Brevet FR3155269A1 — publié le 20250516

La présente invention concerne une éolienne (1) comprenant un socle (2), un arbre (3) s'étendant selon un axe vertical (A) et rotatif autour dudit axe vertical (A) par rapport au socle (2), un rotor (4) fixé à l'arbre (3) comprenant au moins deux branches (5, 6) s'étendant chacune le long d'un axe de branche horizontal respectif (B1, B2) et au moins une pâle (11,12) montée à l’extrémité de chaque branche (5,6), caractérisée en ce qu’elle comprend en outre au moins une hélice (7-10) montée sur chaque branche (5, 6) et pouvant tourner autour d'un axe d'hélice horizontal (P1, P2), via un roulement unidirectionnel et en ce que chaque roulement unidirectionnel permet la rotation de l’hélice (7-10) associée lorsque le vent (W) souffle de l'arrière ou de l’avant de cette hélice (7-10), mais interdit la rotation de cette même hélice (7,10) lorsque le vent souffle de la direction opposée. Figure d'abrégé : Figure 5. EOLIENNE A AXE VERTICAL DOMAINE DE L’INVENTION La présente invention concerne une éolienne à axe vertical. ART ANTERIEUR Il est connu de produire de l'électricité à partir de la force du vent au moyen d'une éolienne. Ladite éolienne peut tourner par rapport à une base fixe, contenant un générateur. Selon l'orientation de l’axe de rotation, on peut distinguer deux types d'éoliennes. La plupart des éoliennes développées au cours des dernières décennies sont des éoliennes à axe horizontal (HAWT pour Horizontal Axis Wind Turbine) avec une tendance croissante au gigantisme. Cette tendance conduit à un modèle de production d'énergie centralisé avec des coûts d'exploitation très élevés, une pollution visuelle et sonore, des victimes parmi les oiseaux et une utilisation inefficace des terres en raison de règles de sécurité strictes. Pour toutes ces raisons, les HAWT ne sont pas très populaires et ne trouveront jamais leur place dans les territoires urbains. Les éoliennes à axe vertical (VAWT pour Vertical Axis Wind Turbine) sont une alternative intéressante car elles peuvent produire plus de puissance avec moins d'encombrement, elles sont sans danger pour les oiseaux, beaucoup moins bruyantes et les coûts d'exploitation sont inférieurs car les composants critiques se trouvent au niveau du sol facilitant leur entretien. La compacité des VAWT les rend mieux adaptées à l’environnement urbain ainsi qu’à la production et à la gestion locale de l’énergie – c’est-à-dire pour les micro-réseaux ou réseaux électriques locaux-. Les VAWT présentent également des caractéristiques très intéressantes pour les parcs éoliens offshore flottants. Ce marché en pleine expansion permet d’exploiter des gisements de vent au large des côtes, inaccessibles auparavant, avec une qualité de vent bien supérieure offrant un potentiel de production d’énergie très élevé. Ici, les VAWT permettent de réduire considérablement les coûts d’exploitation par rapport aux HAWT, d’une part pour l’installation et le maintien de la stabilité des éoliennes, d’autre part pour l’accessibilité des composants critiques à la surface et non en haut d’une tour de 200 à 300 m de haut. Pourtant, l'industrie des éoliennes à axe vertical a été mise en péril jusqu'à aujourd'hui par des dysfonctionnements historiques de turbines Darrieus de grande puissance, turbines qui se sont révélées difficiles à mettre en œuvre à grande échelle. En conséquence, les améliorations apportées à la conception des VAWT les plus populaires, à savoir les modèles Darrieus de type H, sont les bienvenues afin d'augmenter leur rentabilité et leur densité de puissance pour une emprise au sol donnée. D‘autre part, le phénomène de « wind milling » est bien connu en aéronautique comme la capacité d’une hélice à être mise en rotation de façon passive par un flux d’air, l’énergie cinétique de la rotation de l’hélice pouvant à son tour être transmise à un dispositif mécanique, le moteur dans le cas d’un avion. SOMMAIRE DE L’INVENTION L‘inventeur a maintenant développé un système de production d’énergie sur la base d’une éolienne VAWT, qui utilise des hélices pour exploiter le phénomène « wind milling » afin d’amplifier le mouvement de rotation de l’éolienne et donc d’augmenter sa puissance. Ce système alternatif bénéficie en outre d’une capacité d’auto-démarrage et d’une structure très simple. L'invention concerne une éolienne comprenant un socle, un arbre s'étendant selon un axe vertical et pouvant tourner autour dudit axe vertical par rapport au socle, un rotor fixé à l'arbre comprenant au moins deux branches s'étendant chacune selon un axe de branche horizontal respectif et au moins une pâle montée à l’extrémité de chaque branche, caractérisée en ce qu’elle comprend en outre au moins une hélice montée sur chaque branche et pouvant tourner autour d'un axe d'hélice horizontal via un roulement unidirectionnel, et en ce que chaque roulement unidirectionnel permet la rotation de l’hélice associée lorsque le vent souffle de l'arrière ou de l’avant de cette hélice et interdit la rotation de cette même hélice lorsque le vent souffle de la direction opposée. Des caractéristiques particulières ou modes de réalisation, utilisables seuls ou en combinaison, sont : – le rotor est axisymétrique, les hélices sont montées axisymétriquement, de même que les pâles sont montées axisymétriquement, - une hélice présente un angle d'attaque compris entre 15 et 75°, de préférence entre 30 et 60° et de préférence de l'ordre de 45°, – les hélices sont montées par paires contracycliques : une paire d’hélices comprend une hélice primaire pouvant tourner par l'intermédiaire d'un roulement primaire unidirectionnel et une hélice secondaire, partageant le même axe d'hélice horizontal, ladite hélice secondaire pouvant tourner en sens inverse, par l'intermédiaire d'un roulement secondaire unidirectionnel, - tous les roulements primaires sont identiques, toutes les hélices primaires sont identiques, tous les roulements secondaires sont identiques et toutes les hélices secondaires sont identiques, - les hélices secondaires sont plus petites que les hélices primaires, – les hélices secondaires sont entraînées par des moteurs, – les angles entre un axe de branche horizontal et un axe d’hélice horizontal correspondant sont égaux, - chaque axe d'hélice horizontal est globalement perpendiculaire à l'axe de branche horizontal correspondant, - le rotor axisymétrique est un rotor DARRIEUS de type H, comportant une pâle identique, montée axisymétriquement à l'extrémité de chaque branche et dans lequel les hélices sont montées axisymétriquement sur pâles et/ou sur branches, - les hélices sont montées sur le bord de fuite des pâles, - le nombre de branches est compris entre 2 et 8. DESCRIPTION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante, uniquement illustrative et en référence aux figures annexées dans lesquelles : FIG. 1 représente, en vue schématique de face mais sans les pâles à l’extrémité des branches horizontales, un premier mode de réalisation, en phase de démarrage, illustrant un cycle de charge, FIG. 2 montre, dans une vue schématique de face, le mode de réalisation de la FIG. 1 sans les pâles à l’extrémité des branches horizontales, en phase de fonctionnement, illustrant un cycle alterné de charge et de décharge, FIG. 3 montre, en perspective, un Darrieus ou rotor H, à deux pâles, FIG. 4 montre, en vue de dessus, le mode de réalisation de la FIG. 3 , FIG. 5 montre, en vue de dessus, un autre mode de réalisation à hélices primaires, FIG. 6 montre, en vue de dessus, un autre mode de réalisation, avec des hélices primaires et des hélices secondaires plus petites, FIG. 7 montre, en vue de face, un autre mode de réalisation, à hélices multiples disposées sur des pâles et/ou sur des branches. DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION En référence à la FIG. 1 , l'invention concerne une éolienne 1. Ladite éolienne 1 comprend un socle 2. Ledit socle 2 est généralement fixe et fixée au sol ou à un toit. L'éolienne 1 comprend en outre un arbre 3. Ledit arbre 3 s'étend selon un axe vertical A. L'éolienne 1 appartient ainsi à la famille des Éoliennes à Axe Vertical (VAWT). Ledit arbre 3 est rotatif autour dudit axe vertical A par rapport au socle 2. L'éolienne 1 comprend en outre un rotor 4. Ce rotor 4 est de préférence axisymétrique. Dans toute la présente, l'axisymétrie se fait par rapport à l'axe A. Le rotor 4 est fixé à l'arbre 3. Le rotor 4 comprend au moins deux branches 5, 6. Le rotor 4 peut comprendre plus de deux branches 5, 6. les branches 5, 6 sont de préférence disposées de manière axisymétrique, soit 2 branches à 180°, 3 branches à 120°, 4 branches à 90°, 5 branches à 72°, etc. Chacune desdites branches 5, 6 s'étend selon un axe de branche horizontal respectif B1, B2. L'éolienne 1 comprend en outre au moins deux hélices 7 à 10. Lesdites hélices 7 à 10 sont de préférence disposées de manière axisymétrique par rapport à l'axe A, montées sur chaque branche 5, 6. En raison de la caractéristique de symétrie axisymétrique, le nombre d'hélices 7 à 10 est un multiple du nombre de branches 5, 6, avec un même nombre d'hélices 7 à 10 sur chaque branche 5, 6. Une hélice 7 à 10 peut tourner autour d'un axe d'hélice horizontal respectif P1, P2, par l'intermédiaire d'un roulement unidirectionnel. Le roulement unidirectionnel est tel que l'hélice associée peut tourner lorsque le vent souffle de l'arrière de l’hélice et qu’il interdit la rotation de l’hélice lorsque le vent souffle de l'avant de l’hélice. Par exemple, la FIG. 1 montre un rotor 4 à deux branches 5, 6, chaque branche 5, 6 portant une seule hélice 7, 8. Le vent W souffle depuis le dos d'un observateur. La première hélice 7 (recevant le vent W de l'arrière) peut tourner (ici dans le sens des aiguilles d'une montre) autour de son axe P1. Au contraire, la deuxième hélice 8 (recevant le vent W de face) ne peut pas tourner, car elle est bloquée par son roulement unidirectionnel. Ainsi disposée, l’éolienne 1 peut tourner (ici dans le sens inverse des aiguilles d'une montre) autour de son axe A lorsqu'un vent W souffle de n'importe quelle direction. Un tel agencement atténue le problème courant du démarrage automatique des éoliennes à axe vertical (VAWT). La FIG. 3 représente une vue en perspective d'une éolienne à axe vertical (VAWT) typique de type H ou Darrieus, avec un rotor 4 comprenant deux branches 5, 6 et chaque branche 5, 6 tenant une pâle 11, 12. Les pâles fixées à l’extrémité de chaque branche peuvent, en fonction du type d’éoliennes à axe vertical, être incurvées, droites, hélicoïdales ou encore hyperboloïdales. Comme illustré sur la FIG. 4 , montrant une vue de dessus du même Darrieus VAWT, lorsqu'il part d'une position statique, il peut rencontrer un angle donné par rapport à la direction du vent W, où la force appliquée par le vent W à la première pâle 11 crée un élan autour de l'axe A ce qui est exactement l'opposé de l'élan créé par la force appliquée par le vent W sur la deuxième pâle 12. Dans ce cas, les deux élans s'opposent et s'annulent. Le rotor 4 reste alors statique. Au contraire, avec l'éolienne 1 de l'invention, dans la configuration de la FIG. 1 , la deuxième hélice 8, bloquée par son palier unidirectionnel offre une plus grande résistance au vent W que la première hélice 7, qui peut tourner librement, et offre ainsi une moindre résistance au vent W. Une telle dissymétrie, créée par les roulements unidirectionnels, garantit que le rotor 4, même en partant d'une position statique, commencera à tourner. L'agencement de l'invention, comprenant au moins deux hélices 7-8, montées de manière axisymétrique sur le rotor 4, peut être appelé « batterie cinétique ». Une telle disposition offre les avantages suivants : Comme illustré sur la FIG. 1 , l'éolienne 1 démarre tout juste d'une position statique. Le vent W souffle du dos de l'observateur. Comme expliqué précédemment, du fait des roulement unidirectionnels, seule la première hélice 7 peut être entraînée en rotation par le vent W, alors que le vent W ne peut pas faire tourner la deuxième hélice 8. Tandis que la première hélice 7 est mise en rotation par le vent W, elle accumule de l'énergie cinétique. Cela fonctionne comme un cycle de « charge ». Après une rotation de 180°, le rotor 4 arrive dans la configuration de la FIG. 2 , avec la première hélice 7 désormais à droite et la deuxième hélice 8 désormais à gauche. Du fait de son inertie, la première hélice 7 continue de tourner. Cependant, elle est désormais face au vent W. Le vent W va alors tenter d'arrêter la première hélice 7. Comme la première hélice 7 tourne contre le vent W, elle oppose plus de résistance au vent W. Il en résulte une plus grande impulsion pour la rotation de l’axe vertical. Celui-ci fonctionne comme un cycle de « décharge » de l'énergie cinétique accumulée par la première hélice 7, énergie qui est alors transférée au mouvement rotatif du rotor pour augmenter sa capacité à produire de l’énergie électrique. Dans le même temps, la deuxième hélice 8, initialement statique, reçoit désormais le vent W de l'arrière, et ainsi son roulement unidirectionnel lui permet désormais de se mettre en rotation. C'est son cycle de charge. Ceci se produit périodiquement, chaque hélice 7-8 se chargeant alternativement lorsque l'autre se décharge et se déchargeant lorsque l'autre est en charge. Selon une autre caractéristique, une hélice 7-10 présente un angle d'attaque de l'ordre de 45°. Selon une autre caractéristique, afin à la fois de se conformer à la caractéristique 45° précédente et de potentialiser l'invention, une hélice 7-10 bénéficie d'être conçue selon un rotor à pales divisées tel que défini dans le brevet US 7,396,208. Selon une autre caractéristique, plus l'hélice a d'inertie, plus elle peut accumuler d'énergie puisque le cycle de charge accumule de l'énergie cinétique dans l'hélice tournante 7-10. En conséquence, les hélices 7 à 10 sont de préférence constituées de matériaux lourds afin de leur conférer une plus grande inertie. Ainsi, les hélices 7 à 10 sont de préférence fabriquées à partir d’un matériau métallique. Selon une autre caractéristique, comme représenté sur la FIG. 6 , les hélices sont montées par paires contracycliques, chaque paire d’hélices comprend une hélice primaire 7, 8 pouvant tourner grâce à un roulement unidirectionnel et une hélice secondaire 9, 10, partageant le même axe d'hélice horizontal P1, P2, ladite hélice secondaire l'hélice 9, 10 pouvant tourner en sens inverse, grâce à un roulement secondaire unidirectionnel. Les hélices primaires 7, 8 et secondaires 9, 10 sont montées indépendamment sur un même axe d'hélice horizontal P1, P2. Elles n'ont aucun lien mécanique entre elles. Afin de respecter la caractéristique axisymétrique, toutes les hélices primaires 7, 8 tournent dans le même sens. De même, toutes les hélices secondaires 9, 10 tournent dans le même sens inverse. Afin de faire tourner les hélices secondaires 9, 10 en sens inverse, le roulement unidirectionnel secondaire est inversé par rapport au roulement unidirectionnel primaire, et le pas de l'hélice secondaire 9, 10 est inversé par rapport au pas des hélices primaires 7, 8 également. Afin de respecter la caractéristique axisymétrique, tous les roulements unidirectionnels primaires sont identiques entre eux, toutes les hélices primaires 7, 8 sont identiques entre elles, tous les roulements unidirectionnels secondaires sont identiques entre eux et toutes les hélices secondaires 9, 10 sont identiques entre elles. La double hélice permet d’obtenir un meilleur rendement, dans le sens où elle offre une meilleure surface de prise au vent. Les hélices primaires 7, 8 peuvent être de toute taille, supérieure ou inférieure, par rapport aux hélices secondaires 9, 10. Selon une caractéristique préférée, les hélices primaires 7, 8 ont la taille des hélices secondaires 9, 10. Selon une autre caractéristique encore préférée, les hélices secondaires 9, 10 sont plus petites que les hélices primaires 7, 8. Les hélices secondaires 9, 10 sont disposées de telle sorte qu'elles rencontrent d'abord le vent W de face, avant les hélices primaires 7, 8. Le fait que les hélices secondaires 9, 10 soient plus petites, permet aux hélices primaires 7, 8 de voir le vent W, malgré la présence des hélices secondaires 9, 10, au moins pour la zone non couverte par les hélices secondaires 9, 10. Selon une autre caractéristique, les hélices secondaires 9, 10 sont entraînées par des moteurs. De tels moteurs ne nécessitent que peu de puissance électrique et peuvent être alimentées par des panneaux ou films photovoltaïques exploitant les surfaces disponibles de l’éolienne 1. Cette caractéristique est avantageusement combinée au fait que les hélices secondaires 9, 10 sont plus petites que les hélices primaires 7, 8. Cette caractéristique permet aux hélices secondaires 9, 10 (alors entraînées par un moteur) de tourner plus vite que les hélices primaires 7, 8, afin d’augmenter encore la résistance au vent. Cela augmente alors également le flux d'air vers les hélices primaires 7, 8, de sorte que les hélices primaires 7, 8 accumulent plus d'énergie cinétique. Cette caractéristique facilite également le démarrage automatique de l'éolienne 1. Selon une autre caractéristique, les roulements unidirectionnels sont configurés et montés de manière à permettre la rotation d'une hélice 7-10 lorsque le vent W vient de l'arrière de l'hélice 7-10 et de manière à interdire la rotation lorsque le vent W vient de l'avant de l'hélice 7-10. Ceci crée avantageusement une dissymétrie qui facilite l'auto-démarrage, quelle que soit la direction initiale du vent W. Comme le montrent les figures 1 et 7, chaque axe d'hélice horizontal P1, P2 est généralement perpendiculaire à l'axe de branche horizontal correspondant B1, B2. Selon une autre caractéristique, le rotor axisymétrique 4 est un rotor Darrieus de type H, comme représenté sur la FIG. 3 . Il comprend une pâle identique 11, 12, montée de manière axisymétrique à l'extrémité de chaque branche 5, 6 et des hélices 7-10 montées de manière axisymétrique sur les pâles 11, 12, comme illustré sur les figures 5-7 et/ou sur les branches 5, 6, comme illustré sur la FIG. 7 . Selon une autre caractéristique, les hélices 7 à 10 peuvent être montées sur n'importe quelle partie des pâles 11, 12. Selon une caractéristique préférée, les hélices 7 à 10 sont montées sur le bord de fuite des pâles 11, 12, comme le montrent les figures 5, 6. L'éolienne 1 est le plus souvent utilisée pour entraîner un générateur afin de produire de l'électricité. Selon une autre caractéristique, des cellules photovoltaïques (non illustrées) peuvent être montées sur toutes les surfaces du rotor 4, qu'il s'agisse des pâle 11, 12 et/ou des branches 5, 6. Ceci permet une production électrique supplémentaire. L'une ou l'autre de ces deux sources d'électricité peut être dérivée au moins partiellement pour entraîner les moteurs éventuels des hélices 7 à 10. Les figures représentent un rotor 4 à deux branches. Selon une autre caractéristique, le nombre de branches 5, 6 est d'au moins 2 et peut être étendu à n'importe quel nombre. La limitation ne vient que de l’encombrement. Un nombre maximum raisonnable est 8. L'invention a été illustrée et décrite en détail dans les dessins et la description précédente. Cette description doit être considérée comme illustrative et donnée à titre d'exemple et non comme limitant l'invention à cette seule description. Plusieurs variantes de réalisation sont possibles. Une éolienne (1) comprenant un socle (2), un arbre (3) s'étendant selon un axe vertical (A) et rotatif autour dudit axe vertical (A) par rapport au socle (2), un rotor (4) fixé à l'arbre (3) comprenant au moins deux branches (5, 6) s'étendant chacune le long d'un axe de branche horizontal respectif (B1, B2) et au moins une pâle (11,12) montée à l’extrémité de chaque branche (5,6), caractérisée en ce qu ’elle comprend en outre au moins une hélice (7-10) montée sur chaque branche (5, 6) et pouvant tourner autour d'un axe d'hélice horizontal (P1, P2), via un roulement unidirectionnel et en ce que chaque roulement unidirectionnel permet la rotation de l’hélice (7-10) associée lorsque le vent (W) souffle de l'arrière ou de l’avant de cette hélice (7-10), mais interdit la rotation de cette même hélice (7,10) lorsque le vent souffle de la direction opposée. L’éolienne (1) selon la revendication 1, dans laquelle le rotor (4) est axisymétrique et les hélices (7-10) et les pâles (11,12) sont montées axisymétriquement. L’éolienne (1) selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans laquelle les angles entre un axe de branche horizontal (B1, B2) et un axe d'hélice horizontal correspondant (P1, P2) sont égaux. L’éolienne (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle chaque axe d'hélice horizontal (P1, P2) est généralement perpendiculaire à l'axe de branche horizontal correspondant (B1, B2). L’éolienne (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle le rotor axisymétrique (4) est un rotor Darrieus de type H, comprenant une pâle identique (11, 12), montée axisymétriquement à l'extrémité de chaque branche (5, 6) et des hélices (7-10) montées de manière axisymétrique sur des pâles (11, 12) et/ou sur des branches (5, 6). L’éolienne (1) selon la revendication 5, dans laquelle des hélices (7-10) sont montées sur le bord de fuite des pâles (11, 12). L’éolienne (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle une hélice (7-10) présente un angle d'attaque compris entre 15 et 75°, de préférence entre 30 et 60° et de manière préférée entre toutes d'environ 45°. L’éolienne (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle les hélices sont montées par paires contracycliques, chaque paire d’hélice comprenant une hélice primaire (7, 8) pouvant tourner à travers un roulement unidirectionnel primaire et une hélice secondaire (9, 10), partageant le même axe d'hélice horizontal (P1, P2), ladite hélice secondaire (9, 10) pouvant tourner en sens inverse, par l'intermédiaire d'un roulement unidirectionnel secondaire. L’éolienne (1) selon la revendication 8, dans laquelle tous les roulements unidirectionnels primaires sont identiques, toutes les hélices primaires (7, 8) sont identiques, tous les roulements unidirectionnels secondaires sont identiques et toutes les hélices secondaires (9, 10) sont identiques. L’éolienne (1) selon la revendication 9, dans laquelle les hélices secondaires (9, 10) sont plus petites que les hélices primaires (7, 8).