FR3025006A1

FR3025006A1 - Aerogenerateur a portance

Info

Publication number: FR3025006A1
Application number: FR1401892A
Authority: FR
Inventors: Pierre Benhaiem
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-08-22
Filing date: 2014-08-22
Publication date: 2016-02-26

Abstract

Aérogénérateur à portance. En partie ou totalement aéroporté,caractérisé par l'intégration en un ensemble (1) de forme sensiblement plane des turbines (3) de type autogire et de la surface (2) vélique portante laquelle comprend au moins une ouverture prévue pour l'insertion desdites turbines (3).Les applications de l'aérogénérateur selon l'invention vont du modèle réduit au dispositif pour zones éloignées ou sinistrées, jusqu'à la production massive d'électricité.

Description

1 L'invention concerne un aérogénérateur ,en partie ou totalement aéroporté, pouvant être maintenu par des cordes, comprenant au moins une turbine inclinée comme un rotor d'autogire ou de préférence plusieurs turbines inclinées comme des rotors d'autogires et générant à la fois de la portance et de l'électricité.

Les aérogénérateurs sur tour génèrent actuellement la totalité de la production éolienne et leur implantation est en progression constante, leur technologie éprouvée faisant leur succès. Les plus grands aérogénérateurs captent une veine de vent allant de 50 m à 200 m. A partir d'une certaine hauteur de vent et d'épaisseur de veine la tour verticale génère un effet de levier démultipliant les efforts aérodynamiques transmis perpendiculairement à l'éolienne, et limitant sa hauteur.Or des travaux scientifiques, notamment de C.Archer et de Ken Caldeira, ont démontré l'existence d'un réservoir gigantesque constitué par les vents de haute altitude, plus puissants et réguliers. Leur épaisseur exploitable peut se situer entre 200 et 10000 mètres. Des projets d'éoliennes aéroportées sont donc en cours.

Le brevet US2002192068 décrit une suite de rotors entourant et incurvant par leur masse un mât ayant aussi une fonction d'arbre du générateur placé au sol.Les dimensions atteignables et le ratio surface balayée/masse sont limités, l'extrémité du mât n'étant pas assez soutenue, même lors de l'installation d'un ballon ou cerf-volant porteur qui en outre ne suffit pas à compenser suffisamment le manque de portance de l'ensemble.Les rotors sont soumis à de forts moments induisant des mouvements de pendule préjudiciables rendant périlleux le balayage de grandes aires. Le brevet FR2975445 décrit un aérogénérateur à entraînement circonférentiel dont le rotor est en appui sur le sol ou l'eau et relevant conjointement de l'aérogénérateur à structure portante et de l'aérogénérateur aéroporté. Le concept est un nouveau paradigme constituant une avancée significative vers la mise en oeuvre d'unités plus légères balayant de plus grandes surfaces.Cependant les différents modes de réalisation de l'entraînement circonférentiel posent des problèmes comme ceux de la limite du dimensionnement des pales _ comme pour les éoliennes actuelles _ , du poids pour un rotor à transmission annulaire périphérique, de la perte de rendement pour un rotor de type roue de bicyclette sur générateur,due à la nécessité d'un rotor plus lent et aussi à la résistance à l'air de l'anneau extérieur et des suspentes en rotation, outre des problèmes de la fragilité de la liaison entre le flotteur portant le générateur soumis au mouvement des vagues et au rotor soumis à la force du vent. Concernant les aérogénérateurs aéroportés envisagés,généralement de type cerf-volant, le ratio puissance/masse ainsi que l'absence d'effet de levier sont en leur faveur,les efforts étant en direction de la corde du cerf-volant.Mais les résultats obtenus ne sont à présents pas probants: longueur excessive des cordes par rapport aux cerf-volants, aire de travail 3025006 2 non maximisée et d'un rayon d'au moins la longueur de corde, instabilité inhérente des systèmes, gestion du lancement et du recouvrement, et surtout incapacité à maîtriser l'ensemble des paramètres qui constituent une sorte de puzzle dans lequel toutes les pièces doivent être à leur place. Nombre de projets _ brevets US2003091437, ou 5 US201110260462 décrivant une aile portant les turbines et évoluant vent de travers pour générer plus de vitesse du vent apparent capté par les turbines mais également des contraintes importantes sur les matériels et des irrégularités cycliques dans la production d'électricité envisagent la multiplication des unités en fermes d'exploitation selon le modèle des éoliennes existantes. Cependant les fermes de ce type ne permettent pas de 10 maximizer l'aire de vent balayée, les trajectoires individuelles couvrant une trop grande aire et leur superposition dans la distance demeurant incertaine; et ce d'autant plus que les cordes respectives des unités sont sujettes à collisions et croisements dommageables, les vents n'étant pas les mêmes sur toute l'aire d'exploitation. Le brevet US2003091437 décrit un aérogénérateur aéroporté composé d'une ou plusieurs 15 turbines génératrices inclinées comme les rotors d'autogires.Ce système est étudié pour la captation des courants-jets et doit donc supporter le poids et la traînée d'un long câble conducteur, alors que le rapport portance/poids n'est pas en faveur de l'autogire pris isolément. Cependant sa stabilité, la rencontre harmonieuse de l'aviation et de l'éolienne terrestre en l'autogire, la régularité de la production électrique constituent une bonne base.

20 Un autre système aéroporté,décrit par le Dr J.M.E Beaujean dans le document "WindTech Nov-Dec2011C 500 MW.pdf',consiste en une turbine aéroportée géante comprenant deux anneaux concentriques immobiles maintenus par un ensemble de suspentes duquel chacune d'entre elles descend vers son treuil flottant respectif, les treuils étant disposés circulairement et entourant une plateforme par laquelle transite le câble électrique.Les deux 25 anneaux concentriques entourent une rangée de profils aérodynamiques se superposant à une autre pour la production d'un mouvement contrarotatif, ces profils évoluant sur coussins d'air. Ce projet tend à résoudre les problèmes posés par les fermes d'unités séparées , ce par un ensemble d'un seul tenant. Cependant les moyens techniques de la réalisation demeurent incertains.

30 L'aérogénérateur selon l'invention permet de résoudre les problèmes par l'intégration en un ensemble de forme sensiblement plane de ladite au moins une turbine ou desdites turbines et d'une surface vélique portante de type cerf-volant souple laquelle comprend au moins une ouverture prévue pour l'insertion de ladite turbine ou desdites turbines.Les turbines sont installées sur au moins une charpente.La surface vélique assure un 35 complément de portance pour une faible masse ajoutée.L'invention tire profit de ce que les cerfs-volants souples ont un ratio portance/traînée proche de celui des autogires.

3025006 3 Dès lors les qualités inhérentes du cerf-volant souple, portance,adapabilité à toutes dimensions, légèreté, sont combinées aux qualités inhérentes des rotors plus rigides, production d'électricité, la portance desdits rotors constituant le lien organique avec celle des surfaces véliques portantes de type cerf-volant.Diverses formes d'agencements sont 5 envisagées, selon l'usage auquel l'aérogénérateur est destiné, et selon aussi les caractéristiques aérodynamiques ainsi que les zones dans les surfaces susceptibes d'être déformées pour faciliter le contrôle.Lesdites surfaces permettent donc d'obtenir un ensemble se substituant aux fermes d'unités telles qu'envisagées jusqu'alors, et permettant de maximiser l'aire balayée en minimisant l'empreinte au sol et dans l'espace. La surface 10 permet aussi de minimiser le sillage.Les contraintes de sécurité imposant une aire au sol libre d'obstacles et d'habitants, avantageusement l'aérogénérateur selon l'invention comporte des dispositifs pour cultiver la terre, étant au-dessus du sol, ou pour la pêche, étant au-dessus de l'eau. De plus les rotors,étant intégrés à la surface plane, sont à peine visibles, ce qui permet de restreindre la contrainte visuelle.

15 Les dessins illustrent l'aérogénérateur selon l'invention dans ses trois modes de réalisation de l'invention. La figure 1 représente de profil et en perspective l'aérogénérateur selon le premier mode de réalisation, en vol au-dessus du sol. La figure 2 représente de profil et en perspective l'aérogénérateur selon une variante du 20 premier mode de réalisation ,en vol au-dessus de l'eau. La figure 3 représente de profil et en perspective l'aérogénérateur selon le deuxième mode de réalisation, en position de cabrage avec appui au sol. La figure 4 représente de profil et en perspective l'aérogénérateur selon le deuxième mode de réalisation, en position de cabrage avec appui sur l'eau.

25 La figure 5 représente de face une turbine (3) entourée de surface (2) vélique portante selon l'invention. La figure 6 représente de face un groupe de turbines (3) entourée de surface (2) vélique portante selon l'invention. La figure 7 représente de face des turbines (3) ,chacune des turbines (3) étant entourée de 30 surface (2) vélique (2) portante selon l'invention. La figure 8 représente de face et en perspective l'aérogénérateur selon le troisième mode de réalisation, la figure 8' représentant en coupe le rail circulaire (12) de l'arche (1, 15). La figure 9 représente l'aérogénérateur représenté sur la figure 8 ,selon une variante. L'ensemble (1) comprend les surface (2) et turbines (3).Selon le premier mode de 35 réalisation l'aérogénérateur est totalement aéroporté pour permettre la captation de vents de plus haute altitude. La charpente (4) en matériau composite flexible et solide,soutient la turbine (3) ou les turbines (3), éventuellement une partie de la surface (2) vélique.

3025006 4 Les cordes (5, 6) maintiennent l'ensemble (1) volant qui comprend un stabilisateur (11) assurant la stabilité car formant un angle avec le plan de l'ensemble (1). Les cordes (5, 6) relient l'ensemble (1) à un pivot (7). Par le deuxième mode de réalisation l'aérogénérateur selon l'invention reprenant le 5 concept du brevet FR2975445 , s'appuye sur l'eau ou le sol et sur l'air au moyen des cordes (5, 6), le concept étant refondu pour en permettre une réalisation effective par la mise en oeuvre d'une technologie plus avantageuse et éprouvée que celle de l'entraînement circonférentiel. L'ensemble (1) est entouré d'une bouée (non représentée) et est en appui sur l'eau par l'intermédiaire d'un flotteur (10), ou sur terre par l'intermédiaire d'une 10 roue (8) tout en étant maintenu par les cordes (5, 6) permettant de maintenir l'ensemble (1) jusqu'à la position verticale si possible, les surfaces (2) portantes aidant lors de la phase finale du cabrage, ce après le décollage en mode hélicoptère après la première phase de cabrage.Afin de permettre la restriction de la charpente (4) portant les turbines en évitant le contact de celles-ci au niveau de l'eau, les turbines sont relativement de petites 15 dimensions. Une formes globale de l'ensemble autre que circulaire est possible et ainsi facilite la mise en oeuvre d'unités balayant une surface bien plus importante, en hauteur mais surtout en largeur, avec deux avantages liés: l'ancrage reste unique même pour des unités géantes,d'où il ressort que la surface occupée n'est pas pénalisée par la distance importante observée entre les éoliennes actuelles disposées en fermes et due à la nécessité 20 d'éviter les pertes provoquées par les turbulences d'une éolienne à l'autre. Selon un troisième mode de réalisation préférentiel pour l'exploitation massive des vents de haute et très haute altitude, l'ensemble (1) s'intègre à un cerf-volant de type arche (1, 15), en formant son sommet, les cordes (5, 6) se fixent au pivot (7) situé au milieu de l'aire délimitée par un rail circulaire (12) permettant l'orientation de l'arche (1, 15) selon la 25 direction du vent et dessiné et conçu par Roderick Read de l'association"KitePower". Dave Santos de chez "KiteLab" et de l'association "KitePower",étudiant des systèmes énergétiques aéroportés,a décrit et réalisé sous le nom de "Mothra" des arches de puissance permettant une grande stabilité et une forte capacité de levage, et pouvant être réalisées à toutes échelles, constituant une avancée décisive en matière d'architecture de base 30 d'éolienne aéroportée car ayant le potentiel d'une ferme d'éoliennes sur tours, ce avec un seul ensemble d'une grande légèreté. Les deux extrémités de l'arche sont fixées au rail circulaire (12).Chacune des extrémités de l'arche (1, 15) est fixée à un treuil (14) prévu par le demandeur, chaque treuil (14) étant fixé à un patin (13) évidé vers le bas et glissant ainsi hors de portée des supports (19) 35 Les deux treuils (14) enroulent et déroulent les deux extrémités respectives de l'arche, notamment lors des opérations de décollage et de rapatriement afin d'éclaircissement de la zone de manoeuvre, les turbines (3) décollant comme des hélicoptères comme pour les 3025006 5 autres modes de réalisation, leurs générateurs travaillant en tant que moteurs électriques. L'électricité produite est acheminée par les cordes (5 et 6) _ comme pour les autres modes de réalisation ou (16), ou par les jambes (15) de l'arche.Les cordes (5, 6) peuvent aussi être supprimées lorsque l'ensemble (1) est intégré à l'arche (1, 15).

5 Le rail circulaire (12) représenté sur la figure 8' en coupe en montre sa composition. Le câble formant le rail (12) est préféré pour sa résistance à la traction et comprend une âme faite de câble en acier (12a) qu'entourent à intervalles réguliers les supports (19) en câble enterrés dans le sol ou le fond de l'océan.Une corde (12b) entoure ledit câble (12a), et est entourée d'une section (12c) de matière lisse et assez légère pour permettre au rail 10 circulaire (12) de flotter en cas d'installation en mer. La partie immergée du rail circulaire (12) permet de cultiver coquillages et moules. Selon la variante représentée sur la figure 9, une partie de la technique décrite par Douglas Spriggs Selsam dans son brevet US2002192068 déjà cité est mise en oeuvre, concernant la pluralité des rotors (17) sur un même axe qui est une corde (16) fixée à un 15 plateau pivotant (18) situé au milieu de l'aire du rail circulaire (12) pour tenir compte de l'incidence de la turbine (3) déterminant l'angle général. En revanche le générateur n'est pas fixé au sol , mais, comme pour tous les modes de réalisations de la présente invention, le générateur demeure celui de chacune des turbines (3) respectives pour permettre un décollage en mode hélicoptère, les rotors (17) apportant un complément toutefois moindre 20 compte tenu de leur plus faible altitude.Les rotors (17) comportent des enrouleurs de corde afin d'être superposés au niveau du sol sans corde excédentaire, et pour permettre l'envol qui détermine le déroulement progressif par le haut.La présente invention rend ce dispositif réalisable, par un maintien solide de la partie sommitale. Quelque soient les modes de réalisation, l'invention prévoit une optimisation des surfaces 25 non habitables couvertes par l'aérogénérateur Ainsi les turbines sont équipées de jets d'eau pour l'agriculture. De même le rail circulaire (12) comprends des filets de pêche. Lors des opérations de maintenance de l'aérogénérateur, des interventions humaines concernant la pêche ou l'agriculture sont possibles. Du tourisme peut aussi être généré. Les turbines (3) alimentent également les éclairages de signalisation.Le cerf-volant 30 englobant les turbines peut être de différents genres autres que ceux décrits, et comporter d'autres types de plans stabilisateurs, selon des dispositifs non propres à l'invention. Les éléments essentiels de l'invention, à savoir l'alignement des turbines et surface vélique du cerf-volant ont fait partie du dépôt tenu secret du demandeur,sous le numéro NR8M3B9_014158 le 18 septembre 2011 chez "Copyright France",et sous le titre 35 autogire-cerf-volant, désignant une éolienne aéroportée, ce avec dessins et description. Les applications de l'aérogénérateur selon l'invention vont du modèle réduit au dispositif pour zones éloignées ou sinistrées, jusqu'à la production massive d'électricité.

Claims

REVENDICATIONS1) Aérogénérateur ,en partie ou totalement aéroporté, comprenant au moins une turbine (3) inclinée comme un rotor d'autogire ou de préférence plusieurs turbines (3) inclinées comme des-rotors d'autogires et générant à la fois de la portance et de l'électricité, caractérisé par l'intégration en un ensemble (1) de forme sensiblement plane de ladite au moins une turbine (3) ou desdites turbines (3) et d'une surface (2) vélique portante.
2) Aérogénérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface (2) vélique portante comprend au moins une ouverture prévue pour l'insertion de ladite turbine (3) ou desdites turbines (3)
3) Aérogénérateur selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les turbines (3) sont installées sur au moins une charpente (4).
4) Aérogénérateur selon les revendications 1 ou 2 ou 3, caractérisé en ce que l'ensemble (1) est entouré d'une bouée et est en appui sur l'eau par l'intermédiaire d'un flotteur (10) tout en étant maintenu par les cordes (5, 6).
5) Aérogénérateur selon les revendications 1 ou 2 ou 3, caractérisé en ce que l'ensemble (1) est appui sur terre par l'intermédiaire d'une roue (8) tout en étant maintenu par les cordes (5,
6). 6) Aérogénérateur selon les revendications 1 ou 2 ou 3, caractérisé en ce que l'ensemble (1) s'intègre à un cerf-volant de type arche (1, 15), en formant son sommet, en ce que chacune des extrémités de l'arche (1, 15) est fixée à un treuil (14), chaque treuil (14) étant fixé à un patin (13) évidé vers le bas et glissant ainsi hors de portée des supports (19) , les deux treuils (14) enroulent et déroulent les deux extrémités respectives de l'arche (1, 15) , notamment lors des opérations de décollage et de rapatriement afin d'éclaircissement de la zone de manoeuvre, les turbines (3) décollant comme des hélicoptères.
7) Aérogénérateur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les cordes (5, 6) maintenant l'ensemble (1) se fixent au pivot (7) situé au milieu de l'aire délimitée par un rail circulaire (12) permettant l'orientation de l'arche (1, 15).
8) Aérogénérateur selon les revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que le câble formant le rail (12) comprend une âme faite de câble en acier (12a) qu'entourent à intervalles réguliers les supports (19) en câble enterrés dans le sol ou le fond de l'océan, une corde (12b) entourant ledit câble (12a), et étant entourée d'une section (12c) de matière lisse et assez légère pour permettre au rail circulaire (12) de flotter en cas d'installation en mer.
9) Aérogénérateur selon les revendications 6 ou 7 ou 8, comprenant des rotors (17) 35 sur un même axe qui est une corde (16) fixée à un plateau pivotant (18) ,caractérisé en ce que les rotors (17) comportent des enrouleurs de corde.