CA2719518A1

CA2719518A1 - Utilisation d'une turbine a axe vertical en eolienne suspendue et en hydrolienne

Info

Publication number: CA2719518A1
Application number: CA2719518A
Authority: CA
Inventors: Daniel Gamet
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-10-25
Filing date: 2010-10-25
Publication date: 2012-04-25

Abstract

La présente invention décrit un système comprenant une turbine à axe vertical qui peut être utilisée en éolienne et en hydrolienne. La turbine est suspendue en dessous d'un carter qui contient les pièces mécaniques assurant la transmission de l'énergie cinétique de la turbine au générateur. Pour améliorer son rendement, elle peut être munie d'un carénage formant un déflecteur à l'avant et une queue à l'arrière qui fixe la position du déflecteur par rapport au vent. Si le carter et la turbine qui pend en dessous de lui, sont accrochés en hauteur on obtient une éolienne qui est rendue amovible par l'utilisation d'un treuil fixé au support de l'éolienne. Si la turbine est plongée dans l'eau on obtient une hydrolienne, dont l'installation peut se faire soit en utilisant des infrastructures fixes par rapport aux berges, soit en fixant le carter qui soutient la turbine sur une structure flottante solidement amarrée. Les réalisations ainsi obtenues se veulent des dispositifs économiques de production d'énergie électrique et facile d'entretien par leur accessibilité.

Description

Description Utilisation d'une turbine à axe vertical en éolienne suspendue et en 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 des 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.

On distingue les éoliennes à hélice dont l'axe de rotation est horizontal et les éoliennes à axe vertical. Les projets d'éoliennes à
axe vertical dont la présente invention fait partie, sont très variés. Ils présentent certaines faiblesses au niveau de leur rendement énergétique. Aussi l'amélioration de cet aspect a été un critère essentiel pour les nombreuses propositions présentées dans les projets et ce sera le cas pour la présente invention. Ainsi pour utiliser efficacement la turbine à aubes, on place un déflecteur couvrant la moitié de la turbine du côté dont le mouvement s'oppose au fluide.
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 des 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).

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. 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 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 hydrodynamique 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 une hydrolienne flottante à hélices avec un système de ballast, un mât et un treuil formant une installation imposante.

Les modèles d'éolienne à axe horizontal utilisant l'hélice sont les plus utilisés. Mais ils présentent certains inconvénients pour ce qui est de l'esthétisme, du bruit et des vibrations. De leur côté la plupart des technologies hydroliennes existantes ont l'inconvénient majeur qu'il faut intervenir sous l'eau pour leur entretien. La présente invention va proposer l'utilisation d'un type de turbine à axe vertical qui est capable d'être placée sur une éolienne ou sur une hydrolienne et qui va éliminer ou tout au moins atténuer ces inconvénients.
L'éolienne proposée est silencieuse, les vibrations résiduelles sont faibles, son esthétisme peut s'intégrer aux habitations et elle est amovible donc facilement accessible pour son entretien par l'utilisateur. L'hydrolienne proposée a sa partie mécanique et électrique hors de l'eau et elle est également amovible, donc d'un entretien facile.
La présente invention concerne une turbine à axe vertical suspendue qui peut être utilisée en éolienne et en hydrolienne. Son objectif est de réaliser des unités de production d'électricité simples à
fabriquer, à installer et à entretenir. Cette turbine est suspendue en dessous d'un carter qui comprend les pièces mécaniques assurant la transmission du mouvement de la turbine à un générateur. Elle peut être munie d'un carénage pour améliorer ses performances, carénage formant un déflecteur à l'avant et une queue à l'arrière qui place spontanément le déflecteur de façon correcte à l'avant de la turbine.
L'utilisation de cette turbine en éolienne se fait en la suspendant en l'air par un anneau ou un crochet fixé au carter. De nombreuses installations différentes peuvent être utilisées à cette fin que ce soit des installations existantes comme des balcons, des arbres ou des installations plus spécifiques comme des poteaux et des mâts avec potences. En équipant ces installations d'un treuil on favorisera la mise en place de la turbine et son retrait. L'entretien de l'éolienne sera ainsi facilité car il pourra être effectué au sol. Il permettra aussi de préserver le matériel qui pourra être retirer et mis à l'abri en cas de tempête. La conception de la turbine permet l'utilisation de matériaux de faible épaisseur donc plus léger. En plus de faire tourner la turbine le vent aura tendance l'incliner. Ce phénomène aura l'avantage de réduire les vibrations sur la structure portante mais elle diminuera la vitesse de rotation de la turbine en diminuant la surface au vent. En retenant la turbine par le bas avec un câble élastique, on peut prendre le contrôle de l'inclinaison de la turbine, donc de sa vitesse de rotation et de l'énergie captée en fonction de la force du vent, ceci tout en atténuant les vibrations résiduelles.
Employée sur une hydrolienne, cette turbine est plongée dans l'eau alors que le carter contenant les parties mécaniques et électriques restent hors de l'eau. Une première application consiste à
utiliser les structures fixes liées aux berges comme un pont, une poutre, un câble...pour soutenir l'hydrolienne. La turbine, pour se maintenir en position verticale, aura besoin d'être lestée au niveau de son extrémité inférieure. Dans la deuxième application le carter, qui la supporte la turbine, est fixé sur une structure flottante solidement amarrée en pleine eau.
Liste des dessins Figure 1- Description du carter soutenant la turbine.
Figure 2- Construction de la turbine et de son carénage.
Figure 3- Effets de la présence du déflecteur sur les courants.
Figure 4- Fixation du carénage sur l'éolienne.
Figure 5- Installation de la turbine fonctionnant en éolienne suspendue.
Figure 6- Installation de la turbine fonctionnant en hydrolienne suspendue.
Figure 7- Installation de la turbine fonctionnant en hydrolienne flottante.

Commentaires sur les dessins Figure 1- Description du carter soutenant la turbine.
La turbine 1 est de forme cylindrique. Elle comporte un carénage

2. Elle est suspendue en dessous de l'axe 4 qui est lui même soutenu par le carter 7. Celui-ci porte un générateur 3 et contient les éléments nécessaires à la multiplication du mouvement de rotation de la turbine 1 qui est transmis au générateur 3. Ceci est effectué par la roue dentée 10 fixée sur l'axe 4 de la turbine qui entraîne par la chaîne 9 la roue dentée 8, fixée sur l'axe 5 qui est lui-même porté par le carter 7. Sur cet axe 5 est fixée également une poulie 6 qui entraîne par la courroie 11 la poulie 12 du générateur 3. Les roulements à billes et autres butées nécessaires au guidage des axes 4 et 5 pour le bon fonctionnement du système ne sont pas représentés sur la figure.
Figure 2- Construction de la turbine et de son carénage.
Cette figure montre la façon dont est construite la turbine, elle a la forme d'une cage cylindrique dont les barreaux à la circonférence de celle-ci sont composés par des ailettes 1.1 de section constante et de forme arquée pour le captage de l'énergie du fluide en mouvement et toutes dirigées dans le même sens. Les bases de la turbine sont constituées par des cerceaux 1.2, des rayons 1.3 et des moyeux 1.4, ces derniers reliant la turbine à ses axes supérieur et inférieur. La base supérieure peut avoir un diamètre différent de celui de la base supérieure, la turbine prenant dans ce cas la forme d'un tronc de cône.
La turbine possède un côté actif pour capter le vent et un côté
résistant. C'est pourquoi un déflecteur de largeur inférieure au rayon de la turbine peut être placé devant le bord de ce côté résistant pour augmenter la surface active en faisant dévier le fluide destiné au côté
résistant sur la partie active de la turbine ce qui sera montrer dans le dessin de la figure 3. Afin de maintenir le déflecteur dans une position fixe par rapport à la turbine ce déflecteur est relié à une queue, l'ensemble, déflecteur plus queue, constitue un carénage qui sera laisser libre en rotation autour de la turbine, ceci avec le même axe de rotation que la turbine. La queue 2.2 dont l'aire est supérieure à l'aire du déflecteur 2.4 fait office de girouette et se placera en arrière de la turbine ce qui maintiendra le déflecteur en position fixe à l'avant de la turbine. Le carénage est constitué de deux moyeux 2.1 sur lesquels sont fixés les rayons 2.3 qui portent le déflecteur 2.4 et la queue 2.2.
Figure 3- Effets de la présence du déflecteur sur les courants.
La figure vient en complément de la figure précédente en montrant l'effet du déflecteur sur les courants de fluides rencontrant la turbine. La présence du déflecteur au bord d'un côté de la turbine augmente la surface active en déviant les courants destinés au côté
résistant. Pour être efficace l'angle que font les droites engendrées par l'intersection des plans du déflecteur et de la queue avec un plan horizontal doit être compris entre 90 et 180 degré. Un angle au voisinage de cent trente cinq degré devrait convenir. La turbine telle que proposée est creuse, le fluide peut la traverser, 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-Fixation du carénage sur l'éolienne.
En bas de la turbine l'axe 15 est laissé libre en rotation par rapport au moyeu par l'emploi d'un roulement à bille non représenté sur la figure. L'axe 15 est muni d'un anneau 16 qui sert au contrôle de l'inclinaison de la turbine. Le carénage 2 est guidé en rotation en bas de la turbine par l'axe inférieur de la turbine 15. La partie supérieure du carénage 2 est guidé et porté par la pièce 13 fixée sur le carter 7 plaçant l'axe du carénage dans le prolongement de l'axe de la turbine.
Le poids du carénage repose sur cette pièce qui est fixe ce qui ne nuit pas à la rotation de la turbine. Un crochet ou un anneau 14 est fixé au sommet de cette pièce 13 afin d'accrocher l'éolienne. La pièce 13 est creuse et percée latéralement de deux trous pour le passage des fils électriques provenant du générateur.
Figure 5- Installation de la turbine fonctionnant en éolienne suspendue.
La turbine 1 est suspendue à l'extrémité d'une potence 19 en haut d'un poteau 20. Elle est reliée par l'intermédiaire d'un câble 17 et des poulies 18 à un treuil 21 qui est fixé à la base du poteau 20. Sous l'effet du vent la turbine s'incline, pour limiter cet inclinaison on peut:
-Appliquer une force supplémentaire vers le bas sur l'anneau inférieur 16 par un câble élastique fixé au sol.
-Utiliser une turbine plus allongée et accrocher du lest à l'anneau 16.
-Mettre deux poteaux au lieu d'un pour soutenir l'éolienne et relier l'anneau 16 par un câble élastique à chacun des poteaux par un anneau 22 coulissant le long d'eux ce qui est montré par le dessin du bas.
Figure 6- Installation de la turbine fonctionnant en hydrolienne suspendue.
La turbine est plongée dans l'eau à partir d'une installation placé
sur la rive comprenant un câble 17, des poulies 18 , un treuil 21, une potence 19 et un poteau 20 de façon similaire à l'installation précédente. Pour maintenir la turbine le plus verticale possible on a placé du lest 23 tirant vers le bas l'anneau inférieur 16.
Figure 7- Installation de la turbine fonctionnant en hydrolienne flottante.
Le carter 7 qui soutient la turbine 1 est supporté par la plaque 24 qui repose sur des flotteurs 25. L'ensemble est amarré à des blocs reposant au fond du courant. Les parties mécaniques et électriques sont hors de l'eau. Seuls la turbine 1 et son carénage 2 sont plongés dans l'eau. Pour ce type d'installation le haut du carénage est fixé
juste au-dessus de la turbine. Pour maintenir verticalement la turbine on peut:
-Ajouter du lest sur l'anneau 16.
-Amarrer la turbine au fond toujours par cet anneau 16.
-Jouer sur l'assise de flottaison par la taille des flotteurs, leur forme, leur nombre et leur disposition.

Avantages de la technologie:
-La fabrication des deux systèmes utilise de nombreuses pièces courantes qui peuvent provenir de récupération (tôle, plaques, axes, flotteurs, mâts, câbles... ).

-Les solutions de mise en place de cette turbine comme éolienne et comme hydrolienne sont nombreuses, multipliant d'autant les applications possibles et elles peuvent bénéficier d'installations existantes.
-Pour les deux applications, l'utilisateur peut prendre en charge l'entretien de son système de production d'électricité bénéficiant de l'accessibilité de son système.
-L'utilisation périodique des deux systèmes est facilité par l'aisance de leur mise en place et de leur retrait.
-L'éolienne proposée est silencieuse, les vibrations sont atténuées et son esthétisme peut s'intégrer aux habitations.
-Pour son utilisation sur une l'hydrolienne les éléments électriques et mécaniques (générateur, roulements, axes, poulies...) sont hors de l'eau.

Claims

1-Dans le cas d'un dispositif de production d'électricité composé
d'une turbine à axe verticale qui est suspendue par son axe supérieur en dessous d'un carter qui contient:
-Le système de multiplication du mouvement de rotation de la turbine qui est transmis à un générateur fixé au carter. Ce système est composé de roues dentées avec chaîne et de poulies avec courroie.
-Les pièces mécaniques, axes et roulements à billes permettant le guidage en rotation de la turbine, des roues dentées et des poulies.

2-Dans le cas d'un dispositif de production d'électricité selon la revendication 1 où la turbine a la forme de cage cylindrique ou de forme de tronc de cône dont les barreaux sont constitués par des ailettes de section constante et de forme arquée. Elles sont placées, dans le même sens, tangentiellement et à intervalles réguliers à la surface latérale du cylindre. L'intérieur de la turbine est vide, se laissant traverser par le courant de fluide. Pour réaliser la base supérieure de la turbine les ailettes sont fixées à la périphérie d'un cerceau qui est relié par des rayons à un moyeu se fixant à l'axe supérieur de la turbine. La base inférieure est réalisée de la même façon à la seule différence que l'axe inférieur de la turbine, situé dans le prolongement de l'axe supérieur, est laissé libre en rotation par rapport à son moyeu. Cet axe inférieur est muni d'un anneau ou d'un crochet qui sert au contrôle de l'inclinaison de la turbine.

3-Dans le cas d'un dispositif de production d'électricité selon les revendications 1 et 2 où la turbine possède un carénage libre en rotation autour d'elle. Ce carénage est fixé au-dessus et au-dessous de la turbine de façon telle qu'il possède le même axe de rotation que la turbine. Il est constitué d'un déflecteur à l'avant et d'une queue à
l'arrière. Le déflecteur avant couvre le bord de la partie du côté de la turbine qui s'oppose au mouvement de la turbine sous l'action du vent et permet de transformer, en les déviant, les courants de fluides qui s'opposeraient au mouvement de la turbine en courants de fluides positifs pour le mouvement d'entraînement de la turbine. Le déflecteur et la queue sont fixés à chaque extrémité d'une poutre passant par l'axe de rotation de la turbine ceci de façon équilibré.
Pour une bonne efficacité l'angle que fait le déflecteur (dans le cas où il est plan) avec la queue se situe au voisinage de cent trente cinq degré. La queue arrière joue le rôle de girouette en faisant pivoter le carénage autour de la turbine, elle maintient ainsi le déflecteur avant dans une inclinaison fixe part rapport au vent et à la turbine.

4-Dans le cas d'un dispositif de production d'électricité selon les revendications 1 et 2 qui est muni d'un crochet ou d'un anneau fixé
au dessus du carter afin de le suspendre et de l'élever dans les airs réalisant ainsi une éolienne.

5-Dans le cas d'un dispositif de production d'électricité selon les revendications 1 et 2 qui est muni d'un crochet ou d'un anneau placé
au dessus du carter afin de le suspendre dans les airs, puis de plonger la turbine dans l'eau réalisant ainsi une hydrolienne.

6-Dans le cas d'un dispositif de production d'électricité selon les revendications 1 et 2 où le carter, les parties mécaniques et électriques sont maintenus hors de l'eau en fixant le carter sur tout ensemble flottant alors que la turbine est plongée et maintenue verticalement dans l'eau réalisant ainsi un hydrolienne flottante.