FR2982650A1 - Eolienne a geometrie variable - Google Patents

Abstract

Eolienne (1) à axe vertical, comprenant un mât (3) central, une girouette (14), un plateau (6, 8) support monté en rotation sur le mât (3), et des pales (10) montées chacune en rotation sur le plateau (6, 8) support entre une orientation (M) motrice sensiblement perpendiculaire à la girouette (14), et une orientation (P) passive sensiblement parallèle à la girouette (14), cette éolienne (1) comprenant : - un système (20) de guidage des pales (10), configuré pour maintenir constante, par rapport à la girouette (14), l'orientation de chaque pale (10) sur une amplitude (A) angulaire prédéterminée, - un dispositif (21) de commande du basculement des pales (10) entre l'orientation (M) motrice et l'orientation (P) passive.

Description

Eolienne à géométrie variable L'invention concerne les éoliennes à axe vertical. On connaît de nombreux types d'éoliennes à axes central vertical.

Selon la géométrie la plus répandue, l'éolienne comprend un rotor et une pluralité de pales périphériques solidaires du rotor, qui assurent une prise au vent sur une portion de leur course angulaire sidérale autour de l'axe central. Pour illustrer cette géométrie, on pourra notamment se référer aux documents CA 2 616 708, JP 2008 11 578, US 5 126 584. Ce type d'éolienne, qui a fait ses preuves, a l'inconvénient de présenter un rendement relativement faible, en raison de la résistance au vent qu'offrent les pales sur une portion non négligeable de leur course angulaire.

Pour augmenter le rendement des éoliennes à axe vertical, il a été proposé de monter à pivotement les pales sur un pivot vertical porté par le rotor, des moyens de commande de pivotement des pales étant prévus pour orienter les pales en fonction de leur position, aux fins de faire exercer aux pales un couple moteur maximal sur le rotor. Une telle solution est notamment illustrée par la demande de brevet français FR 2 289 764. Plus précisément, cette technique consiste à entraîner les pales dans un mouvement planétaire de rotation synodique autour d'elles mêmes, au moyen d'un train planétaire de rapport 2, en sorte à imprimer aux pales une demi-révolution synodique pour chaque révolution sidérale. Cette solution permet, en théorie, d'améliorer le rendement de l'éolienne. Toutefois, le rendement n'est pas optimisé, en raison d'une résistance au vent qui persiste sur une portion importante de la course angulaire des pales. Un objectif de l'invention est, précisément, d'optimiser le rendement des éoliennes à axe vertical. A cet effet, il est proposé une éolienne à axe vertical, comprenant un mât central, une girouette, un plateau support monté en rotation sur le mât, et des pales montées chacune en rotation sur le plateau support entre une orientation motrice sensiblement perpendiculaire à la girouette, et une orientation passive sensiblement parallèle à la girouette, cette éolienne comprenant : R008 B001 FR - TQD un système de guidage des pales, configuré pour maintenir constante, par rapport à la girouette, l'orientation de chaque pale sur une amplitude angulaire prédéterminée, un dispositif de commande du basculement des pales entre l'orientation motrice et l'orientation passive. Grâce au maintien d'une orientation constante des pales par rapport à la girouette (et donc à la direction du vent), il est possible d'optimiser le rendement en accroissant le couple moteur appliqué au rotor.

Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaison : le système de guidage se présente, pour chaque pale, sous forme d'un train planétaire de rapport 1, comprenant : o une roue centrale solidaire du mât ; o un pignon intermédiaire monté en rotation sur le plateau support et engrenant la roue centrale ; o une roue planétaire montée en rotation sur le plateau support et engrenant le pignon intermédiaire, la roue planétaire étant couplée à la pale ; - la roue planétaire est couplée à la pale par l'intermédiaire d'un dispositif d'accouplement débrayable entre une position accouplée dans laquelle la roue est solidaire en rotation de la pale, et une position désaccouplée dans laquelle la pale est libre en rotation par rapport à la roue planétaire ; - le dispositif d'accouplement comprend un disque d'embrayage solidaire en rotation de la roue planétaire et monté en translation par rapport à celle-ci entre une position accouplée dans laquelle le disque est solidaire en rotation de la pale, et une position désaccouplée dans laquelle la pale est libre en rotation par rapport au disque ; le disque d'embrayage comprend une série de trous répartis angulairement, et la pale est munie d'un ergot qui, en position accouplée, est logé dans un trou et, en position désaccouplée, est dégagée des trous ; - le dispositif de commande du basculement de la pale comprend : o une came solidaire d'un support fixe de l'éolienne, et un suiveur de came formé sur le disque d'embrayage, R008 B001 FR - TQD o une couronne dentée, solidaire du support fixe, et engrenant un pignon solidaire de la pale sur une portion localisée du trajet angulaire de celle-ci. l'éolienne comprend, en variante, un système à came formant conjointement le système de guidage des pales et le système de commande de leur basculement, ce système à came comprenant : o un chemin de came s'étendant sur sensiblement la circonférence de l'éolienne, et o un suiveur de came prévu sur chaque pale, ce suiveur de came étant assujetti à suivre le chemin de came ; chaque pale comprend un cadre et un panneau tendu sur le cadre ; le cadre comprend deux montants sur lesquels est fixé le panneau ; le panneau est réalisé dans une toile.

D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description d'un mode préféré de réalisation, faite ci-après en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue d'ensemble en perspective montrant une éolienne à axe vertical et à pales orientables ; - la figure 2 est une vue en coupe verticale de l'éolienne de la figure 1 ; la figure 3 est une vue en coupe horizontale de l'éolienne de la figure 1 ; la figure 4 est une vue de détail en coupe verticale de l'éolienne de la figure 1 ; la figure 5 illustre le principe de fonctionnement d'une éolienne à axe vertical, selon une variante de réalisation. Sur la figure 1 est représentée une éolienne 1 à axe Z vertical. L'éolienne 1 comprend : - un support 2 réalisé en acier ou en béton (ou tout autre matériau rigide), monté en rotation par rapport à une infrastructure qui peut être le sol, un bâtiment, un navire, etc., un mât 3 central solidaire du support 2 fixe, auquel il est fixé par exemple au moyen d'une bride 4 clavetée (figure 2), - un rotor 5 comprenant : R008 B001 FR - TQD o un plateau 6 support inférieur monté en rotation sur le mât 3 à une extrémité inférieure de celui-ci, par l'intermédiaire d'un palier 7 (tel qu'un roulement à billes ou à rouleaux), o un plateau 8 support supérieur, monté en rotation sur le mât 3 à une extrémité supérieure de celui-ci, par l'intermédiaire d'un palier 9 (tel qu'un roulement à billes ou à rouleaux), o plusieurs pales 10 montées chacune en rotation par rapport au plateau 6 inférieur et au plateau 8 supérieur, entre ceux-ci, un alternateur 11 monté sur le support 2, et dont un arbre 12 d'entrée est couplé en rotation au plateau 6 support inférieur. Selon un mode particulier de réalisation, l'arbre 12 d'entrée est muni d'un pignon 13 en prise d'engrènement avec une circonférence dentée du plateau 6 support inférieur. En variante, l'accouplement de l'alternateur 11 au plateau 6 inférieur est réalisé par l'intermédiaire d'un système d'entraînement à chaîne ou à courroie. L'éolienne 1 est en outre munie d'une girouette 14 solidaire du mât 3 à un sommet de celui-ci. Cette girouette 14 suit l'orientation du vent (flèche W) et entraîne dans sa rotation le support 2, par l'intermédiaire du mât 3. Le rotor 5 est à géométrie variable, l'orientation des pales 10 par rapport aux plateaux 6, 8 supports étant variable pour s'adapter à la direction W du vent. Plus précisément, chaque pale 10 est montée en rotation par rapport aux plateaux 6, 8 supports entre une orientation M motrice sensiblement perpendiculaire à la girouette 14 (c'est-à-dire perpendiculaire à la direction W du vent), et une orientation P passive sensiblement parallèle à la girouette 14 (et donc à la direction W du vent).

Chaque pale 10 comprend un cadre 15 et un panneau 16 fixé au cadre 15. Selon un mode de réalisation illustré sur la figure 1, le cadre 15 comprend deux montants 17 parallèles sous forme par exemple de tubes, réalisés en métal ou dans un matériau composite (tel qu'une résine chargée de fibre de verre et/ou de fibre de carbone).

Ces montants 17 sont par exemple montés entre deux flasques 18. Selon un mode préféré de réalisation, le panneau 16 est fixé aux montants 17, un ajour 19 étant ménagé entre les bords inférieur et R008 B001 FR - TQD supérieur du panneau 16 et les flasques 18, comme illustré sur la figure 2. Ce panneau 16, qui confère à la pale 10 sa prise au vent, est de préférence réalisé dans une toile, mais il peut être réalisé dans tout autre matériau plat : plaque de métal, de plastique ou de matériau composite, grillage à maille fine, etc. Le panneau 16 est de préférence d'une largeur hors tout supérieure à la distance entre les montants 17, de sorte à maintenir une concavité favorable à la motricité de l'éolienne 1, comme illustré sur les figures 3 et 5.

L'éolienne 1 comprend en outre : un système 20 de guidage des pales, configuré pour maintenir constante, par rapport à la girouette 14, l'orientation de chaque pale 10 sur une amplitude angulaire A ou B prédéterminée, un dispositif 21 de commande du basculement des pales 10 entre l'orientation M motrice et l'orientation P passive. Plus précisément, le système 20 de guidage des pales est configuré pour maintenir constante l'orientation M motrice des pales 10 par rapport à la girouette 14 sur une première amplitude A angulaire prédéterminée, mais également pour maintenir constante l'orientation P passive des pales 10 par rapport à la girouette 14 sur une deuxième amplitude B angulaire prédéterminée. Selon un exemple de réalisation, le système 20 de guidage et le dispositif de commande sont distincts. Dans cet exemple de réalisation, illustré sur les figures 2, 3 et 4, le système 20 de guidage se présente, pour chaque pale, sous forme d'un train planétaire comprenant : une roue 22 centrale dentée solidaire du mât 3 ; un pignon 23 intermédiaire monté en rotation sur le plateau support 6 et/ou 7 et engrenant la roue 22 centrale ; une roue 24 planétaire dentée couplée à la pale 10, montée en rotation sur le plateau support 6 et/ou 7 et engrenant le pignon 23 intermédiaire. Un train 20 planétaire est prévu au niveau de chaque plateau support 6, 7, de sorte que deux trains planétaires 20 sont prévus pour chaque pale 10, comme cela est illustré sur la figure 2 où l'on voit que le rotor 5 présente une symétrie par rapport à un plan horizontal médian. R008 B001 FR - TQD Chaque train 20 planétaire est de rapport 1, c'est-à-dire que la roue 22 centrale, le pignon 23 intermédiaire et la roue 24 planétaire ont le même diamètre (et donc le même nombre de dents). Selon un mode particulier de réalisation, la roue 24 planétaire est couplée à la pale 10 par l'intermédiaire d'un dispositif 25 d'accouplement débrayable entre une position accouplée dans laquelle la roue 24 est solidaire en rotation de la pale 10, et une position désaccouplée dans laquelle la pale 10 est libre en rotation par rapport à la roue 24 planétaire.

Comme illustré sur les figures 2 et 4, le dispositif 25 d'accouplement comprend un disque 26 d'embrayage solidaire en rotation de la roue 24 planétaire, ce disque 26 étant percé d'un trou 27 central cannelé monté sur une portion d'extrémité cannelée d'un axe 28 de la roue 24 planétaire.

Le disque 26 d'embrayage est monté en translation par rapport à la roue 24 planétaire (grâce aux cannelures) entre une position accouplée (en trait plein sur la figure 4) dans laquelle le disque 26 est solidaire en rotation de la pale 10, et une position désaccouplée (en pointillés sur la figure 4) dans laquelle la pale 10 est libre en rotation par rapport au disque 26. Plus précisément, comme cela est illustré sur la figure 4, le disque 26 d'embrayage comprend une série de trous 29 (quatre en l'espèce) répartis angulairement autour du trou 27 central du disque 26, tandis que le flasque 18 de la pale 10 est muni d'un ergot 30 en saillie qui, en position accouplée, est logé dans l'un des trous 29 et, en position désaccouplée, est dégagé des trous 29. Dans cet exemple de réalisation, le dispositif de commande du basculement de la pale (d'un quart de tour) comprend : une came 31 solidaire du support 2 de l'éolienne 1, et un suiveur 32 de came formé sur le disque 26 d'embrayage, une couronne 33 dentée, solidaire du support 2, et engrenant un pignon 34 (solidaire de la pale 10) sur une portion localisée du trajet angulaire de celle-ci. Selon un mode de réalisation illustré sur la figure 4, la came 31 s'étend sur une portion angulaire localisée du support 2, et se présente par exemple sous forme d'une paire de rails sensiblement parallèles, qui viennent coopérer localement avec une rainure creusée dans un R008 B001 FR - TQD bord périphérique du disque 26 d'embrayage et qui forme le suiveur 32 de came. Les rails 31 forment une rampe de guidage vertical qui entraîne le disque 26 dans un mouvement de translation verticale de sa position accouplée à sa position désaccouplée.

Comme cela est visible sur la figure 2, l'éolienne comprend deux dispositifs 21 de commande du basculement de la pale 10, diamétralement opposés, l'un permettant de libérer la pale 10 pour la faire basculer de son orientation M motrice à son orientation P passive, l'autre pour lui imprimer le mouvement inverse, de son orientation P passive à son orientation M motrice. L'éolienne 10 fonctionne de la manière suivante, dès lors que le vent se lève et souffle dans une direction matérialisée sur la figure 3 par la flèche W. On suppose que le rotor 5 est configuré pour tourner dans le sens horaire, lorsque vu de dessus.

La girouette 14 entraîne le mât 3 et le support 2 jusqu'à une position dans laquelle elle s'étend parallèlement à la direction W du vent. Le rotor 5 comprend au moins une pale 10 occupant son orientation M motrice, dans laquelle la pale 10 s'étend perpendiculairement à la girouette 14, et donc perpendiculairement à la direction W du vent. Dans cette orientation, le couple moteur exercé par la pale 10 sur le rotor 5 est maximal. Cette configuration est adoptée par la pale 10 sur l'amplitude angulaire A, qui est par exemple comprise entre 30° et 180°, et de préférence entre 45° et 160°. Selon un mode particulier de réalisation, illustré sur la figure 3, cette amplitude angulaire est de 120° environ. Lorsque la pale 10 atteint le dispositif 21 de commande de basculement, celui-ci lui imprime un mouvement de rotation d'un quart de tour synodique pour la placer dans son orientation P passive. Le mouvement de rotation est effectué plus ou moins rapidement selon la configuration du dispositif 21 de commande. Selon un mode particulier de réalisation, l'amplitude angulaire du mouvement de basculement est comprise entre 30° et 90°, et de préférence entre 30° et 45°. Concrètement, la came 31 place le disque 26 dans sa position désaccouplée, l'ergot 30 sortant de son trou 29, cependant que le pignon 34 vient en prise d'engrènement avec la couronne 33. Le disque 26 étant maintenu dans sa position désaccouplée sur l'amplitude R008 B001 FR - TQD angulaire de la couronne 33, celle-ci peut librement imprimer au pignon 33 (et donc à la pale 10) un mouvement d'un quart de tour synodique. Dès lors que le pignon 34 quitte la couronne 33 dentée, la came 31 libère le disque 26 qui reprend sa position accouplée, l'ergot 30 venant se loger dans le trou 29 suivant, décalé d'un quart de tour par rapport au trou 29 dans lequel il se trouvait précédemment. La pale 10 adopte alors son orientation P passive (dans laquelle sa prise au vent est minimale puisqu'elle lui est parallèle), sur l'amplitude angulaire B qui est par exemple comprise entre 10° et 120°, et de préférence entre 10° et 90°, et avantageusement entre 10° et 45°. Le fait que l'amplitude angulaire B soit inférieure à l'amplitude angulaire A vient de ce qu'il est préférable de maintenir aussi longtemps que possible la pale 10 inclinée par rapport à la girouette 14 afin de maximiser l'amplitude angulaire le long de laquelle la pale 10 offre une prise au vent motrice. En variante, comme illustré sur la figure 5, l'éolienne comprend un système 35 à came qui forme conjointement le système 20 de guidage des pales 10 et le système 21 de commande de leur basculement. Ce système 35 à came comprend : un chemin 36 de came qui s'étend sur sensiblement la circonférence de l'éolienne 10, et un suiveur 37 de came prévu sur chaque pale 10, ce suiveur 37 de came étant assujetti à suivre le chemin 36 de came. Selon un mode préféré de réalisation, illustré sur la figure 5, le système 35 comprend deux suiveurs 37 de came, chaque pale 10 effectuant une demi-révolution synodique à chaque révolution orbitale, de sorte que chaque suiveur 37 de came coopère alternativement avec le chemin 36 de came. La pale 10 peut être réalisée de la même manière que décrit 30 précédemment, chaque suiveur 37 de came se présentant par exemple sous forme d'un galet monté sur un doigt prévu en saillie sur le flasque 18 On voit sur la figure 5 que le chemin 36 de came présente une extrémité 38 amont, par laquelle s'engage un premier suiveur 37 de 35 came pour assurer le basculement de la pale 10 depuis son orientation passive P jusqu'à son orientation M motrice (à gauche de la figure 5), et s'étend jusqu'à une extrémité 39 aval, située sensiblement sur un R008 B001 FR - TQD même rayon que l'extrémité 38 amont, où le premier suiveur 37 de came sort du chemin 36 de came cependant que le second suiveur 37 entre dans le chemin 36 de came par l'extrémité 38 amont. On a représenté sur la figure 5 les amplitudes angulaires A et B évoquées dans le précédent exemple de réalisation. Ces amplitudes peuvent prendre les valeurs indiquées ci-dessus. Entre les secteurs angulaires d'amplitude A et B s'effectuent : en aval du secteur A (dans le sens de rotation horaire du rotor), le basculement d'un quart de tour de chaque pale de son orientation motrice vers son orientation passive, en aval du secteur B, le basculement de chaque pale de son orientation passive vers son orientation motrice. Selon un mode particulier de réalisation, illustré sur les figures 1 et 2 (et applicable à la variante de la figure 5), l'éolienne 1 comprend un déflecteur 40, solidaire du support 2, qui comprend un montant 41 fixé au support 2 et sur lequel est fixé un panneau 42 déflecteur, ayant pour fonction de guider le vent vers la pale 10 occupant son orientation M motrice. On voit par ailleurs sur les figures 1 et 2 que l'éolienne 1 peut être équipée d'une toiture 43 (de préférence conique pour drainer les précipitations) montée sur le mât 3 par l'intermédiaire d'un chemisage 44, et fixée sur celui-ci par exemple par boulonnage. La toiture 43 vient capoter le système 20 de guidage des pales 101 prévu dans la partie supérieure de l'éolienne 1.

Grâce à la conservation, sur une amplitude angulaire relativement importante, de l'orientation motrice des pales 10, l'éolienne 1 présente un rendement optimisé par rapport aux éoliennes connues, cependant que dans son orientation P passive chaque pale 10 offre une résistance minimale au vent. Comme nous l'avons vu, il est possible d'optimiser encore le rendement en orientant les pales 10, dans les zones angulaires intermédiaires entre les secteurs d'amplitude A et B de sorte à les rendre motrices, ce qui maximise le couple moteur appliqué au rotor. Il est possible d'accoupler deux éoliennes 1 telles que décrites ci- dessus, par exemple symétriques par rapport à un plan central et tournant en sens inverse. Les déflecteurs 40 permettent de canaliser le vent vers le plan central, de sorte à entraîner conjointement les rotors. R008 B001 FR - TQD

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Eolienne (1) à axe vertical, comprenant un mât (3) central, une girouette (14), un plateau (6, 8) support monté en rotation sur le mât (3), et des pales (10) montées chacune en rotation sur le plateau (6, 8) support entre une orientation (M) motrice sensiblement perpendiculaire à la girouette (14), et une orientation (P) passive sensiblement parallèle à la girouette (14), l'éolienne (1) étant caractérisée en ce qu'elle comprend : un système (20) de guidage des pales (10), configuré pour maintenir constante, par rapport à la girouette (14), l'orientation de chaque pale (10) sur une amplitude (A) angulaire prédéterminée, un dispositif (21) de commande du basculement des pales (10) entre l'orientation (M) motrice et l'orientation (P) passive.
2. 2. Eolienne (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système (20) de guidage se présente, pour chaque pale (10), sous forme d'un train (20) planétaire de rapport 1, comprenant : une roue (22) centrale solidaire du mât (3) ; un pignon (23) intermédiaire monté en rotation sur le plateau (6, 8) support et engrenant la roue (22) centrale ; une roue (24) planétaire montée en rotation sur le plateau (6, 8) support et engrenant le pignon (23) intermédiaire, la roue (24) planétaire étant couplée à la pale (10).
3. 3. Eolienne (1) selon la revendication 2, caractérisée en ce que la roue (24) planétaire est couplée à la pale (10) par l'intermédiaire d'un dispositif (25) d'accouplement débrayable entre une position accouplée dans laquelle la roue (24) est solidaire en rotation de la pale (10), et une position désaccouplée dans laquelle la pale (10) est libre en rotation par rapport à la roue (24) planétaire.
4. 4. Eolienne (1) selon la revendication 3, caractérisée en ce que le dispositif (25) d'accouplement comprend un disque (26) d'embrayage solidaire en rotation de la roue (24) planétaire et monté en translation par rapport à celle-ci entre une position accouplée dans laquelle le disque (26) est solidaire en rotation de la pale (10), et une position désaccouplée dans laquelle la pale (10) est libre en rotation par rapport au disque (26). R008 B001 FR - TQD
5. 5. Eolienne (1) selon la revendication 4, caractérisée en ce que le disque (26) d'embrayage comprend une série de trous (29) répartis angulairement, et en ce que la pale (10) est munie d'un ergot (30) qui, en position accouplée, est logé dans un trou (29) et, en position désaccouplée, est dégagée des trous (29).
6. 6. Eolienne (1) selon la revendication 4 ou la revendication 5, caractérisée en ce que le dispositif (21) de commande du basculement de la pale (10) comprend : une came (31) solidaire d'un support (2) fixe de l'éolienne (1), et un suiveur (32) de came formé sur le disque (26) d'embrayage, une couronne (33) dentée, solidaire du support (2) fixe, et engrenant un pignon (34) solidaire de la pale (10) sur une portion localisée du trajet angulaire de celle-ci.
7. 7. Eolienne (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un système (35) à came formant conjointement le système (20) de guidage des pales (10) et le système (21) de commande de leur basculement, ce système (35) à came comprenant : un chemin (36) de came s'étendant sur sensiblement la circonférence de l'éolienne (1), et un suiveur (37) de came prévu sur chaque pale (10), ce suiveur (37) de came étant assujetti à suivre le chemin (36) de came.
8. 8. Eolienne (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque pale (10) comprend un cadre (15) et un panneau (16) tendu sur le cadre (15).
9. 9. Eolienne (1) selon la revendication 8, caractérisée en ce que le cadre (15) comprend deux montants (17) sur lesquels est fixé le panneau (16).
10. 10. Eolienne (1) selon la revendication 9, caractérisée en ce que le panneau (16) est réalisé dans une toile. R008 B001 FR - TQD