FR2916811A1 - Machine aerodynamique de type eolienne - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une éolienne comprenant des moyens pour canaliser l'air afin de créer un courant tourbillonnant entraînant en rotation un rotor.L'éolienne comprend un espace interne (16, 2, 3) de révolution autour d'un axe (AX), un collecteur fixe (1) introduisant de l'air à une première extrémité de cet espace interne (16, 2, 18) et tangentiellement à une paroi délimitant cet espace. Un rotor (4) est monté à une seconde extrémité de l'espace interne coaxialement à l'axe de révolution (AX), ce rotor (4) comprend des aubes, de sorte que de l'air introduit par le collecteur (1) entraîne le rotor (4) en rotation lorsque cet air quitte l'espace interne par sa seconde extrémité.L'invention s'applique à la conversion d'énergie.

Description

L'invention concerne une éolienne, c'est-à-dire une machine aérodynamique

mue par le vent pour générer un mouvement de rotation mécanique à convertir en énergie électrique ou autre.

Dans le domaine des éoliennes, il est connu une architecture dite à rotor horizontal. Ce rotor formant une hélice est monté en extrémité supérieure d'une structure telle qu'un mat, et il porte des pales uniformément réparties autour de son axe de rotation horizontal. L'hélice qui est entraînée en rotation autour de son axe horizontal par le vent est par exemple accouplée mécaniquement à un générateur de courant tel qu'un alternateur, pour convertir l'énergie du vent en courant électrique. Selon cette solution, le vent doit souffler à peu près parallèlement à l'axe de rotation horizontal de l'hélice pour pouvoir l'entraîner en rotation. Cette condition peut être respectée en positionnant définitivement l'axe de rotation de l'hélice selon la direction privilégiée du vent. La direction privilégiée est par exemple la direction moyenne sur une année, dans laquelle souffle le vent sur le site où est implantée l'éolienne. Dans ce cas, lorsque la direction du vent s'écarte de la direction privilégiée, le rendement de l'éolienne est pénalisé. Il est possible de résoudre cette question en prévoyant un rotor orientable autour d'un axe vertical, pour que l'orientation de l'hélice s'ajuste continûment de manière à faire face à la direction du vent, ce qui permet d'améliorer le rendement de l'éolienne sur l'ensemble d'une saison. Quoi qu'il en soit, l'architecture à rotor horizontal se traduit par un encombrement important de l'ensemble constitué par l'hélice et la structure qui doit de plus être dimensionné pour supporter des efforts significatifs. Selon une autre architecture dite à rotor vertical, les formes des pales ou aubes portées par le rotor sont telles que celui-ci est mis en rotation lorsqu'il est soumis à un vent soufflant selon n'importe quelle direction radiale par rapport à son axe de rotation. Le rotor est alors monté de manière à tourner autour d'un axe qui est vertical, de sorte qu'il est entraîné en rotation quelle que soit la direction du vent. Des architectures d'éoliennes à rotor vertical sont décrites par exemple dans les documents W02007012195 et US2007018464. Quoi qu'il en soit, il s'avère que le rendement de cette seconde catégorie d'éoliennes reste insuffisant pour permettre une exploitation réellement satisfaisante. Le but de l'invention est de remédier aux inconvénients ci-dessus en proposant une nouvelle 20 architecture d'éolienne. A cet effet, l'invention a pour objet une éolienne comprenant une paroi de révolution autour d'un axe délimitant un espace interne, un collecteur fixe pour introduire de l'air à une première extrémité de cet 25 espace interne (16, 2, 18) tangentiellement à une face interne de la paroi de révolution, et un rotor monté à une seconde extrémité de l'espace interne coaxialement à l'axe de révolution, ce rotor comprenant des ailettes orientées pour que 30 entraîne le rotor en rotation lorsque cet air quitte l'espace interne. Dans cette éolienne, l'air introduit dans l'espace interne suit une trajectoire généralement hélicoïdale, 35 grâce à laquelle il entraîne en rotation le rotor qui est monté à la seconde extrémité de cet espace interne. l'air introduit par le collecteur interne par la seconde extrémité de cet espace L'invention concerne également une éolienne telle que définie ci-dessus, dans laquelle le collecteur a une structure générale de révolution pour collecter de l'air pouvant provenir de toute direction autour de l'axe de révolution. L'invention concerne également une éolienne telle que définie ci-dessus, dans laquelle le collecteur comprend plusieurs aubes fixes et uniformément réparties autour de l'axe de révolution.

L'invention concerne également une éolienne telle que définie ci-dessus, dans laquelle chaque aube, projetée dans un plan normal à l'axe de révolution, a une forme générale comprenant une portion en arc de spirale pour introduire l'air tangentiellement à la face interne de l'espace interne. L'invention concerne également une éolienne telle que définie ci-dessus, dans laquelle les aubes sont interposées entre une paroi supérieure et une paroi inférieure de révolution qui sont espacées l'une de l'autre le long de l'axe de révolution. L'invention concerne également une éolienne telle que définie ci-dessus, dans laquelle le rotor est monté dans un siège situé à la seconde extrémité de l'espace de révolution.

L'invention concerne également une éolienne telle que définie ci-dessus, comprenant un disque diffuseur en forme de couronne torique creuse, coiffant le siège de rotor tout en l'entourant, pour diffuser l'air sortant de l'éolienne.

L'invention sera maintenant décrite plus en détail, et en référence aux figures annexées. La figure 1 est une première vue latérale en éclaté de l'éolienne selon l'invention ; La figure 2 est une seconde vue latérale en éclaté 35 de l'éolienne selon l'invention mettant en évidence son collecteur ; La figure 3 est une troisième vue latérale en éclaté de l'éolienne selon l'invention qui met en évidence son rotor et son siège de rotor La figure 4 est une vue de profil du rotor de 5 l'éolienne selon l'invention ; La figure 5 est une vue de face du rotor de l'éolienne selon l'invention ; La figure 6 est une vue de la partie supérieure de l'éolienne selon l'invention montrant le siège de rotor 10 avec le rotor et le diffuseur assemblés. L'éolienne selon l'invention qui a une forme générale de révolution autour d'un axe repéré par AX comprend différents éléments représentés en éclaté dans la figure 1, et qui sont accolés les uns aux autres le 15 long de l'axe AX lorsque l'éolienne est montée. Elle comprend un collecteur 1, une chambre cylindrique 2, un siège de rotor 3 et un rotor 4, qui sont montés les uns sur les autres le long de l'axe AX. Un diffuseur 6 vient coiffer le siège de rotor tout en 20 l'entourant. Le collecteur 1 qui a une forme de révolution constitue un l'introduire cylindrique 2 stator qui récupere le vent pour en partie inférieure de la chambre tangentiellement à la paroi délimitant 25 cette chambre. L'air ainsi introduit dans cette chambre suit ensuite un écoulement d'air tourbillonnant, se rapprochant cyclone. L'air 30 trajectoire de l'écoulement ayant lieu dans l'oeil d'un circulant dans l'éolienne suit une généralement hélicoïdale, en étant introduit en partie basse de celle-ci, par le collecteur 1, et en étant évacué en partie haute de celle-ci, au niveau du siège de rotor 3 et du rotor 4. Le siège de rotor 3 qui a une forme généralement 35 conique prolonge l'extrémité supérieure de la chambre cylindrique 2. Le rotor 4 dont le contour externe est également conique est engagé dans ce siège 3, sa pointe étant orientée en direction du collecteur 1 ou stator. L'air provenant de la chambre 2 dans le siège 3 selon une trajectoire généralement hélicoïdale passe entre la paroi interne du siège 3 et le rotor 4 qui est pourvu d'ailettes ou pales, pour entraîner ce rotor en rotation. Le collecteur 1 comprend une couronne supérieure 7 et une couronne inférieure 8 situées en vis-à-vis l'une de l'autre, disposées coaxialement à l'axe AX en étant espacées l'une de l'autre le long de celui-ci. La couronne inférieure 8 qui apparaît plus clairement dans la figure 2, est une paroi torique bombée délimitée par un bord intérieur 9 et un bord extérieur 11 circulaires. Dans un plan contenant l'axe AX, elle présente une section en arc courbé joignant le bord intérieur au bord extérieur. La paroi torique rejoint le bord intérieur 9 en s'étendant tangentiellement à un plan normal à l'axe de révolution de la couronne, c'est-à-dire l'axe AX, et elle rejoint le bord extérieur 11 en s'étendant tangentiellement à un cône d'axe AX dont l'angle au sommet est de l'ordre de 90 degrés. La couronne inférieure 8 a la même forme et les mêmes dimensions que la couronne supérieure 7 qui est délimitée par un bord intérieur 12 et un bord extérieur 13. Ces deux couronnes bombées 7 et 8 sont disposées en vis-à-vis l'une de l'autre, leurs faces bombées ou convexes se faisant face, ce qui correspond à la disposition générale des faces internes d'un diabolo. L'ouverture centrale de la couronne inférieure 8 est fermée par un fond non représenté ayant une forme de disque plan, et dont le diamètre extérieur correspond au diamètre du bord intérieur 9 de cette couronne. La couronne supérieure 7 est reliée au bord inférieur 14 de la chambre cylindrique par l'intermédiaire d'un col 16, ayant une forme de révolution correspondant à celle d'un pavillon d'instrument à vent. Ce col présente un bord inférieur circulaire 17 de grand diamètre correspondant au diamètre du bord intérieur 12 de la couronne supérieure, et un bord supérieur circulaire 18 de faible diamètre correspondant au diamètre du bord inférieur 14 de la chambre cylindrique 2.

En section dans un plan contenant son axe AX de révolution, ce col 16 a une forme d'arc courbé joignant son bord supérieur 18 à son bord inférieur 17. La paroi de ce col 16 rejoint son bord circulaire inférieur 17 en s'étendant parallèlement à un plan normal à l'axe AX, et elle rejoint son bord circulaire supérieur 17 en s'étendant parallèlement à un cône d'axe AX et ayant un angle au sommet de l'ordre de 90 degrés.

Le collecteur est ainsi délimité en partie supérieure par la couronne supérieure 7 et le col 16, et en partie inférieure par la couronne inférieure 8 et le fond non représenté. La partie inférieure et la partie supérieure, vues dans un plan de coupe contenant l'axe AX définissent chacune des courbes s'apparentant à des arcs d'hyperboles. Il comprend également huit aubes 19-26, de formes spiroïdales, interposées entre la partie supérieure et la partie inférieure en étant régulièrement espacées autour de l'axe AX.

Chaque aube peut être fabriquée à partir d'un élément plan, tel qu'une tôle découpée puis courbée pour former une surface courbée ayant des génératrices parallèles les unes aux autres. Lorsque les aubes sont montées dans l'éolienne, leurs génératrices sont parallèles à l'axe AX, et la projection de chaque aube dans un plan normal à l'axe AX est un arc de courbe se rapprochant d'un arc de spirale.

Chaque aube comprend une première portion courbée en arc de spirale autour de l'axe AX, prolongée par une seconde portion qui s'étend radialement par rapport à l'axe AX tout en ayant une faible courbure dont l'orientation est inverse de celle de la partie en spirale. La première extrémité de chaque aube est recourbée en arc de spirale sur environ un tour, en ayant un diamètre interne correspondant au diamètre interne de la chambre cylindrique. Comme visible dans la figure 2, les aubes sont montées dans le collecteur en ayant leurs premières portions respectives imbriquées les unes dans les autres, c'est-à-dire en constituant huit arcs de spirale concentriques. Chaque aube a un contour présentant une première et une seconde extrémité reliées l'une à l'autre par un bord supérieur et un bord inférieur qui ont tous deux des formes courbées.

La première extrémité qui fait partie de la première portion de l'aube, est un bord rectiligne, et la seconde extrémité qui fait partie de la seconde portion de l'aube est un bord courbe concave. Le bord inférieur est rectiligne dans la première portion de l'aube, et il a une courbure concave dans la deuxième portion, cette courbure concave étant complémentaire de la courbure convexe de la couronne inférieure. De manière analogue, le bord supérieur a, dans la seconde portion de l'aube, une courbure concave complémentaire de la courbure convexe de la couronne supérieure. Il a également une courbure concave dans la première portion, cette courbure concave étant complémentaire de la forme de la face interne du col 16.

Lorsqu'elle est montée, chaque aube a son bord supérieur en appui sur la face inférieure de la couronne supérieure 7 et sur la face interne du col 16, et son bord inférieur en appui sur la couronne inférieure 8 et sur le fond non représenté. Chaque paire d'aubes consécutive autour de l'axe AX définit ainsi un canal ayant une section qui diminue au fur et à mesure que l'on se rapproche de l'axe AX. Chaque canal ainsi constitué est apte à canaliser le vent capté à son extrémité ouverte ou ouïe, pour l'introduire tangentiellement à la paroi cylindrique délimitant la chambre 16, tout en produisant un effet de compression puisque la section parcourue par le vent diminue au fil de sa progression dans le canal. En fonctionnement, lorsque le vent souffle selon une direction donnée, il est introduit dans la chambre 2 par plusieurs des canaux délimités par les aubes 19-26.

Il s'agit des canaux situés au vent, c'est-à-dire ceux dont les ouvertures font complètement ou partiellement face à la direction du vent, mais aussi de certains des canaux situés sous le vent puisque le vent tend à contourner le collecteur.

Le vent introduit dans la chambre, par son extrémité inférieure, suit ensuite une trajectoire tourbillonnante, en hélice, dans cette chambre qui constitue un accélérateur tubulaire créant par effet Vortex un écoulement extrêmement rapide. Puis il quitte la chambre par son extrémité supérieure pour atteindre le siège de rotor 3. Ce siège de rotor 3 a une forme définissant une face interne généralement tronconique, dont le diamètre inférieur coïncide avec le diamètre interne supérieur de la chambre 2 à laquelle il est accolé. L'air parvenant dans le siège de rotor 3 quitte ainsi le siège de rotor en circulant entre la paroi interne tronconique du siège et la paroi externe du rotor, qui est également conique, de sorte que durant cette trajectoire, il entraîne en rotation le rotor qui est à cet effet pourvu de plusieurs ailettes s'étendant radialement.

Le goulot d'étranglement formé par le rotor à la sortie de la chambre 2, positionné juste avant la sortie de l'air vers le diffuseur 6, accélère la vitesse de circulation de l'air qui quitte l'éolienne pour en améliorer le rendement. Le rotor qui est représenté seul dans les figures 4 et 5 a une forme générale conique correspondant sensiblement à celle d'une toupie. Il est pourvu de huit ailettes radiales 28-35 qui sont situées au niveau de sa moitié supérieure 36, c'est-à-dire la moitié du rotor comprenant son extrémité de plus grand diamètre. Son autre moitié 37 a une forme générale en pointe et est dépourvue d'ailette. Chaque ailette 28-35 est généralement plane et dépasse de la face latérale de la moitié supérieure du rotor 4. Chaque ailette est orientée de manière légèrement inclinée par rapport à l'axe AX, en suivant une inclinaison opposée à celle de l'hélicoïde que suit l'air traversant l'éolienne. Comme visible dans les figures, chaque ailette 28-35 présente un bord externe qui dépasse de la face conique du rotor. Chaque bord externe comprend une portion rectiligne, et ces portions qui sont repérées par 38-45 sont sensiblement en appui sur la face interne du siège de rotor 3 lorsque l'ensemble est monté. Le rotor est équipé d'un axe ou arbre 46 qui dépasse de sa moitié supérieure en s'étendant selon l'axe AX, et qui est engagé dans un pallier rigidement solidarisé à une partie fixe de l'éolienne.

Comme visible dans la figure 6, ce palier qui est situé au dessus du siège de rotor est intégré au centre d'un trépied 47 comprenant trois branches 48, 49 et 50 orientées à cent vingt degrés les unes des autres autour de l'axe AX.

Chaque branche a son extrémité fixée au diffuseur 6 par un boulon correspondant traversant l'extrémité de bras et la paroi du diffuseur, ces boulons étant repérés par 51, 52, 53. Ce rotor est accouplé par exemple à une génératrice de courant non représentée au moyen d'un arbre non représenté qui prolonge sa pointe inférieure 37, et traverse l'ensemble de l'éolienne, la génératrice étant alors située à la base de l'éolienne, sous le collecteur. Le diffuseur 6 qui coiffe le siège de rotor comprend essentiellement une couronne torique définissant une paroi de révolution de forme creuse qui entoure le bord supérieur du siège de rotor 3 auquel il est rigidement solidarisé. Cette couronne a ainsi un diamètre interne correspondant à celui du bord circulaire supérieur du rotor, et un diamètre externe correspondant sensiblement au diamètre externe des couronnes inférieure et supérieure du collecteur. Elle a également, vue dans un plan de section contenant l'axe AX, une forme correspondant à celle d'un arc de courbe s'apparentant à un arc d'hyperbole. Ce diffuseur facilite l'évacuation de l'air qui a entraîné le rotor : cet air longe la face interne creuse du diffuseur afin d'éviter un écoulement de type turbulent. L'air suit une trajectoire en spirale en ralentissant très rapidement sa vitesse au fur et à mesure qu'il s'éloigne du centre du diffuseur. L'éolienne selon l'invention présente un rendement très élevé, notamment du fait qu'elle tire parti des effets Magnus, Vortex, Coanda et Venturi, de manière conjuguée. L'effet Magnus intervient autour du collecteur : les lignes de courant du vent entourent le collecteur, de sorte que du vent pénètre dans le collecteur par quasiment tous ses canaux, ce qui optimise l'admission de vent dans l'éolienne. Par effet Coanda, le rotor est soumis à une surpression sous sa moitié inférieure et à une dépression au dessus de sa partie supérieure. Cet écart de pression tend à décoller sensiblement le rotor de la face interne conique du siège de rotor, ce qui contribue fortement à réduire les efforts de frottements entre le rotor et le siège de rotor, ce rotor pouvant ainsi tourner à grande vitesse de façon très silencieuse. Le Vortex qui se crée dans la chambre interne cylindrique permet d'augmenter la vitesse à laquelle circule le vent dans l'éolienne. Celle-ci est ainsi à même de fonctionner lorsque le vent est compris entre 3 m/s et 60 m/s. A titre d'ordre de grandeur, 95 % du territoire français est soumis à un vent ayant une vitesse supérieure 3 ou 4 m/s pendant 50 à 60 % du temps. Grâce au diffuseur 6 de forme incurvée, le vent qui passe au dessus de l'éolienne est soumis à un effet Venturi qui tend à aspirer l'air sortant du diffuseur pour augmenter encore les performances de l'éolienne. Du point de vue des proportions, le diamètre du stator s'établit dans un rapport de cinq à dix avec la hauteur de la chambre 2, et de un quart à un tiers avec le diamètre de cette chambre. L'exemple de réalisation décrit jusqu'ici est un moteur à air applicable aussi bien à la production d'électricité, qu'à la production d'air comprimé, ou à la fourniture d'un fluide hydraulique sous haute pression, ou bien encore le pompage de l'eau. De par sa conception compacte et son rendement très élevé, l'éolienne selon l'invention peut être intégrée par exemple à bord d'un véhicule électrique comme moyen auxiliaire de recharge des batteries, pour la production d'électricité en milieu urbain sur des logements individuels ou collectifs ou pour la production d'électricité sur des sites offshore. Elle peut également équiper un bateau tel qu'un voilier pour la production de courant à bord. Elle est notamment très adaptés à la production d'électricité domestique, en étant par exemple monté sur le toit d'une habitation pour produire de l'électricité pouvant être consommée dans cette habitation ou bien réinjectée sur le réseau EDF d'alimentation électrique de cette habitation.

Compte tenu de son collecteur capable de récupérer du vent provenant de toute direction, elle est très adaptée pour être implantée sur un site où le vent présente des turbulences, comme par exemple en milieu urbain.

Les pièces mobiles de cette éolienne sont réduites à son rotor interne qui est sensiblement la pièce ayant les plus faibles dimensions et qui est enformée dans la structure de l'éolienne. En conséquence, elle ne présente pas de risque pour l'environnement, contrairement aux éoliennes présentant un rotor sous forme d'hélice ou autre, de grandes dimensions, et pour lesquelles il existe un réel risque d'arrachement des pales en cas de vent trop important. L'éolienne peut être mise en oeuvre en version 20 simple, ou de façon modulaire par empilage de plusieurs versions simples.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1. Eolienne comprenant une paroi de révolution autour d'un axe (AX) délimitant un espace interne (16, 2, 3), un collecteur fixe (1) pour introduire de l'air à une première extrémité de cet espace interne (16, 2, 18) tangentiellement à une face interne de la paroi de révolution, et un rotor (4) monté à une seconde extrémité de l'espace interne coaxialement à l'axe de révolution (AX), ce rotor (4) comprenant des ailettes orientées pour que l'air introduit par le collecteur (1) entraîne le rotor (4) en rotation lorsque cet air quitte l'espace interne par la seconde extrémité de cet espace interne.

2. Eolienne selon la revendication 1, dans laquelle le collecteur (1) a une structure générale de révolution pour collecter de l'air pouvant provenir de toute direction autour de l'axe de révolution (AX).

3. Eolienne selon la revendication 2, dans laquelle le collecteur (1) comprend plusieurs aubes (19-26) fixes 20 et uniformément réparties autour de l'axe de révolution (AX).

4. Eolienne selon la revendication 3, dans laquelle chaque aube (19-26), projetée dans un plan normal à l'axe de révolution (AX), a une forme générale comprenant une 25 portion en arc de spirale pour introduire l'air tangentiellement à la face interne de l'espace interne.

5. Eolienne selon la revendication 3 ou 4, dans laquelle les aubes (19-26) sont interposées entre une paroi supérieure et une paroi inférieure de révolution 30 qui sont espacées l'une de l'autre le long de l'axe de révolution (AX).

6. Eolienne selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le rotor (4) est monté dans un siège (3) situé à la seconde extrémité de l'espace de 35 révolution (16, 2, 3).

7. Eolienne selon la revendication 6, comprenant un disque diffuseur (6) en forme de couronne torique creuse,coiffant le siège de rotor (3) tout en l'entourant, pour diffuser l'air sortant de l'éolienne.