Brevet FR3155270A1 — publié le 20250516

La présente invention concerne une éolienne (1) comprenant au moins un socle (2), un arbre (3) s'étendant le long d'un axe de rotation (A) et pouvant tourner autour dudit axe de rotation (A) par rapport à la au moins un socle (2), un rotor (4) fixé à l'arbre (3) comprenant au moins deux bras (5, 6, 7, 8) s'étendant chacun le long d'un axe de bras respectif (B1, B2, C1, C2) et une pâle (9,10 ,11,12) en forme de disque fixée à une extrémité de chaque bras (5, 6, 7, 8), laquelle pâle (9,10,11,12) en forme de disque est fixée perpendiculairement par rapport à l'axe du bras (B1, B2, C1,C2). Figure d’abrégé : Figure 1 EOLIENNE DOMAINE DE L’INVENTION La présente invention concerne une éolienne. 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. 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. L'invention concerne une éolienne comprenant au moins un socle, un arbre s'étendant le long d'un axe de rotation et pouvant tourner autour dudit axe de rotation par rapport à l’au moins un socle, un rotor fixé à l'arbre comprenant au moins deux bras chaque bras s'étendant le long d'un axe de bras respectif et une pâle en forme de disque fixée à une extrémité de chaque bras, où ladite pâle en forme de disque est fixée perpendiculairement par rapport à l'axe du bras , de préférence les pâles en forme de disque présentent un profil aérodynamique d’aile d’avion. Comparées aux pâles d'éoliennes classiques ayant la même empreinte verticale et horizontale, les pâles circulaires offrent une surface de prise au vent beaucoup plus grande, fournissant ainsi plus d'énergie que les premières. Typiquement, une pâle conventionnelle de 5 mètres de haut ayant une largeur de 50 centimètres aura une surface de prise au vent de 2,5 m 2 à comparer à une pâle circulaire de 5 mètres de diamètre ayant une surface de prise au vent de 19,6 m 2 . Par ailleurs, il semble que les pâles circulaires fixées de la sorte soient très silencieuses et moins sujettes aux vibrations mécaniques. Enfin, ces pâles circulaires fixées de la sorte semblent plus sûres que les pâles traditionnelles, car moins sensibles à la casse. En conclusion, les pâles circulaires fixées ainsi permettent d'obtenir une éolienne plus efficace, plus sûre, plus silencieuse et moins chère. Des caractéristiques ou modes de réalisation spécifiques, utilisables seuls ou en combinaison, sont : - l'axe de rotation est vertical pour une éolienne à axe vertical ou horizontal pour une éolienne à axe horizontal, - l'axe de rotation est disposé verticalement pour une éolienne à axe vertical (VAWT), - l'axe de rotation peut également être disposé horizontalement, l'éolienne comportant de préférence deux socles, un socle étant disposé à chaque extrémité d'arbre. - un axe de bras appartient à un plan perpendiculaire à l'axe de rotation, - la fixation de la pâle au bras est centrée, - le rotor est axisymétrique : chacun des au moins deux bras a la même longueur, est disposé équiangulairement autour dudit axe de rotation et toutes les pâles sont identiques, - au moins un des au moins deux bras a une longueur plus grande et sa pâle est de taille réduite, de manière à rétablir l'équilibre du rotor, - les pâles présentent un profil aérodynamique d’aile d’avion, de préférence un profil NACA (National Advisory Committee for Aeronautics), et de préférence encore un profil NACA 0012, - le nombre de bras 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 montre, en vue en perspective, un mode de réalisation symétrique d'une éolienne selon l'invention. FIG. 2 montre le même mode de réalisation d'éolienne en vue latérale. FIG. 3 montre la pâle utilisée dans ce mode de réalisation d'éolienne en vue latérale par rapport à une pâle conventionnelle. FIG. 4 montre le même mode de réalisation d'éolienne en vue de dessus. FIG. 5 montre en vue latérale le détail du profil aérodynamique de la pâle utilisée dans ce mode de réalisation d'éolienne, FIG. 6 montre en vue de dessus le profil aérodynamique de la pâle utilisée dans ce mode de réalisation d'éolienne. FIG. 7 montre, en vue de face, le profil aérodynamique de la pâle utilisée toujours dans ce mode de réalisation d'éolienne. FIG. 8 montre une vue en perspective d’un autre mode de réalisation symétrique d'une éolienne selon l'invention, ladite éolienne comprenant quatre branches. FIG. 9 montre une vue en perspective de la pâle utilisée dans ce mode de réalisation d'éolienne. FIG. 10 montre une vue du dessus du mode de réalisation d'éolienne de la FIG. 8 . FIG. 11 montre une vue de dessus d’un mode de réalisation asymétrique d'une éolienne selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION En référence à la FIG. 1 , l'invention concerne une éolienne 1. Ladite éolienne 1 comprend un socle 2 qui est généralement fixe et fixé au sol. L'éolienne 1 comprend en outre un arbre 3. Ledit arbre 3 s'étend le long d'un axe de rotation A. Ledit arbre 3 est mobile en rotation autour dudit axe de rotation A par rapport au socle 2. L'éolienne 1 comprend en outre un rotor 4. Ce rotor 4 est de préférence axisymétrique. Dans la présente, l'axisymétrie se fait par rapport à l'axe de rotation A. Le rotor 4 est fixé à l'arbre 3. Le rotor 4 comprend au moins deux bras 5, 6, 7, 8. Un exemple avec quatre bras 5, 6, 7 et 8 est illustré dans les figures 8 et 10. Lesdits bras 5, 6, 7, 8 sont de préférence disposés de manière axisymétrique, soit 2 bras à 180°, 3 bras à 120°, 4 bras à 90°, 5 bras à 72°, et ainsi de suite. Chacun desdits bras 5, 6, 7, 8 s'étend le long de son axe de bras respectif, axe B1, B2 dans le mode de réalisation des figures 1 et 2. Chaque bras 5, 6, 7, 8 est de préférence disposé dans un même plan perpendiculaire à l’axe de rotation A. Le nombre de bras 5, 6, 7, 8 peut être quelconque. Les figures représentent un rotor 4 à deux ou quatre bras. Selon une caractéristique, le nombre de bras 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 de 8. De préférence, le nombre de bras est compris entre 2 et 6, de préférence entre 3 et 5. Chaque bras relié au rotor est fixé à une pâle. Maintenant, le bras peut être constitué de plusieurs éléments. Comme illustré sur les figures 8, 9 et 10, l'éolienne comprend quatre bras 5, 6, 7, 8, chaque bras étant constitué de deux longerons droits 5', 5'' (par exemple, longerons en acier) et chaque bras étant fixé par ses deux longerons droits à une pâle 9, 10, 11, 12 en forme de disque ayant un profil aérodynamique d’aile d’avion. Ainsi, selon encore une autre caractéristique, chaque bras 5, 6, 7, 8 comprend un ou plusieurs longerons, de préférence entre 1 et 3 longerons. Alternativement, le bras peut également avoir une structure en treillis. L'éolienne 1 comprend en outre une pâle 9, 10, 11, 12 par bras 5, 6, 7, 8. Ladite pâle 9, 10, 11, 12 est fixée à une extrémité du bras 5, 6, 7, 8. Selon une caractéristique principale de l'invention, ladite pâle 9, 10, 11, 12 est en forme de disque et est fixée à l'extrémité d'un bras 5, 6, 7, 8, perpendiculairement par rapport à l'axe du bras B1, B2, C1, C2. La FIG. 3 montre comparativement la surface de prise au vent pour une pâle classique C et la surface de prise au vent pour une pâle selon l'invention I, montrant l'avantage de la pâle en forme de disque 9, 10. Selon une autre caractéristique, un axe de bras B1, B2, C1, C2 appartient à un plan perpendiculaire à l'axe de rotation A. Selon encore une autre caractéristique, la fixation de la pâle 9, 10, 11, 12 en forme de disque est de préférence centrée en ce sens que le centre de l'extrémité du bras 5, 6, 7, 8 vient en butée au centre du disque de la pâle 9, 10, 11, 12. Selon une caractéristique préférée, pour l'équilibre rotationnel, le rotor 4 est axisymétrique : les au moins deux bras 5, 6, 7, 8 sont de même longueur, sont disposés équiangulairement autour dudit axe de rotation A et les pâles 9, 10, 11, 12 sont identiques et orientées de manière identique. Comme illustré sur la FIG. 4 , une pâle 9, 10 présente, dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation A et passant par l'axe de bras B1, B2, un profil aérodynamique d'aile d’avion, tout en conservant une forme circulaire. Dans ce cas, le profil aérodynamique d'aile d’avion correspondant est un profil NACA 0012. Ainsi, les pâles ont un profil aérodynamique d’aile d’avion, de préférence un profil NACA, et de manière particulièrement préférée un profil NACA 0012. Un mode de réalisation illustratif dudit profil aérodynamique est représenté sur les figures 5 à 7 montrant une pâle particulière 7, 8 selon trois points de vue différents. Les valeurs indiquées sur les figures 5 à 7 ne sont qu'indicatives et ne sont fournies que pour donner une indication des proportions. La taille exacte de la pâle 7, 8 peut être quelconque. L'éolienne 1 de l'invention est principalement destinée à être montée avec un axe de rotation vertical A. Toutefois, cela n'exclut pas une utilisation avec un axe de rotation horizontal A, par exemple entre deux bâtiments. Dans cette configuration, l’arbre 3 peut être maintenu par deux socles, un socle dans chacun des deux bâtiments. Un problème peut survenir avec un tel type d'éolienne, notamment lorsque l'axe de rotation A est disposé verticalement. Ce problème est que le rotor 4 peut rester immobile lorsqu'il est positionné selon une orientation particulière par rapport au vent. C'est ce qu'on appelle le problème du démarrage automatique. Le problème du démarrage automatique est bien connu. Lorsqu'il part d'une position statique, un rotor 4 avec un axe de rotation vertical A peut rencontrer, à un angle donné par rapport à la direction du vent, une position où la force appliquée par le vent à la première pâle 7 crée un élan autour de l'axe A qui correspond exactement à l’élan créé par ce même vent sur la deuxième pâle 8. Dans ce cas, les deux élans s'opposent et s'annulent. Le rotor 4 reste alors statique et ne démarre pas sa rotation. Une façon de corriger ce problème est de décaler l’axe de l'arbre 3, afin de déséquilibrer légèrement le rotor 4 brisant ainsi l'axisymétrie. Selon la FIG. 11 , l'axe de l’arbre 3 est décalé par rapport au centre 13 du rotor 4. Cela conduit à au moins l'un des au moins deux bras 5, 6 (c'est-à-dire le bras 6 sur la FIG. 11 ) à avoir une longueur plus grande. Ce décalage empêche le problème de démarrage automatique de se produire. Pour compenser ledit déséquilibre, et rétablir l'équilibre du rotor 4 au moins en termes de quantité de mouvement, la pâle 7, 8 fixée à l’au moins un bras 5, 6 plus long est réduite en taille en conséquence. Cette diminution concerne l'épaisseur du profilé et la hauteur/diamètre. Cette diminution est préférentiellement homothétique. La règle pour déterminer la décroissance de la pâle est de conserver le moment cinétique, c'est à dire que la masse de chaque aile 7, 8 fois la longueur de son bras 5, 6 doit être égale. L'invention a été illustrée et décrite en détail dans les dessins et la description qui précède. Ladite 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 au moins un socle (2), un arbre (3) s'étendant le long d'un axe de rotation (A) et pouvant tourner autour dudit axe de rotation (A) par rapport à la au moins un socle (2), un rotor (4) fixé à l'arbre (3) comprenant au moins deux bras (5, 6, 7, 8) s'étendant chacun le long d'un axe de bras respectif (B1, B2, C1, C2) et une pâle (9,10 ,11,12) en forme de disque fixée à une extrémité de chaque bras (5, 6, 7, 8), caractérisée en ce que ladite pâle (9,10,11,12) en forme de disque est fixée perpendiculairement par rapport à l'axe du bras (B1, B2, C1,C2), de préférence ladite pâle (9, 10, 11, 12) en forme de disque présente un profil aérodynamique d’aile d’avion. L’éolienne (1) selon la revendication 1, dans laquelle ladite fixation est centrée en ce que, le centre de l'extrémité du bras (5, 6, 7, 8) vient en butée au centre du disque de la pâle (9, 10,11,12). L’éolienne (1) selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans laquelle l'axe de rotation (A) est disposé verticalement. L’éolienne (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle l’axe de bras (B1, B2, C1, C2) appartient à un plan perpendiculaire à l'axe de rotation (A). L’éolienne (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle les pâles (9, 10, 11, 12) présentent un profil NACA (National Advisory Committee for Aeronautics), de préférence un profil NACA 0012. L’éolienne (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle le nombre de bras (5, 6, 7, 8) est compris entre 2 et 8, de préférence entre 2 et 6 et, de manière préférée entre toutes, entre 3 et 5. L’éolienne (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle chaque bras (5, 6, 7, 8) comprend un ou plusieurs longerons, de préférence entre 1 et 3 longerons. L’éolienne (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle chaque bras (5, 6, 7, 8) a une structure en treillis. L’éolienne (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle le rotor (4) est axisymétrique : chacun des au moins deux bras (5, 6, 7, 8) a la même longueur, est disposé équiangulairement autour dudit axe de rotation (A) et chaque pâle (9, 10, 11, 12) est identique. L’éolienne (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle au moins l'un des au moins deux bras (5,6,7,8) est d'une longueur plus grande et sa pâle (9,10,11 ,12) est de taille plus réduite de manière à rétablir l'équilibre du rotor (4).