FR2954415A1 - Systelme eolien multi turbines pour la production d'energie - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un système pour la production d'énergie, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif concentrateur d'énergie éolienne en forme de convergent (10) dont la sortie communique avec l'entrée d'un élément machine (11) comportant une pluralité de turbines de captation de l'énergie éolienne.

Description

La présente invention concerne le domaine de la production d'énergie à l'aide d'un dispositif éolien comprenant une batterie de turbines précédée d'un système concentrant l'énergie et éventuellement suivie d'un système d'extraction d'air. Compte tenu de leur dimension, il s'agit de préférence de mini ou micro turbines, c'est-à-dire de dimension métrique ou 10 inférieure. ART ANTERIEUR L'art antérieur décrit, sous différentes formes, l'éolienne à pales classique largement utilisée à ce jour sur l'ensemble de la planète. Toutefois, ce type d'éolienne présente un 15 grand nombre d'inconvénients qui tendent à s'accroître dans la course au gigantisme. L'inconvénient majeur de ces éoliennes est leur rendement qui est à la fois relativement faible au point optimum et qui diminue brutalement de part et d'autre de cet optimum. La diminution brutale du rendement au delà du point nominal résulte de l'incapacité de ce type d'éolienne de capter l'énergie disponible au delà d'un certain plafond pour des raisons 20 d'ordre mécanique, principalement, le couple et la vitesse de rotation. Les figures la et lb donnent la puissance en fonction de la vitesse du vent, en échelle de l'ordonnée linéaire (figure la) et logarithmique (figure lb). La référence 1 désigne la courbe de l'énergie cinétique transportée par le vent, la référence 2 désigne l'énergie captable par une éolienne à pales selon la limite de Betz et la référence 3 désigne la courbe 25 de l'énergie captée par une éolienne à pales en tenant compte de considérations d'ordre mécanique. La limite de Betz spécifie que le rendement d'une éolienne à pales ne peut pas dépasser 16/27 soit 0,592 (courbe 2), condition requise pour que l'air puisse s'échapper en aval de la turbine après capture d'une grande partie de l'énergie cinétique de l'air provoquant un contournement de l'éolienne par une partie de l'air en amont et un ralentissement significatif de la vitesse de l'air ayant traversé l'éolienne. Compte tenu de l'ensemble des pertes d'énergie et de la limite de Betz, le rendement optimal ne dépasse pas, en général, une valeur se situant entre 0,45 et 0,50. Ce rendement est obtenu par la grande majorité des éoliennes à pales au voisinage d'une vitesse de vent de 9 m/s. Pour une vitesse du vent faible (environ 3 ou 4 m/s), le rendement est voisin de zéro, l'énergie captée étant relativement faible alors que les pertes d'énergie (contrôle de l'angle des ailes, positionnement du rotor, équipements électriques) sont sensiblement du même ordre de grandeur. Lorsque la vitesse du vent s'accroît de 4 à 9 m/s, l'énergie captée, proportionnelle au cube de la vitesse (courbe 1) dépassant de façon significative le niveau des pertes d'énergie, le rendement s'approche progressivement de la valeur du rendement nominal. Au delà de 9 m/s, l'énergie captée est progressivement plafonnée (plafonnement total à partir de 11 à 13 m/s û courbe 3) pour des raisons d'ordre mécanique (effort centrifuge sur les pales, effet gyroscopique, rafales) en diminuant progressivement l'angle d'incidence des pales. A cet effet, le rendement décroît selon un rapport sensiblement égal à l'énergie captée et l'énergie cinétique transportée par le vent. Compte tenu que l'énergie du vent varie selon le cube de la vitesse, le rendement chute de façon drastique au delà de 9 m/s. La figure 2 montre la variation de rendement en fonction du vent. Les courbes 4, 5 et 6 correspondent aux éoliennes industrielles Kenersys K100, Sultson S88 et Liberty C100. Au delà d'environ 20 à 25 m/s, les pales sont mises en drapeau et l'énergie recueillie ainsi que le rendement sont strictement nuls. Ces éoliennes, bien que très largement utilisées, présentent de nombreux autres inconvénients : - nuisance sonore, très forte élévation du rotor des pales, dictée non seulement par la nécessité de capter l'énergie du vent à une très haute altitude, mais également par la dimension des pales déterminant le niveau maximum d'énergie pouvant être capté et la distance séparant le point bas des pales du support du mât, nécessité de monter le rotor en amont du mât pour éviter l'effet sur les pales des excitations générées par le mât généralement de très grand diamètre (par exemple 6 m). Le rotor monté en amont est instable (tendance à passer en aval) ce qui oblige à positionner la nacelle supportant le rotor au vent à l'aide d'un système d'orientation muni de moteurs électriques, les pales tournent à très faible vitesse (quelques tours par minute) et d'autant plus lentement que le diamètre des pales est grand, c'est à dire que l'énergie à capter est élevée. De ce fait, un à deux trains de multiplicateurs épicycloïdaux montés en série, sont parfois nécessaires pour porter la vitesse des alternateurs à 1500 ou 1800 tour/min et permettre ainsi un choix dans la gamme des alternateurs standards. Il existe des alternateurs tournant à très faible vitesse, mais ils sont de très grand diamètre et très coûteux. La présence des multiplicateurs épicycloïdaux fait chuter le rendement de l'ordre de 5%, compte tenu de l'irrégularité statique (long terme) comme dynamique (court terme ù bourrasque) de la vitesse du vent, les pales ne peuvent pas toujours tourner à vitesse fixe. De ce fait, l'énergie est généralement convertie d'alternatif en continu puis à nouveau en alternatif (50 ou 60 Hz selon les pays). Les conversions d'énergie occasionnent des pertes de l'ordre de 5 à 10%. Certaines éoliennes tournent à vitesse régulée. Dans ce dernier cas, ce sont les variations de vitesse autour du point de synchronisation qui peuvent poser un problème, les fondations sont très importantes qu'il est peu envisageable, dans la plupart des 20 cas, de les enlever en cas de retrait de l'éolienne, la fiabilité et la disponibilité des éoliennes à pales sont relativement éloignées de 100% compte tenu de leur fragilité et de leur complexité demandant des interventions relativement fréquentes. 25 Le brevet US4140433 décrit une turbine insérée entre un convergent et un divergent. La turbine est unique dans le col du venturi. Les venturis peuvent être montés en grappe (cluster) et la grappe peut être orientée dans la direction du vent. Le brevet FR2914371 décrit une turbine insérée entre un cylindre d'entrée et un système aval pour une amélioration de l'extraction d'air. Cette extraction est faite au moyen d'un 30 carénage pyramidal d'épaisseur constante composé de trous coniques sur sa surface pour permettre l'entrée d'air extérieur au niveau du carénage.

Le brevet FR2805572 décrit une turbine encastrée entre deux plaques horizontales et un système aval muni d'un déflecteur pour améliorer l'extraction d'air. Le brevet GR2447510 décrit une turbine montée en aval d'un cône pour concentrer l'énergie, l'arrière étant muni d'une gouverne de direction pour une orientation automatique 5 de l'éolienne face au vent. Le brevet US2001/0004439A1 décrit deux turbines tournant en sens inverse montées entre un cône convergent et un cône divergent avec sensiblement le même angle. Des aimants montés à la pointe des aubes servent d'excitateurs au stator d'un générateur électrique. Le brevet US2007/0013196A1 décrit une turbine montée dans une pièce successivement 10 convergente puis divergente. Ainsi, la présente invention concerne un système pour la production d'énergie, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif concentrateur d'énergie éolienne en forme de convergent dont la sortie communique avec l'entrée d'un élément machine comportant une pluralité de 15 turbines de captation de l'énergie éolienne. Les turbines peuvent être assemblées entre elles dans l'élément machine par des moyens tels que tout l'air concentré en amont passe dans lesdites turbines. Les turbines peuvent être assemblées entre elles dans l'élément machine par des moyens tels qu'une partie seulement de l'air concentré en amont passe dans lesdites turbines. 20 L'autre partie de l'air ne passant pas dans lesdites turbines peut activer des moyens d'extraction d'air en aval desdites turbines. Les turbines peuvent être assemblées dans un élément machine de section carrée, rectangulaire ou circulaire. La sortie de l'élément machine peut communiquer avec l'entrée d'un extracteur d'air en 25 forme de divergent. L'extracteur d'air peut être entouré d'un convergent de façon à diffuser un courant d'air dans ledit extracteur d'air. Le système peut comporter des moyens de contrôle et de commande de fonctionnement des turbines en fonction de la vitesse du vent.

Les moyens de contrôle et de commande de fonctionnement des turbines peuvent comporter des moyens de réglage de l'ouverture ou de la fermeture de l'entrée desdites turbines. Le concentrateur d'énergie peut comporter des moyens de déviation de l'air hors dudit 5 concentrateur. Les moyens de déviation peuvent comporter des volets commandés en fonction de la vitesse du vent. Les turbines peuvent actionner directement des compresseurs de gaz et/ou des pompes. Des réfrigérants du gaz comprimé peuvent être disposés dans le flux éolien de façon à 10 restituer une partie de l'énergie éolienne sous forme de chaleur à l'air en sortie des turbines afin d'augmenter l'extraction de l'air. L'invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture des la description qui suit d'exemples de réalisations, nullement limitatives, illustrées par 15 les figures ci-après annexées, parmi lesquelles: les figures 1 a et lb illustrent la puissance captée en fonction du vent, la figure 2 montre des exemples de rendement d'éoliennes en fonction du vent, la figure 3 montre schématiquement un système selon l'invention, la figure 4 montre une variante de forme d'un concentrateur d'énergie éolienne, 20 les figures 5a et 5b montrent schématiquement un moyen d'orientation d'un concentrateur, la figure 6 montre une autre variante de concentrateur, les figures 7a et 7b montrent schématiquement un élément machine comportant un assemblage d'une pluralité de turbines, 25 les figures 8a et 8b montrent une variante d'assemblage de turbines en cercle, la figure 9 montre schématiquement une élément de turbine, les figures 10a et 10b montrent en exemple des dispositions de turbines dans l'élément machine et des volets dans le concentrateur, les f i g u r e s 1 1 a, l lb et l 1 c illustrent en exemple des rotors de turbines de différents rendements volumétriques, les figures 12a et 12b montrent schématiquement un extracteur d'air, la figure 13 illustre une variante d'extracteur d'air, 5 la figure 14 illustre une turbine à rendement non atténué, les figures 15a, 15b et 15c montrent des rotors de différents rendements volumétriques, la figure 16 montre l'assemblage de multi-turbines selon l'exemple de la figure 14, la figure 17 représente un rotor à arbre évidé. 10 la figure 18 représente schématiquement "l'effet Booster". DESCRIPTION DE L'INVENTION Selon l'invention, la conception des turbines peut être classée en deux catégories : 1. Le rotor des turbines couvre la totalité de l'aire de passage de l'air en aval du 15 système concentrateur d'énergie. De ce fait, afin de ne prélever qu'une très faible partie de l'énergie cinétique disponible immédiatement en amont des turbines (compte tenu de l'augmentation de l'énergie cinétique suite à une restriction d'aire), les turbines présentent un très faible rendement volumique. 2. Le rotor des turbines n'occupe qu'une très faible fraction de l'aire de passage de l'air 20 en aval du système concentrateur d'énergie. Contrairement au cas précédent, l'énergie cinétique n'étant pas captée en dehors de l'aire couverte par les rotors de turbine et de façon à prélever la même quantité d'énergie cinétique que dans le cas précédent, les turbines présentent un rendement volumique très élevé, voire proche de 1 dans un cas extrême. 25 A noter, que dans le premier cas, le rendement volumique des turbines est sensiblement proportionnel au carré de la réduction des aires au niveau du concentrateur d'énergie, au rendement de Betz près. Le rapport des rendements volumiques de turbine entre les cas 1 et 2 est sensiblement équivalent à l'inverse du rapport des aires couvertes par les turbines en aval du concentrateur d'énergie.

TURBINES À RENDEMENT VOLUMIQUE ATTÉNUÉ Le système faisant l'objet de l'invention vise à capter l'énergie du vent avec une très grande efficacité, dans des conditions de vitesse de vent très faible à très élevée, et à obtenir une disponibilité de l'équipement proche de 100%. L'objet de cet équipement est de capturer sur le court, le moyen et le long terme une énergie considérablement plus élevée que celle produite par une éolienne à pales classique. La figure 3 illustre schématiquement le système qui comprend, relativement à la direction du vent 9, trois éléments principaux : en amont, un système concentrateur d'énergie 10 se présentant sous la forme d'un convergent, par exemple un cône, ou équivalent à un cône. Le vent entre dans ce premier élément 10 au travers de la surface d'entrée 15 et sort au travers de l'aire réduite de la surface 16. Lors de la traversée du convergent, la vitesse de l'air augmente inversement proportionnellement à la surface, tandis que la pression statique diminue selon une loi quasi isentropique régissant la transformation de l'énergie potentielle en énergie cinétique sur la base d'une quasi conservation de l'énergie transportée par le vent. en aval de l'élément concentrateur 10, l'élément machine 11 regroupe plusieurs turbines captant une partie de l'énergie cinétique de l'air et entraînant divers types de machines convertissant l'énergie mécanique, disponible en bout d'arbre des turbines, en énergie électrique (alternateurs) ou potentielle (pression ou hauteur manométrique d'un fluide au travers de compresseurs ou de pompes). L'air entre au travers de la surface 16 et sort au travers de la surface 17. en aval de l'élément machine 11, on dispose éventuellement un élément divergent 12 permettant l'évacuation de l'air absorbé par le convergent 10 et ralenti par le groupe de machines ayant capté une partie de l'énergie cinétique de l'air d'entrée. L'air est évacué au travers de l'aire élargie de la surface de sortie 18. Lors de la traversée du divergent, la vitesse diminue inversement proportionnellement à la surface tandis que la pression statique augmente selon une loi quasi isentropique régissant la transformation des énergies et la quasi conservation de l'énergie entre les surfaces 17 et 18. Le divergent peut être entouré d'une enveloppe convergente de plus grande dimension que le concentrateur d'énergie en amont de façon à capter une énergie cinétique supplémentaire non captée par le concentrateur amont et pouvant servir à activer l'évacuation de l'air dans le divergent.

Caractéristiques de l'élément concentrateur d'énergie 10: D'une façon générale, l'élément d'entrée est constitué d'une entrée de grande ouverture pour la capture d'un maximum d'énergie et d'une sortie de plus faible ouverture en vue d'une réduction en dimension de l'élément machine tournante. Le rapport des surfaces sortie ù entrée est dimensionné de façon à limiter les risques engendrés par un effet venturi, par exemple, une température en sortie de l'élément d'entrée trop basse avec les risques associés de gel ou d'une trop grande condensation d'eau (érosion, corrosion). L'élément d'entrée peut être conçu sous une forme rigoureusement conique avec des surfaces d'entrée et de sortie, circulaires, carrées, rectangulaires, ou sous la forme de tout autre polygone.

La figure 4 montre une autre configuration dans laquelle l'élément d'entrée est globalement convergent mais non strictement conique. Il est, par exemple, constitué de trois parties distinctes : une première partie cylindrique de grande ouverture, une seconde partie avec restriction progressive et une troisième partie cylindrique de petite ouverture adaptée à l'entrée de l'élément machine 11 situé en aval. La première partie, à paroi parallèle à l'écoulement, a pour propriété de limiter l'impact de l'air sur les parois comme cela peut se produire dans le cas d'un élément strictement conique provoquant une perte d'énergie ainsi qu'un contournement de l'air autour de l'élément d'entrée. Les parois des trois parties de l'élément d'entrée, ainsi que celle de l'élément machine, sont tangentielles à leur raccordement limitant les pertes d'énergie en ces points.

Compte tenu de l'orientation variable de la direction du vent, l'élément d'entrée 10 peut être conçu pour être mobile et orienté dans la direction du vent 9, tandis que l'élément 11 regroupant les machines, ainsi que l'élément d'évacuation de l'air 12, restent essentiellement fixes. Toutefois, ces deux éléments peuvent également être mobiles et orientables, dans le cadre de l'invention. Les figures 5a et 5b illustrent schématiquement cette variante.

Le déplacement de l'élément d'entrée peut, par exemple, être assuré par des roues situées sous l'élément d'entrée (non représentées) et actionnées par des moteurs électriques. Il peut encore être assuré par des câbles fixés sur le cône et reliés à des treuils. Ces treuils sont, par exemple, asservis, le raccourcissement (tensionnement) de certains câbles ou l'allongement (détensionnement) d'autres câbles permettant le déplacement du cône en fonction de la direction du vent. Dans ce cas, le cône peut aussi être monté sur roues libres (non entraînées par moteur). Les éléments 10 et 11 sont reliés entre eux par un élément déformable 19 ou un empilement de sections rigides pouvant coulisser entre elles. Dans les deux cas, l'élément 10 19 reliant les éléments 10 et 11 est suffisamment étanche à l'air. Le système d'orientation est conçu pour permettre un déplacement angulaire de l'ordre de 90 degrés de part et d'autre d'une direction axiale. Pour certaines régions soumises à des changements relativement rapides de la direction du 15 vent, l'élément d'entrée 10 peut être conçu, par exemple, avec un assemblage de plusieurs lobes fixes orientés chacun dans une direction azimutale privilégiée. La figure 6 montre un exemple de réalisation. La courbure des lobes est conçue de façon à alimenter l'élément machine 11 dans l'axe principal de l'équipement. 20 Caractéristiques de l'élément machine 11: Cet élément est constitué d'un ensemble de machines pouvant être montées, par exemple, en rectangle ou en cercle. L'invention ne se limite pas à ces exemples de configurations géométriques. - Montage rectangulaire (Figures 7a et 7b): 25 L'élément principal 11 est constitué d'un ensemble de blocs élémentaires 20 sensiblement de section carrée. La section carrée comprend en amont un cône 21 alimentant une section cylindrique dans laquelle se trouvent les pales (ou aubes) des turbines. Les pales 22 des turbines entraînent par un arbre 24 une machine 25 absorbant l'énergie fournie par les pales.

Les machines entraînées par les turbines peuvent être, par exemple, des alternateurs pour la fourniture d'énergie électrique, des compresseurs pour la compression d'un gaz (air ou autre) ou des pompes pour le relevage de la hauteur hydrostatique d'un liquide. Les rotors peuvent éventuellement être désaccouplés individuellement en vue de la maintenance d'un élément de machines tournantes. La figure 7b représente une coupe selon AA' de la figure 7a. - Montage circulaire (Figures 8a et 8b): L'élément machine principal 11 est constitué d'un ensemble de blocs élémentaires en forme de secteurs angulaires. Chaque secteur comprend en amont un cône 31 collectant l'air et alimentant une section cylindrique 33 dans laquelle se trouvent les pales (ou aubes) des turbines. Les pales 32 des turbines entraînent par un arbre 34, soit une machine absorbant directement l'énergie, soit un pignon d'engrenage 35. L'ensemble des engrenages (35) peut entraîner une couronne d'engrenage 36. Sur cette couronne, d'autres pignons d'engrenage peuvent entraîner des alternateurs, des compresseurs ou des pompes (non représentés). Ces machines sont de préférence montées sur l'extérieur de la couronne de façon à ne pas perturber l'écoulement d'air au travers des éléments turbines. Les machines entraînantes (turbines) ou entraînées peuvent être désaccouplées au niveau des engrènements (secondaires ou principal) de façon à permettre le démontage d'une ou plusieurs machines, par exemple pour leur maintenance.

Comparées à des éoliennes à pales, les turbines de la présente invention sont de très petit diamètre, 10 à 100 fois plus petit que celui d'une pale classique et peuvent, par conséquent, tourner à une vitesse considérablement plus élevée que celle d'une éolienne à pales. Cette vitesse peut être de l'ordre, ou un multiple, de 1500 tours/min (pour les pays alimentés en 50 Hz) ou 1800 tours/min (pour les pays alimentés en 60 Hz). Ces vitesses sont admissibles pour deux raisons principales: adaptation aérodynamique possible à ces vitesses, pas de fortes contraintes centrifuges limitant la rotation des turbines à de faible vitesse comme c'est le cas avec une éolienne à pales conventionnelle. Compte tenu de cette vitesse de rotation élevée, les turbines peuvent entraîner en direct les 30 machines absorbant l'énergie que ce soit des alternateurs, des compresseurs ou des pompes sans nécessiter la présence de multiplicateurs de vitesse.

Diffuseur en sortie d'un élément de turbine (Figure 9): De façon à limiter les pertes par diffusion en aval d'un élément de turbine, chaque élément est suivi d'un élément diffuseur 23 ayant une forme divergente. Cet élément permet, par 5 ailleurs, de limiter les pertes par mélange entre plusieurs éléments adjacents. Système comprenant un très grand nombre de turbines et contrôle du système: De façon à faciliter l'écoulement de l'air en amont de chaque turbine, les turbines sont montées les unes par rapport aux autres sous la forme d'un cône, ou sensiblement conique, 10 dans le prolongement du cône d'entrée 10 (Figures 10a et 10b). Ainsi, les turbines montées sur les parties extérieures périphériques sont montées selon la figure 10a. Les turbines dans un plan passant par l'axe du cône sont montées selon la figure 10b. Le nombre d'éléments turbines en fonctionnement est défini selon la vitesse du vent, de façon à obtenir une vitesse proche de la vitesse optimum en amont de chaque turbine 15 individuelle. Ainsi, cela permet de s'approcher d'un fonctionnement à vitesse constante et toujours proche du rendement optimum. Certaines turbines sont, par conséquent, arrêtées ou démarrées pour le maintien de ce paramètre en amont des turbines en fonctionnement, à l'aide de moyens électroniques de contrôle et de commande permettant d'asservir le nombre de turbines en fonction de la vitesse du vent. La stratégie peut être: 20 Par vent faible, la plupart des turbines sont à l'arrêt jusqu'au maintien en rotation d'une seule turbine pour un vent à l'entrée du cône 10 avec une vitesse correspondant à la condition minimum. Cette vitesse minimum est très inférieure à la vitesse minimum requise par une éolienne à pales conventionnelle compte tenu des dimensions relatives de chaque rotor. Par ailleurs, une turbine fonctionnant 25 avec une vitesse d'air optimum en amont de son rotor (vitesse en amont du cône au prorata des surfaces) opère avec un rendement aérodynamique élevé très nettement supérieur au rendement d'une éolienne à pales à la vitesse de vent correspondant au décollage des pales et à un rendement voisin de zéro. Dans cette situation, les entrées d'air des turbines à l'arrêt sont fermées (système de fermeture non 30 représenté sur les schémas) de façon à concentrer l'air au niveau de la, ou des turbines, en fonctionnement.

Par vent élevé, la plupart des turbines sont en fonctionnement jusqu'à la mise en service de la totalité des turbines par vitesse de vent très élevée (vitesse maximum). Cette facilité permet de recueillir de l'énergie à une vitesse de vent très élevée contrairement à une éolienne à pales conventionnelle qui est, soit arrêtée, soit plafonnée en puissance pour une question de protection mécanique de certains éléments (principalement les pales). Ce fonctionnement des turbines est obtenu avec un rendement aérodynamique optimum au niveau de chaque turbine, la vitesse de l'air à l'entrée de chaque turbine étant optimum. Par une vitesse de vent dépassant celle correspondant à la mise en service de toutes les turbines (fonctionnement théorique des turbines au delà de la vitesse et de la puissance optimum), des moyens d'ouverture 110 (Figures l0a et 10b) disposés dans la paroi du cône d'entrée sont actionnés de façon à dévier une partie de l'air (donc de son énergie) vers l'extérieur du cône d'entrée (des turbines) et ainsi maintenir une vitesse optimum à l'entrée de chaque turbine. Ces moyens de contournement d'air sont actionnés de façon naturelle, par exemple, sous l'effet de la pression du vent (force supérieure à la force de rappel d'un ressort) ou de façon contrôlée (système motorisé), de façon à maintenir une vitesse optimum au niveau des turbines. Par vent moyen, les turbines sont mises en service en fonction de la vitesse du vent sur la base d'un fonctionnement des turbines avec une vitesse de rotation optimum (rendement optimum). Un trop grand nombre de turbines en fonctionnement aurait tendance à faire fonctionner les turbines en sous régime (vitesse trop lente avec rendement diminué). A l'inverse, un nombre insuffisant de turbines en fonctionnement aurait tendance à faire fonctionner les turbines en sur régime (vitesse trop élevée avec un rendement diminué associé à des contraintes mécaniques élevées). Les turbines sont mises en service ou arrêtées, par l'utilisation, par exemple de volets en amont ou en aval des turbines de façon à faciliter ou interrompre le flux d'air. L'ouverture de ces volets est éventuellement ajustable de façon à contrôler la vitesse ou la puissance captée au niveau de chaque turbine. L'ouverture totale ou partielle des volets est régit par un système de contrôle en fonction des conditions atmosphériques, du choix des turbines (disponibilité ù maintenance ù localisation au niveau de leur disposition matricielle) et des besoins énergétiques (production d'électricité ou stockage de l'énergie).

Exemples numériques 1) Comparaison numérique entre une production d'énergie avec une éolienne à pales classique et un système selon l'invention convergent/divergent comportant entre ces 5 deux éléments, un élément machine regroupant 100 turbines et fonctionnant de façon optimale par tout type de vent. Les hypothèses suivantes ont été adoptées : La surface balayée par les pales d'une éolienne et celle d'entrée du cône convergent est de 10000 m2. 10 Le rendement d'une éolienne à pales conventionnelle est maximum aux environs de 9 m/s. Il est généralement compris entre 0,46 et 0,48. Il décroît de part et d'autre de cet optimum. Dans le cas d'une éolienne à pales, l'augmentation de puissance est progressivement réduite au delà de 9 m/s et la puissance est plafonnée au delà de 12 m/s. 15 Le rendement d'une turbine est voisin de 0,6 (base énergétique : énergie cinétique à l'entrée du élément 10) compte tenu du rendement intrinsèque d'une turbine et de la possibilité d'adapter la vitesse du vent au débit optimum de chaque turbine par la mise en service du nombre optimum de turbines. Bien que le rendement d'une turbine puisse atteindre 0,9 (voire plus pour un très grand débit), il est délibérément 20 diminué pour permettre l'échappement de l'air en sortie du divergent (vitesse suffisamment positive ù condition de Betz). Le rendement des turbines tient compte des dissipations d'énergie (pertes par friction et décollement), du mode d'entraînement direct des machines aval (pas de pertes résultant de l'utilisation de multiplicateurs de vitesse) et des conditions de rotation adaptées à la production de 25 courant alternatif sans passer par une double conversion de courant (AC/DC/AC). 13 Vent m/s 3 7 10 15 20 25 30 Rendement_pales 0,050 0,460 0,460 0,160 0,068 0,035 0,000 Pw_pales_kW 8 966 2818 3308 3332 3350 0 Turbines en service 12 28 40 60 80 100 100 Ouverture_m2 600 1400 2000 3000 4000 5000 5000 Vitesse air turb_m/s 50 50 50 50 50 50 50 Rendement turbine 0,600 0,600 0,600 0,600 0,600 0,600 0,600 Pw tot turbine_kW 99 1261 3675 12403 29400 57422 99225 Pw par turbine_kW 8 45 92 207 368 574 992 Pw turb/Pw pales 12,0 1,3 1,3 3,8 8,8 17,1 - la surface totale de passage de l'élément machine est de 5000 m2. le nombre maximum de turbines pouvant être mis en service est de 100. l'extracteur situé en aval n'est pas mis en service, ce système permettant une plus 5 grande extraction d'énergie lors de sa mise en service. Pour une vitesse de vent très inférieure à la vitesse optimale d'une éolienne à pales (9 mis), la puissance délivrée par les turbines est largement supérieure à celle d'une éolienne à pales due à la possibilité de faire fonctionner un nombre réduit de turbines de petite dimension (par conséquent, avec un meilleur rendement). Pour une vitesse relativement faible du 10 vent, l'énergie fournie par les turbines peut être 5 à 10 fois supérieure à celle produite par une éolienne à pales. Pour une vitesse de vent proche de la vitesse optimale d'une éolienne à pales (9 m/s), il y a peu de différence d'énergie produite entre les deux types d'éolienne. Pour une vitesse de vent supérieure à la vitesse optimale d'une éolienne à pales (9 m/s), la 15 puissance délivrée par les turbines est largement supérieure à celle d'une éolienne à pales due à la possibilité de faire fonctionner un nombre important de turbines de petite dimension (par conséquent, avec des contraintes relativement faibles comparées à une éolienne à pales conduisant à un bridage de la puissance délivrée par ce type d'éolienne). Pour une vitesse relativement importante du vent, l'énergie fournie par les turbines est 20 largement supérieure (plus de 10 fois) à celle produite par une éolienne à pales. Pour une vitesse du vent supérieure à la vitesse d'arrêt d'une éolienne à pales (environ 20 à 25 mis), il est possible de capter une puissance proche de 100 MW avec une vitesse du vent de 30 m/s quand les éoliennes à pales sont limitées à 6 MW pour les plus grosses éoliennes. Les turbines entraînant divers types de machines tournantes (alternateurs, compresseurs et pompes) sont mises en service en fonction des besoins du moment avec, par exemple, la mise en service des alternateurs lorsque les conditions de stockage sont satisfaisantes et la demande en électricité relativement importante. A l'inverse, les turbines entraînant des pompes ou des compresseurs sont mises en service lorsque le stockage d'énergie est insuffisant et la demande en électricité est moins importante. 10 2) Comparaison numérique en fonction d'une distribution de vitesse du vent, entre l'énergie produite par une éolienne à pales conventionnelle et celle d'un système selon l'invention convergent/divergent comportant entre les deux un élément machine regroupant 100 turbines et pouvant fonctionner de façon optimale par tout type de vent. Condition 1: Vent_m/s Probabilité 4 0,57 0,25 10 0,12 15 0,06 20 0,04 25 0,02 30 0,01 15 Dans cette condition, une éolienne à pales conventionnelle fournit une puissance moyenne de 998 kW tandis qu'une éolienne composée d'une batterie de turbines fournit une puissance moyenne de 4935 kW, soit une puissance 4,94 fois supérieure. Condition 2: Vent_m/s Probabilité 4 0 7 0,0510 0,25 15 0,4 20 0,25 25 0,05 30 0 Dans cette condition, les puissances moyennes fournies sont de 3076 kW (pales) et 20 16164 kW (multi turbines), soit 5,25 fois plus dans le second cas. Condition 3: Vent_m/s Probabilité 4 0,3 7 0,2 10 0,05 15 0,25 20 0,15 25 0,0530 0 Dans cette condition, les puissances moyennes fournies sont de 1840 kW (pales) et 10890 kW (multi turbines), soit 5,92 fois plus dans le second cas.

TURBINE AVEC RENDEMENT VOLUMIQUE ATTÉNUÉ: Il est précisé plus haut que, dans un système convergent (concentrateur d'énergie), le rendement (volumique) des turbines est atténué de façon à ne prélever qu'une fraction de l'énergie cinétique du vent et ainsi permettre son évacuation en aval compte tenu du ralentissement de son écoulement. Seule une faible fraction de l'énergie cinétique disponible en amont d'une turbine peut être prélevée. Les deux raisons principales sont les suivantes : un maximum de 60% de l'énergie cinétique disponible en amont 15 (figure 3) du cône d'entrée 10 peut être prélevé au sens de Betz pour permettre l'évacuation de 10 l'air en aval du prélèvement de l'énergie cinétique, l'énergie cinétique présente en aval 16 du cône d'entrée 10 est supérieure à celle présente en amont, dans le rapport des surfaces au carré. Ainsi dans l'exemple précédent avec un rapport des surfaces de 2 (10000 et 5000 m2), l'énergie cinétique disponible en amont des turbines est 4 fois supérieure à celle disponible en amont 15 du cône d'entrée. Par conséquent, il ne peut être capté que le quart des 60% disponible en amont immédiat des turbines soit environ 15% de cette énergie cinétique. Dans le cas d'un rapport des surfaces au niveau du cône d'entrée de 3, l'énergie cinétique en amont immédiat des turbines est 9 fois supérieure à celle disponible en amont du cône 20 d'entrée. Dans ce second cas, il ne peut être prélevé qu'un neuvième des 60% disponible en amont immédiat de la turbine soit environ 6,66% de cette énergie cinétique. Ces deux exemples montrent : que le rendement des turbines est fonction du rapport des aires d'entrée et de sortie. Ce rendement correspond plus à un rendement volumique qu'à un rendement 25 énergétique, seule une partie de l'énergie cinétique étant prélevée et le restant passant au travers des pales de la turbine sans dégradation de l'énergie (sans transformation sous forme d'énergie turbulente), que la conception des aubes des turbines est fonction du rapport des aires d'entrée et de sortie du cône d'entrée de façon à procurer un rendement volumique adapté au 30 rapport des énergies cinétiques.

Dans l'exemple numérique comparant l'énergie délivrée par un système multi turbines avec concentrateur d'énergie amont et une éolienne à pales, le rendement des turbines a été choisi à 0,6 (60%). Cette valeur correspond à l'énergie cinétique équivalente prélevée en amont du cône d'entrée. A cet effet, le rendement volumique du rotor correspondant est de 15% sur la base de l'énergie cinétique disponible immédiatement en amont du rotor. Trois exemples de rotor de turbine avec différents rendements volumiques sont représentés sur les figures l la, 1 lb, 1 l c: la figure 11 a montre un rotor à trois aubes avec rendement volumique moyen, les figures 1 lb et llc montrent respectivement un rotor à 3 aubes et un rotor à 6 10 aubes, avec faible rendement volumique. Caractéristiques de l'élément d'extraction d'air 12 (Figures 3, 12a, 12b, 13): L'air sortant de l'élément turbine par la surface 17 pénètre à l'intérieur du cône de sortie divergent. Au cours de la traversée du cône de sortie, la vitesse d'écoulement est 15 progressivement diminuée et la pression statique de l'air augmentée pour faciliter son évacuation du cône de sortie au travers de la surface 18. Pour faciliter la sortie de l'air, l'angle du cône divergent est limité à une valeur faible, comme il est connu de l'homme du métier, pour limiter les pertes par décollement de la veine. 20 Pour faciliter la sortie de l'air, le cône de sortie est enveloppé d'un second cône 40 (Figure 12a), ce dernier, convergent et d'ouverture orientée dans la direction du vent. L'enveloppe conique présente une surface d'entrée 45 supérieure à celle de l'entrée 15 du cône d'entrée convergent 10 et également supérieure à celle de la sortie 18 du cône de sortie divergent 12. 25 L'air pénétrant par l'entrée 45 de l'enveloppe 40 est dirigé par des conduits 51 (figure 13) vers des éléments 50 diffusant l'air extérieur avec une énergie cinétique élevée vers l'intérieur du cône de sortie en vue de l'entraînement de l'air sortant de l'élément turbine 11 avec une énergie cinétique plus faible. L'air pénètre dans les conduits 51 par des orifices de grande dimension 47.

Des orifices de plus petite dimension 46 à la surface de l'entrée 45, comme à la surface de la partie extérieure du cône de sortie 12 permettent l'entrée d'air à l'intérieur de ce cône saris l'utilisation de conduit en vue de l'entraînement de l'air à proximité de la paroi du cône de sortie.

Les éléments 50 sont montés à intervalle régulier à l'intérieur du cône de sortie 12. Ils sont alimentés par les conduits 51 et 49 transférant l'air extérieur vers l'intérieur du cône provenant, pour les conduits 51, des parties latérales et, pour les conduits 49, de la partie supérieure du cône de sortie. L'air introduit dans les éléments 50 est redistribué à l'intérieur du cône de sortie au travers d'orifices 48.

TURBINES À RENDEMENT VOLUMIQUE NON ATTÉNUÉ Dans l'invention décrite ci-dessus, l'air collecté par le concentrateur d'énergie 10 traverse entièrement l'aire balayée par les aubes de turbines. De par sa forme, le concentrateur d'énergie réduit la surface en amont des turbines et, par voie de conséquence, augmente l'énergie cinétique selon l'inverse du carré des aires se situant de part et d'autre du système concentrateur d'énergie. Comme il a été précisé ci-dessus, les turbines sont conçues pour ne capter qu'une très faible partie de l'énergie cinétique disponible immédiatement en amont des turbines de façon à ne pas prélever une énergie supérieure à 60% de l'énergie disponible en amont du cône d'entrée. Les turbines précédentes sont donc conçues avec un très faible rendement volumique. La figure 14 illustre le cas d'un élément comprenant une turbine captant toute l'énergie cinétique disponible en amont de la turbine et une enveloppe 60 définissant une aire 61 d'entrée d'air ne faisant pas l'objet d'un prélèvement d'énergie cinétique. Les flux d'air sont mélangés en aval, le flux externe 62 transmettant une quantité de mouvement au flux interne 63 (sortie de turbine) de façon à permettre l'évacuation des deux flux. Ainsi, une autre façon de concevoir un système multi turbines avec concentrateur d'énergie consiste à capter l'énergie cinétique totale sur une faible fraction de l'aire se situant en aval du cône d'entrée et en ne prélevant pas d'énergie cinétique sur la fraction complémentaire. Le système multi turbines comprend alors un nombre de turbines relativement limité avec un rendement volumique proche de 100% correspondant à un rendement énergétique voisin de 90%. La quasi totalité de l'énergie cinétique traversant la turbine étant captée par

celle ci, un second flux d'air contourne la turbine pour se mélanger avec l'air ralenti en sortie de turbine. En aval de la turbine, le flux d'air ayant traversé la turbine est mélangé à celui ayant contourné la turbine qui restitue au premier une quantité de mouvement permettant l'évacuation de la totalité de l'air prélevé.

Le rapport des débits d'air (par conséquent, des énergies cinétiques) interne et externe est déterminé par le rapport des aires d'entrée et sortie (correspondant à l'augmentation d'énergie cinétique suivant l'axe du cône principal d'entrée) mais également par le coefficient de Betz (déterminant la fraction d'énergie cinétique en amont du cône d'entrée pouvant être prélevée) pour permettre l'échappement de l'air au travers du système multi turbines. Les figures 15a, 15b, 15c illustrent respectivement des rotors de turbine avec rendement volumique croissant de la figure 15a à la figure 15c. Le rendement volumique peut être qualifié de moyen sur la figure 15a, tandis qu'il est proche de 100% sur la figure 15c ("solidité" des aubes voisine de 1).

La figure 16 illustre un multi assemblage de 6 éléments machine dans lesquels les turbines sont dans une configuration selon la figure 14. Seule une fraction de l'air entrant dans le concentrateur d'énergie traverse les turbines. Ces turbines présentent un rendement volumique élevé de façon à prélever la quasi totalité de l'énergie cinétique immédiatement en amont, le restant de l'air contournant la turbine en vue d'un mélange en aval et de l'évacuation de la totalité de l'air en aval. Une turbine à haut rendement volumique remplace 6 turbines à faible rendement volumique La figure 17 représente schématiquement un rotor de turbine avec la partie centrale 52 évidée. Ce système permet le passage d'air chargé en énergie cinétique au travers de la partie évidée de façon à faciliter l'entraînement du flux d'air en sortie des aubes, le flux étant ralenti après prélèvement de la quasi totalité de l'énergie cinétique présente en amont de celles-ci. CARACTÉRISTIQUES MÉCANIQUES DES TURBO MACHINES Les caractéristiques mécaniques des turbo machines d'un dispositif éolien multi turbines sont analysées selon différentes configurations de concentration d'énergie, de nombre (miniaturisation) de turbines, et dans le cas de turbines avec un rendement volumique atténué ou non. Ces analyses sont réalisées en comparaison avec un dispositif éolien classique constitué d'un rotor à trois pales d'une longueur de 60 m. a) Éolienne tri pales classique Le diamètre du rotor de l'éolienne tri pales est légèrement supérieur à 120 m, la vitesse de rotation de l'ordre de 12 tours/min correspondant à une vitesse en bout de pale de 271 km/h. Avec une vitesse de rotation aussi faible, deux multiplicateurs épicycloïdaux sont nécessaires pour l'entraînement d'une génératrice classique tournant à 1500 tours/min. La surface balayée par les pales est de 11310 m2. La masse d'une pale est d'environ 29400 kg soit environ 88 tonnes pour trois pales. La masse totale du rotor serait supérieure d'environ 60% à cette valeur. La masse d'une pale est déterminée selon l'équation 0,1 xdiamètre2.61 (diamètre en m et masse en kg) comme il a été montré dans une étude comprenant un très grand nombre de rotors de différent diamètre. b) Système multi turbines avec concentrateur d'énergie de 2 Ce système correspond à une surface en aval du concentrateur de 5655 m2, soit 50% de l'aire balayée par les pales d'une éolienne classique, et une ouverture dans un rapport de 0,707 en dimension. La vitesse en aval du concentrateur d'énergie est 2 fois plus élevée et son énergie cinétique 4 fois plus élevée que celles en amont du concentrateur d'énergie. 1) Turbines balayant la totalité de l'aire en aval du concentrateur d'énergie Couvrant la totalité de l'aire en aval du concentrateur d'énergie, il s'agit donc de turbines avec un rendement volumique atténué de façon à ne prélever qu'un quart de l'énergie cinétique (déduit les 60% correspondant à la limite de Betz) disponible immédiatement en amont de la turbine. Dans le cas d'un système comprenant 100 turbines, le diamètre de l'élément machine est d'environ 8,5 m. La masse d'un rotor est de l'ordre de 83 kg soit environ 8300 kg pour les 100 turbines (10 fois moins comparé à un système à trois pales de 60 m de longueur). Compte tenu de la dimension du rotor des turbines, la vitesse de rotation peut atteindre 360 tours/min, soit environ le quart de la vitesse requise par une génératrice à 2 paires de pôles.

Dans le cas d'un système comprenant 1000 turbines, le diamètre de l'élément machine est d'environ 2,7 m, la masse d'un rotor de 4 kg soit 4000 kg pour la totalité des turbines (réduction de la masse par 20). La vitesse de rotation peut atteindre 1500 tours/min soit la vitesse d'une génératrice standard. L'entraînement peut donc être réalisé sans l'aide de multiplicateur de vitesse. Dans le cas d'un système comprenant 10000 turbines, le diamètre de l'élément machine est d'environ 0,85 m, la masse d'un rotor de 0,2 kg soit 2000 kg pour la totalité des turbines (réduction de la masse par 40). La vitesse de rotation peut atteindre 6500 tours/min soit une vitesse largement suffisante pour l'entraînement en direct d'une génératrice, d'une pompe ou d'un compresseur. 2) Turbines avec un rendement volumique non atténué Chaque turbine prélevant la totalité de l'énergie cinétique disponible immédiatement en amont soit quatre fois plus (déduit les 60% correspondant à la limite de Betz) que ce qui est permis pour l'évacuation de l'énergie en aval de la turbine, cette opération peut être réalisée par seulement un quart des turbines. Comparé aux trois cas précédents du paragraphe b1, il y aurait 4 fois moins d'éléments turbines avec une masse totale, par conséquent, 4 fois inférieure. c) Système multi turbine avec concentrateur d'énergie de 4 Ce système correspond à une surface en aval du concentrateur de 2827 m2 soit 25% de l'aire balayée par les pales d'une éolienne classique et une ouverture dans un rapport de 0,5 en dimension. La vitesse en aval du concentrateur d'énergie est 4 fois plus élevée et son énergie cinétique 16 fois plus élevée que celles en amont du concentrateur d'énergie. 1) Turbines balayant la totalité de l'aire en aval du concentrateur d'énergie Couvrant la totalité de l'aire en aval du concentrateur d'énergie, il s'agit de turbines avec un 25 rendement très fortement atténué de façon à ne prélever qu'un seizième de l'énergie cinétique (déduit les 60% correspondant à la limite de Betz) disponible immédiatement en amont de la turbine. Dans le cas d'un système comprenant 100 turbines, le diamètre est d'environ 6 m. La masse d'un rotor est de l'ordre de 33 kg soit environ 3300 kg pour l'ensemble (26 fois moins 30 comparé à trois pales de 60 m de longueur). Compte tenu de la dimension du rotor, la vitesse de rotation peut atteindre 540 tours/min soit environ le tiers de la vitesse requise par une génératrice à 2 paires de pôles. Dans le cas d'un système comprenant 1000 turbines, le diamètre est d'environ 1,9 m, la masse d'un rotor de 1,6 kg soit 1600 kg pour la totalité des turbines (réduction de la masse par 55). La vitesse de rotation peut atteindre 2500 tours/min soit plus que la vitesse minimum requise par une génératrice standard. Dans le cas d'un système comprenant 10000 turbines, le diamètre est d'environ 0,6 m, la masse d'un rotor de 0,08 kg soit 800 kg pour la totalité des turbines (réduction de la masse par 100). La vitesse de rotation peut atteindre 9500 tours/min soit une vitesse largement suffisante pour l'entraînement en direct d'une génératrice, d'une pompe ou d'un compresseur. 2) Turbines avec un rendement volumique non atténué Chaque turbine prélevant la totalité de l'énergie cinétique disponible immédiatement en amont soit 16 fois plus (déduit les 60% correspondant à la limite de Betz) que ce qui est permis pour l'évacuation de l'énergie en aval de la turbine, cette opération peut être réalisée par un seizième des turbines. Comparé aux trois cas précédents du paragraphe cl, il y aurait 16 fois moins de turbines avec une masse totale, par conséquent, 16 fois inférieure.

Comparé à une éolienne à pales conventionnelle, le montage et le contrôle des turbines est très simplifié. Concernant le premier point, les turbines entraînent les freins (générateurs, compresseurs ou autres) en direct. Un seul palier central est requis, la turbine et le frein étant montés en porte à faux par rapport au palier central. Concernant le second point, la turbine opère à vitesse de rotation constante (vitesse de l'air en amont constant) par l'ouverture ou la fermeture des ouïes de turbine commandant leur mise en service. La fabrication est également grandement simplifiée. Elle peut se résumer à la fabrication de modules standards de base de très petite dimension (métrique) comprenant une turbine, un frein, un support, un cadre et un boîtier de raccordement énergétique (électrique, fluide). Les modules de base sont assemblés en modules de plus grande dimension.30 EFFET BOOSTER ET INCIDENCE SUR UNE COMPRESSION Les turbines éoliennes peuvent entraîner directement, soit des alternateurs pour la production d'électricité, soit des compresseurs ou des pompes pour le transfert de l'énergie éolienne à un fluide faisant l'objet d'un stockage d'énergie ou du transfert de ce fluide (cas, par exemple, de l'hydrogène). Ces machines (freins de turbine) peuvent être montées ou non dans le flux d'air éolien. a) Effet booster Cet effet est décrit dans le cas où il présente une intensité maximum qui est celui d'une turbine freinée par un compresseur. Pour sa mise en oeuvre, le compresseur, qu'il soit situé en amont ou en aval de la turbine, est de préférence en contact avec l'air déplacé par le vent. La compression d'un gaz selon un mode isentropique (compression réversible sans perte d'énergie et sans échange de chaleur avec l'extérieur) conduit à un fort échauffement du gaz comprimé. Cet échauffement est encore plus important dans le cas d'une compression polytropique pour un même taux de compression. La compression de l'air entraîne, par exemple, un échauffement de 150 à 200°C lorsque ce gaz à la température ambiante est comprimé selon un taux de compression de 3. Compte tenu de la forte élévation en température du gaz, le compresseur et son système d'échappement sont conçus de façon à ce qu'un maximum de chaleur transféré au gaz au cours de sa compression soit restitué à l'air en déplacement au travers de la turbine éolienne. Ce second transfert de chaleur constitue un apport d'énergie à l'air éolien se traduisant par une augmentation de vitesse et, par conséquent, d'énergie cinétique en aval de la turbine, compte tenu de la dilatation de l'air réchauffé. Ce phénomène est désigné par la terminologie "effet booster". En d'autres termes, il facilite l'évacuation de l'air éolien traversant les turbines. Par voie de conséquence, il permet un supplément de prélèvement d'énergie à l'air éolien sur une même base d'évacuation d'air en sortie du système éolien. On note que l'énergie apportée au cours d'une compression isentropique (idéale) ou polytropique (réelle) peut être scindée en deux, celle ayant trait à une élévation de pression sans augmentation de température (compression isotherme) et celle ayant trait à une élévation de température à pression constante. La première partie est l'objectif recherché d'une compression tandis que la seconde est ce que l'on cherche à éviter d'autant plus qu'au cours d'un stockage toute chaleur excédentaire a tendance à rapidement disparaître, la température d'un gaz stocké tendant à rejoindre celle de l'air ambiant. La mise en oeuvre du transfert de chaleur du gaz comprimé vers l'air éolien s'effectue de façon classique comme il est connu de l'homme du métier, par exemple, par l'utilisation d'une grande surface d'échange entre les deux flux tout en maintenant de grands diamètres hydrauliques ou de grandes sections de passage dans les canaux où circulent les deux flux de façon à minimiser autant que possible les pertes de charge. Cet effet booster reste présent mais mineur dans le cas d'entraînement d'alternateurs et de pompes. L'effet est d'autant moins significatif que le rendement de ces machines est proche 10 del. b) Incidence sur la compression d'un gaz La puissance requise pour comprimer un gaz à un taux de compression donné est d'autant plus importante que la température du gaz est élevée, cette puissance étant sensiblement proportionnelle à la température absolue à l'entrée du système de compression. 15 De l'effet booster, consistant à transférer une partie de la chaleur du gaz comprimé vers l'air éolien il résulte, par conséquent, deux autres avantages : une réduction de la puissance de compression suite à un refroidissement du gaz en cours de compression, l'intégration d'un système de réfrigération, habituellement requis entre deux 20 sections de compression, au sein même de l'unité éolienne évitant ainsi l'utilisation de conduits de grande longueur pour le refroidissement de l'air à l'extérieur du système. Une façon de réduire la puissance de compression consiste à scinder la compression et le refroidissement en un grand nombre de sections jusqu'à une limite au delà de laquelle les 25 pertes de charge dans les conduits intermédiaires l'emportent sur le gain en compression. Dans la conception du système éolien, un certain nombre de turbines est alloué à la compression de niveau 1 (pression d'entrée voisine de la pression atmosphérique), un nombre équivalent à la compression de niveau n et un nombre équivalent à la compression finale, les entrées et sorties des compresseurs de même niveau de compression étant reliées 30 entre elles. Les conduites d'air à l'entrée des compresseurs comportent, bien entendu, des vannes tels des clapets anti retour, des soupapes, des vannes de recyclage (anti pompage),

des vannes d'isolement pour la maintenance et éventuellement des vannes automatiques de sectionnement, soit pour une question de sécurité, soit pour la mise en service des turbo compresseurs. L'air s'échappant des turbines au travers d'un divergent élémentaire 23 (figure 9) et du divergent principal 12 (figure 3), il peut être avantageux d'associer la fonction refroidissement du gaz comprimé à la diffusion de l'air dans la partie aval du système éolien. Dans cette optique, le corps de l'échangeur présente une forme adaptée à la diffusion de l'air. La figure 18 décrit plus précisément l'effet booster : l'énergie cinétique d'entrée Ec se décompose en deux parties, l'une non prélevée Ecl nécessaire à l'échappement de l'air en sortie du dispositif et l'autre Ec2 prélevée par les turbines puis transmise à des compresseurs, par exemple pour la compression de l'air. Cette énergie Ec2 sert à la compression du gaz et à son échauffement au cours de la compression. L'énergie correspondant à l'élévation de pression Ec2_P est stockée dans un réservoir tandis que l'énergie Ec2_T correspondant à l'échauffement est réinjectée dans le diffuseur d'évacuation d'air à l'aide d'un échangeur de chaleur plutôt que d'être gaspillée (refroidissement avec un fluide externe). L'échauffement de l'air en sortie du diffuseur provoque sa dilatation et son accélération en vue de son échappement du diffuseur. c) Exemple de fonctionnement de compresseurs en vue d'un stockage d'air 20 Dans cet exemple, il est supposé que : les compresseurs sont de type centrifuge, chaque compresseur est à même de comprimer l'air avec un taux de compression maximum de 2,6, la turbine éolienne étant à sa vitesse maximum et le débit à l'entrée du compresseur étant à sa valeur minimum (limite anti pompage), 25 - la pression maximum de stockage est de 300 bar. Pour un nombre de compresseurs en série de 2, 3, 4, 5 et 6, la pression maximum disponible à l'entrée du système de stockage est, respectivement de 6.8, 17.5, 45.7, 119 et 308 bar. Pour un besoin en pression se situant entre ces niveaux de pression, le réglage en pression 30 peut s'effectuer de différentes façons, par exemple, par un débit supérieur à celui requis par

l'anti pompage (débit minimum), par une réduction de la vitesse des turbines ou encore par un ajustage de la pression à l'aide d'une vanne de régulation. Si l'énergie transportée par le vent le permet, pour un besoin en stockage d'air plus important, un second train de compresseurs est démarré avec un nombre égal à celui du premier correspondant à la pression de stockage à atteindre tandis qu'un nombre équivalent d'alternateurs est arrêté. L'inverse se produit pour un besoin en électricité au détriment d'un stockage d'énergie. Ainsi, l'entraînement par des turbines éoliennes de compresseurs situés dans le flux d'air éolien présente de nombreux avantages parmi lesquels on peut citer :-a) la restitution à l'air éolien en sortie des turbines d'une partie de l'énergie transférée aux compresseurs (énergie servant à l'échauffement donc inutile) facilitant l'évacuation de cet air;-b) la compression de gaz (de stockage ou de transfert) dans des conditions s'approchant des conditions isothermes correspondant à une minimisation de l'énergie de compression;-c) la simplification du système de refroidissement du gaz comprimé évitant l'utilisation d'un fluide externe (eau, réservoir de stockage, système de pompage / circulation de l'eau) et limitant la longueur des tuyauteries à l'origine des pertes de charge. L'association de micro turbines éoliennes û compresseurs immergés dans le flux éolien constitue le système de moindre gaspillage énergétique.

La demanderesse a donc constaté que l'utilisation d'un système constitué en amont d'un concentrateur d'énergie et en aval d'une batterie de turbines conduit à l'utilisation de turbines métriques voire décimétriques là où l'art antérieur requerrait une éolienne avec une dimension hectométrique. Le système selon l'invention permet une réduction significative de la masse des rotors (10 à 100) et une très forte augmentation de la vitesse de rotation (30 à 1000 fois plus élevée). La faible dimension des rotors (métrique) permet d'accepter une très grande vitesse de l'air à l'entrée du concentrateur d'énergie, comme à l'entrée des turbines permettant un fonctionnement du système avec des vents très largement supérieurs à 25 m/s tout en captant la quasi totalité de l'énergie cinétique du vent jusqu'à 25 m/s (éolienne classique plafonnée à environ 10 m/s). Ce mode de fonctionnement permet de capter en moyenne 5 fois plus d'énergie que celle captée par une éolienne classique, surtout si l'on prend en compte que le système d'extraction d'air peut faciliter l'écoulement, voire, fournir un supplément de puissance.

L'utilisation combinée d'un système constitué d'une part en amont d'un concentrateur d'énergie et en aval d'une batterie de turbines et d'autre part de turbines avec un rendement volumique non atténué conduit à l'utilisation d'un nombre très réduit de turbines, ce nombre étant dépendant de la réduction de surface du concentrateur d'énergie.

Claims (13)

1. REVENDICATIONS1) Système pour la production d'énergie, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif concentrateur d'énergie éolienne en forme de convergent (10) dont la sortie(16) communique avec l'entrée d'un élément machine (11) comportant une pluralité de turbines de captation de l'énergie éolienne.
2. 2) Système selon la revendication 1, dans lequel lesdites turbines sont assemblées entre elles dans l'élément machine par des moyens tels que tout l'air concentré en amont passe dans lesdites turbines.
3. 3) Système selon la revendication 1, dans lequel lesdites turbines sont assemblées entre elles dans l'élément machine par des moyens tels qu'une partie seulement de l'air concentré en amont passe dans lesdites turbines.
4. 4) Système selon la revendication 3, dans lequel l'autre partie de l'air ne passant pas dans lesdites turbines active des moyens d'extraction d'air (12) en aval desdites turbines.
5. 5) Système selon l'une des revendication 2 ou 3, dans lequel lesdites turbines sont assemblées dans un élément machine de section carrée, rectangulaire ou circulaire.
6. 6) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la sortie de l'élément machine communique avec l'entrée d'un extracteur d'air en forme de divergent.
7. 7) Système selon la revendication 5, dans lequel ledit extracteur d'air est entouré d'un convergent (40) de façon à diffuser un courant d'air dans ledit extracteur d'air.
8. 8) Système selon l'une des revendications précédentes, comportant des moyens de contrôle et de commande de fonctionnement des turbines en fonction de la vitesse du vent.
9. 9) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les moyens de contrôle et de commande de fonctionnement des turbines comportent des moyens de réglage de l'ouverture ou de la fermeture de l'entrée desdites turbines.
10. 10) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit concentrateur d'énergie comporte des moyens de déviation de l'air hors dudit concentrateur.
11. 11) Système selon la revendication 10, dans lequel lesdits moyens de déviation comportent des volets (110) commandés en fonction de la vitesse du vent.
12. 12) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdites turbines actionnent directement des compresseurs de gaz et/ou des pompes.
13. 13) Système selon la revendication 12, dans lequel des réfrigérants du gaz comprimé sont disposés dans le flux éolien de façon à restituer une partie de l'énergie éolienne sous 5 forme de chaleur à l'air en sortie des turbines afin d'augmenter l'extraction de l'air.