Brevet FR3156860A1 — publié le 20250620

Cette demande provisoire de brevet complète celle qui a été déposée en novembre 2021. Nous rappelons qu’il s’agit d’un système de captation de l’énergie du vent statique associé à une turbine carénée de très faible dimension. Le système est composé d’un grand nombre de cellules de type venturi. Etant statique il n’est plus le siège de vibrations importantes et n’est plus soumis aux seuils de 12 et 25 m/s, qui fixent le domaine de fonctionnement des éoliennes classiques. Dans la demande présente, nous avons complété le module venturi précédent par un élément supplémentaire, en l’occurrence un module convergent. Celui-ci est formé et délimité par les parois des modules venturis [Fig.7] et [Fig.8]. Ce convergent crée une dépression à la sortie du module venturi et entraîne le flux d’air pour le porter à la pression atmosphérique. Le gain en puissance par m 2 est important par rapport au module de base présenté en novembre 2021. Dans la structure, ces espaces convergents, vides de tout équipement, ont une dimension très supérieure à celle des modules venturis. Ils n’exigent dès lors qu’un agrandissement de la structure, la recompression de l’air s’effectuant à l’air libre à l’extérieur de celle-ci. Les divers modules, comme précédemment, sont toujours disposés en parallèle, sous forme de nids d’abeilles. Le système de captation peut aussi être réalisé par des couronnes ou anneaux concentriques §3.8. Le but principal est donc resté le même, à savoir, Un système statique, dès lors non soumis à des vibrations et donc aux seuils de 12 et 25 m/s précités Une turbine présentant une section très inférieure à celle développée par une éolienne L’étude porte enfin sur l’effacement de la turbine, partiel ou total, en présence de perturbations ou pour des besoins liés à la conduite. §3.10. La turbine de très faible inertie par rapport à une éolienne est isolée puis arrêtée par fermeture des multiples obturateurs situés à l’entrée des mélangeurs. RECUPERATION de l’ENERGIE du VENT par un CAPTEUR STATIQUE en remplacement d’une EOLIENNE classique Deuxième demande de brevet Rappel Cette deuxième demande de brevet complète la demande de brevet déposée le 13 novembre 2021, sous le N° national et réf FR 2112019. Elle est publiée sous la référence FR 3129183. Ce premier brevet concernait et concerne toujours le remplacement d’une éolienne classique par un système de captation statique de l’énergie du vent. Ce remplacement est particulièrement pertinent lorsque le régime des vents est le siège de variations importantes ou soudaines du régime des vents, tant en vitesse qu’en direction (rafales). Ce système statique ne subit dès lors plus les contraintes liées aux seuils des 12 et 25 m /s, niveaux à partir desquels la puissance de l’éolienne est maintenue constante puis arrêtée. Le système de captation proposé est composé d’un grand nombre de modules de type venturi, montés en parallèle dans une structure à alvéoles et se présentant sous forme de nid d’abeilles. Cette structure statique est associée à une turbine carénée, de faible dimension et entraînant un générateur. La demande de brevet de 2021 ne prenait pas directement en compte les pertes de charge. Cette deuxième demande de brevet va dès lors les prendre en considération. Les transformations isentropiques précédentes deviennent alors adiabatiques avec frottements. Dans la demande de 2021, l’analyse du fonctionnement n’a été faite que sur un seul module indépendamment de toute interaction avec l’ensemble des modules en parallèle. Cette deuxième demande de brevet va concerner plus particulièrement les évolutions dans un double venturi, le deuxième venturi n’étant constitué que d’un convergent. Dans ce qui suit nous allons traiter successivement : des pertes de charge. Dans notre première étude de novembre 2021, nous avons considéré toutes les évolutions comme isentropiques c’est-à-dire sans frottements, pour ensuite appliquer un rendement global à l’ensemble du système, valeur que l’on peut trouver dans la littérature. Dans l’étude, que nous présentons maintenant, nous allons considérer les pertes de charge de chacun de éléments composant le système afin de mieux mettre en évidence le rôle des divers paramètres pris isolément. nous traiterons ensuite du double venturi, s’agissant d’un élément complémentaire au module venturi principal. Plus précisément, il s’agit d’un élément convergent entourant le module venturi. Il est destiné à créer une dépression à la sortie du module venturi et d’entraîner l’ensemble de l’air à la pression atmosphérique. Cet élément constitue le point essentiel de notre présente demande de brevet. nous terminerons par des considérations pratiques et l’examen du prototype. Pour une bonne compréhension du projet il pourrait sembler plus aisé d’aborder le sujet par la lecture au chapitre 3, plus descriptif, sans pour autant négliger l’importance des pertes de charge et le rôle décisif qu’elles vont jouer quant à la validité du projet. 2. Prise en compte des pertes de charge 2.1. Incidence des pertes de charge sur l’énergie disponible à l’entrée du mélangeur Soit d’abord un rappel succinct de la représentation de la détente de l’air dans le diagramme enthalpique. La figure FIG. 1 représente la détente de l’air depuis la pression atmosphérique jusqu’à son entrée dans le mélangeur. Le point A représente l’état de l’air à l’entrée du module venturi et AC la détente lorsqu’il n’y a pas de frottements. Dans le cas de frottements, les pertes de charge sont traduites par l’évolution de la courbe en pointillés. La perte de charge à l’entrée du mélangeur correspond à la différence d’enthalpie entre les points C et D exprimée en Joules/kg. Il s’agit des pertes par frottements. Ces pertes peuvent être reportées à l’entrée du venturi déterminant le point E. Ainsi la différence d’enthalpie AB représente l’énergie totale, sans frottements, disponible pour effectuer le travail moteur dans la turbine. En prenant en compte les pertes de charge, c’est la différence EB qui représente l’énergie disponible. On mesure déjà l’incidence de ces pertes et entre autres leur augmentation lorsque la pression dans le mélangeur diminue (ou que la dépression augmente) FIG. 2 . Une trop forte dépression à l’entrée du mélangeur diminue de façon drastique l’énergie disponible pour réaliser le travail moteur. Mais une diminution de cette pression a pour effet bénéfique d’augmenter la différence de pression entre l’entrée et la sortie de la turbine et donc de diminuer la taille de celle-ci. Un compromis doit donc être trouvé ! 2.2. Incidence de la pression à l’entrée du mélangeur Le rendement global de .6 retenu dans la demande de brevet de 2021 est le résultat d’une recherche sur internet et dans la littérature. Par ailleurs, au début des années 1980 nous avons réalisé un prototype assez élémentaire qui, dans une certaine mesure, nous a conforté dans ce choix. Ce prototype ne comportait toutefois qu’un module et n’avait été expérimenté que sur site et non dans une soufflerie. Un nouveau prototype sera présenté au chapitre 3.11. Le diagramme FIG. 3 va illustrer ce qui vient d’être exposé (§2.1). Ainsi une pression plus basse dans le mélangeur augmente la vitesse de l’air détendu (courbe 3), dès lors les pertes de charge et finalement la puissance produite (courbe 1). Mais cette pression plus basse a pour effet bénéfique de diminuer la taille de la turbine, ce que traduit la courbe 2, qui exprime le rapport entre la surface de sortie du module venturi et la surface tournante de la turbine. Ces deux effets, à savoir la puissance développée et la surface de la turbine sont donc contraires, l’augmentation de la puissance se faisant au détriment de la taille de la turbine et inversement. Un compromis entre la puissance et la taille de la turbine devra tenir compte des conditions locales et surtout de l’investissement. Il en sera particulièrement question au chapitre 3 lors de l’examen du double venturi. 2.3. Optimisation de la puissance délivrée par la turbine en fonction de la vitesse de sortie du module-venturi Le diagramme 2 FIG. 4 présente les courbes correspondantes, la courbe 1 sans tenir compte des pertes de charge, la courbe 2 pour des pertes de charge telles que retenues aux §2.1 et 2.2. La vitesse d’entrée du vent est de 12 m/s. La puissance passe par un maximum pour une vitesse du vent de 7 m/s sans tenir compte des pertes de charge et de 5.5 m/s dans le cas contraire. Cette différence de vitesse est la conséquence de la diminution de la vitesse efficace de l’air à l’entrée du venturi en présence de pertes de charge, comme expliqué ci-dessus aux § 2.1 et § 2.2. On rappelle enfin que les commentaires tels qu’ils figurent dans la demande de brevet de novembre 2021 restent pertinents et que leur rappel ici ne ferait qu’en alourdir la présentation. 2.4. Optimisation de la puissance délivrée par un choix adéquat de la vitesse de sortie de l’air de la turbine (ou entrée mélangeur) L’effet de la vitesse de l’air à son entrée dans le mélangeur (ou sortie turbine) a été développé dans la demande de brevet de novembre 2021 en page 6. A titre de rappel, l’augmentation de la vitesse a pour premier effet de diminuer le travail par kg d’air refoulé par la turbine. Mais dans le mélangeur, l’effet de la vitesse de l’air est prépondérant, de sorte que la puissance par m 2 augmente considérablement avec cette vitesse. Le diagramme 3 FIG. 5 traduit cette augmentation de la puissance. Aux environs de 17 m/s, cette vitesse confirme le rendement global de .6 retenu au §2.2. L’augmentation de la vitesse s’accompagne aussi d’une diminution de la taille de la turbine. Cet effet bénéfique de la vitesse a toutefois pour conséquence d’augmenter les pertes de charge dans les liaisons de la turbine aux très nombreux modules venturis. Des mesures sont prises en conséquence mais elles seront exposées dans la partie double venturi, car elles seront intégrées dans l’ensemble des dispositions relatives aux liaisons précitées aboutissant aux chambres dans les mélangeurs. (Les questions relatives à l’effacement, à l’AU, à la régulation de la charge seront traitées à cette occasion §3.10) 2.5. Estimation du rendement du module lorsque la vitesse du vent est différente de celle qui a servi à la définition de ce module Soit le module dimensionné pour une vitesse du vent de 12 m/s. Il va être testé pour des vents jusqu’à 32 m/s (115 km/h). La FIG. 6 donne la puissance en W/m 2 en fonction de la vitesse du vent. Ce diagramme a déjà été présenté dans la demande de brevet de 2021. Il est complété ici par la courbe 6. Celle-ci traduit l’évolution de la puissance par m 2 lorsque le module a été défini pour un vent de 12 m/s. On constate que le rendement diminue d’autant plus que la vitesse du vent augmente, passant progressivement de .6 à .5. Pour des vitesses inférieures à 12 m/s, les courbes 5 et 6 se confondent pratiquement. On constate que cette chute de rendement n’est donc effective qu’au-delà du domaine de fonctionnement des éoliennes, où leur puissance doit être limitée, avant que l’éolienne ne soit arrêtée. Jusqu’à présent, le dossier n’a concerné qu’un module venturi indépendamment des autres . Dans la suite, l’espace entre les modules va être pris en considération. Il va permettre d’optimiser l’efficacité de la captation de l’énergie du vent en regroupant ces modules venturis et leurs espaces dans la structure, en nid d’abeilles. C’est l’objet principal de cette deuxième demande de brevet. 3. Description du Module Double Venturi 3.1. Présentation FIG. 7 Il s’agit d’un venturi identique en tout point à celui que nous avons examiné jusqu’ici, mais auquel est associé un espace convergent. Ce convergent est formé par les seules parois des modules venturis, comme indiqué FIG. 7 Cet espace a pour objet de créer une dépression à la sortie du module venturi. L’accroissement de la différence de pression entre l’entrée et la sortie du module venturi conduit à un accroissement considérable du débit dans la turbine et dès lors de la puissance délivrée. L’air en dépression sortant du module venturi est entraîné par l’air venant de cet espace convergent. La taille de cet espace, dit espace interventuri, est réalisée en éloignant transversalement les modules venturi les uns des autres. Un bilan matière, énergie, quantité de mouvement est effectué au niveau des deux flux d’air, l’un sortant du venturi principal, l’autre du convergent (ou interventuri). Ce bilan doit réaliser les conditions requises pour que l’air total sortant du système, venturi et interventuri, se retrouve à la pression atmosphérique. L’espace interventuri est dimensionné en conséquence. La section de sortie effective, c’est-à-dire celle qui correspond à l’encombrement dans la structure, se situe au niveau du mélange des flux d’air. Quant à la zone de mélange et de recompression de l’air elle se situe à l’extérieur de la structure à l’instar de la recompression du vent en aval des pales d’une éolienne. Dès maintenant on comprend l’intérêt de ce divergent qui permet de sortir du module venturi en dépression, donc d’augmenter la puissance, sans besoin d’un équipement complémentaire. Seule la dimension de la structure augmente. Enfin les diverses sections du module venturi sont carrées et l’enveloppe extérieure apparaît donc sous la forme d’un parallélélipipède rectangle, du moins dans cette première approche. FIG. 8 3.2. Dimensionnement dans le cas d’un vent de 12 et de 25 m/s. Dans ce qui suit, nous avons retenu des pertes de charge telles que définies dans le chapitre 2. De même, dans la phase de recompression de l’air à l’extérieur de la structure, nous avons retenu le même facteur. Il s’agit de pertes par frottement, ventilation, identiques à celles subies en aval des pales d’une éolienne dans la zone de recompression de l’air. Nous allons considérer successivement des vitesses de vent de 12 et 25 m/s, valeurs qui représentent les deux seuils à partir desquels la puissance délivrée par l’éolienne est d’abord maintenue constante, puis au-delà de 25 m/s, l’éolienne est arrêtée. Nous avons aussi voulu montrer l’incidence des variations de divers paramètres pour conclure à la nécessité de s’appuyer sur un prototype expérimental, plus complet que celui que nous avions utilisé au cours des années 1979/ 1984. Les paramètres qui vont définir le fonctionnement du module venturi sont les suivants : Pression à l’entrée du mélangeur après détente dans le convergent du module venturi Une diminution de la pression à l’entrée du mélangeur a un double effet. Le premier est d’augmenter la différence de pression entre l’entrée et la sortie de la turbine. En conséquence, pour la même puissance requise, le débit d’air diminue et donc la taille de la turbine . Cet effet est donc bénéfique. Par contre une diminution de la pression augmenterait la vitesse dans la partie convergente du module venturi, donc les pertes de charge et enfin réduirait la puissance disponible. §2.1 FIG. 2 L’effet est donc contraire du précédent et conduira à une recherche d’optimisation. Pression sortie module venturi Pour une vitesse de vent donnée, la pression dans le mélangeur est constante, donc aussi le débit d’entrée dans le module venturi. Une diminution de la pression à la sortie du module a pour effet d’augmenter le débit total. Dans le cas présent, il s’agit du seul débit dans la turbine. La puissance délivrée augmente de façon considérable. Une limite apparaît toutefois. Le débit total d’air augmentant et la pression à la sortie du module venturi diminuant, le travail du convergent (ou espace interventuri) pour entraîner l’air à la pression atmosphérique devra augmenter et donc son dimensionnement. Vitesse de l’air venant de la turbine à l’entrée du mélangeur On connaît l’effet bénéfique de la vitesse de l’air à l’entrée du mélangeur (§2.4). Nous avons retenu une vitesse de l’air de 17m/s. Ces trois paramètres précédents définissent complètement le module venturi. Dimensionnons maintenant le convergent (ou espace interventuri) afin que celui-ci puisse entraîner l’air sortant du module venturi et porter l’ensemble des flux d’air à la pression atmosphérique. 3.3. Cas d’un vent de 12 m/s. La FIG. 9 représente le schéma de circulation des fluides. Conformément à ce qui a été retenu : Pression entrée mélangeur : .97 bar abs, correspondant à vit au col : 75 m/s Pression sortie module venturi : .997 bar abs Vitesse sortie turbine et entrée mélangeur : 17 m/s Débit air entrée module venturi : 10 kg/s En conséquence : Puissance délivrée : 1380 W Section sortie de la turbine : .0265 m 2 Section de sortie du module venturi : 1.25 m 2 Section sortie convergent (interventuri) : 5.25 m 2 Section sortie module complet (1.25+5.25) ou encombrement : 6.5 m 2 (sortie structure) En conclusion, concernant l’encombrement, le rapport des surfaces sortie module convergent/ sortie module venturi est de 4.2, signifiant que la surface occupée par l’espace « vide » est 4.2 fois plus grand que l’espace à la sortie du module venturi. On désignera par surface active, la sortie du module venturi soit 1.25 m 2 et par surface additionnelle, l’espace vide ne nécessitant qu’une extension de la structure, soit 5.25 m 2 . La puissance rapportée à l’occupation dans la structure est 1380/ (1.25+5.25) soit 212 W/m 2 La puissance rapportée à la surface active est de 1380/1.25 soit 1104 W/m 2 La puissance de 212 W/m 2 se situe sur la courbe 4 de la FIG. 6 . On remarque que cette courbe ne prend pas en compte les pertes de charge, alors la valeur de 212 W/m 2 les a incluses. L’intérêt de cet espace interventuri a été montré grâce à trois dispositions préalables, à savoir : la réalisation d’une dépression à la sortie du module venturi, augmentant considérablement la puissance la pression à l’entrée du mélangeur (dépression) afin de minimiser la taille de la turbine la création de la zone de travail de l’interventuri au niveau des flux d’air, la recompression s’effectuant dans l’ambiance extérieure, comme dans le cas des éoliennes Notons encore que l’espace occupé par le convergent est vide. Il s’agit d’un espace formé par les parois des modules venturi, n’ayant une emprise que dans la seule structure. On comprend dès maintenant que le choix des valeurs de ces paramètres sera fonction des conditions locales, du régime des vents et du coût de l’investissement. 3.4. Cas d’un vent de 25 m/s avec pression au col du mélangeur de .97 bar abs. La vitesse du vent va passer de 12 à 25m/sec. Le débit d’entrée du vent est toujours le même, à savoir 10 kg/sec, s’agissant d’une donnée initiale. La FIG. 10 représente le schéma de circulation des fluides. Conformément à ce qui a été retenu : Pression entrée mélangeur : .97 bar abs, correspondant à vit au col : 75 m/s Pression sortie module venturi : .987 bar abs Vitesse sortie turbine et entrée mélangeur : 17 m/s Débit air entrée module venturi : 10 kg/s En conséquence : Puissance délivrée : 8687 W Section sortie de la turbine : .153 m 2 Section de sortie du module venturi : .73 m 2 Section sortie convergent (interventuri) : 3.4 m 2 Section sortie module complet (.73+3.4) ou encombrement : 4.13 m 2 (sortie structure) En conclusion, concernant l’encombrement, le rapport des surfaces sortie module convergent/ sortie module venturi est de 4.66. On désignera par surface active, la sortie du module venturi soit .73 m 2 et par surface additionnelle, l’espace vide ne nécessitant qu’une extension de la structure, soit 3.4 m 2 . La puissance rapportée à l’occupation dans la structure est 8687/ (.73+3.4) soit 2104 W/m 2 La puissance rapportée à la surface active est de 8687/.73 soit 11900 W/m 2 La puissance de 2104 W/m 2 se situe sur la courbe 4 de la FIG. 6 . On remarque que cette courbe ne prend pas en compte les pertes de charge, alors la valeur de 2104 W/m 2 les a incluses. Toutes ces valeurs sont bien acceptables à l’exception majeure du rapport entre la surface tournante de la turbine et l’encombrement qui n’est que de 4.13/.153 soit 27, valeur trop faible et inacceptable. En conséquence, il est impératif de diminuer la pression au col du module venturi, malgré la baisse de la puissance/m 2 qui en sera la conséquence. Ce sera l’objet de la partie suivante. 3.5. Cas d’un vent de 25 m/s avec pression au col du mélangeur La FIG. 11 représente le schéma de circulation des fluides. Nous allons vérifier que le choix d’une pression au col plus basse a pour effet de réduire le diamètre de la partie tournante de la turbine, au détriment toutefois de la puissance par m 2 . Soit une pression au col du module venturi de .87 bar abs. Sa pression de sortie est de .983 bar abs. La vitesse au col monte à 152 m/s. On retient : Pression entrée mélangeur : .87 bar abs, correspondant à vit au col : 152 m/sec. Pression sortie module venturi : .983 bar abs Vitesse sortie turbine et entrée mélangeur : 17 m/s Débit air entrée module venturi : 10 kg/s En conséquence : Puissance délivrée : 5089 W Section sortie de la turbine : .024 m 2 Section de sortie du module venturi : .59 m 2 Section sortie convergent (interventuri) : 3.2 m 2 Section sortie module complet (.59+3.2) ou encombrement : 3.79 m 2 (sortie structure) Le rapport entre la surface totale présentée au vent (encombrement) et la surface tournante de la turbine devient 3.79/.024 soit 158, valeur cette fois acceptable, alors qu’aucune optimisation n’a été recherchée. Par contre la puissance a diminué. Elle ne représente plus que 1350 W/m 2 . Sur le diagramme de la FIG. 6 , on passe cette fois de la courbe 4 à la courbe 5. Mais il ne faut pas oublier que la puissance par m 2 obtenue par rapport à l’éolienne est de 1350/420 soit 3.2 plus élevée, en l’absence de toute optimisation. (420 W/m 2 correspondant à l’éolienne) Tout ce qui précède montre que le prototype que nous avons expérimenté en 1980 n’est pas suffisant dans le cas d’un module venturi avec convergent et que des essais en soufflerie s’avèrent nécessaires. 3.6. Résultats du calcul d’une structure afin de réaliser une puissance de 1 MW Cellule de 10kW et Vent de 12 m/s Cette cellule fait partie d’une surface de captation du vent composée de 100 cellules (module venturi et divergent) disposées en parallèle en nid d’abeilles. La puissance est alors de 1 MW. Dans ce qui suit, les évolutions sont considérées avec frottements en accord avec les dispositions déjà retenues au chap 2. La démarche est identique à celle décrite en § 3.3, FIG. 9 pour une puissance de 1380 W. Les valeurs sont les suivantes pour une cellule de 10 kW, de forme circulaire, forme qui sera préconisée au §3.8. Débit air turbine : 3.8 kg/s, (.53*10000/1380) Débit air module venturi : 72 kg/s Débit air convergent : 609 kg/s Dimensions : surface entrée module venturi : 5 m 2 surface sortie module venturi : 9 m 2 surface de l’espace total module venturi + convergent : 47 m 2 , dont 20% pour le module venturi et 80% pour l’espace interventuri . longueur module venturi (= interventuri) : 7.4 m . rapport entre surf présentée au vent et surf tournante turbine : 245 Rappelons enfin que l’espace interventuri est vide et donc limité par les faces des modules venturi et n’exige donc qu’un agrandissement de la structure. On comprend que l’espace délimité par les traits en discontinu FIG. 12 est occupé par les modules venturi proprement dits et l’espace interventuri qui les entoure. Cet espace est matérialisé par une structure en alvéoles, dans lesquelles viennent se loger les modules venturis. Cellule de 20kW et Vent de 25 m/s Cette cellule fait partie d’une surface de captation du vent composée de 50 cellules (module venturi et divergent) disposées en parallèle en nid d’abeilles. La puissance est alors de 1 MW. Dans ce qui suit, les évolutions sont considérées avec frottements en accord avec les dispositions déjà retenues au chap 2 La démarche est identique à celle décrite en § 3.5, FIG. 11 pour une puissance de 5089 W. Les valeurs sont les suivantes pour une cellule de 20 kW, de forme circulaire, forme qui sera préconisée au §3.8. Débit air turbine : 1.76 kg/s Débit air module venturi : 39.3 kg/s Débit air convergent : 409 kg/s Dimensions : surface entrée module venturi : 1.3 m 2 surface sortie module venturi : 2.32 m 2 surface de l’espace total module venturi + convergent : 15 m 2 , dont 16% pour le module venturi et 84% pour l’espace interventuri longueur module venturi (= interventuri) : 3.52 m rapport entre surf présentée au vent et surf tournante turbine : 158 Rappelons enfin que l’espace interventuri est vide et donc limité par les faces des modules venturi et n’exige donc qu’un agrandissement de la structure. On comprend que l’espace délimité par les traits en discontinu FIG. 12 est occupé par les modules venturi proprement dits et par l’espace interventuri qui l’entoure. Cet espace est matérialisé par une structure en alvéoles, dans lesquelles viennent se loger les modules venturis. La longueur des modules venturis va prendre en compte des questions de stabilité de la structure. Enfin, la construction, le transport et le montage de ces « petits » éléments ne devraient pas faire appel à une technologie nouvelle contrairement au gigantisme des éoliennes actuelles. 3.7. Vitesse vent différente de la vitesse du vent ayant défini le système Vitesse vent : 18 m/s à partir de la définition pour un vent de 12 m/s. Le système, venturi et espace interventuri, étant défini pour un vent de 12 m/s, que se passe-t-il lorsque la vitesse du vent passe à 18 m/s ? Toutes les dimensions définies pour un vent de 12 m/s sont maintenues en présence d’un vent de 18 m/s et il en est de même pour les divers rapports, tel l’encombrement de la turbine par rapport à la surface totale présentée au vent. On retient : Pression entrée mélangeur passe de .976 bar abs à .924 bar abs Pression sortie module venturi passe de .997 bar abs à .993 Vitesse sortie module venturi passe de 75 m/s à 115 m/s - Vitesse sortie turbine et entrée mélangeur passe de17 m/s à 25 m/s Débit air entrée module venturi passe de 10 kg/s à 15 kg/s Puissance délivrée passe de 1380 W à 4995 W Les sections restent les mêmes qu’à 12m/s. La puissance par rapport à l’occupation dans la structure est de 4995/6.5 soit 768 w/m 2 , valeur que l’on retrouve sur la courbe 4 de la FIG. 6 . On remarque que cette courbe ne prend pas en compte les pertes de charge, alors que la valeur de 768 W/m 2 les a incluses. Les conclusions du § 3.3 s’appliquent intégralement ici. Une remarque s’impose toutefois. Elle concerne une certaine incertitude quant à la recompression de l’air à l’extérieur de la structure. Elle s’apparente toutefois à la recompression de l’air à la sortie d’une éolienne classique. En tout état de cause, une réponse ferme ne pourrait être apportée que par des essais sur prototype §3.11. Toutefois quels que soient les résultats sur prototype, une adaptation serait la suivante. Elle consiste à interrompre l’arrivée d’air de la turbine vers un certain nombre de mélangeurs, suivant les besoins. Les modules concernés auraient un mode de fonctionnement identique à celui des espaces interventuris et augmenterait d’autant le pouvoir d’entraînement global de cet espace « interventuri ». Les moyens d’obtenir ces résultats sont présentés dans § 3.10, relatif à l’Effacement et l’Arrêt d’Urgence. 3.8. Formes et disposition des cellules. Dans ce qui précède nous avons adopté des sections carrées. Pour d’autres formes, les relations restent strictement les mêmes , seuls les facteurs de pertes de charge vont être différents. La disposition des cellules dans la structure est examinée. Ainsi FIG. 12 , la disposition en quinconce sera préférée à la forme symétrique, la circulation de l’air étant plus homogène dans le premier cas. En plus de cette disposition en quinconce, une forme circulaire sera préférée, réunissant plusieurs avantages parmi lesquels : - une moindre perte de charge résultant de l’absence d’angles morts ou autres discontinuités, - une meilleure résistance aux différences de pression régnant entre les diverses parties du capteur vis-à-vis de l’enveloppe extérieure. Enfin nous retenons un agencement des zones en anneaux concentriques déjà décrits dans notre première demande de brevet et rappelés ici FIG. 13 . Les modules sont de forme annulaire, les zones « module venturi » et « interventuri » s’étageant en anneaux concentriques successivement. Comme précédemment l’air sortant du module venturi est entraîné par l’air de l’espace interventuri, dimensionné pour entraîner l’ensemble des flux à la pression atmosphérique. Cette disposition permettrait de monter l’ensemble de la structure à un pylône. Il n’y aurait qu’un ancrage, en cas d’implantation, en particulier sur terre ferme. Elle ne nécessiterait aucun chemin de roulement qu’imposerait la structure lors de sa rotation suivant la direction du vent. La turbine serait implantée au centre de la structure et raccordée aux anneaux par des liaisons en étoile formant un ensemble homogène. Rappelons que le problème de l’orientation ne se pose plus, ou moins, en cas d’installation sur barge en mer (première demande de brevet). 3.9. De la turbine au mélangeur Considérons la liaison de la turbine au mélangeur. On sait déjà qu’une vitesse plus élevée de l’air venant de la turbine et entrant dans le mélangeur améliore l’efficacité du système exprimée en W/m 2 . Une vitesse plus élevée augmenterait toutefois les pertes de charge dans cette liaison. En vue de l’éviter, cette liaison pourrait alors être équipée d’un divergent au refoulement de la turbine et d’un convergent à l’entrée du mélangeur ou, comme on le verra au §3.10, aux nombreuses entrées dans le mélangeur. On diminuerait ainsi considérablement les pertes dans les liaisons. 3.10. Charge partielle, Effacement et Arrêt d’Urgence Revenons aux orifices précités à l’entrée du mélangeur. (§3.9 ci-dessus). L’air refoulé par la turbine arrive dans l’espace entre le corps du module venturi et son enveloppe extérieure tronconique. Il est introduit dans le mélangeur à travers une série d’orifices convergents, afin d’augmenter la vitesse et dès lors l’efficacité du mélange. Des vannes en amont de ceux-ci permettent de les isoler et ainsi d’autoriser l’air venant de la turbine à pénétrer ou non dans le mélangeur. On réalise ainsi : - la fermeture partielle des orifices afin de diminuer la charge ou encore pour répondre à des besoins particuliers (maintenance, perturbations,…) - la fermeture complète de tous les orifices permettant de réaliser l’Effacement ou l’Arrêt d’Urgence, si le régime des vents, vitesse ou perturbation imposait l’arrêt de la turbine. La fermeture des vannes d’isolement empêcherait toute circulation de l’air vers le mélangeur et arrêterait rapidement la turbine. Celle-ci tournerait dans le « vide » et s’arrêterait rapidement, d’autant plus qu’elle présente une faible inertie, du moins par rapport à une éolienne. Les orifices seraient, suivant les circonstances, isolés par les vannes situées dans la chambre précitée, intervenant isolément ou plus généralement par groupes. L’action requise en cas d’urgence serait rapide, d’une durée courte, sans commune mesure avec la constante de temps des éoliennes. Rappelons enfin le besoin éventuel de devoir réduire la charge de la turbine dans le cas où la vitesse du vent serait différente de celle qui a servi à la définition. §3.7. Dernière remarque. Il est possible qu’en présence d’un vent trop fort, il faille impérativement réduire sa vitesse. On comprend toutefois que la réduction de cette vitesse ne concerne que la turbine dont le débit est extrêmement faible par rapport au débit d’entrée du vent dans le module venturi et plus encore vis-à-vis du débit dans l’espace convergent. Ces deux circuits gardent donc toute leur efficacité. La turbine reste ainsi seule en cause. Il suffirait en conséquence de n’intervenir qu’au niveau de celle-ci en réduisant la vitesse du vent. La production ne serait que peu affectée. En effet, pour une diminution de la vitesse du vent de 50 %, le travail moteur ne serait réduit que de 5 % et donc aussi la production. La mesure de cette incidence apparaît clairement sur le diagramme enthalpique FIG. 2 , où seule l’énergie totale diminue sous l’effet de la diminution de la vitesse du vent à l’entrée de la turbine. Ajoutons encore que cette réduction de la vitesse du vent à l’entrée de la turbine pourrait être réalisée par un divergent qui réunirait les avantages suivants : - la réduction de la vitesse du vent serait, au moins partiellement, compensée par un accroissement de la pression à l’entrée de la turbine et donc du travail moteur - ce divergent à l’entrée de la turbine, suffisamment long et bien adapté aux irrégularités du vent, pourrait encore être efficace dans tous les cas d’exploitation d’un site, ne serait-ce qu’à titre prévisionnel, sans perdre significativement en puissance, d’autant plus que le travail s’effectue hors du domaine concerné par les seuils de contraintes affectant les éoliennes. 3.11. Réflexions sur un Prototype En 1980, nous avons construit un prototype simple afin de vérifier la validité du facteur de pertes de charge que nous avions retenu. A cet effet l’écoulement venant de la turbine a été remplacé par un écoulement obtenu par détente de l’air dans une vanne. Plusieurs essais à l’extérieur (dans la nature), à diverses vitesses nous ont confortés dans ce choix. Il est impératif toutefois de vérifier ces résultats par des essais en soufflerie, étant donné l’importance que revêt la connaissance des pertes de charge quant à la validité de l’étude. Les espaces interventuris améliorent aussi significativement la puissance produite. Le prototype devra dès lors comprendre plusieurs modules, afin de vérifier l’efficacité globale de ces espaces. Un prototype ne comportant qu’un seul module conduirait à devoir entourer celui-ci d’une enveloppe cylindrique afin de reproduire l’espace interventuri. Ceci aurait pour conséquence d’introduire des pertes de charge créées par l’écoulement de l’air le long d’une paroi, qui en réalité n’existe pas. Ainsi s’impose le besoin de réaliser un prototype qui serait soumis à un flux d’air produit dans une soufflerie. La vanne de détente en remplacement de la turbine permettra de tester toutes les composantes du système statique. La détente « proche » de l’évolution adiabatique dans la turbine serait remplacée par une détente proche de l’isenthalpique dans la vanne. Un tel montage permettrait d’approcher tous les paramètres du système statique en particulier les pertes de charge. 4. Conclusion Par rapport à la demande de brevet de novembre 2021, nous avons pu mesurer le grand intérêt de modeler l’espace entre les modules venturis sous forme de convergents, en dépit de la baisse de puissance qui est apparue à la suite de la prise en compte des pertes de charge. Ces convergents ne sont constitués que par l’espace libre laissé entre les modules venturis. Ils ne nécessitent dès lors aucun appareillage supplémentaire, mais seulement une extension de la structure. Le besoin d’essais sur un prototype plus complet que celui que nous avons expérimenté, s’avère très souhaitable non seulement pour estimer les pertes de charge mais aussi pour mesurer l’efficacité des espaces interventuris à entraîner l’air total à la pression atmosphérique. Enfin l’effacement a été pris en compte soit pour limiter la puissance, soit encore pour isoler complètement la turbine en un temps très court. La présente demande de brevet fait suite à une demande précédente en date du 13 novembre 2021 sous la référence FR2112019 et le n° de publication FR3129183. Cette première demande concerne un système statique de récupération de l’énergie du vent réalisé par un ensemble de modules regroupés en parallèle en nid d’abeilles. Rappelons le texte de novembre 2021 concluant le chapitre revendications : « En résumé, l’association de la première et de la seconde revendication constitue l’élément essentiel de la demande de brevet. Il revendique une turbine de très faible encombrement par rapport à la surface balayée par une éolienne. Il revendique un moyen de captation de l’énergie du vent statique, c’est-à-dire non sensible à l’ensemble des contraintes mécaniques inacceptables par une éolienne classique, lorsque les vents dépassent la vitesse des seuils ou sont accompagnés de bourrasques ou de rafales. » FIG. 1 : Détente de l’air depuis press. atm jusqu’à entrée mélangeur FIG. 10 : Agencement des modules en anneaux concentriques Nous revendiquons l’adjonction d’espaces convergents entourant les modules venturi Ces espaces convergents sont formés par l’espace libre entre les modules venturi. Ces modules en grand nombre constituent la structure du système de captation. Les espaces convergents entre les modules créent une dépression à leurs sorties. La dépression ainsi créée entraîne l’air sortant des modules venturi et le porte à la pression atmosphérique. L’effet d’entraînement réalisé par l’espace convergent augmente très significativement la puissance par m 2 du système. Ces convergents n’étant formés que par la disposition des modules venturis dans la structure, celle-ci ne nécessite qu’un simple agrandissement de l’espace vide dans celle-ci. Par ailleurs, la diminution de la pression dans le mélangeur a pour effet, quant à lui, de diminuer la taille de la turbine , comme développé au §3.2. Nous revendiquons la mise en place d’ orifices convergents sur le circuit d’air venant de la turbine et implantés à l’entrée des mélangeurs. Nous savons que l’augmentation de la vitesse de l’air venant de la turbine et entrant dans les mélangeurs a pour effet d’augmenter la puissance par m 2 . Toutefois cette vitesse de l’air dans les nombreuses liaisons aux mélangeurs provoque des pertes de charge importantes. Pour minimiser celles-ci, des divergents réduiront la vitesse du refoulement de la turbine jusqu’aux mélangeurs. L’air arrivé aux mélangeurs sera détendu dans les orifices convergents précités et donc accéléré à la vitesse requise. §3.2. En amont des injecteurs, l’air à basse pression est introduit dans la chambre des modules venturis, plus précisément entre la venturi lui-même et l’enceinte tronconique qui l’entoure. Cette revendication concerne encore les orifices précités . Dans le cas présent, ceux-ci sont principalement destinés à réaliser l’isolement d’un ou de plusieurs modules venturis et en cas de nécessité. L’isolement rapide et complet de la turbine par rapport aux mélangeurs réalise ainsi l’ Effacement ou encore l’Arrêt d’Urgence de la turbine. Cette dernière présente une inertie très faible par rapport à une éolienne, du fait de sa taille. Enfin les orifices sont précédés des vannes d’isolement à très faible pertes de charge. Les injecteurs trouveront encore leur utilité lorsque la vitesse du vent sera différente de la vitesse pour laquelle le module venturi a été défini. Nous revendiquons la mise en place d’une avancée divergente à l’aspiration de la turbine. Certains sites parcourus par des vents violents, forts ou irréguliers (rafales) pourraient imposer la mise en place d’une avancée à l’aspiration de la turbine, afin de régulariser le flux d’air. La diminution de la vitesse de l’air qui s’ensuivrait n’aurait pas d’effet significatif sur la production d’énergie. §3.10. Cette avancée divergente resterait d’ailleurs pertinente dans tous les cas d’exploitation d’un site , ne serait-ce qu’à titre préventif en présence de vents forts ou irréguliers (rafales). La présence de cette avancée divergente conduit par ailleurs à une augmentation de la pression à l’entrée de la turbine et donc du travail moteur. Suivant les caractéristiques du site , l’avancée pourrait être convergente, afin d’aligner la vitesse d’entrée de la turbine à celle du refoulement, plus élevée, et de minimiser ainsi la taille de la turbine. Cette revendication concerne le montage des modules en Anneaux ou Couronnes concentriques développées autour d’un axe. Celui-ci est aussi l’axe de la turbine §3.8. Ces couronnes comportent des liaisons entre elles et à la turbine se développant en étoiles. Ces liaisons sont courtes et bien réparties autour de la turbine. Elles permettent une fixation à un pylône. L’ensemble du système, structure et turbine, s’orientent autour du pylône, à l’instar d’une éolienne classique. Par rapport à celle-ci, la différence réside dans la très petite taille de la turbine, par ailleurs carénée. Notons encore qu’une installation sur pylône permet une orientation autour de celui-ci suivant la direction des vents. La structure ne nécessite dès lors aucun chemin de roulement.