FR3003311A1 - Turbine eolienne etagee a carenage venturi multiflux et turbine a gaz - Google Patents

Abstract

L'invention, objet de ce brevet, est un dispositif de production d'électricité basé sur une turbine éolienne [5] étagée à carénage Venturi multi flux constitué des convergents [14] et [15], du col [3] et du divergent [4]. La séparation et l'orientation des flux par le diffuseur [11] et les canaux [31,32,33 et 42] sont destinées à améliorer le rendement réel du Venturi pour une installation à l'air libre. Pour compenser l'absence de vent, le dispositif est complété d'une turbine à gaz [6] dont l'énergie est récupérée par une chambre de mélange [7] pour alimenter en vent la turbine éolienne.

Description

Domaine technique : L'invention objet du brevet concerne l'énergie éolienne en général et les turbines éoliennes en particulier. Le dispositif reprend, améliore et complète les techniques développées dans le Brevet FR2976980 (A1).

Etat de la technique antérieure : La majorité des éoliennes du marché est constituée d'engins à axe horizontal dont le rotor tripale de grand diamètre est monté sur des mats gigantesques. Quelles que soient les améliorations apportées les rendements sont faibles et la technologie mal adaptée à un vent moyen de 8m/s en France qui réduit le temps productif à 75 jours par an. En effet le vent souffle à moins de 5m/s les 3/4 du temps à 10m et la moitié du temps à 40m de hauteur (source : Fraunhofer Institut fur Windenergy und Energiesystemtechnik). Depuis le premier brevet d'éolienne à Venturi déposé en 1926 aux USA, les nombreuses tentatives d'amélioration du concept avec des dispositifs faisant appel à la survitesse obtenue dans un Venturi n'ont eu que des résultats limités. La part des éoliennes carénées est restée faible. Pourtant les Venturis sont largement utilisés par l'industrie pour les liquides et les gaz, au point même qu'ils ont fait l'objet de règlementation (ASME MFC-3M, ISO 5167-4) visant la construction des débitmètres dont la précision est appréciée. La raison principale de l'échec relatif des éoliennes à Venturi provient du fait que contrairement aux débitmètres qui sont dans une canalisation forcée, l'éolienne est à l'air libre. Le changement de direction des veines d'air à l'entrée du convergent résulte dans un ralentissement dans l'axe du vent et par conséquent en une surpression qui détourne les filets d'air contigus qui passent à côté de l'appareil. De plus, la variabilité du vent en force et direction peut amener le convergent à présenter une section réduite ou à refouler. En ce qui concerne le convergent, les règles d'installation recommandent de le faire précéder d'une section droite de conduite d'une longueur de 2 à 6 fois le diamètre au col afin de régulariser le débit (Engineer's Handbook 4th Ed Voll Venturi tubes, Flow tubes and Flow nozzles www.unicanco.edu.co). On comprend que ce soit impossible pour une éolienne. La compressibilité de l'air peut aussi être mise en cause. Pour tenir compte de la compressibilité des fluides, la théorie des Venturis a été complétée d'un coefficient lié à la forme de l'appareil (largement documenté pour les débitmètres), d'un coefficient de décharge Cp égal à 0.98 pour les fluides de faibles viscosité, et d'un coefficient d'expansion souvent noté Y dont la valeur dépend du rapport 13 (diamètre au col/diamètre d'entrée du convergent), du rapport des chaleurs spécifiques y= Cp/Cv=1.4 pour l'air et du rapport des pressions r= pression absolue aval/ pression absolue amont. Les abaques montrent que pour des Venturis de 13 faibles (moins de 0.33), Y varie entre 0,92 et 0,96. La perte due à la compressibilité ne devrait donc pas dépasser 12%. (Voir Venturi Compressible Gaz Flow Aug 2012). Enfin, dernière cause d'échec, l'absence de divergent suffisant causée par un encombrement excessif. Pourtant dans un Venturi, le rôle d'amortisseur de la dépression est essentiel et largement documenté. Selon les mesures au banc d'essai de l'auteur, la perte de vitesse due à un divergent trop évasé ou raccourci atteint 20 à 30% et l'absence de divergent crée une perte de 50 à 55%. Bien sûr aucune éolienne dite à Venturi du marché ne respecte les recommandations édictées pour la construction des divergents de débitmètres à Venturi (angle de 7° à 15°, longueur de 8 à 10 fois le diamètre au col). Pour des débitmètres Venturi installés suivant les normes, la précision des mesures est acceptable jusqu'à 13= 0.25. Un tel rapport de diamètre multiplie la vitesse d'un fluide incompressible par 16, soit 128 m/s pour 8m/s de vitesse moyenne du vent moyen en France. Une telle vitesse est impensable pour une éolienne standard trop fragile, mais elle est courante pour les turbines et compresseurs dont la technologie est largement répandue dans le domaine aéronautique où l'on utilise des moteurs double flux, des turbines à étage, des entrées d'air profilées et des tuyères d'éjection complexes. Enfin, face au gigantisme et à la lourdeur des éoliennes conventionnelles, la flexibilité des turbines à gaz, leur rapidité de démarrage et leur excellent rapport puissance/encombrement semble un complément naturel qu'il est tentant d'associer. Leur rendement de 30-35% est faible, mais bien supérieur à celui des éoliennes conventionnelles. Exposé de l'invention : Le but de cette invention est de proposer un dispositif éolien utilisant l'effet amplificateur des Venturis en corrigeant les défauts des modèles existants tels qu'exposés dessus. Le dispositif a l'ambition de produire de manière continue toute l'année une puissance électrique élevée quelles que soient les conditions extérieures et la variabilité du vent, dans un encombrement aussi réduit que possible. Le dispositif objet de l'invention est constitué d'une turbine éolienne à plusieurs étages placée dans l'axe et au coeur d'un Venturi de rapport élevé qui lui sert de carénage. Le dispositif Venturi est multi flux à la fois pour capter le vent frontalement et latéralement, mais aussi pour diriger le flux accéléré au col vers les différents étages de la turbine éolienne et vers le diffuseur qui fera office de divergent de Venturi. L'ensemble est avantageusement complété par un système de fermeture en cas de vent fort ou excessif et par une turbine à gaz qui entraîne l'éolienne même par vent très faible ou nul. Description : le modèle de réalisation préféré de l'invention est monté sur un plateau tournant [90] en fonction de la direction du vent et qui supporte les 9 sous ensembles suivants : 1- Un ensemble convergent [1] comportant un redresseur annulaire suivi d'un cylindre de stabilisation et des cônes coaxiaux. Le convergent extérieur sert de carénage ; les cônes intérieurs canalisent le flux d'air entrant de manière à optimiser la survitesse. 2- Un diaphragme [2] de technologie similaire à ceux utilisés dans les appareils photographique. Il permet avec un encombrement faible de fermer totalement ou partiellement, l'accès au col de Venturi. 3- Un col [3] de longueur à peu près égale au diamètre où vont se mélanger et se régulariser les veines d'air à haute vitesse avant d'aborder la turbine éolienne. La vitesse d'air au col devrait atteindre au moins 3 fois la vitesse du vent en tenant compte du rendement réel du Venturi. 4- Un divergent multi flux [4] dont les canaux coaxiaux alimentent en air accéléré une turbine [5] et son diffuseur [43] qui joue le rôle de divergent du Venturi. 5- Une turbine étagée éolienne [5] qui transforme l'énergie cinétique du flux au col en énergie mécanique et entraîne la génératrice par multiplicateur et embrayage. 6- Une turbine à gaz [6] placée en amont de la bouche d'entrée du convergent et dans son axe. La taille et la puissance de la micro turbine est plus de 10 fois inférieure à celle de l'éolienne. Sa faible production électrique peut alimenter les auxiliaires, mais le flux d'air chaud sert à alimenter la turbine éolienne en absence de vent exploitable. 7- Une chambre de mélange [7] cylindrique entoure la turbine à gaz dont le flux de sortie est réparti dans l'ensemble de la chambre. L'entrée de la chambre est évasée de manière à créer un effet d'aspiration de l'air ambiant par le jet d'air de la turbine à gaz. La dilution du jet dans l'air ambiant le ralentit et refroidit avant son entrée dans la turbine éolienne. 8- Des citernes de stockage de gaz [8] adaptées à la consommation de la turbine à gaz et lui assurant une autonomie de plusieurs jours, pour couvrir les périodes sans vent. 9- Un ensemble électrique monté sur le plateau tournant comprend le générateur [91] couplé à la turbine éolienne, le générateur [92] de la turbine à gaz et les commandes [93] et régulations de l'ensemble. Description détaillée : Les dessins et calculs correspondent à un modèle préféré dont le convergent présente un diamètre de 3m, pour une section au col d'un mètre carré et une longueur du dispositif de 4m. Les calculs théoriques et les tests au banc laissent entrevoir une puissance électrique voisine de 40kW pour un vent moyen de 8m/s. Une éolienne standard de même diamètre, juchée sur un mât de 10 m ne produit que 500W pour la même force de vent (Fraunhofer Institut für Windenergy und Energiesystemtechnik). Plateau tournant [90] Pour suivre l'orientation du vent, le dispositif est placé sur un plateau tournant supportant l'ensemble et dont la mobilité est assurée par un stockage local d'énergie. Ensemble convergent [1] Le modèle de la Figure 4 est conforme dans sa forme et ses dimensions en longueur et diamètre aux recommandations de l'ASME pour les débitmètres à Venturi de rapport élevé. Mais la théorie et l'observation montrent que, à l'air libre, la vitesse d'air est fortement réduite à l'entrée d'un convergent. En effet la vitesse axiale du vent quand il atteint le convergent d'angle a devient V cosinus a soit V/2 pour 30°. Comme la surpression est proportionnelle à la différence des carrés de vitesse, elle devient imbattable, dès que la vitesse du vent est forte. La vitesse de vent à l'entrée du convergent étant fortement réduite, son accélération postérieure dans le convergent permet à peine de dépasser la vitesse initiale Cet effet venant contrarier l'effet Venturi est combattu dans le modèle préféré par un distributeur d'admission [11] qui protège le convergent et redresse l'air avant l'entrée dans le convergent grâce à des ailettes [12] dont la forme procure aux filets d'air un angle d'incidence b, par exemple 45° à 60°, avec l'axe afin de donner à l'air un mouvement hélicoïdal qui deviendra spiral dans le cylindre de stabilisation. La vitesse axiale étant réduite à V/2 pour un angle de 60°, la surpression étant proportionnelle au carré est réduite des %, permettant ainsi un fonctionnement efficace du Venturi. Pour stabiliser le flux, un court cylindre [10] est interposé entre le distributeur et le convergent. En fait le vent se comportera dans le convergent comme l'eau qui tourne en formant un vortex dans l'entonnoir avant de s'évacuer par le tube. Pour le modèle préféré, le distributeur [11] a la forme d'un anneau statique de 3m pour 30cm de long avec 32 ailettes [12] en forme d'hélice montrées Fig 3 (sans angle au pied et avec un angle de 60° au sommet). Pour adapter le profil à la force du vent les ailettes peuvent être à pas variable. L'efficacité de ce type de distributeur est environ 80%, mais toute autre disposition est possible.

II a été observé qu'avec ce dispositif d'admission, un angle d'incidence de 30° du vent par rapport à l'axe de l'éolienne a une influence négligeable, ce qui n'est pas le cas des éoliennes classiques.

Un second convergent [15], coaxial du premier convergent [14] est placé en aval de celui-ci par rapport au vent, permettant l'addition d'une entrée d'air supplémentaire cylindrique [13] parallèle à l'axe des convergents et équipée d'ouïes directrices orientant le second flux d'air entrant vers le col du Venturi [3].(Figure 8). Les deux cônes [14] et [15] on un profil semblable avec pour le modèle préféré un rapport f3 (diamètre au col/diamètre d'entrée) de 0.35 et 0.37 respectivement. Le diamètre de [15] est environ 5% supérieur au diamètre D de [14]. L'orifice cylindrique [13] dont la longueur est d'environ D/4 pour offrir une surface égale à l'entrée du convergent, admet l'air extérieur dévié par des ouïes entre les cônes convergents [14] et [15], apportant un débit supplémentaire. Le cône [14] est raccourci afin de laisser une section suffisante (environ égale à 10% de la surface d'entrée) au flux provenant de [13]. Il est aussi muni de trous [17] dans sa partie terminale. La dépression créée par la survitesse atteinte entre [15] et [16] est ainsi partagée avec l'air entre [14] et [16] et l'air extérieur est aspiré par les ouïes [13]. Le profil du canal entre les deux convergents [14] et [15] a été laissé brut pour la clarté du dessin, mais il doit être corrigé pour en améliorer l'aérodynamisme ; en particulier la rupture de pente entre le cylindre [10] et le cône [14] doit être supprimée pour que les filets d'air ne décrochent pas. L'angle des ouïes et du débord du convergent [15] doit aussi être vérifié par l'expérience. Le convergent intérieur [16] présente un rapport fi faible ; il est surtout utile afin de fournir un flux accéléré au centre des flux de sortie des autres cônes et accroître leur efficacité quand la turbine à gaz [6] est sollicitée même à puissance réduite. La présence des cônes intérieurs permet de canaliser les flux d'air en évitant qu'ils ne se divisent à cause de la différence de vitesse entre le centre et le long des parois. Le modèle préféré présente 3 cônes au profil elliptique suivant les normes, mais la pratique peut imposer un plus grand nombre et tout autre profil pour minimiser les turbulences. Avec un convergent de rapport 0=0.35, la vitesse théorique au col devrait atteindre 8 fois la vitesse V du vent extérieur. Bien entendu les pertes de charges dues à la présence des structures et aux turbulences de l'écoulement viennent diminuer cette valeur. Les mesures au banc d'essai à des vitesses d'entrée 5 à 9 m/s et des vitesses au col atteignant 20 à 30m/s ont mis en évidence la faible influence des superstructures ainsi qu'une survitesse de 10% due à l'ouverture latérale seule et de 32% avec le convergent [14] troué. Le convergent coaxial [16] a surtout montré leur efficacité avec un jet d'air comprimé au centre (survitesse de 5 à 10%), tandis que l'effet du distributeur a pu être mesuré à 20% sur maquette.

Diaphragme [2]. En cas de vent fort, l'entrée au col du Venturi est fermée par un diaphragme circulaire sur le modèle des diaphragmes de photographie. Il a été placé à l'extrémité du convergent [14] avant l'entrée dans le col [3]. Comme le montre la Fig 5, l'augmentation de diamètre est limitée à 20%. Les éléments [21] du diaphragme en forme de croissant sont rotatifs autour d'un axe [22]. La Fig 4 montre une ouverture [23] de 15%. La fermeture peut être totale ou progressive avec un asservissement à la vitesse du vent. En cas de fermeture totale par vent excessif, la surpression dans le convergent détournera le vent. Les éléments mobiles plus fragiles seront protégés.

Le col de Venturi (31 de diamètre d=D x fi a une longueur d/2. Pour le modèle préféré, le diamètre est de 1,13m pour une surface d'un mètre carré. La vitesse maximale est atteinte dans le col, et donc aussi la dépression maximale. La vitesse d'air est supérieure le long des parois à la vitesse au centre du flux, ce qui sera très utile dans le divergent. A la sortie du col, l'air est séparé en 3 veines concentriques dans les canaux (31], [32] et [33] la veine extérieure étant la plus rapide. Le divergent multi flux [4] montré Fig 6 et Fig 8 a une longueur égale au diamètre du col et la forme d'un cône d'angle faible. Il comprend un cône déflecteur [41] pour dégager la place du générateur électrique, une turbine [5] (à 3 étages pour le modèle préféré) et un canal [42] lequel alimente un diffuseur [43]. L'air accéléré du col de Venturi est dirigé dans les canaux coaxiaux [31] et [32] vers les distributeurs de premier et second étage (51] et [53] de la turbine. L'air à la vitesse du col guidé par le canal [33] alimente le distributeur de troisième étage [55] et le canal [42] d'alimentation du diffuseur [43]. Pour conserver une vitesse constante au flux, la section transversale du diffuseur doit être constante malgré l'angle du divergent. De même les diamètres des distributeurs et rotors de chaque étage doivent respecter une augmentation de 12 à 20% (tangente de 70 à 12°) par rapport à leur éloignement du nez du cône [41]. Le diffuseur [43] de forme conique ou festonnée prolonge en fait le divergent d'un cône d'air très rapide puisque il est alimenté par la veine extérieure circulant dans le col. Cette vitesse est beaucoup plus élevée que celle de l'air sortant du dernier étage de turbine après y avoir cédé l'essentiel de son énergie cinétique. La dépression théorique dans le Venturi du modèle préféré est de 4.75 bar pour une vitesse de vent de 8m/s à 20°C (source wwvv.pressure-drop.com), mais la dépression résiduelle en sortie de turbine est beaucoup plus faible et la longueur du cône d'air rapide en aval du diffuseur permet d'en absorber la plus grande partie en préservant l'efficacité du Venturi.

La turbine éolienne [5] détaillée Fig 7 et Fig 8 s'apparente naturellement plus aux moteurs aéronautiques qu'aux éoliennes classiques compte tenu des vitesses d'air attendues. Elle comprend 3 étages dans le modèle préféré mais le nombre peut varier en fonction de la puissance et des caractéristiques de l'ensemble. La turbine éolienne est placée à l'entrée du divergent de Venturi et son ou ses étages, constitués chacun d'un distributeur et d'un rotor, sont partiellement ou totalement alimentés par des canaux coaxiaux [31], [32] et [33]captant l'air au col [3]. Chaque étage est constitué d'un distributeur [51,53 et 55] et d'un rotor à aubes [52,54 et 56] suivant l'exemple de la Fig 7. Les ailettes [57] du distributeur sont destinées à orienter la veine d'air avec l'angle optimum vers les aubes [58] du rotor qui le suit sur l'axe afin de le faire tourner. Les distributeurs peuvent être liés à l'arbre ou libres sur celui-ci. L'air dévié par les aubes du rotor de premier étage [52] est redressé par le distributeur d'étage 2 [53] qui alimente les aubes du rotor [54] d'étage 2 et ainsi de suite. Le distributeur de l'étage 2 reçoit non seulement l'air sortant dévié et ralenti du rotor de premier étage, mais aussi l'air à vitesse Vc venant axialement du col de Venturi par le canal [42]. Ce supplément d'énergie, canalisé par le distributeur de l'étage 2 [53], donne au rotor du même étage [54] une rotation assez rapide pour créer une aspiration favorisant la sortie d'air de l'étage précédent. De la même façon l'étage 3 est alimenté par l'air dévié et encore plus ralenti sortant de l'étage 2 mais aussi par l'air rapide venant du col par le canal [41]. Si la moitié de l'énergie cinétique entrante est transformée en énergie mécanique par chaque étage de turbine, la vitesse de sortie d'un étage est 30% inférieure à la vitesse d'entrée. La vitesse de sortie d'une turbine à 3 étages est donc d'environ 1/3 de la vitesse d'entrée. Si le convergent a accéléré l'air 3 fois (Vc=3V), alors la vitesse de sortie du premier étage est 0.7V, du second étage 0.49V et à la sortie de la turbine, la vitesse d'air est approximativement égale à la celle du vent extérieur et le diffuseur n'est pas nécessaire.

En poursuivant l'exemple, on voit que la puissance fournie étant proportionnelle au cube de la vitesse, la turbine fournira à l'axe une puissance proportionnelle à (3V)^3+ (2,1V)^3+ (1,47V)^3 soit 1.46x27xV^3 ou près de 40 fois la puissance fournie par une éolienne de diamètre égal à celui du col. Pour le modèle proposé, la vitesse théorique au col devrait atteindre 8 fois la vitesse du vent mais les pertes dues à la surpression d'entrée, au diffuseur, aux frottements sur les structures, au passage dans la turbine éolienne et au raccourcissement du divergent devraient réduire ce résultat à un multiplicateur estimé à 5 et donc une puissance d'environ 40kW soit 80 fois supérieure à celle d'une éolienne de même diamètre extérieur. Il est possible de concevoir des modèles sur un rapport fi de 0.25.

La turbine à gaz [6] montrée Fig 8 a un rôle double. D'une part en la couplant à un générateur [92], elle peut fournir directement une puissance électrique comme il est fait en général et d'autre part ses gaz de sortie ayant une température et une vitesse élevée, peuvent être utilisés par le dispositif éolien dans un montage de cogénération ; ils vont pallier le manque ou la faiblesse du vent grâce aux gaz d'éjection à haute vitesse de sa tuyère [64]qui aspirent l'air ambiant dans le convergent [14> l'entrée du carénage Venturi. Pour la taille du modèle préféré, une micro-turbine à gaz de 20cm de diamètre et 40cm de long, consommant 3g,/s de GPL semble suffisante (Capstone Turbine Corp, Solar Turbine Inc, wwvv.Jetcatusa.com). Elle fournit des gaz à 550°C et 150m/s sortant d'un orifice de diamètre 0.1m. La puissance électrique fournie par le générateur associé peut atteindre 5 kW. Cette production autonome d'électricité permet d'alimenter les accessoires et permet en outre de démarrer l'éolienne. La turbine à gaz est elle-même équipée d'un démarreur électrique [61] qui nécessite donc une petite batterie et permet d'entraîner le compresseur [62]. La facilité et la rapidité de mise en route de la micro-turbine à gaz en fait un complément idéal de l'éolienne. Pendant les périodes sans vent, l'éolienne serait ainsi alimentée par le flux d'air sortant de l'éjecteur [64] de la turbine à gaz [63]. Le modèle préféré utilise une micro turbine à gaz montée en amont du convergent, dans l'axe de l'éolienne mais sans que les axes soient solidaires. Bien entendu les gaz chauds ne peuvent être utilisés en l'état, ils doivent d'abord passer dans une chambre de mélange [7] décrite pus loin.

La turbine à gaz peut aussi servir par vent faible à augmenter l'efficacité du dispositif en fournissant, par des conduites située le long de l'axe principal et reliés à l'éjecteur de la turbine à gaz un débit d'air très rapide, - en sortie [44] du divergent pour allonger le cône d'air autour du flux de sortie du dernier étage de turbine. Avec la micro turbine citée un débit égal à 1/6 du débit d'air en sortie pourrait être obtenu avec un conduit conique d'environ 7mrn alimenté par des tubes parallèles à l'axe principal. La turbine à gaz fonctionnant alors à vitesse réduite, la consommation peut être réduite de 50 à 80%. - autour de l'axe aux rotors des étages de la turbine éolienne afin de régulariser leur rotation surtout en cas de vent faible. - en extrémité des cônes [15] et [16] afin de créer une dépression élevée permettant d'augmenter le débit d'air aspiré par les ouïes [13]. - aux ailettes [12] du distributeur d'alimentation [11] pour diminuer les frottements et détourner l'air extérieur dans le sens de la spirale avec des pertes réduites.

Une chambre de mélange [7] montrée Fig 8. Le flux d'air chaud et rapide de la turbine à gaz est envoyé dans une chambre de mélange cylindrique de diamètre égal au diamètre du col de Venturi ( de longueur égale à environ 80cm pour le modèle préféré) et placée entre la turbine [61 et le distributeur [11], afin de fournir à la turbine éolienne [5] un flux d'air à vitesse égale à celle du vent moyen accéléré par le Venturi. La tuyère [64] de la turbine à gaz est modifiée afin qu'une partie des gaz éjectés alimente, par les tuyauteries appropriées, un réseau de buses réparties dans la chambre [7] pour favoriser le mélange cinétique et thermique avec l'air ambiant. L'entrée du cylindre peut être évasée pour favoriser l'entraînement de l'air extérieur par le jet de gaz sortant de la tuyère. Celle ci est aménagée de façon que le flux central de ces gaz soit aussi partiellement réparti dans le volume de la chambre par un ensemble de tuyauteries et distribué par plusieurs buses d'injection [73]. Dans le modèle préféré, les tuyauteries sont incorporées aux bras de fixation [72] de la turbine à gaz sur le corps de chambre cylindrique [71]. Le nombre et la distribution des buses peuvent être aménagés pour imprimer au flux d'air un mouvement de tourbillon favorisant le mélange. Cette technique est couramment utilisée dans les cornets à air qui utilisent l'air comprimé ; les rapports de mélange y sont de l'ordre de 25 à 40. C'est le rapport de dilution visé dans le modèle préféré qui doit fournir un débit de 20m/s pour 1m2 avec un jet de gaz de 150m/s sortant de lOce. La dilution à 1/40 va refroidir les gaz mais échauffer l'air admis de quelques dizaines de degrés, donc par l'augmentation de son volume à lui fournir une survitesse.

Pour que la technique soit envisageable, encore fallait-il que la consommation de GPL soit acceptable économiquement et qu'un stockage local garantisse l'autonomie. La citerne de stockage de GPL [8] La période de vent nul est en moyenne de 11 jours par an, ce qui compte tenu de la consommation de GPL de la turbine, correspond à 260kg ou un demi mètre cube de GPL par jour. En disposant 3 citernes de diamètre un mètre par 2,5m de long autour du carénage comme montré Fig 1, Fig 2 et Fig 8 c'est la consommation annuelle qui est assurée. Les turbines à gaz dont le rendement moyen avoisine 35% sont couramment utilisées par l'industrie pour couvrir ses besoins d'électricité ; leur coût de production du kWh est donc acceptable. Dans le cas du modèle préféré, la production propre de la turbine à gaz serait complétée de la production de la turbine éolienne, dont la puissance envisagée pourrait être 10 fois supérieure. Le coût du kWh purement éolien (quand le vent souffle assez) étant principalement dépendant de l'amortissement de l'installation, le coût moyen devrait être inférieur à celui obtenu dans les installations de cogénération Un ensemble électrique [9] vient compléter le dispositif. Il comporte une génératrice électrique [91] entraînée par la rotation de l'axe de turbine éolienne à travers un système démultiplicateur et un embrayage classique et une seconde génératrice (non représentée) entraînée par la turbine à gaz et qui lui est coaxiale. Un dispositif de commande, contrôle et régulation pour la connexion au réseau électrique est installé sur le plateau tournant solidaire de l'éolienne et de son carénage. Ces appareils ne rentrent pas dans le cadre de la demande de brevet. Dans le modèle préféré, l'alternateur est coaxial avec la turbine éolienne qui l'entraîne ; la liaison étant faite par un appareil d'embrayage et de démultiplication. L'encombrement d'un alternateur de 50 à 100kW (diamètre 450mm, longueur 700mm) permet de le loger au centre du divergent dont l'angle est adapté pour que les sections augmentent de 20% (rappel, tangente12°=0.21). D'autres modèles combinant ou améliorant le modèle préféré sont envisageables sur le même principe. Applications : Le modèle proposé à l'appui de ce brevet fait appel aux technologies connues des turbines, des éjecteurs et des Venturis. Les turbines à gaz sont disponibles des modèles pour maquette à ceux développant plusieurs mégawatts. La taille du modèle correspond à une puissance moyenne, permettant l'adaptation du dispositif proposé à une grande variété d'applications individuelle, industrielle ou ludique.

En moyenne, la puissance électrique par unité de volume occupé devrait atteindre 8kW/m3 ; sous réserve d'un meilleur agencement industriel. Pour les besoins électriques d'une habitation, un volume de 2 m3 (diamètre 1.8m longueur 3m) devrait être réservé autant que possible en toiture pour bénéficier de vents plus favorables. Pour une application nautique, la présence de batteries et l'emplacement naturel en haut de mât rend le recours à la turbine à gaz inutile. Pour une unité de production de 100kW distribuée sur le réseau électrique, les dimensions seraient : diamètre 3,5m et longueur 5,5m. Bien que le modèle préféré soit conçu avec des réservoirs de gaz sur le plateau tournant, il est possible de déporter le stockage pour accroitre son volume.30

Claims (7)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de turbine éolienne [5] à un ou plusieurs étages, placée au col [3] d'un carénage coaxial en forme de Venturi multi flux avec convergent [14] et divergent [4], caractérisé en ce que le flux du canal extérieur [42] alimentant le diffuseur [43] forme dans le divergent un cône d'air plus rapide que le flux d'air sortant du dernier étage[56] de la turbine, permettant l'absorption de la plus grande partie de la dépression résiduelle.
2. 2. Dispositif suivant revendication 1 caractérisé par le fait que le vent est admis dans le convergent [14] de Venturi à travers un redresseur [11] cylindrique à ailettes [12] qui donne à l'air un mouvement hélicoïdal dont l'angle avec l'axe du dispositif réduit la vitesse axiale et donc la surpression à l'entrée du convergent.
3. 3. Dispositif suivant revendication 1 ou 2 caractérisé par le fait qu'un second convergent [15], coaxial du premier convergent [14]est placé en aval de celui-ci par rapport au vent, permettant l'addition d'une entrée d'air supplémentaire cylindrique [13] parallèle à l'axe des convergents et équipée d'ouïes directrices orientant le second flux d'air entrant vers le col du Venturi [3].
4. 4. Dispositif suivant revendication 3 caractérisé par le fait que le premier convergent [14] est muni de trous [17] dans sa partie terminale. La dépression créée par la survitesse atteinte entre [15] et [16] est ainsi partagée avec l'air entre [14] et [16] et l'air extérieur est aspiré par les ouïes [13].
5. 5. Dispositif suivant les revendications 1,2,3 ou 4 caractérisé par le fait que la turbine éolienne est placée à l'entrée du divergent de Venturi et que son ou ses étages, constitués chacun d'un distributeur et d'un rotor, sont partiellement ou totalement alimentés par des canaux coaxiaux [31], [32] et [33]captant l'air au col [3].
6. 6. Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 5 caractérisé par le fait qu'une turbine à gaz est montée en amont du convergent [14], dans l'axe de l'éolienne. Pendant les périodes sans vent, l'éolienne est ainsi alimentée par le flux d'air sortant de l'éjecteur [63] de la turbine à gaz qui aspire l'air ambiant dans le convergent [14] à l'entrée du carénage.
7. 7. Dispositif suivant la revendication 6 caractérisé par le fait que la turbine à gaz est assortie d'une chambre de mélange [7] de diamètre égal à celui du col [3] de Venturi et placée entre la turbine [6] et le distributeur [11], afin de fournir à la turbine éolienne [5] un flux d'air à vitesse égale à celle du vent moyen accéléré par le Venturi. La tuyère [64] de la turbine à gaz est modifiée afin qu'une partie des gaz éjectés alimente, par les tuyauteries appropriées, un réseau de buses réparties dans la chambre [7] pour favoriser le mélange cinétique et thermique avec l'air ambiant.