BE1020627A4 - Eolienne a axe vertical a rotor spherique. - Google Patents

Description

EOLIENNE A AXE VERTICAL A ROTOR SPHERIQUE __

INTRODUCTION

L'invention concerne une éolienne d'axe vertical comportant un rotor actionné par le vent ainsi qu’un aérogénérateur coopérant avec le rotor pour fournir de l’énergie électrique, caractérisée en ce qu’elle est facilement intégrée sur un immeuble d’habitation ou de bureau en zone urbaine. Elle est équipée d’un rotor sphérique, monté sur un axe vertical qui est lui-même constitué d’une sérié de pales dont le profil est de type 'diffusion contrôlée’ ou NACA, formant une grille d’aubes sphérique et axisymétrique. Le rotor sphérique peut, de par sa constitution, être traversé par le vent (Figure ï).

L’éolienne peut également être installée sur une cheminée au sommet d’un bâtiment, dans ce cas elle est équipée d'une embase d'aspiration de l’air dans le bâtiment afin d’assurer, en même temps que la production d’électricité, le renouvellement d’air de l'habitation. Dans cette configuration elle permet de profiter de l’énergie cinétique des fumées et gaz sortant de la cheminée pour augmenter son rendement. La production d’électricité est augmentée et le renouvellement d’air de l’habitation est amélioré.

Le rotor sphérique, une fois entraînée par le vent, entraîne une génératrice de courant qui permet de produire de l’énergie électrique. Le rotor est directement accouplé à la génératrice.

DESCRIPTION

EOLIENNE A AXE VERTICAL A ROTOR SPHERIQUE

La présente invention a pour objet une éolienne d’axe vertical comportant un rotor actionné par le vent ainsi qu’un aérogénérateur coopérant avec, le rotor pour fournir de l’énergie électrique.

Les spécialistes cherchent depuis longtemps à récupérer l’énergie éolienne qui a l’avantage d’être propre, c’est-à-dire de ne. pas engendrer de pollution thermique ou chimique, et parallèlement d’être inépuisable.

Ces avantages sont toutefois compensés dans une large mesure par une série d’inconvénients liés en particulier au caractère dispersé et intermittent du vent.

Il est en outre bien connu que les « parcs » d’éoliennes consomment beaucoup d’espace et ne fonctionnent pas.sans nuisances sonores.

A ces nuisances sonores s’ajoutent des problèmes écologiques notamment consécutifs aux risques encourus par les oiseaux à proximité des éoliennes.

Ces inconvénients font que le marché des éoliennes n’a pas connu ces dernières années l’essor auquel on aurait pu s’attendre, et que l’intégration des éoliennes en milieu urbain est actuellement très limitée, de sorte que les perspectives de développement dans ce domaine sont aujourd’hui très larges.

La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients susmentionnés en proposant une éolienne d’axe vertical, moins encombrante à puissance égale et moins bruyante que les éoliennes proposées jusqu'à ce jour, et en outre susceptible d’être implantée en milieu urbain.

Selon l’invention, une telle éolienne est caractérisée en ce qu’elle est intégrée dans la construction d’un bâtiment et en particulier implantée au dernier étage d’un immeuble en zone urbaine. · L’éolienne selon l’invention peut être intégrée sur la partie supérieure de bâtiments qui ont une ou plusieurs pentes, par exemple de bâtiments ayant une seule pente de toiture, mais de grande longueur de façon à permettre de monter plusieurs éoliennes côte à côte. Le dernier étage de tels immeubles peut à titre d’exemple être totalement utilisé pour l’implantation d'éoliennes de ce type.

L'éolienne conforme à l’invention présente par ailleurs l’avantage de permettre de récupérer les vents dirigés dans toutes les directions, y compris les vents ascendants, même lorsque leur direction n’est pas stable.

De tels vents ascendants sont en particulier dus à la présence du bâtiment sur lequel est montée l’éolienne, qui peut être de grande hauteur ou éventuellement dû à une toiture inclinée. De plus, dans le cas de parois d’immeubles exposées au soleil, il se crée une circulation d’air montante qui peut également être récupérés par l’éolienne.

Selon une première variante de l’invention, cette éolienne est équipée d’une génératrice de courant classique qui est accouplée au rotor. Dans cette configuration l’éolienne permet de récupérer l’énergie des vents dont la composante principale de vitesse est horizontale, avec éventuellement une faible composante verticale.

Selon une seconde variante de l’invention, cette éolienne est équipée.d’une embase de canalisation d’un courant d’air vertical pouvant par exemple provenir d’une cheminée du bâtiment sur lequel elle est installée. Dans ce cas, la génératrice de courant doit être installée sur le pourtour de l’embase de canalisation et adopter une forme d’anneau à section rectangulaire pouvant être traversé par les courants d’air ascendants.

Cette seconde variante de l’invention présente l’avantage de pouvoir récolter l’énergie de courants d’air verticaux sortant par exemple d’une cheminée ou de forcer l’extraction de l’air du bâtiment par un phénomène d’aspiration.

Les caractéristiques de l’éolienne d’axe vertical qui fait l’objet de l’invention seront décrites plus en détail en se référant aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective de l’éolienne avec le générateur de courant et l’embase, ^ - la figure 2 est une seconde vue en perspective vue du dessus montrant les coupes de profil suivant une courbe de Bézier et avec un angle de calage, - la figure 3 est une coupe horizontale au niveau du rotor dans laquelle on observe les profils caractéristiques en grille d’aubes, - la figure 4 est une coupe dans une aube montrant le profil de diffusion contrôlé ou NACA ainsi que les composantes des forces de portance et de traînée générées lorsque l’aube est sujette à un courant d’air, - la figure-5 présente-un-profil de diffusion contrôlé-ou-NACA dans un tube-de-courant et les lignes de flux du vent au contact de ce dernier, - la .figure 6 présente les pressions agissant sur l'intrados et l’extrados de l’aube dans le vent.

Selon les figures 1 et 2, l’éolienne comporte un rotor sphérique constitué par une hélice particulière équipée d’une série de pales (1) disposées en grille d’aubes (2) et reliées en tête (3) et en pied (4) qui entraîne un aérogénérateur (5) pour fournir de l’énergie électrique.

Le fait que l’éolienne dispose d’un axe vertical (9) la rend indépendante de la direction de la composante horizontale de la vitesse du vent.

Chaque pale (1) est légèrement vrillée par rapport à l’axe de la sphère (figure 3) de façon à augmenter sa portance (figure 6) et permettre au vent d’attaquer (7) la sphère dans des directions variées, notamment au niveau de la composante verticale de la vitesse, tout en assurant une portance suffisante à la génération d’électricité.

L’angle de calage (8) de chaque profil varie du pied à la tête du rotor, il est maximal aux environs de la mi-hauteur du profil (figures 2&3). Les centres de gravité des coupes de référence du profil de chaque pale sont empilés sur une courbe de type Béziers. L’angle de calage du profil à différents niveaux de la pale (figure 3) est fixé de telle façon à ce que le rendement de la conversion d’énergie du vent dans une plage' de vitesse donnée soit maximisé.

L’éolienne est en outre équipée d’une embase (6) essentiellement cylindrique permettant la canalisation d’un courant d'air vertical ascendant, ceci dans la seconde variante de l’invention. Cette embase cylindrique, montée de façon coaxiale au rotor, permet de guider le vent pénétrant dans l’embase de canalisation par le dessous de l’éolienne vers la partie centrale du rotor sphérique (10).

Le profil aérodynamique des pales ainsi que le nombre de pales constituant le rotor sont déterminants dans la puissance électrique générée au niveau de la génératrice mais également au niveau de bruit généré par l’éolienne. Par conséquent, la forme du profil doit être étudiée avec soin. C’est précisément pour optimiser le rendement aérodynamique des pales mais également pour limiter au maximum les nuisances sonores.générées par le rotor que le profil des pales du type ‘diffusion contrôlée’ ou NACA a été choisis.

Lorsque le rotor est à l’arrêt et que le vent souffle à travers ce dernier, une pression aérodynamique est générée sur l’intrados et l’extrados de chaque pale (figure 6). La pression sur l’intrados étant-supérieureà celle.de l’extrados,.une force de portance F ......

est générée au niveau de la pale. Cette force, à peu près perpendiculaire à la corde de la pale, peut être décomposée en deux composantes tangente Ft et normale Fn à la corde du profil (figures 4&5). La première génère un couple sur l’axe de l'éolienne. Le couple total généré par l’ensemble des pales permet d’assurer l’entrainement de l’éolienne. Sa vitesse de rotation est directement dépendante de la vitesse du vent. .

Ce type d’éolienne dispose d’un couple de démarrage relativement grand par rapport à des éoliennes à axe vertical déjà existante sur le marché et peut donc démarrer dans des conditions de vent faible. Une fois mise en rotation, l’effet de portance aérodynamique sur chaque pale ira croissant. Ce phénomène s’explique par le fait què la vitesse relative du vent par rapport aux pales augmente considérablement dans la direction perpendiculaire à l’axe de rotation.

Le profil au milieu de la pale est à la fois épais et large (figure 3) ce qui confère à la pale la solidité et la rigidité nécessaire mais assure également une portance maximale lors de la mise en rotation et donc un couple de démarrage important. Toutefois un compromis doit être trouvé entre les besoins antinomiques de résistance mécanique et d’efficacité aérodynamique, notamment aux vitesses de rotation élevées.

Claims (7)

1. Eolienne d'axe vertical comportant un rotor actionné par le vent ainsi qu’un aérogénérateur coopérant avec le rotor pour fournir de l’énergie électrique, caractérisée en ce qu’ : - Elle est constituée d’un rotor sphérique comportant une série de pales formant entre elles une grille d’aubes sur une surface sphérique. - Elle est intégrée dans la construction d'un bâtiment et en particulier implantée sur le toit d’immeubles d'habitation, en zone urbaine ou sur une cheminée. Elle est équipée d’une embase cylindrique permettant la récupération de courants d’air verticaux au centre du rotor lorsqu’elle est installée sur une cheminée. Elle est conçue de telle façon que sa résonance acoustique est neutralisée par le choix du nombre de la pale, si bien que les nuisances sonores sont fortement diminuées par rapport aux technologies existantes ?

2. Eolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le rotor sphérique possède des pales, dont le profil est du type de diffusion contrôlé ou NACA, montées vrillées de la base au sommet de la sphère selon une loi de type Bézier.

3. Eolienne selon l’une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les pales du rotor sont solidaires l’une de l’autre grâce à une fixation à leur extrémité

4. Eolienne selon l’une quelconque des revendications i à 3, caractérisée en ce que le rotor est fixé sur l’axe de la génératrice de courant par l’intermédiaire de deux paliers, l’un au pied des aubes et l’autre en tête des aubes

5. Eolienne selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la génératrice peut être de la forme d’un anneau à section rectangulaire de façon à venir se fixer sur l’embase cylindrique afin de permettre l’interaction avec des courants d’air dont la composante de vitesse est principalement verticale. De cette façon le refroidissement de la génératrice est assuré naturellement par la circulation de l’air ambiant.

6. ' Eolienne selon l’une quelconque.des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que chaque pale a un profil aérodynamique qui, par effet aérodynamique dans l’air, produit une force qui assure le couple de rotation du rotor. Ce couple est généré même à de faibles vitesses de vent.

7. Eolienne selon l’une quelconque des revendications. 1 à 6, caractérisée en ce que la largeur de la pale, l'épaisseur, et la cambrure sont issues d’un compromis entre les besoins en termes de résistance mécanique et de performance aérodynamique de la pale.