FR2902157A1 - Eolienne a axe vertical comprenant une turbine et une gaine co-axiale a ladite turbine et enveloppant cette derniere - Google Patents

Eolienne a axe vertical comprenant une turbine et une gaine co-axiale a ladite turbine et enveloppant cette derniere Download PDF

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Abstract

La présente invention concerne une éolienne à axe vertical comprenant une turbine cylindrique, mobile autour d'un axe vertical, et munie de pales s'étendant radialement, et une gaine cylindrique co-axiale à ladite turbine et enveloppant cette dernière, ladite gaine présentant une ouverture verticale sur au moins une partie importante de sa hauteur pour permettre la pénétration du vent dans la gaine afin d'agir sur lesdites pales pour entraîner la turbine en rotation autour de son axe vertical.

Description

1 La présente invention concerne le domaine technique général de la
transformation de l'énergie du vent en énergie mécanique ou électrique. En particulier, la présente invention concerne une éolienne à axe vertical destinée à capter et à transformer l'énergie du vent en énergie mécanique ou électrique. L'éolienne à axe vertical selon l'invention comprend notamment une turbine cylindrique, mobile autour d'un axe vertical, et munie de pales s'étendant radialement, et une gaine cylindrique co-axiale à ladite turbine et enveloppant cette dernière, ladite gaine présentant une ouverture verticale sur au moins une partie importante de sa hauteur pour permettre la pénétration du vent dans la gaine afin d'agir sur lesdites pales pour entraîner la turbine en rotation autour de son axe vertical.
La plupart des éoliennes développées jusqu'à ce jour sont à axe horizontal. Elles sont en général coûteuses à fabriquer et à installer. Elles ne plaisent pas à tout le monde car elles font du bruit, et la rotation de leurs pales est désagréable pour le voisinage. En outre, les dispositifs actuels à axe horizontal sont généralement d'une hauteur considérable et sont situés dans des zones élevées. Par ailleurs, ces dispositifs requièrent un espace considérable, modifiant ainsi l'aspect du paysage et nuisant en outre à la faune, et plus particulièrement aux espèces volantes, de par les grandes pales qui constituent un facteur négatif de l'installation des dispositifs éoliens selon les conditions requises écologiques. Il y a donc une grande opposition des écologistes à l'installation de ces éoliennes.
Il existe également de petits moteurs à vent à axe vertical, mais de très petite puissance du fait de leur conception. En outre, les éoliennes à axe vertical développées jusqu'à présent, comme les rotors Savonius ou Darrieus, sont de faible efficacité de par leur structure. L'éolienne à axe vertical selon l'invention permet d'éviter ces inconvénients.
Elle est notamment simple à mettre en oeuvre et est en phase avec l'environnement. Elle présente une structure compacte, et permet ainsi de disposer plusieurs de ces moteurs à énergie éolienne dans un espace relativement réduit. L'éolienne selon
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l'invention permet ainsi une économie de matière conduisant à un coût de fabrication relativement peu élevé. En outre, cette éolienne permet de produire une grande quantité d'énergie eu égard à ses dimensions. L'éolienne selon la présente invention permet de transformer l'énergie du vent en énergie mécanique ou électrique avec un rendement élevé, du fait notamment de l'utilisation d'une gaine qui enveloppe la turbine. Cette gaine permet ainsi de protéger les pales qui remontent au vent et d'éviter par conséquent que lesdites pales de la turbine ne soient ralenties ou freinées par le vent. L'éolienne selon l'invention, du fait de sa petite taille, peut être installée en des 10 endroits très divers, tels que dans des jardins, sur des terrasses d'habitations, ou encore sur des bateaux. Par ailleurs, l'éolienne selon la présente invention est un dispositif peu bruyant, ne créant pas de nuisance acoustique si on en installe plusieurs dans une zone déterminée. 15 Enfin, pour déterminer l'emplacement des dispositifs de l'art antérieur pour capter l'énergie éolienne, on doit tenir compte en général de la variation de la force des vents en fonction de l'endroit, des saisons, du climat et de la topographie de l'endroit. Au contraire, les caractéristiques de l'éolienne objet de la présente invention permettent de la placer, sans aucune difficulté et sans réduire son rendement, dans des 20 zones à vents aussi bien de grande que de faible vitesse, et également indépendamment de la direction du vent. L'éolienne à axe vertical selon l'invention permet ainsi de pouvoir utiliser l'énergie éolienne de façon rentable, avec un haut rendement, y compris dans des zones où les vents sont de force peu élevée et soufflent à faible vitesse. 25 La présente invention a ainsi pour objet une éolienne (1) à axe vertical comprenant : une turbine (2) cylindrique, mobile autour d'un axe vertical, et munie de pales s'étendant radialement, et 30 - une gaine (3) cylindrique, co-axiale à ladite turbine, et enveloppant cette dernière,
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ladite gaine (3) présentant une ouverture verticale (4) sur au moins une partie importante de sa hauteur pour permettre la pénétration du vent dans la gaine afin d'agir sur lesdites pales pour entraîner la turbine (2) en rotation autour de son axe vertical. Dans un mode de réalisation particulier de la présente invention, l'éolienne comprend au moins un déflecteur (5) pour favoriser la pénétration du vent à travers l'ouverture (4) ménagée dans la gaine (3). Avantageusement, le déflecteur (5) est situé sur au moins un des bords de l'ouverture (4) de la gaine. Le déflecteur (5) peut être de forme plane ou cintrée. Les pales de la turbine (2) peuvent également être de forme plane ou cintrée.
Avantageusement selon la présente invention, l'ouverture verticale (4) de la gaine s'étend au moins sur 50 % de la hauteur totale de la gaine (3). De manière encore plus avantageuse, l'ouverture (4) de la gaine s'étend au moins sur 80 % de la hauteur totale de la gaine (3). Dans un mode de réalisation particulier de la présente invention, l'ouverture (4) 15 de la gaine s'étend sur toute la hauteur de la gaine (3). Dans un exemple de réalisation particulier de la présente invention, l'ouverture (4) de la gaine s'étend sur un secteur angulaire d'amplitude comprise entre 90 et 180 par rapport à l'axe de la turbine. Avantageusement selon la présente invention, la gaine (3) est à rotation libre 20 autour de la turbine (2). La gaine (3) est montée par exemple sur roulements à bille. De manière encore plus avantageuse selon la présente invention, l'éolienne comprend au moins un gouvernail (7) pour faire pivoter la gaine autour de son axe vertical et orienter l'ouverture (4) de la gaine en fonction de la direction du vent. Dans un exemple de réalisation particulier de la présente invention, le 25 gouvernail (7) s'étend au moins partiellement au-dessus de la gaine (3). Selon une caractéristique particulière de la présente invention, la partie inférieure ou la partie supérieure de la turbine (2) est couplée à au moins un générateur électrique.
30 Divers objets et avantages de la présente invention deviendront apparents pour l'homme du métier par le biais de références aux dessins illustratifs suivants :
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la figure 1 est une vue schématique d'une éolienne (1) à axe vertical selon la présente invention. la figure 2 est une vue de dessus schématique d'une éolienne (1) à axe vertical conforme à l'invention. la figure 3 est une vue de dessus schématique de pales de turbine (2) selon un mode de réalisation de la présente invention. La gaine n'est pas représentée sur ce schéma. la figure 4 est une représentation schématique de pales de turbine (2) selon un autre mode de réalisation de la présente invention. La gaine n'est pas représentée sur ce schéma. la figure 5 est une vue de dessus schématique des pales de turbine (2) telles que représentées sur la Figure 4.
L'éolienne à axe vertical selon l'invention permet de capter efficacement l'énergie du vent, même par vent faible et quelle que soit la direction du vent, et permet de transformer l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique ou électrique. Par le terme d'éolienne", on entend au sens de la présente invention un système mécanique permettant de transformer l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique ou électrique.
L'éolienne (1) à axe vertical selon la présente invention comprend une turbine (2) cylindrique, mobile autour d'un axe vertical, et munie de pales s'étendant radialement, ainsi qu'une gaine (3) cylindrique, co-axiale à ladite turbine, et entourant cette dernière. La turbine (2) est disposée à l'intérieur de la gaine (3) et s'étend au moins sur une partie importante de ladite gaine (3). Ainsi, le bord vertical (6) rectiligne des pales de la turbine (2) s'étend au moins sur la moitié, avantageusement au moins sur les 2/3, de la hauteur de la gaine (3). Dans un exemple de réalisation particulier, la turbine (2) s'étend sur la hauteur totale de la gaine (3), comme cela est le cas sur la Figure 1. Dans le cadre de l'invention, la turbine (2) à axe vertical munie de ses pales est ainsi enveloppée par la gaine (3). La gaine (3) présente avantageusement une ouverture verticale (4) sur au moins une partie substantielle de sa hauteur, permettant ainsi la pénétration du vent V (représenté par des flèches sur les figures) dans la gaine afin d'entraîner la turbine (2) en rotation autour de son axe vertical. L'ouverture verticale (4) peut s'étendre sur toute la hauteur de la gaine (3), comme cela est le cas sur la Figure 1. Le bord extrême (6) vertical rectiligne des pales de la turbine (2) peut ménager 5 un faible écartement par rapport au bord interne de la paroi de la gaine (3). De manière préférentielle selon l'invention, le bord extrême (6) vertical rectiligne des pales de la turbine (2) est proche du bord interne de la paroi de la gaine (3), ménageant un très faible espace entre les pales et la gaine, comme cela est représenté sur les Figures 1 et 2.
Conformément à l'invention, la gaine (3) permet de protéger les pales de la turbine (2) et de canaliser au moins une partie du flux du vent. La gaine (3) permet ainsi d'éviter que les pales qui remontent au vent soient ralenties par le vent qui va les empêcher de tourner. Comme cela est représenté sur la Figure 1, le vent soufflant dans l'ouverture (4) ne frappe pas les pales de la turbine qui remontent au vent et qui sont protégées par la gaine (3). De manière avantageuse, l'éolienne selon l'invention présente une configuration spécifique permettant d'avoir un cumul de l'énergie du vent dans la gaine (3), par addition de l'énergie du vent qui s'engouffre dans l'ouverture (4) et de l'énergie du vent en recirculation à l'intérieur de la gaine (3), générant ainsi un effet Venturi. Avantageusement selon la présente invention, au moins un déflecteur (5) est situé sur un des bords de l'ouverture (4) de la gaine pour capter un maximum de vent dans l'éolienne. Le déflecteur (5) peut être de forme courbe ou plane. Le déflecteur (5) s'étend typiquement le long de l'ouverture (4) de la gaine (3), de préférence sur une partie importante de la hauteur de la gaine (3). Ainsi, le déflecteur (5) s'étend au moins sur la moitié, avantageusement au moins sur les 2/3, de la hauteur de la gaine (3). Selon une caractéristique particulière de la présente invention, le déflecteur (5) s'étend sur toute la hauteur de la gaine, comme cela est représenté sur la Figure 1. En outre, selon un exemple de réalisation, le déflecteur (5) est de forme courbe et est positionné sur un seul des bords de l'ouverture (4) de la gaine (Cf. Figure 1). Typiquement, le déflecteur (5) est positionné sur au moins un des bords de l'ouverture (4) de la gaine de manière à présenter un angle compris entre 20 et 60 ,
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avantageusement entre 30 et 45 , par rapport à l'axe de la direction du vent. La hauteur totale de la gaine (3) de l'éolienne est avantageusement comprise entre 2 et 50 m, de manière encore plus avantageuse entre 5 et 30 m, typiquement entre 10 et 20 m.
Le diamètre de la gaine (3) de l'éolienne est avantageusement compris entre 1 et 5 m, typiquement entre 2 et 4 m, par exemple de l'ordre de 3 m. Les pales de la turbine (2), ainsi que l'ouverture (4) ménagée dans la gaine (3), s'étendent préférentiellement sur une partie substantielle de la hauteur de la gaine (3). Le nombre de pales peut varier en fonction du diamètre de la turbine et de la forme des pales utilisées. Dans un mode de réalisation particulier de la présente invention, l'axe vertical de l'éolienne ne supporte qu'un étage de pales, comme cela est le cas sur la Figure 1. Dans un autre mode de réalisation particulier de la présente invention, l'axe vertical de l'éolienne peut supporter plusieurs étages de pales, lesdits étages de pales étant superposés les uns au-dessus des autres le long de l'axe vertical. Par exemple, pour une éolienne d'une hauteur de 2 m, on peut utiliser un double étage de pales, chaque pale s'étendant sur une hauteur de 1 m. Le fait d'utiliser plusieurs étages de pales peut être avantageux, car cela permet d'améliorer le démarrage de l'éolienne et de lisser la poussée du vent.
Les pales de la turbine (2) peuvent présenter diverses formes : elles peuvent être ainsi par exemple de forme plane, de forme courbe, ou encore de type Savonius (Figure 5). Les pales peuvent être par exemple des quarts de cylindre. L'inclinaison des pales est généralement réglable pour optimiser les performances de l'éolienne.
La figure 3 représente un mode de réalisation particulier de pales de turbine (2) selon la présente invention. Les pales sont ici de forme cintrée permettant au vent V (représenté par une flèche) de s'accumuler dans le creux des pales et d'augmenter ainsi la pression du vent qui entraîne la turbine (2) en rotation. La figure 4 représente un autre mode de réalisation particulier de pales de turbine (2) selon la présente invention. Les pales sont ici de forme Savonius : elles sont ainsi constituées par deux sections semi-circulaires cylindriques (deux demi cylindres), déplacées l'une par rapport à l'autre. Les pales Savonius forment ainsi
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approximativement un S lorsque l'on regarde les pales en vue plan ou vue de dessus, comme cela est représenté sur la figure 5. Le trajet du vent V dans les pales est ici représenté par des flèches. La forte traînée qui agit sur la section instantanément concave fait tourner la turbine autour de son axe vertical. Le système de turbine (rotor) Savonius ne comportant que deux pales, on place avantageusement sur l'axe vertical de la turbine plusieurs rotors Savonius le long de l'arbre. Les différents rotors Savonius (qui sont chacun constitués de deux pales demi cylindriques) sont alors agencés les uns au-dessus des autres le long de l'arbre vertical. Afin d'avoir une action continue de prise au vent selon la hauteur de la turbine et pour imposer à l'axe une action constante, on dispose chaque rotor avec un angle d'espacement différent. Ainsi, pour toujours avoir une prise au vent des pales, les pales agencées en partie haute de l'axe vertical sont disposées selon un certain angle, et les pales qui sont alors agencées en dessous (en partie médiane ou en partie inférieure de l'axe) sont décalées par rapport auxdites pales agencées en partie haute.
Les pales de la turbine (2) peuvent être en divers matériaux. Elles peuvent ainsi être par exemple en métal tel que le fer ou l'aluminium, en bois, en plastique, et/ou en toile. Par exemple, les pales sont fabriquées en plastique (polyester ou époxy), et peuvent être renforcées par des fibres de verre. Dans un autre exemple, les pales sont métalliques ou ont un cadre de fer ou de bois et supportent une toile.
Les matériaux composites de bois, bois-époxy ou bois-fibres-époxy peuvent également être utilisés. L'utilisation de fibres de carbone ou d'aramide comme matériaux de renforcement peut également être envisagée. La gaine (3) peut être réalisée dans un matériau du type aluminium ou en tôle. Avantageusement selon la présente invention, la gaine est à rotation libre autour de l'axe vertical et peut ainsi pivoter librement autour de la turbine. L'éolienne comporte typiquement un moyen d'orientation de la gaine en fonction de la direction du vent, afin de capter un flux maximal de vent au sein de l'éolienne à travers l'ouverture (4) ménagée dans la gaine (3), en plaçant l'ouverture (4) dans la direction face au vent. On utilise par exemple comme moyen d'orientation un gouvernail (7) de type girouette, que l'on peut positionner en partie supérieure de la gaine (3) de manière à ce qu'au moins une partie du gouvernail s'étende au-dessus de ladite gaine. Avantageusement, on fait ainsi pivoter la gaine (3) de l'éolienne de manière à
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ce qu'une partie substantielle de l'énergie du vent traverse la surface balayée par la turbine (2). La gaine (3) peut être montée par exemple sur roulements à bille, et peut pivoter autour de la turbine à l'aide d'au moins un moteur.
Dans un exemple de réalisation particulier, on dispose plusieurs éoliennes à axe vertical selon la présente invention au sein d'une installation. L'installation contient typiquement un seul système d'orientation, de type girouette, qui indique l'orientation du vent. Les éoliennes peuvent alors êtres guidées par un ordinateur ou système électronique qui intègre la direction du vent donnée par la girouette, et qui déclenche alors la rotation de chacune des gaines pour les orienter face au vent. Selon une caractéristique particulière de la présente invention, l'ouverture verticale (4) ménagée dans la gaine s'étend sur un secteur angulaire d'amplitude comprise entre 90 et 180 par rapport à l'axe de la turbine, correspondant à une ouverture de la gaine comprise entre 25 et 50%.
Dans un exemple de réalisation de l'invention, tel que représenté sur la Figure 2, une ouverture (4) de 25% est ménagée dans la gaine (3), ce qui correspond à une ouverture s'étendant sur un secteur angulaire d'amplitude égale à 90 par rapport à l'axe de la turbine. Avantageusement, le bord extrême (6) vertical rectiligne des pales de la turbine (2) ménage un très faible écartement par rapport au bord interne de la paroi de la gaine (3). Le déflecteur (5) est ici orienté de telle manière que le vent V (représenté par une flèche) pénètre dans la gaine en A, et agisse sur les pales pour entraîner la turbine (2) en rotation dans le sens A-B. Le déflecteur (5) est par exemple de forme plane et présente par exemple un angle de 45 par rapport à la direction du vent. Le vent souffle directement en A, mais pas en B (le vent n'agit pas directement sur les pales qui reviennent en B, c'est-à-dire les pales qui remontent au vent). Le vent s'accumule ainsi dans la gaine (3), puis ressort en C où il se conjugue au vent V qui arrive encore en A. On a ainsi un cumul de l'énergie du vent dans la gaine, par addition de l'énergie du vent qui s'engouffre dans l'ouverture (4) et de l'énergie du vent en recirculation à l'intérieur de la gaine (3), générant un effet Venturi.
Par le terme de "Venturi", on entend au sens de la présente invention une concentration, canalisation et accélération du flux du vent au sein de l'éolienne. L'éolienne selon l'invention est ainsi particulièrement avantageuse car elle
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permet de potentialiser l'effet du vent. Dans le cadre de la présente invention, la partie supérieure de la gaine (3) peut être fermée, par exemple par un couvercle. La partie inférieure de la gaine (3) repose avantageusement sur une base support.
La partie inférieure ou la partie supérieure de la turbine (2) est quant à elle avantageusement couplée à au moins un générateur électrique ou alternateur, permettant ainsi de produire de l'énergie électrique à partir de l'énergie éolienne.
L'exemple suivant est donné à titre non limitatif et illustre la présente invention.
Exemple d'une réalisation de l'invention :
Une éolienne selon la présente invention comporte une gaine cylindrique en aluminium, de forme allongée, d'une hauteur de 2 m, et d'un diamètre de 1,5 m. La gaine enveloppe une turbine cylindrique, mobile autour d'un axe vertical, munie de pales s'étendant radialement. La gaine et la turbine sont co-axiales. La turbine comporte un double étage de pales, chaque pale présentant une hauteur de 1 m. Les pales sont en aluminium et sont des quarts de cylindre. Leur inclinaison est réglable.
La gaine périphérique est ouverte à 25%, correspondant à une ouverture de la gaine s'étendant sur un secteur angulaire d'amplitude égale à 90 rapport à l'axe de la turbine, et comporte sur un des bords de l'ouverture un déflecteur positionné à 45 par rapport au lit du vent. La gaine est à rotation libre et est ainsi orientable en fonction de la direction du vent.

Claims (10)

REVENDICATIONS
1. Eolienne (1) à axe vertical comprenant : - une turbine (2) cylindrique, mobile autour d'un axe vertical, et munie de pales s'étendant radialement, et une gaine (3) cylindrique, co-axiale à ladite turbine, et enveloppant cette dernière, ladite gaine (3) présentant une ouverture verticale (4) sur au moins une partie importante de sa hauteur pour permettre la pénétration du vent dans la gaine afin d'agir sur lesdites pales pour entraîner la turbine (2) en rotation autour de son axe vertical.
2. Eolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un déflecteur (5) pour favoriser la pénétration du vent à travers l'ouverture de la gaine (3).
3. Eolienne selon la revendication 2, caractérisée en ce que le déflecteur (5) est situé sur au moins un des bords de l'ouverture (4) de la gaine.
4. Eolienne selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que le déflecteur (5) est de forme plane ou cintrée.
5. Eolienne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les pales sont de forme plane ou cintrée.
6. Eolienne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'ouverture (4) de la gaine s'étend sur la hauteur totale de la gaine (3).
7. Eolienne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'ouverture (4) de la gaine s'étend sur un secteur angulaire d'amplitude comprise entre 90 et 180 par rapport à l'axe de la turbine.
8. Eolienne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la gaine (3) est à rotation libre autour de la turbine (2).
9. Eolienne selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un gouvernail (7) pour orienter l'ouverture (4) de la gaine en fonction de la direction du vent.
10. Eolienne selon la revendication 9, caractérisée en ce que le gouvernail (7) s'étend au moins partiellement au-dessus de la gaine (3).
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