine. C'est ainsi qu’elles peuvent passer d’une assiette d'aile fonctionnant au Cz maximum, avec une incidence aux alentours de 10° et avec écoulement laminaire, à une assiette perpendiculaire à la direction du vent, fonctionnant alors à l'instar d'une turbine PELTON. Cz est le coefficient de portance classique utilisé en aérodynamique. Les profils d’aile adaptés aux vitesses subsoniques lentes, peuvent procurer un coefficient Cz compris entre 2 et 3 (REBUFFET –Aérodynamique expérimentale § 640). La détermination des assiettes idéales pour chaque aube à chaque point de la rotation est obtenue par une expérimentation en soufflerie. Chaque aube est orientée par un moteur soumis à un asservissement recevant, par voie hertzienne, des ordres en provenance d’un calculateur préalablement programmé, sans que cela soit exclusif. La de la planche 1 est une coupe transversale de la turbine selon l'invention. En référence à cette , sont représentés en (1) les carénages supérieurs en plusieurs parties guidant les veines de vent supérieures ; en (2) sont présentés les carénages inférieurs en plusieurs parties également guidant les veines de vent inférieures. Chaque aube (3) en forme d'ailes d'avion peut s'orienter autour d'un axe (4), coaxial à un moteur de positionnement comportant une électronique apte à la communication hertzienne avec le calculateur mentionné. Les efforts des aubes sont recueillis sur un arbre (5) qui, en bout d’arbre entraîne un générateur d’électricité. Un dispositif de régulation permet, de façon préférentielle, à la tension délivrée d’être constante, quelle que soit la vitesse de rotation. Le maintien de tout le dispositif face au vent est assuré par un ou plusieurs empennages de direction (6) pouvant comporter éventuellement une gouverne de direction (7). Tout l'ensemble décrit ci-dessus est posé sur une barge flottante (8) comportant un tourillon d'ancrage tel que décrit dans le brevet mentionné tout au début. Le système peut être également installé à terre, la barge étant alors remplacée par un plateau support pivotant. L’unité constituée par tout l’ensemble selon l’invention décrit ci-dessus, peut être aisément dimensionnée pour résister à des vents très intenses, puisque les ailes utilisées sont analogues à celles d'avions volant à des vitesses aux environs de 400 nœuds. La production d'électricité est donc permanente et n'est alors pas arrêtée pour un vent violent, comme c'est le cas des hélices actuelles (limitées à 25 m/s). Il serait donc possible, lors de vents extrêmes, comme lors d’ouragans ou de cyclones, de fournir des puissances considérables. Mais cela nécessiterait un investissement très important dans le générateur pour une utilisation de très faible durée. Pour des raisons économiques, donc, le générateur est volontairement limité, par exemple, à la puissance correspondante à un vent de 30 m/s sans que cela soit limitatif. Au-delà de cette valeur les aubes sont rabattues tangentiellement à la rotation, formant ainsi un cylindre pratiquement lisse. Il est possible, malgré cela et malgré la puissance maximum débitée par le générateur, que, par frottement, la vitesse de rotation continue à augmenter. À cet effet un frein à induction par courants de Foucault, peut-être, selon l'invention, adjoint au système tournant. Sur cette douze positions sont repérées (a), (b), (c) etc. permettant d’identifier les configurations relatives des vecteurs vent atmosphérique et vent relatif et leur composition. Sur la sont dessinées en pointillé les aubes en position rabattue lors de vents extrêmes comme lors d’ouragan par exemple. La de la planche 2 est une vue par-dessus du système selon l'invention où les carénages (1) ont été enlevés. En référence à cette , il est montré le générateur (9) en bout de l’arbre (5). Pour raisons d'économie plusieurs unités selon l'invention peuvent être mis bout-à-bout. Leurs arbres (5), pour éviter les contraintes dues aux défauts d'alignement, sont joints deux à deux par une connexion formée d’un système comprenant un joint cardant et un joint Oldham de récupération d'excentricité (11). Sans que cela soit limitatif, sont montrées sur cette deux branches de la barge portant chacune un empennage vertical (6) destiné à maintenir l'ensemble face au vent. Avantageusement selon l'invention, l'espace entre les deux branches peut recevoir des installations portuaires destinées à accueillir des navires tels que des gaziers, lorsque, par exemple, de l'hydrogène est produit à bord de la barge. Toujours sur cette sont montrés des panneaux latéraux (12) destinés à empêcher l'évasion latérale des veines d'air canalisées par les carénages fixes (1) et (2). Optionnellement une installation de production d'hydrogène par l'électrolyse (13) peut être installée sur la barge, et l’hydrogène stocké dans des réservoirs (14). Une barge comportant trois unités, avec chacune des turbines de 100m de diamètre et 100m de long par exemple, sans que cela soit limitatif, nécessitera une barge d'environ 300 m de large et 300 m de long, la hauteur totale au-dessus du niveau de la mer étant d’environ 200 m. À titre de comparaison, les éoliennes de 6 MW présentement projetées, culminent au fait de la rotation, à 300 m de haut, ce qui fait que pour assurer leur stabilité, qui est très sensible au roulis, il faudrait approximativement la même barge que pour les trois modules précités. Par rapport au vent en amont, l’obstacle que constitue la turbine fait chuter la vitesse du vent, mais en contrepartie il y a accélération par effet de Venturi dans les carénages 1 et 2 de la . En première approximation on peut admettre que les deux se compensent. Pour calculer l'énergie équivalente produite par le système selon l'invention il est nécessaire d'établir un histogramme du vent sur un an : Vent atmosphérique Durée 30 m/s (108 km/h) 15 jours (360 heures) 25 m/s (90 km/h) 30 jours (720 heures) 17 m/s (60 km/h) 120 jours (2880 heures) 10 m/s (36 km/h) 120 jours (288 heures) 5 m/s (18 km/h) 60 jours (1440 heures) 0 m/s 20 jours (480 heures) La masse spécifique de l'air étant de 1,293, la force tangentielle activant la rotation de la turbine est la composante tangentielle Ft du vecteur force développé par l’aube concernée, de module Fa=1/2x1,293x1x(Vc)²x Cz pour 1 m² et pour un vent de 1 m/s. Ce vecteur force Fa est, en première approximation perpendiculaire à la corde de l’aile en régime laminaire, soit des positions (a) à (e). Vc est le vecteur vent résultant de la composition des vecteurs vent atmosphérique Va et vent relatif Vr (dû à la rotation). La valeur numérique à prendre en compte est le module de ce vecteur Vc. La de la Planche 2 illustre la construction de ces différents vecteurs. Cz est le coefficient de portance classique utilisé en aérodynamique, déjà mentionné. Comme déjà dit, les profils d’aile adaptés aux vitesses subsoniques lentes, procurent, en régime laminaire, un coefficient Cz compris entre 2 et 3. Des essais en soufflerie antérieurs ont montré que le coefficient de traînée d’une aile perpendiculaire au vent est compris entre 1,4 et 1,8 selon le degré de concavité du profil de l’aile. Une unité comportant par exemple 12 aubes, sans que cela soit limitatif, il apparait alors, en référence à la , que 9 aubes sont actives, de (a) à (e) en régime laminaire comme vu plus haut et de (f) à (j) en régime perpendiculaire, alors qu'il en reste trois (j) (k) et (l), improductives, dans l'ombre aérodynamique des carénages inférieur (2). À chaque vitesse de vent correspond une vitesse tangentielle de la turbine optimale. Les calculs montrent qu'avec une bonne approximation cette vitesse tangentielle optimale est égale à 35 % de la vitesse du vent. Des calculs effectués sur une étude graphique donne les résultats suivant pour Ft : en (a) 1.6- en (b) 1,5- en (c) 1,3-en (d) 1- en (e) 0,8- en (f), (g), (h), (i), (j) : 0.4. On rappelle que ces valeurs sont en NEWTON pour un mètre carré. Pour obtenir la force (tangentielle) développée par une aube, il faut multiplier ces chiffres par 2600 dans l’exemple choisi, où chaque aile fait 2600 m² et multiplier encore par le carré de la vitesse du vent atmosphérique. La puissance correspondante s’obtient alors en multipliant cette force par la vitesse tangentielle de la turbine, valant, comme vu plus haut, 35% de la vitesse du vent atmosphérique Va. L’énergie produite est ensuite obtenue en multipliant la puissance par les temps de fonctionnement. Le tableau suivant résume ces valeurs pour la turbine choisie en exemple non limitatif de 100 m de diamètre et de 100 m de long, comportant 12 aubes de 2600 mètres carrés chacune : Vent atmosphérique Durée Puissance Energie 30 m/s et plus 360 h 16 MW 5760 MWh 25 m/s 720 h 11 MW 7920 MWh 17 m/s 2880 h 5 MW 14400 MWh 10 m/s 2880 h 1.8 MW 5180 MWh 5 m/s 1440 h 0.5 MW 720 MWh L’énergie totale délivrée par la turbine en un an est donc de : 33980 MWh. Sur une barge de 300 mètres de large comportant trois turbines, l’énergie totale produite est donc d’environ 100 000 MW heure. Sur une barge de même dimension accueillant une hélice de 300 m de haut au fait de sa rotation, il a été annoncé officiellement que le taux annuel de production d'énergie était de 23 %. L'année comportant 8760 heures l'énergie produite en un an est donc de 6x 8760x0.23 =12 090MW heure, soit environ huit fois moins. Le coût d’assemblage des 36 aubes horizontales à simplement poser sur des goujons verticaux en attentes à 30m de haut est du même ordre que celui de trois pales d’hélice à fixer verticalement à 200 m de haut. Les aubes en forme de profil d’ailes d’avion peuvent être faites en aluminium étiré dans une filière pour un coût bien inférieur au moulage des pales d’hélice en matériau composite. Même en admettant un facteur 2 d’erreur dans l’estimation des coûts, il apparait que le MW installé en technologie turbine horizontale est 4 fois moins cher qu’en technologie à hélice. Éolienne à axe horizontal comprenant des aubes en forme d’ailes d’avion dont le braquage est commandé par un calculateur programmé lors d’essais, à profil convexe sur l'extrados et concave sur l'intrados avec des volets de courbure fixes sur leur bord de fuite, caractérisé en ce qu’elle comprend aussi un carénage supérieur fixe (1) en une ou plusieurs parties, et également un carénage inférieur fixe (2) en une ou plusieurs parties et enfin 2 panneaux latéraux fixes (12), permettant de guider les veines de vent dans le sens de rotation de la turbine, la puissance produite étant récupérée en bout de l’arbre centrale (5) de l’éolienne par un générateur électrique (6). Eolienne suivant la revendication 1 caractérisée par le fait qu’en cas de vent très violent, les aubes en forme d’ailes sont rabattues tangentiellement à la rotation, l’extrados tourné vers l’extérieur, diminuant ainsi la prise au vent. Eolienne suivant les revendications 1 et 2 caractérisée par le fait qu’elle est installée sur une barge flottante. Installation comprenant, sur une même barge, plusieurs éoliennes selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que l’ensemble de ces éoliennes peuvent coopérer sans qu’il y ait de contraintes mécaniques dans leurs arbres (5) respectifs grâce à des systèmes permettant de connecter les éoliennes ensemble, les systèmes étant formés d’un joint cardan suivi d’un joint Oldham, reliant les arbres centraux respectifs des éoliennes (5) deux à deux.