CA2696758A1 - Turbine a axe vertical compatible avec une eolienne et une hydrolienne - Google Patents

Abstract

La présente invention décrit un type de turbine à axe vertical qui peut être placée indifféremment sur une éolienne et sur une hydrolienne. Pour les deux dispositifs, la turbine proposée est munie d'un carénage formant un déflecteur à l'avant et une queue à l'arrière qui l'oriente spontanément face au vent ou face au courant. Elle est surmontée d'un carter comprenant un générateur, les pièces mécaniques assurant la transmission de son énergie cinétique au générateur et d'autres pièces assurant son guidage en rotation. Sur l'éolienne, cette turbine est suspendue avec la possibilité de s'incliner par grand vent. Sur l'hydrolienne, elle est positionnée verticalement dans la partie haute du courant grâce à des flotteurs. Ces modèles, simples à fabriquer, se veulent des dispositifs économiques de production d'énergie électrique et facile d'entretien.

Description

Description Turbine à axe vertical compatible avec une éolienne et une hydrolienne.

La prise de conscience actuelle des nuisances écologiques causées par l'exploitation des ressources d'énergie fossile et nucléaire pour la production d'électricité conduit, pour combler les demandes de plus en plus grandes, à prioriser l'exploitation des sources d'énergies renouvelables sans effet écologique nuisible. Jusqu'à présent la production d'électricité à partir d'énergies renouvelables sur la planète provenait principalement des barrages. Les sites exploitables sont de plus en plus rares, aussi les énergies d'origine éolienne ou hydrolienne pour la production d'électricité et la biomasse pour le chauffage deviennent des sources intéressantes. L'hydrolienne capte l'énergie cinétique de l'eau en se servant d'hélices, de turbines ou de roues à aubes de la même façon que l'éolienne le fait avec le vent.
Pour les technologies éoliennes et hydroliennes, les modèles à axe horizontale utilisant l'hélice sont les plus utilisés. Mais ils présentent certains inconvénients pour ce qui est de l'esthétisme, du bruit et des vibrations pour les éoliennes et le fait de devoir effectuer les interventions d'entretien sous l'eau pour les hydroliennes. La présente invention va proposer l'utilisation d'un type de turbine à axe vertical qui est capable d'être placée indifféremment sur une éolienne ou sur une hydrolienne, dispositifs qui n'auront pas les inconvénients des modèles à hélices.
Les projets d'éoliennes à axe vertical sont très variés, certains ont porté sur l'amélioration du rendement. Ainsi pour utiliser efficacement la turbine à aubes, on place un déflecteur couvrant la moitié de la turbine. Plusieurs brevets choisissent de placer les turbines côte à côte formant des paires de turbines avec un déflecteur commun aux deux turbines (brevets CA2546750 et CN201193588).
Les modèles de type Savonius et Darrieus sont la base de plusieurs projets (brevets CA2528714 et CA2216975). Le brevet (US7315093) décrit un système éolien pour équiper les bâtiments en plaçant des turbines à plusieurs endroits des bâtiments. On rencontre également des systèmes avec des roues dont les pales sont pivotantes (brevets EP2022980, WO 2009061300 et US 5226806), un système à deux turbines verticales (brevet US 6674181), des systèmes avec plusieurs panneaux (brevets US 4455491 et FR 2776719).
Les hydroliennes évoluent dans un environnement agressif pour le matériel. On trouve des installations flottantes ou fixées au fond de l'eau. Parmi les brevets qui décrivent des hydroliennes possédant une fixation au fond de l'eau on peut citer les brevets FR 2879679, EP1467093, US2006127210 et US4383797. Les brevets W02008114019 et GB2348249 proposent des systèmes à hélices, maintenus en place dans le courant par leur fondation au fond de l'eau d'un bord et par des flotteurs les tirant vers le haut. Le brevet W09902853 de Carstens Torkild de Norvège (1999) propose une hydrolienne originale avec des paires de turbines à axe verticale soutenues par une poutre hydrodynamisme pourvue de ballasts qui permet de la maintenir entre deux eaux dans le courant. Cette solution demande des moyens assez imposants pour sa mise en place et pour son entretien notamment si l'éolienne comporte un grand nombre de turbines. Le brevet FR2878000 de Philippe Boisneau de France (2006) décrit un hydrolienne flottante à hélices avec un système de ballast, un mât et un treuil formant une installation imposante.
La présente invention concerne une turbine à axe vertical suspendue aux dimensions modestes qui se place indifféremment sur une éolienne et sur une hydrolienne. Afin d'atteindre l'objectif de réaliser des petites unités rentables de production d'électricité elle propose des dispositifs simples à fabriquer, et à installer. Dans son utilisation en éolienne et en hydrolienne, cette turbine est suspendue en dessous d'un carter comprenant un générateur, les éléments mécaniques assurant la transmission des mouvements et ceux servant à son guidage en rotation. Cette turbine est munie d'un carénage formant un déflecteur à l'avant pour améliorer son rendement, et d'une queue à l'arrière qui place spontanément le déflecteur de façon correcte face au vent ou face au courant suivant l'utilisation de la turbine.
L'installation de cette turbine pour son utilisation comme éolienne est particulièrement simple. Elle est suspendue par son carter à un ou plusieurs câbles fixés à un minimum de deux mâts, la laissant libre de s'incliner. Par fort vent l'énergie captée est inférieure à celle qu'elle serait capable de capter si elle était contrainte de rester verticale. Par contre l'aptitude que possède cette turbine à s'incliner lui permet d'allonger son domaine d'utilisation à plus haute vitesse. La mise en place de la turbine et son retrait pour entretien par treuil à partir du sol se fait sans trop peu de difficultés.
Employée sur une hydrolienne, cette turbine est plongée dans l'eau alors que le carter contenant les parties mécaniques et électriques reste hors de l'eau. La mise en place s'effectue à partir d'une petite embarcation et l'entretien de l'hydrolienne en cours d'exploitation est facilité par le fait que sa turbine peut être retirée de la structure qui la maintient en place. En mettant côte à côte plusieurs hydroliennes de ce type on réalise un ensemble fournissant une plus grande puissance.
La double utilisation de cette turbine est une solution adaptée aux régions nordiques dont les courants sont soumis au gel de l'hiver.

En effet les turbines des installations d'hydroliennes pourront être retirées à l'arrivée du gel pour être placées sur des installations éoliennes à une période où les vents sont les plus puissants.

Liste des dessins Figure 1- Montage de la turbine sur le carter.
Figure 2- Construction de la turbine et de son carénage.
Figure 3- Basculement du carénage.
Figure 4- Installation de la turbine fonctionnant en éolienne.
Figure 5- Installation de la turbine fonctionnant en hydrolienne.
Figure 6- Vue de dessus de l'hydrolienne.
Figure 7- Exemple de positionnement d'un groupe d'hydroliennes faisant face au courant.
Commentaires sur les dessins Figure 1- Montage de la turbine sur le carter.
La turbine 1 est de forme cylindrique, son axe de rotation est constitué par les pièces 3 en bas et 6 en haut qui sont fixées sur elle.
Elle est suspendue, par l'intermédiaire de son axe de rotation supérieur 6, en dessous du carter 14 qui contient le générateur 10. La turbine est entourée d'un carénage 2 qui pivote librement autour d'elle en tournant autour de ses axes 3 et 6. Ce carénage repose en bas de la turbine sur une rondelle 4 bloquée par une goupille 5. Dans cette figure les détails de la turbine et de son carénage sont volontairement omis pour être présentés dans les figures 2 et 3.
L'axe de rotation 6 est relié à l'axe du générateur par l'intermédiaire du joint 13. Celui-ci s'appuie sur la butée à rouleaux coniques 9 qui soutient ainsi la turbine en rotation. Cette butée 9 repose sur la pièce cylindrique 12. A l'intérieur de cette pièce 12 est inséré le coussinet 8 qui guide l'axe de la turbine 6 en rotation, coussinet qui pourrait être remplacé par un roulement à billes. En dessous de la pièce 12 est fixé un couvercle 7 munis de deux joints 11.1 et 11.2 pour assurer l'étanchéité au bas du carter. La pièce 12 et le générateur 10 sont fixés au carterl4 qui contient l'ensemble des éléments mécaniques et électriques 7, 8, 9, 10, 11, 12 et 13. Le carter possède un ou plusieurs orifices sur le côté qui sert au démontage de la turbine 1 et au passage des câbles électriques. Le carter comporte un anneau 15 à sa partie supérieure pour le suspendre dans son utilisation avec une turbine sur une éolienne comme ce sera décrit à la figure 4. Il est percé de plusieurs trous sur la couronne qui constitue sa partie inférieure, trous qui servent à sa fixation sur un support flottant pour son utilisation en hydrolienne (figure 5 et 6).
Figure 2- Construction de la turbine et de son carénage.
Cette figure montre la façon dont est construite la turbine 1, elle a la forme d'une cage cylindrique dont les barreaux à la circonférence de celle-ci sont constitués par des ailettes 1.1 ayant la forme de très longs demi cylindres creux. La structure de la turbine est complétée par des cerceaux 1.2, des rayons 1.3 et des paliers 1.4 qui vont recevoir et fixer les axes de la turbine. Celle-ci est creuse et laisse les fluides la traverser. Le carénage 2 est constitué d'une tôle 2.1 qui est profilée pour former un déflecteur à l'avant, couvrant une portion d'un côté de la turbine pour améliorer son rendement, puis il contourne ce côté et il se termine à l'arrière par une queue faisant office de girouette afin de maintenir le déflecteur en position avant.
La structure du carénage est complétée par des rayons 2.2 et deux paliers 2.3 pour le guider dans sa rotation autour de la turbine.
Figure 3- Basculement du carénage.
Cette figure représente une coupe horizontale de la turbine et de son carénage. Cette figure montre leur position relative lorsque le fluide effectue un changement de sens de 180 degrés ce qui pourrait arriver si la turbine est placée dans un courant de marée. Comme le carénage est libre en rotation autour de la turbine, sa queue provoque sa rotation de 180 degrés le déflecteur se trouve de nouveau en position avant et la turbine retrouve les mêmes conditions qu'auparavant pour capter l'énergie du fluide en mouvement. La figure montre le fluide traversant la turbine, non seulement l'énergie cinétique du courant est captée en frappant les ailettes lui faisant face mais il en fait de même en sortant de la turbine.
Figure 4- Installation de la turbine fonctionnant en éolienne.
Les deux dessins de cette figure montrent comment cette turbine 1 peut être utilisée en éolienne. Dans le dessin du haut l'installation est des plus simples. La turbine 1 est suspendue par l'anneau 15 de son carter 14 à un câble 16 légèrement tendu entre les deux mâts 17.
Disposé ainsi, le carter est empêché de pivoter complètement autour de l'axe de la turbine et celle-ci peut transmettre sa rotation au générateur. Pour sa mise en place en hauteur, on va utiliser un treuil placé au bas d'un mât qui va tirer le câble et lever la turbine.
Dans la figure du bas qui est une vue de dessus d'une installation éolienne de la turbine, quatre mâts sont disposés autour de la turbine et quatre câbles légèrement tendus relient chacun de ces mâts au carter ceci au niveau de la couronne qui constitue la partie inférieure du carter. La turbine est toujours suspendue en dessous du carter qui est toujours empêché de pivoter autour de l'axe de la turbine et celle-ci peut transmettre sa rotation au générateur. Ici la mise en place en hauteur de la turbine est effectuée en faisant tirer deux câbles adjacents par le treuil.
Figure 5- Installation de la turbine fonctionnant en hydrolienne.
Cette figure représente une hydrolienne possédant quatre flotteurs 20 dont seulement les deux flotteurs en avant de l'hydrolienne sont montrés ici (voir figure 6). Le carter 14 qui soutient la turbine 1 est supporté par la plaque 18 sur laquelle sont fixées des barres de liaisons 19 qui sont elles-mêmes reliées chacune à un flotteur 20. Par ce montage on peut retirer la turbine sans toucher à la structure qui la supporte (figure 1), structure constituée par la plaque 18, les barres de liaisons 19 et les flotteurs 20.
Remarque: La taille de la turbine placée en éolienne est généralement plus grande que celle qui serait placée sur une hydrolienne de ce type dans le cas où on les ferait fonctionner avec le même carter contenant le même générateur en raison des différences de leur environnement respectif et ainsi de leurs conditions d'utilisations.
Figure 6- Vue de dessus de l'hydrolienne.
Cette figure montre la disposition vue de dessus des quatre flotteurs 20 autour de la turbine 1 et de son carter 14. Dans la figure précédente il a été vu que la turbine et son carter repose sur la plaque 18 qui est reliée aux flotteurs par quatre barres de liaisons 19. Ces flotteurs forment un rectangle à la surface de l'eau, rectangle qui englobe entièrement la section circulaire de la turbine dont l'axe coupe ce rectangle perpendiculairement en son centre. La turbine est maintenue en position verticale par cette structure flottante. Les flotteurs sont partiellement remplis d'eau formant des ballasts pour assurer la stabilité de l'ensemble. La capacité de ces ballasts, leur coefficient de remplissage et la portée des bras de liaison vont dépendre du courant et sont obtenues par calcul à partir de la vitesse maximum du courant.
Figure 7- Exemple de positionnement d'un groupe d'hydroliennes faisant face au courant.
Cette figure représente trois hydroliennes placées perpendiculairement à la berge et reliées côte à côte dans le courant, elles sont positionnées dans le cours d'eau grâce d'un côté à un câble 21 reliant le flotteur de bord à la berge, et de l'autre côté le flotteur de bord est amarré à une bouée 22 placée dans le courant. Cette bouée 22 est reliée par un câble 23 à un ancrage 24 déposé au fond de l'eau.
Avantages de l'utilisation de cette turbine:
-Sa conception est simple ce qui va faciliter sa fabrication.
-Dans la fabrication des deux systèmes il est possible d'utiliser plusieurs éléments provenant de récupération (barres, plaques, flotteurs, mâts, câbles...) faisant d'autant diminuer leur coût de fabrication.
-L'utilisation de cette turbine en éolienne nécessite très peu d'investissements supplémentaires en raison de la simplicité de son installation.
-Pour son utilisation sur une l'hydrolienne les éléments électriques et mécaniques (roulements et coussinet) sont hors de l'eau. Si l'on souhaite une production d'électricité plus importante on peut ajouter progressivement à volonté des unités supplémentaires pour obtenir la puissance désirée. La mise en place et le retrait de ses unités pour entretien sont aisés. Il est possible de retirer une turbine d'un ensemble de plusieurs turbines pour entretien sans toucher à la structure qui la supporte, et cette opération peut s'effectuer sans arrêter la production d'électricité des autres turbines. Enfin si cette hydrolienne est placée en milieu soumis au gel de l'hiver, sa turbine et son carter peuvent être retirés et placés de façon économique en l'air comme il a été montré à la figure 4 pour fonctionner en éolienne ce qui constitue une nouvelle application. Une autre possibilité
consiste à réemployer le carter seul auquel on ajouterait une plus grosse turbine que celle utilisée sur l'hydrolienne pour aboutir à une éolienne aux performances équivalentes à l'hydrolienne d'origine.
Précautions à prendre:
Les parties des hydroliennes de la présente invention qui se situent au niveau de la ligne de flottaison vont être à la merci des objets, tels que feuilles et branchages, charriés par le courant. Il va être nécessaire de les protéger.

Claims (6)

1-Dans le cas d'un dispositif de production d'électricité
composé d'une turbine à axe verticale qui pend en dessous d'un carter de forme cylindrique et qui contient:
-Un générateur fixé au carter.
-Un joint qui relie la partie supérieure de l'axe de la turbine à l'axe du générateur pour transmettre le mouvement de rotation de la turbine au générateur.
-Une butée à rouleaux coniques sur laquelle s'appuie le joint précédent, et qui porte donc la turbine dans sa rotation.
-Une pièce cylindrique fixée à l'intérieur du carter qui reçoit la butée et à l'intérieur de laquelle est inséré un coussinet, qui peut être remplacé par un roulement à billes, pour le guidage en rotation de l'axe de la turbine qui le traverse.
-Un couvercle, muni de joints d'étanchéité, placé au bas du carter.

2-Dans le cas d'un dispositif de production d'électricité selon la revendication 1 où la turbine a une forme de cage cylindrique dont les barreaux, à la circonférence de celle-ci, sont constitués par plus de dix ailettes ayant la forme de très longs demi cylindres creux. La turbine se laisse ainsi traverser par le fluide. Non seulement l'énergie cinétique du fluide est captée en frappant les ailettes qui lui font face mais une partie du fluide traverse la turbine et cède à nouveau de l'énergie cinétique en sortant de la turbine.

3-Dans le cas d'un dispositif de production d'électricité selon la revendication 1 où la turbine de forme cylindrique possède un carénage libre en rotation autour d'elle. Ce carénage est placé d'un côté de la turbine et couvre une fraction de ce côté. Il est constitué
d'un déflecteur à l'avant, faisant dévier le fluide sur la partie active de la turbine qui est non couvert par le carénage et il se termine à
l'arrière par une queue jouant le rôle de girouette qui fait pivoter le carénage autour de la turbine et maintient en permanence le déflecteur correctement placé par rapport à la turbine.

4-Dans le cas d'un dispositif de production d'électricité selon la revendication 1 où le carter est suspendu en l'air par un câble, celui-ci traverse un anneau placée à la partie supérieure du carter, ce câble est légèrement tendu entre les deux mâts, plaçant ainsi le carter en hauteur et l'empêchant de tourner complètement. La turbine est laissée pendante en dessous du carter pour capter l'énergie cinétique du vent et la transmettre au générateur, fonctionnant ainsi en éolienne.

5-Dans le cas d'un dispositif de production d'électricité selon la revendication 1 où le carter est retenu en l'air par plusieurs câbles ayant chacun une extrémité fixée au carter. Ces câbles sont maintenus légèrement tendus et reliés à leur autre extrémité à des mâts placés autour du carter qui porte la turbine. La turbine est ainsi laissée pendante en dessous du carter pour capter l'énergie cinétique du vent et la transmettre au générateur, fonctionnant ainsi en éolienne.

6-Dans le cas d'un dispositif de production d'électricité selon la revendication 1 où la turbine plonge verticalement dans la partie haute d'un cours d'eau ou d'un courant marin pour fonctionner comme hydrolienne. Le carter qui porte la turbine et qui contient des éléments électriques et mécaniques est positionné hors de l'eau. Il repose fixé sur une structure constituée d'une plaque reliée par des barres de liaison à des flotteurs placés autour de la turbine. Ces flotteurs forment une figure qui couvre entièrement la section circulaire horizontale de la turbine. Les flotteurs sont partiellement remplis d'eau formant des ballasts pour assurer une bonne flottaison à l'hydrolienne en l'empêchant de basculer.