CA2628592A1

CA2628592A1 - Eollenne a axe vertical

Info

Publication number: CA2628592A1
Application number: CA002628592A
Authority: CA
Inventors: Alain Burlot
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-11-18
Filing date: 2005-11-17
Publication date: 2006-05-26
Also published as: RU2382233C2; CN100575697C; RU2007122489A; WO2006053987A1; FR2878001A1; AU2005305704A1; CN101061311A; EP1819926A1; US20090074581A1; BRPI0518442A2; FR2878001B1

Abstract

L'invention a pour objet une éolienne à axe vertical et trouve notamment son application à la fourniture d'électricité, au pompage de l'eau ou encore au stockage d'énergie potentielle. Plus précisément, l'éolienne de l'invention comprend au moins deux pales reliées par leurs extrémités inférieures respectives à un palier rotatif d'un mât (4). De façon caractéristique, chacune des pales est également reliée par son extrémité supérieure au palier rotatif du mât par l'intermédiaire d'un levier rigide qui prend appui sur ce mât et qui est relié à ce palier rotatif.

Description

EOLIENNE A AXE VERTICAL

La présente invention a pour objet une éolienne à axe vertical et trouve notamment son application à la fourniture d'électricité, au pompage de l'eau ou encore au stockage d'énergie potentielle.
De nos jours, l'énergie éolienne apparaît comme une alternative importante aux sources traditionnelles d'énergie. Contrairement à ces sources traditionnelles, elle est renouvelable et non polluante, en terme d'émission gazeuse et de rejet dans l'atmosphère ou sur terre.
Le développement de cette énergie s'est récemment accéléré.
Cette progression s'est accompagnée d'une évolution de la fiabilité, de la taille et du rendement des éoliennes, engendrant une baisse progressive du coût de production du kilowattheure jusqu'à un niveau compétitif par rapport aux autres sources d'énergie.
On classe généralement les éoliennes dans deux grandes familles :
les éoliennes à axe vertical, et les éoliennes à axe horizontal.
L'éolienne à axe horizontal, dont un exemple est représenté à la figure la, est probablement le type d'éolienne le plus connu et le plus répandu. Ce type d'éolienne comporte généralement trois pales 1,2,3, fixées par l'une la,2a,3a de leurs deux extrémités en le même point unique 5 d'un mât, ou d'une tour, vertical 4. Ces pales 1,2,3 entraînent un axe horizontal en rotation, qui est relié à un alternateur ou générateur dans un dispositif 12 d'entraînement, ou nacelle. Ce type d'éolienne est considéré comme le descendant direct des moulins à vent, dont on peut dire que les ailes en bois sont remplacées par des ailes d'avion.
La hauteur H du mât 4 a une influence sur la puissance puisque les vents rapides se trouvent en hauteur. La longueur des pales 1,2,3 influence également la puissance, puisque ces pales délimitent la surface S du disque d'air balayé et que la puissance fournie est proportionnel à
3 o cette surface S.
Un des inconvénients de ce type d'éolienne est que la maintenance

2 est rendue compliquée et dangereuse, puisque la nacelle 12 se trouve au sommet du mât 4. Un deuxième inconvénient important est qu'une éolienne à axe horizontal est unidirectionnefle. Elle nécessite donc un dispositif d'orientation, avec un moteur, de façon à modifier cette orientation en fonction de la direction du vent. Ce dispositif d'orientation est généralement intégré à l'intérieur de la nacelle 12, ou associé à celle-ci, donc au sommet du mât 4. Par ailleurs, ce type d'éolienne génère une nuisance sonore, essentiellement liée à la vitesse d'attaque du disque d'air par les pales et à la poussée coaxiale.
L'éolienne à axe vertical, dont un exemple est représenté à la figure 1 b, est restée jusqu'à ce jour beaucoup moins répandue. Son principe de mise en mouvement est similaire à celui d'un anémomètre : utilisation d'un couple moteur pour entraîner un générateur électrique ou un dispositif mécanique tel qu'une pompe.
L'exemple représenté à la figure lb, plus connu sous le nom d'éolienne de type Darrieus , comporte deux (ou trois) pales 1,2 fixées par leurs extrémités la,2a et lb,2b respectivement en le même point bas unique et le même point haut unique du mât, ou tour, vertical 4. Le rotor ainsi formé est parabolique, mais il peut également être cylindrique ou tronconique.
La hauteur H du mât 4 a, ici encore, une influence sur la puissance puisque les vents rapides se trouvent en hauteur et les extrémités supérieures lb,2b des pales 1,2 ne peuvent monter plus haut que le sommet du mât 4.. A hauteur H constante, la longueur des pales 1,2 et leur courbure influencent également la puissance, puisque ces pales délimitent la surface S du cylindre ou de la veine d'air balayé et que la puissance est proportionnelle à cette surface S.
Ce type d'éolienne présente notamment, par rapport aux éoliennes à axe horizontal, l'avantage de permettre une maintenance plus facile,

3 o puisque tous les moteurs sont au sol, ou à proximité du sol, dans le dispositif 12 d'entraînement qui comprend entre autre le générateur d'énergie. Par ailleurs, à puissance égale, la nuisance sonore est réduite.
De plus, ce type d'éolienne est omnidirectionnel, et ne nécessite donc pas d'électronique de contrôle de l'orientation.
De telles éoliennes à axe vertical présentent cependant un certain s nombre d'inconvénients importants, qui sont en partie à l'origine du fait que ces éoliennes sont moins répandues que les éoliennes à axe horizontal. En particulier, ce type d'éolienne ne démarre pas seul puisque son fonctionnement intrinsèque fait appel à la rotation des pales 1,2. Un système de lancement s'avère donc nécessaire, qui complique 1o l'installation, le fonctionnement, et la maintenance de ce type d'éolienne.
Par ailleurs ce type d'éolienne nécessite l'utilisation d'étais ou haubans 6,7, partant du haut du mât pour maintenir l'ensemble au sol.
Pour des éoliennes de grande puissance, la surface occupée au soi par le haubanage devient donc très conséquente. En effet, les haubans 6,7 15 limitent considérablement le diamètre équatorial, donc la surface balayée, donc la puissance. Or, à hauteur H de mât constante, pour obtenir une surface balayée sensiblement équivalente à celle balayée par l'éolienne à
axe horizontal de la figure la, il est nécessaire d'augmenter la longueur et la courbure des pales 1,2, afin d'augmenter le diamètre équatorial pour 2 o qu'il passe de D à D'. Mais pour ce faire, il faut écarter le haubanage de la façon représentée par les haubans 6',7', d'où une surface occupée au sol qui devient énorme.
Également, le fait que le rotor d'une telle éolienne soit installé près du sol, où, par nature, la vitesse du vent est plus faible qu'en hauteur et 25 les perturbations et variations plus fréquentes, signifie que le captage d'énergie est effectué dans une zone peu favorable. Cela réduit significativement l'efficacité du dispositif.
Enfin, comme déjà mentionné plus haut, la surface balayée, et donc la puissance, restent limités puisque cette surface dépend entre autre de 3 o la hauteur des pales. Or, la hauteur des pales est limitée par la hauteur du mât, et la hauteur du mât est limitée par la réglementation.

4 Il existe donc un besoin d'une solution fiable et simple qui permette de pallier les inconvénients précités. Ainsi, c'est l'objet de la présente invention que de proposer une éolienne à axe vertical, dérivée du type Darrieus , qui présente un rendement plus élevé, notamment par l'augmentation de la hauteur des pales sans augmentation de la hauteur du mât, avec une surface d'implantation au soi réduite, ne nécessitant pas d'électronique de lancement, le tout avec une maintenance aisée à
réaliser.
A cette fin, l'éolienne à axe vertical de l'invention comporte des lo pales qui ne sont reliées au mât qu'en un point bas unique. Ainsi, à
hauteur de mât égale, les pales peuvent monter beaucoup plus haut qu'avec une éolienne de l'état de la technique, avec pour conséquence un captage des vents encore plus rapides, une surface balayée plus importante, donc un rendement meilleur. Par ailleurs, chaque extrémité
haute des pales est reliée en le même point bas unique du mât, par l'intermédiaire d'un levier rigide. Ces leviers prennent appui sur le mât, permettant ainsi de reprendre la force appliquée par les vents rapides en haut des pales pour la transmettre en bas, au niveau d'un palier rotatif.
Ceci permet de réduire l'effet de cisaillement, de supprimer l'utilisation des étais ou haubans, et de s'affranchir d'un mécanisme de démarrage puisque l'éolienne démarre seule.
L'invention se rapporte donc à une éolienne à axe vertical comprenant au moins deux pales reliées par leurs extrémités inférieures respectives à un palier rotatif d'un mât.
L'éolienne est caractéristique en ce que chacune des pales est également reliée par son extrémité supérieure au palier rotatif du mât par l'intermédiaire d'un levier rigide qui prend appui sur ce mât et est relié à
ce palier rotatif.
Dans une première variante de réalisation, la liaison entre le levier 3 o rigide et le palier rotatif est réalisée par le dessus de ce palier rotatif.
Dans une deuxième variante de réalisation, la liaison entre le levier rigide et le palier rotatif est réalisée par le dessous de ce palier rotatif.
Dans une autre variante de réalisation, éventuellement en combinaison avec l'une quelconque des précédentes, la longueur des pales est supérieure à la longueur des leviers.

5 Dans une autre variante de réalisation, éventuellement en combinaison avec l'une quelconque des précédentes, la distance entre le palier rotatif et le sommet du mât est inférieure à la distance entre le sommet du mât et la projection des extrémités supérieures des pales sur l'axe vertical du mât.
De préférence, cette distance est inférieure au tiers de la distance entre le sommet du mât et la projection des extrémités supérieures des pales sur l'axe vertical du mât.
Dans une autre variante de réalisation, éventuellement en combinaison avec l'une quelconque des précédentes, la distance entre le palier rotatif et la projection des extrémités supérieures des pales sur l'axe vertical du mât est supérieure au double de la hauteur du mât.
Eventuellement, le diamètre équatorial est supérieur à la hauteur du mât. De préférence, ce diamètre équatorial est supérieur à trois fois la hauteur du mât.
Dans une autre variante de réalisation, éventuellement en combinaison avec l'une quelconque des précédentes, l'éolienne de l'invention comprend un premier et un deuxième éléments électromagnétiques situés respectivement au-dessus et en-dessous du palier rotatif, et un moyen d'alimentation électrique réglable en polarité et en intensité pour alimenter électriquement ces éléments électromagnétiques.
Ainsi l'éolienne à axe vertical de l'invention permet avantageusement d'obtenir en particulier un rendement élevé, grâce notamment à la surface balayée et au caractère omnidirectionnel. Elle permet également une plus grande sécurité, grâce notamment au double point de fixation des pales et à la maintenance des machines qui peut être

6 réalisée au sol. L'éolienne de l'invention est par ailleurs plus silencieuse et réduit donc ainsi les nuisances sonores.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement et de manière complète à la lecture de la description ci-après des variantes préférées de réalisation du dispositif, lesquelles sont données à titres d'exemples non limitatifs et en référence aux dessins annexés suivants :
- figures 1 a,1 b: représentent schématiquement et respectivement deux éoliennes de l'art antérieur, - figures 2a,2b : représentent schématiquement un exemple de réalisation éolienne de l'invention dans deux vues respectives en trois dimensions et projetée en deux dimensions, - figure 3: représente schématiquement une partie du dispositif d'entraînement de l'éolienne de l'invention.
Les figures 1 a et 1 b représentent schématiquement et respectivement une éolienne à axe horizontal de l'état de la technique et une éolienne à axe vertical de l'état de la technique, et ont été décrites précédemment.
Les figures 2a et 2b représentent schématiquement un exemple de réalisation de l'éolienne de l'invention.
A la figure 2a, l'éolienne est représentée dans une vue en trois dimensions. Elle comporte un mât, ou tour, vertical 4, d'une hauteur H, et un palier rotatif 5. A ce palier rotatif 5 sont reliées trois pales 1,2,3 par leurs extrémités inférieures respectives la,2a,3a.
Le palier rotatif 5 supporte par ailleurs trois leviers rigides 8,9,10, de préférence métalliques, qui sont reliés respectivement aux trois extrémités supérieures 1 b,2b,3b des trois pales 1,2,3.
Les leviers 8,9,10 appuient sur le mât 4, permettant ainsi de 3 o reprendre la force appliquée par les vents rapides en haut des pales pour la transmettre en bas. L'éolienne peut donc démarrer seule.

7 PCT/FR2005/002859 Dans cet exemple de réalisation, l'éolienne comporte donc trois pales, mais elle pourrait tout aussi bien n'en comporter que deux, ou encore plus de trois. Bien sûr, dans le cas d'une éolienne à deux pales, celles-ci se trouvent dans un même plan qui contient également l'axe de rotation vertical.
A la figure 2b, l'éolienne de la figure 2a est représentée en vue projetée en deux dimensions. Ainsi, la troisième pales 3 n'apparaît pas, par souci de simplification et pour faciliter la compréhension du schéma.
On retrouve donc sur la figure 2b les mêmes éléments que ceux lo présents sur la figure 2a, à l'exception de la pale 3 et du levier 10 qui lui est associé.
Dans cette variante de réalisation (figures 2a ou 2b), la liaison entre chaque levier 8,9,10 avec le palier rotatif 5 se fait par le dessus de ce palier. Alternativement, cette liaison peut être réalisée par le dessous.
Dans cette figure 2b est également représenté le dispositif 12 d'entraînement, dont une partie sera expliquée plus en détail en référence à la figure 3.
L'éolienne représentée à la figure 2b, ou plus précisément son rotor, possède donc un diamètre équatorial D et une surface de balayage S conséquents.
On peut en effet constater, par comparaison avec les figure 1 a et 1 b, qu'à hauteur H de mât constante, la surface S balayée est beaucoup plus importante. Dans un exemple de réalisation, le rapport entre la surface balayée par l'éolienne de l'invention, et la surface balayée par l'une des éoliennes de l'art antérieur (figures la et 1 b), hauteur H de mât constante, est au moins égal à sept.
On voit que la longueur des pales 1,2 est bien supérieure à la longueur des leviers 8,9. La courbure des pales ainsi obtenue permet d'atteindre une valeur élevée pour le diamètre équatorial, sans augmenter 3 o la hauteur H du mât.
De préférence, le diamètre équatorial D est supérieur à la hauteur

8 du mât 4.
Dans une variante de réalisation, le diamètre équatorial D est supérieur à trois fois la hauteur du mât 4. , De préférence encore, pour permettre au rotor d'atteindre une hauteur importante dans le but de capter des vents plus rapides en hauteur, le palier rotatif 5 est situé à proximité du sommet du mât 4. De la sorte, les extrémités inférieures la,2a des pales 1,2 sont également situées à proximité du sommet du mât 4, et les extrémités supérieures 1 b,2b de ces pales 1,2 peuvent monter jusqu'à une hauteur importante.
Dans une variante de réalisation, la distance entre le palier rotatif 5 et le sommet du mât 4 est inférieure à la distance entre le sommet du mât 4 et la projection des extrémités supérieures 1 b,2b des pales 1,2 sur l'axe vertical du mât 4 (ou axe de rotation).
Dans une autre variante de réalisation, cette distance entre le palier rotatif 5 et le sommet du mât 4 est inférieure au tiers de la distance entre le sommet du mât 4 et la projection des extrémités supérieures 1 b,2b des pales 1,2 sur l'axe vertical du mât 4 (ou axe de rotation).
Dans une autre variante de réalisation, éventuellement en combinaison avec l'une quelconque ou plusieurs des précédentes, la 2 o distance entre le palier rotatif 5 et la projection des extrémités supérieures 1 b,2b des pales 1,2 sur l'axe vertical du mât 4, ou axe de rotation, est supérieure au double de la hauteur du mât 4.
Ainsi, dans un exemple de réalisation, à hauteur H de mât constante, le rotor atteint une hauteur au moins trois fois supérieure à la hauteur atteinte par le rotor de l'une quelconque des éoliennes de l'art antérieur (figures 1 a et 1 b).

La figure 3 représente schématiquement une partie du dispositif 12 d'entraînement de l'éolienne de l'invention.
De façon classique, le palier rotatif 5, qui tourne autour du mât 4 3 o auquel il est lié par des roulements 15, est relié à un multiplicateur 16 par l'intermédiaire d'un arbre primaire 19. Ce multiplicateur 16 est relié à un

9 générateur, ou alternateur, 17 par l'intermédiaire d'un arbre secondaire 20. Entre le multiplicateur 16 et le générateur 17 est disposé un frein 18.
Cette description avec la séparation des différents éléments du dispositif 12 d'entraînement est purement fonctionnelle et est donnée à
titre indicatif. Par exemple, le multiplicateur 16 pourrait très bien être intégré au générateur ou alternateur 17, comme c'est la cas dans certains types de dispositif d'entraînement connus.
De façon caractéristique, deux éléments électromagnétiques 13,14 sont disposés autour du mât 4, respectivement au-dessus et au-dessous lo du palier rotatif 5. Il peut s'agir par exemple de bobines électromagnétiques qui jouent le rôle de régulateur.de vitesse de rotation de l'arbre lent ainsi que de frein complémentaire pour une sécurité accrue.
Ces éléments électromagnétiques 13,14 sont alimentés électriquement par un moyen 11 d'alimentation électrique réglable en Z S polarité et en intensité. Ainsi, un réglage et/ou contrôle approprié
permet d'attirer progressivement l'un ou l'autre des éléments électromagnétiques 13,14 vers le palier rotatif 5.
Ces éléments 13,14, pourvus par exemple d'un disque de freinage, permettent la mise en oeuvre d'un freinage électromagnétique, qui vient en 20 complément du freinage classique sur l'arbre secondaire 20 tel que décrit ci-dessus. Ces éléments permettent donc la mise en osuvre d'un mécanisme de sécurité supplémentaire.
L'ensemble de la description ci-dessus est donné à titre d'exemple et est non limitatif de l'invention.

Claims

1. Eolienne à axe vertical comprenant au moins deux pales (1,2) reliées par leurs extrémités inférieures respectives (1a, 2a) à un palier rotatif (5) d'un mât (4), caractérisée en ce que chacune desdites pales (1,2) est également reliée par son extrémité
supérieure (1b, 2b) audit palier rotatif (5) dudit mât (4) par l'intermédiaire d'un levier (8,9) rigide prenant appui sur ce dit mât (4) et relié à ce dit palier rotatif (5).

2. Eolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la liaison entre ledit levier (8,9) rigide et ledit palier rotatif (5) est réalisée par le dessus de ce dit palier rotatif (5).

3. Eolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la liaison entre ledit levier (8,9) rigide et ledit palier rotatif (5) est réalisée par le dessous de ce dit palier rotatif (5).

4. Eolienne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la longueur desdites pales (1,2) est supérieure à la longueur desdits leviers (8,9).

5. Eolienne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la distance entre ledit palier rotatif (5) et le sommet dudit mât (4) est inférieure à la distance entre le sommet dudit mât (4) et la projection desdites extrémités supérieures (1b,2b) desdites pales (1,2) sur l'axe vertical dudit mât (4).

6. Eolienne selon la revendication 5, caractérisée en ce que la distance entre ledit palier rotatif (5) et le sommet dudit mât (4) est inférieure au tiers de la distance entre le sommet dudit mât (4) et la projection desdites extrémités supérieures (1b,2b) desdites pales (1,2) sur l'axe vertical dudit mât (4).

7. Eolienne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la distance entre ledit palier rotatif (5) et la projection desdites extrémités supérieures (1b,2b) desdites pales (1,2) sur l'axe vertical dudit mât (4) est supérieure au double de la hauteur dudit mât (4).

8. Eolienne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce son diamètre équatorial est supérieur à la hauteur dudit mât (4).

9. Eolienne selon la revendication 8, caractérisée en ce que son diamètre équatorial est supérieur ou à trois fois la hauteur dudit mât (4).

10.Eolienne selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif (12) d'entraînement, lui-même comprenant un premier et un deuxième éléments électromagnétiques (13,14) situés respectivement au-dessus et au-dessous dudit palier rotatif (5), et un moyen (11) d'alimentation électrique réglable en polarité et en intensité pour alimenter électriquement lesdits éléments électromagnétiques (13,14).