FR3065997A1

FR3065997A1 - Eolienne a pales verticales a production continue ou quasi-continue d’energie

Info

Publication number: FR3065997A1
Application number: FR1770463A
Authority: FR
Inventors: Xavier Coulon
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-05-05
Filing date: 2017-05-05
Publication date: 2018-11-09
Anticipated expiration: 2037-05-05
Also published as: WO2018203015A1; FR3065997B1

Abstract

L'invention concerne une éolienne à pales verticales (1), comprenant un mât fixe (2), un rotor (4) comprenant un plateau support rotatif (5) et des pales verticales (6), et des moyens générateurs (7). L'éolienne (1) comprend en outre des moyens moteurs électriques aptes à entraîner le plateau support (5), par exemple en cas de vent de très faible intensité ou d'absence de vent, des moyens de stockage d'énergie électrique apte à être chargés en énergie par les moyens générateurs (7) et à alimenter en énergie les moyens moteurs, et des moyens de commande agencés pour, dans un premier mode de fonctionnement, transmettre de l'énergie des moyens générateurs (7) auxdits moyens de stockage et ne pas alimenter les moyens moteurs, et, dans un second mode de fonctionnement, alimenter les moyens moteurs en énergie provenant desdits moyens de stockage et interrompre la transmission d'énergie des moyens générateurs (7) auxdits moyens de stockage.

Description

EOLIENNE A PALES VERTICALES A PRODUCTION CONTINUE OU

QUASI-CONTINUE D'ENERGIE

La présente invention se rapporte au domaine des éoliennes et concerne, en particulier, une éolienne à pales verticales à production continue ou quasi-continue d'énergie.

Une éolienne à pales verticales comprend d'une manière générale un mât vertical fixe, un rotor monté rotatif par rapport au mât et comprenant des pales verticales, et un générateur agencé pour convertir l'énergie cinétique de rotation du rotor en énergie électrique. Les pales verticales peuvent notamment être montées, de manière fixe ou pivotante, sur un plateau support lui-même monté rotatif par rapport au mât.

Parmi les éoliennes à pales verticales, également désignées éoliennes à axe vertical, on distingue les éoliennes du type Savonius, qui utilisent la force de traînée du vent et dont les pales consistent en deux demi-cylindres reliés à un axe vertical, les éoliennes du type Darrieus, qui utilisent la force de portance du vent et dont les pales sont paraboliques ou hélicoïdales, et les éoliennes du type à voilure tournante, dont les pales sont orientables dynamiquement en fonction de la direction du vent.

La production d'énergie assurée par une éolienne, qu'elle soit à axe vertical ou non, est tributaire du vent, notamment de son intensité : une éolienne ne produira pas d'énergie en cas de vent de très faible intensité, en raison du fait que le vent n'est alors pas suffisant pour démarrer la rotation de la turbine et ainsi produire de l'électricité, et en cas de vents forts, il est préférable d'éviter une survitesse du rotor afin de protéger le générateur électrique contre la surproduction et la surchauffe, et d'éviter une casse mécanique importante de l'éolienne elle-même. Par conséquent, les éoliennes ne produisent de l'énergie que de façon intermittente, ramené généralement à une moyenne de cinq heures trente par jour.

Ceci est problématique du point de vue du fonctionnement de l'éolienne, car il est préférable de limiter à un minimum ses arrêts, afin de produire en tout temps de l'énergie électrique. Par ailleurs, l'arrêt d'une éolienne peut conduire à une usure prématurée de certaines pièces de l'éolienne, par exemple les roulements à billes peuvent se détériorer plus rapidement en raison du poids des éléments mobiles de l'éolienne.

La présente invention vise à remédier à ces plages irrégulières et imprévisibles de production d'énergie en proposant une solution permettant le fonctionnement de l'éolienne à pales verticales par vent même de très faible intensité, voire en l'absence de vent, pour assurer une continuité ou quasi-continuité de la production d'électricité.

La présente invention a donc pour objet une éolienne à pales verticales, comprenant un mât fixe, un rotor comprenant un plateau support monté rotatif par rapport au mât et des pales verticales montées sur le plateau support, et des moyens générateurs agencés pour convertir l'énergie cinétique de rotation du rotor en énergie électrique, caractérisée par le fait que l'éolienne comprend en outre : - des moyens moteurs électriques agencés pour être aptes, lorsqu'ils sont alimentés en énergie électrique, à entraîner en rotation le plateau support, par exemple en cas de vent de très faible intensité ou en cas d'absence de vent ; - des moyens de stockage d'énergie électrique agencés pour être aptes à être reliés, d'une part, aux moyens générateurs afin de récupérer de l'énergie électrique produite par les moyens générateurs et, d'autre part, aux moyens moteurs afin de les alimenter en énergie électrique pour un entraînement en rotation du plateau support ; - des moyens de commande agencés pour : - dans un premier mode de fonctionnement de l'éolienne, transmettre de l'énergie électrique des moyens générateurs aux moyens de stockage d'énergie électrique et ne pas alimenter en énergie électrique les moyens moteurs via les moyens de stockage d'énergie électrique ; et - dans un second mode de fonctionnement de l'éolienne, alimenter les moyens moteurs en énergie électrique provenant des moyens de stockage d'énergie électrique et interrompre la transmission d'énergie des moyens générateurs aux moyens de stockage d'énergie électrique.

Ainsi, selon la présente invention, lorsque le vent a une intensité suffisante pour entraîner seul en rotation le rotor (premier mode de fonctionnement), les moyens générateurs produisent de l'énergie électrique qui pourra être consommée mais qui pourra servir en partie à charger en énergie les moyens de stockage d'énergie électrique. Lorsque le vent n'est pas suffisamment fort pour entraîner seul le rotor (second mode de fonctionnement), l'énergie qui aura ainsi été stockée dans les moyens de stockage d'énergie électrique pourra être utilisée par les moyens moteurs pour faire tourner le rotor et l'énergie cinétique du rotor sera transformée en énergie électrique par les moyens générateurs pour être consommée directement, comme dans le premier mode de fonctionnement. L'éolienne selon la présente invention permet ainsi une production continue ou quasi-continue d'énergie électrique, pour une consommation directe, sans nécessiter de moyens plus complexes de stockage et de restitution de l'électricité. A cet effet, les moyens de stockage d'énergie électrique seront avantageusement intégrés aux moyens moteurs, notamment sous la forme d'une ou de batteries rechargeables.

De préférence, l'éolienne comprend en outre une source auxiliaire d'énergie électrique comprenant au moins un panneau photovoltaïque, la source auxiliaire d'énergie électrique étant reliée aux moyens de stockage d'énergie électrique de façon à leur fournir l'énergie qu'elle collecte. On peut ainsi augmenter encore la quantité d'énergie renouvelable que peut collecter l'éolienne : non seulement l'énergie éolienne, mais également l'énergie solaire qui pourra être temporairement stockée dans les moyens de stockage d'énergie électrique puis être réinjectée dans le réseau via les moyens moteurs lorsque ceux-ci font tourner le rotor. On pourrait également prévoir que la source auxiliaire d'énergie électrique soit également reliée au réseau pour y injecter directement une partie de l'énergie collectée.

Selon un mode de réalisation particulier, les moyens générateurs et les moyens moteurs sont solidaires du mât fixe et comprennent chacun un rotor d'entrée/sortie de puissance mécanique qui est relié au plateau support de manière à être apte à faire tourner ce dernier et à être entraîné en rotation par ce dernier, lesdits rotors d ' entrée/sortie de puissance mécanique n'étant pas alignés sur l'axe de rotation du rotor. L'éolienne selon la présente invention peut comprendre une structure fixe de soutien qui est solidaire du mât et qui porte les moyens générateurs et les moyens moteurs.

De préférence, les moyens générateurs comprennent trois générateurs et les moyens moteurs comprennent un moteur, les trois générateurs et le moteur étant positionnés tous à la même distance de l'axe du rotor et angulairement équidistants de 90°. Une telle configuration permet d'équilibrer la force centrifuge qui s'exerce lors de la rotation du rotor.

De préférence, est prévue une couronne dentée qui est portée par le plateau support et avec laquelle engrènent les rotors d'entrée/sortie de puissance mécanique des moyens générateurs et des moyens moteurs.

Selon un premier mode de réalisation particulièrement préféré, chaque pale se présente sous la forme d'une pièce de type plaque d'épaisseur globalement constante, comprenant ainsi une première surface, dite d'intrados, et une seconde surface, dite d'extrados, opposées l'une à l'autre et s'étendant entre un premier bord vertical, dit d'attaque, et un second bord vertical, dit de fuite, respectivement côté extérieur et côté intérieur du rotor, ainsi qu'entre des bords inférieur et supérieur, respectivement proche et à distance du plateau support, la pale suivant un profil aérodynamique dont la cambrure augmente progressivement du bord d'attaque jusqu'à atteindre sa valeur maximale à approximativement le tiers de la corde, en partant du bord d'attaque, puis diminue progressivement jusqu'au bord de fuite.

De préférence, le bord supérieur de chaque pale est incliné de façon à être à une distance maximale du bord inférieur au niveau du bord d'attaque, et à se situer au voisinage du bord inférieur au niveau du bord de fuite.

Selon un mode de réalisation particulier, chaque pale est montée fixe sur le plateau support et est positionnée de telle sorte que sa corde ne passe pas par l'axe de rotation du rotor et forme ainsi un angle d'incidence par rapport à celui-ci, de préférence un angle d'incidence de dix degrés.

Selon un autre mode de réalisation particulier, chaque pale est montée de façon pivotante sur le plateau support, autour d'un axe vertical qui, de préférence, coïncide avec le bord d'attaque de la pale, chaque pale étant positionnée de telle sorte qu'en l'absence de vent sa corde ne passe pas par l'axe de rotation du rotor et forme ainsi un angle d'incidence par rapport à celui-ci, de préférence un angle d'incidence de dix degrés, l'éolienne comprenant en outre des systèmes compensateurs interposés chacun entre, d'un côté, le bord de fuite d'une pale respective et, de l'autre côté, un point d'appui solidaire du plateau support, chaque système compensateur étant configuré pour s'opposer au pivotement de la pale respective lorsque l'intensité du vent est inférieure ou égale à une valeur de seuil, de sorte que la pale conserve l'angle d'incidence initial, et pour autoriser le pivotement de la pale dans la direction diminuant son angle d'incidence, lorsque l'intensité du vent est supérieure à la valeur de seuil.

De préférence, chaque système compensateur comprend des moyens de sollicitation élastique dont la résistance à la déformation élastique définit la valeur de seuil.

De préférence, les moyens de sollicitation élastique sont des moyens linéaires configurés pour exercer une action sur la pale respective dans une direction tangente au cercle décrit par le bord de fuite de la pale lorsque cette dernière pivote, les moyens de sollicitation élastique comprenant, de préférence, au moins un vérin dont l'un du corps et de la tige est rendu solidaire de la pale respective et dont l'autre est rendu solidaire du point d'appui, notamment deux vérins disposés l'un au-dessus de l'autre. En variante, les moyens de sollicitation élastique pourraient, par exemple, comprendre des ressorts de compression.

De préférence, l'éolienne comprend un carénage de protection des moyens moteurs et des moyens générateurs, le carénage se présente sous la forme d'une pièce annulaire de profil aérodynamique dont la cambrure, de préférence, augmente progressivement du bord d'attaque jusqu'à atteindre sa valeur maximale approximativement au tiers de la corde, en partant du bord d'attaque, puis diminue progressivement jusqu'au bord de fuite, la pièce annulaire s'étendant vers l'extérieur à partir de la périphérie du plateau support et à partir de cette dernière, la pièce annulaire présentant une surface supérieure qui s'incline vers le bas (angle d'incidence) en partant de la périphérie du plateau support.

De préférence, des éléments dits inducteurs de vortex sont disposés à intervalle sur la surface supérieure du carénage, les éléments inducteurs de vortex étant agencés pour diriger vers la surface intrados des pales l'air qui s'écoule en entrée sur la surface supérieure du carénage et limiter le phénomène de décrochage dudit air.

Est également divulguée dans la présente demande une éolienne à pales verticales, comprenant un mât fixe, un rotor comprenant un plateau support monté rotatif par rapport au mât et des pales verticales montées sur le plateau support, et des moyens générateurs agencés pour convertir l'énergie cinétique de rotation du rotor en énergie électrique, caractérisée par le fait que chaque pale se présente sous la forme d'une pièce de type plaque d'épaisseur globalement constante, comprenant ainsi une première surface, dite d'intrados, et une seconde surface, dite d'extrados, opposées l'une à l'autre et s'étendant entre un premier bord vertical, dit d'attaque, et un second bord vertical, dit de fuite, respectivement côté extérieur et côté intérieur du rotor, ainsi qu'entre des bords inférieur et supérieur, respectivement proche et à distance du plateau support, la pale suivant un profil aérodynamique dont la cambrure augmente progressivement du bord d'attaque jusqu'à atteindre sa valeur maximale à approximativement le tiers de la corde, en partant du bord d'attaque, puis diminue progressivement jusqu'au bord de fuite. Le bord supérieur de chaque pale pourra être incliné de façon à être à une distance maximale du bord inférieur au niveau du bord d'attaque, et à se situer au voisinage du bord inférieur au niveau du bord de fuite. Les pales pourront être montées fixes ou pivotantes, comme décrit ci-dessus.

Est également divulguée dans la présente demande une éolienne à pales verticales, comprenant un mât fixe, un rotor comprenant un plateau support monté rotatif par rapport au mât et des pales verticales montées sur le plateau support, et des moyens générateurs agencés pour convertir l'énergie cinétique de rotation du rotor en énergie électrique, caractérisée par le fait qu'elle comprend un carénage de protection des moyens moteurs et des moyens générateurs, le carénage se présentant sous la forme d'une pièce annulaire de profil aérodynamique dont la cambrure, de préférence, augmente progressivement du bord d'attaque jusqu'à atteindre sa valeur maximale approximativement au tiers de la corde, en partant du bord d'attaque, puis diminue progressivement jusqu'au bord de fuite, s'étendant vers l'extérieur à partir de la périphérie du plateau support et à partir de cette dernière, la pièce annulaire ayant une section transversale suivant un profil aérodynamique et présentant une surface supérieure qui s'incline vers le bas (angle d'incidence) en partant de la périphérie du plateau support. De préférence, des éléments dits inducteurs de vortex sont disposés à intervalle sur la surface supérieure du carénage, les éléments inducteurs de vortex étant agencés pour diriger vers la surface intrados des pales l'air qui s'écoule en entrée sur la surface supérieure du carénage et limiter le phénomène de décrochage dudit air.

Pour mieux illustrer l'objet de la présente invention, on va en décrire ci-après, à titre indicatif et non limitatif, un mode de réalisation préféré avec référence au dessin annexé.

Sur ce dessin : - la Figure 1 est une vue schématique en perspective d'une éolienne selon un premier mode de réalisation préféré de la présente invention ; - la Figure 2 est une vue schématique en coupe verticale de l'éolienne de la Figure 1, passant par l'axe du rotor ; - la Figure 3 est une vue schématique partielle de l'éolienne de la Figure 1, montrant les éléments fixes de l'éolienne ; - la Figure 4 est une vue schématique de dessus de l'éolienne de la Figure 1, le plateau supérieur et les pales ayant été omis et seule la couronne dentée du plateau inférieur ayant été représentée ; - la Figure 5 est une vue très schématique illustrant, en vue de dessus, l'écoulement du vent de son entrée dans le rotor à sa sortie, selon le premier mode de réalisation préféré de la présente invention ; - la Figure 6 est un organigramme représentant le fonctionnement de l'éolienne selon le premier mode de réalisation préféré de la présente invention ; - la Figure 7 est une vue schématique en coupe verticale de l'éolienne de la Figure 1, passant par l'axe du rotor, spécialement dimensionnée pour une installation en bord de mer ; - la Figure 8 est une vue schématique de détail du bout d'une pale d'une éolienne selon un second mode de réalisation préféré de la présente invention ; et - la Figure 9 une vue très schématique illustrant, en vue de dessus, l'écoulement du vent de son entrée dans le rotor à sa sortie selon le second mode de réalisation préféré de la présente invention illustré sur la Figure 8 .

Si l'on se réfère tout d'abord aux Figures 1 et 2, on peut voir que l'on y a représenté un mode de réalisation particulier de la présente invention, consistant en une éolienne à pales verticales 1.

De manière classique, l'éolienne à pales verticales comprend un mât fixe 2 muni d'un socle fixe 3 à l'extrémité inférieure du mât 2, un rotor 4 comprenant un plateau support 5 monté rotatif par rapport au mât 2 et des pales verticales 6 montées fixes sur le plateau support 5, et des moyens générateurs 7 agencés pour convertir l'énergie cinétique de rotation du rotor 4 en énergie électrique.

En particulier, les pales 6 sont montées entre le plateau support 5, également désigné par plateau inférieur, et un plateau supérieur 8 parallèle au plateau inférieur 5, les plateaux 5 et 8 étant respectivement en partie supérieure et en partie intermédiaire par rapport au mât 2. Les plateaux 5 et 8 sont tous les deux montés rotatifs par rapport au mât 2, par exemple à l'aide de platines 9a à roulements à billes 9b comme représenté sur la Figure 2.

Les plateaux 5, 8 se présentent chacun sous la forme d'un disque ayant une ouverture en son centre pour le montage sur le mât 2, et le plateau inférieur 5 comprend en particulier un bord extérieur circulaire désigné par le chiffre de référence 5a.

Le plateau inférieur 5 comprend en outre des évidements 5b dont la fonction sera explicitée ci-après. Il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée à cet égard et que le plateau supérieur 8 peut présenter également des évidements, mais aussi que la présence d'évidements est facultative. L'éolienne 1 comprend également des moyens moteurs 10 électriques agencés pour être aptes, lorsqu'ils sont alimentés en énergie électrique, à entraîner en rotation le plateau inférieur 5, et donc le rotor 4, par exemple dans les conditions de fonctionnement qui seront explicitées ci-après.

Les moyens générateurs 7 et les moyens moteurs 10 sont montés solidaires du mât fixe 2 par une structure fixe de soutien 11 mécano-soudée comprenant un cadre rectangulaire composé de quatre barres lia portées par les premières extrémités de quatre barres diagonales 11b dont les autres extrémités sont rendues solidaires du mât fixe 2. A partir de chaque région centrale de chaque barre lia s'étend une paire de barres de soutien lie, de plus petite longueur, sur lesquelles sont montés par tout moyen approprié, comme par exemple ici par des pions verticaux, les moyens générateurs 7 et les moyens moteurs 10.

Les moyens générateurs 7 et les moyens moteurs 10 comprennent chacun un rotor d'entrée/sortie de puissance mécanique 12 qui porte un pignon 13 dont la fonction sera explicitée ci-après.

On souligne ici que, comme on peut mieux le voir sur les Figures 2 à 4, les rotors d ' entrée/sort ie de puissance mécanique 12 des moyens générateurs 7 et des moyens moteurs 10 ne sont pas alignés sur l'axe de rotation du rotor 4 de l'éolienne 1, mais sont déportés par rapport audit axe de rotation.

Comme on peut mieux le voir sur les Figures 2 et 4, le plateau inférieur 5 porte, sous celui-ci, une couronne dentée 14 qui se situe, dans l'exemple représenté, au voisinage du bord extérieur 5a du plateau inférieur 5 .

La couronne dentée 14 d'une part, et les moyens générateurs 7 et les moyens moteurs 10 d'autre part, sont positionnés les uns par rapport aux autres pour que les pignons 13 des moyens générateurs 7 et des moyens moteurs 10 engrènent les dents de la couronne dentée 14.

On comprendra aisément que, via le plateau inférieur 5, un mouvement de rotation peut être transmis du rotor 4 aux moyens générateurs 7 et moyens moteurs 10, mais également peut être transmis des moyens moteurs 10 au rotor 4.

Les moyens générateurs 7 sont, de préférence, des alternateurs à aimants permanents, qui présentent comme avantages l'absence de multiplicateur de vitesse, l'absence de maintenance, une puissance massique élevée en entraînement direct, un rendement élevé, une conception mécanique simple et une installation aisée sur la structure de soutien. Les alternateurs à aimants permanents pourront être choisis en fonction du diamètre des plateaux, de la plage de puissance souhaitée et de leur vitesse nominale, qui pourra par exemple être de 80 trs/min à 400 trs/min.

Dans le premier mode de réalisation représenté, 11 y a trois alternateurs à aimants permanents.

Les trois moyens générateurs 7 sont tous connectés au réseau électrique d'une manière connue, afin d'y injecter l'énergie électrique produite à partir du mouvement de rotation du rotor 4.

Les moyens moteurs 10 pourront être un moteur à aimant permanent.

Comme on peut mieux le voir sur les Figures 1 et 6, l'éolienne 1 comprend également des moyens de stockage d'énergie électrique (non représentés sur la Figure 1), comme par exemple une ou plusieurs batteries, et une source auxiliaire d'énergie électrique qui consiste, de préférence, en au moins un panneau photovoltaïque 15 disposé sur la surface supérieure du carénage 16 qui sera décrit ci-après, avec des intervalles prévus entre certains panneaux photovoltaïques 15 pour la disposition d'éléments inducteurs de vortex 17 qui seront décrits ci-après, et est également prévue sur le côté supérieur du plateau supérieur 8 une cellule photoélectrique 18.

Un ampèremètre voltmètre numérique mesure en temps réel l'état de charge des moyens de stockage d'énergie électrique. L'éolienne 1 comprend également un système de gestion informatique, comme on peut le voir sur la Figure 6 en partie inférieure de l'organigramme, fonctionnant sur la base d'un programme algorithmique établi suivant des lois de commande qui seront décrites ci-après.

Comme on peut le voir sur la Figure 6, le système de gestion informatique est configuré pour commander des relais/basculeurs, par exemple de type relais électromécaniques, à savoir un relais/basculeur interposé entre l'un des trois moyens générateurs 7 et les moyens de stockage d'énergie électrique, et un relais/basculeur interposé entre les moyens de stockage d'énergie électrique et les moyens moteurs 10.

Le système de gestion informatique est en communication avec l'ampèremètre voltmètre numérique, de façon à recevoir en temps réel l'état de charge des moyens de stockage électrique.

Est également prévu un anémomètre, en partie haute du mât 2, aussi en communication avec le système de gestion informatique afin de lui fournir en temps réel des informations concernant la vitesse du vent au voisinage de l'éolienne 1.

Le programme algorithmique du système de gestion informatique amène ce dernier à commander les relais/basculeurs selon différents modes de fonctionnement, fonction de la vitesse du vent mesurée par l'anémomètre : 1er mode de fonctionnement : vent fort

En cas de vent fort, par exemple de plus de 10 kts (18,52 km/h), le vent entre dans le rotor 4 et le fait tourner en poussant sur les pales 6, entraînant ainsi en rotation les arbres 12 des moyens générateurs 7, et l'énergie électrique ainsi produite est injectée dans le réseau, d'une manière classique.

En d'autres termes, l'éolienne 1 tourne suivant la puissance du vent et la production d'énergie de l'éolienne 1 est maximale.

Dans la journée, les panneaux photovoltaïques 15 collectent l'énergie solaire et la transfère aux moyens de stockage d'énergie électrique pour les charger, comme on peut le voir sur la Figure 6. 2eme mode de fonctionnement : vent modéré à faible

En cas de vent modéré à faible, condition que l'on peut par exemple considérée comme satisfaite si la vitesse du vent est supérieure en tout temps à 10 Kts (18,52 km/h), alors le fonctionnement est analogue au 1er mode de fonctionnement, à la différence du fait que l'éolienne 1 tourne à une vitesse plus réduite, et les moyens générateurs 7 continueront à produire de l'énergie électrique. Là encore, pendant la journée, les panneaux photovoltaïques chargent les moyens de stockage d'énergie électrique. 3eme mode de fonctionnement : vent faible à nul

Dans le cas où la condition de vitesse du vent supérieure en tout temps à 10 Kts (18,52 km/h) n'est pas satisfaite, à savoir que la vitesse du vent est inférieure à 10 Kts (18,52 km/h), le système de gestion informatique, recevant cette information depuis l'anémomètre, commande le relais/basculeur pour activer les moyens moteurs 10, qui sont alors alimentés par les moyens de stockage d'énergie électrique, comme on peut mieux le voir sur la Figure 6, et en particulier en suivant la flèche partant du système de gestion informatique vers le relais/basculeur et la flèche suivante allant dudit relais/basculeur au moteur. L'arbre 12 des moyens moteurs 10 tourne et fait tourner, via le pignon 13 et la couronne dentée 14, le rotor 4, conjointement avec le vent agissant sur les pales 6 .

En particulier, la vitesse des moyens moteurs 10 est commandée de façon à obtenir une vitesse de rotation du rotor 4 qui soit égale à celle à laquelle il tourne sous la seule action d'un vent ayant une vitesse de 10 kts (18,52 km/h).

Les moyens générateurs 7 continuent ainsi de produire de l'énergie électrique d'une manière optimale, notamment en permettant de collecter l'énergie du vent bien que celui-ci ne soit pas suffisant pour faire tourner seul le rotor 4. L'état de charge des moyens de stockage d'énergie électrique, qui alimentent les moyens moteurs 10, est communiqué en temps réel au système de gestion informatique.

En parallèle de ces trois modes de fonctionnement, le système de gestion informatique tient compte de l'ensoleillement.

De jour, l'ensoleillement peut être suffisant pour que les panneaux photovoltaïques 15 rechargent les moyens de stockage d'énergie électrique, dont la puissance diminue tout de même du fait de l'alimentation fournie aux moyens moteurs 10 si besoin. La réduction de l'état de charge est communiquée en temps réel au système de gestion informatique.

Lorsque ledit état de charge chute au-dessous d'une valeur de seuil prédéfinie, qui correspond à une réserve minimale de stockage permettant d'assurer le fonctionnement optimal des moyens moteurs 10, le système de gestion informatique commande le relais/basculeur adéquat pour qu'un moyen générateur 7 fournisse aux moyens de stockage l'énergie électrique qu'il produit, ce qui permet de continuer à alimenter correctement les moyens moteurs 10 en cas de besoin, comme on peut mieux le voir sur la Figure 6, et en particulier en suivant la flèche partant du système de gestion informatique vers le relais/basculeur à droite de l'organigramme et la flèche suivante allant dudit relais/basculeur au stockage électrique en notant qu'un des trois alternateur est relié au relais/basculeur.

Lorsque l'ensoleillement n'est pas suffisant pour recharger les moyens de stockage d'énergie électrique via les panneaux photovoltaïques 15, par exemple pendant la nuit ou par temps peu ensoleillé, cela est détecté par la cellule photovoltaïque 18.

Si la vitesse du vent est suffisamment fort pour autoriser un fonctionnement dans le premier ou le deuxième mode de fonctionnement, le système de gestion informatique commande le relais/basculeur adéquat pour que le moyen générateur 7 en question fournisse l'énergie électrique qu'il produit aux moyens de stockage d'énergie électrique pour les recharger si besoin. Le système de gestion informatique assurera un fonctionnement de l'éolienne suivant le premier mode ou le deuxième mode en fonction de la vitesse du vent.

Lorsque l'ensoleillement augmente, par exemple lorsque le jour revient, cette information est communiquée au système de gestion informatique qui commande le relais/basculeur adéquat pour que le moyen générateur 7 injecte l'énergie électrique qu'il produit dans le réseau, et non plus dans les moyens de stockage d'énergie électrique dont la recharge est assurée par les panneaux photovoltaïques 15, comme on peut le voir sur la Figure 6.

Ainsi, l'éolienne 1 selon la présente invention produit en tout temps de l'énergie électrique.

De préférence, l'éolienne 1 sera installée sur le bord de la mer et/ou en mer. Cet emplacement bénéficierait alors des phénomènes de la brise de terre la nuit et de la brise de mer la journée.

Si l'on se réfère à la Figure 7, on peut voir qu'une telle éolienne placée au bord de la mer ou en mer présente les mêmes éléments techniques que l'éolienne des Figures 1 à 5, mais avec un diamètre des plateaux bien plus important et une hauteur des pales bien moins importante.

Ainsi, l'éolienne 1 sera alors de forme relativement « plate », à savoir avec une hauteur relativement faible. Cette forme relativement « plate » est particulièrement avantageuse pour une installation en mer vis-à-vis des nuisances environnementales étant donné que cette forme lui permet de se confondre avec l'horizon.

Moyens supplémentaires d'amélioration du rendement

La présente invention prévoit des moyens supplémentaires se rapportant à l'écoulement de l'air en entrée du rotor 4 et dans celui-ci, pour améliorer le rendement de l'éolienne 1, et que l'on va décrire ci-après .

Si l'on se réfère de nouveau à la Figure 1, on peut voir que l'éolienne 1 comprend également un carénage de protection 16 servant non seulement à protéger les moyens générateurs 7 et les moyens moteurs 10, mais encore à accélérer l'écoulement d'air en entrée du rotor 4.

Le carénage de protection 16 se présente sous la forme d'une pièce annulaire s'étendant vers l'extérieur à partir du bord extérieur 5a du plateau support 5. Cette pièce annulaire a une section transversale suivant un profil aérodynamique et présente une surface supérieure 16a qui s'incline vers le bas en partant du bord extérieur 5a, qui s'achève en un bord d'attaque 16b que forme le bord circulaire extérieur de la pièce annulaire. Le profil aérodynamique du carénage de protection 16, de même forme que les pales (avec une cambrure maximale au tiers de la corde) permet d'obtenir une dépression au-dessus de la surface supérieure 16a, et donc une accélération de l'air avant qu'il entre dans le rotor 4.

Avec référence aux Figures 2 et 5, on peut voir que sont également prévus des éléments dits inducteurs de vortex 17 disposés à intervalle sur la surface supérieure 16a du carénage de protection 16. Les éléments inducteurs de vortex 17 se présentent sous la forme de petites plaques verticales orientées (Figure 5) pour à la fois diriger vers l'intérieur des pales 6 l'air qui s'écoule en entrée sur la surface supérieure 16a et limiter le phénomène de décrochage de l'air.

Pour améliorer le rendement de l'éolienne 1, selon le premier mode de réalisation préféré de la présente invention chaque pale 6 se présente sous la forme d'une pièce de type plaque d'épaisseur globalement constante, comprenant une première surface concave, dite d'intrados 6a, et une seconde surface convexe, dite d'extrados 6b, opposées l'une à l'autre et s'étendant entre un premier bord vertical, dit d'attaque 6c, et un second bord vertical, dit de fuite 6d, respectivement côté extérieur et côté intérieur du rotor 4, ainsi qu'entre un bord inférieur 6e proche ou au contact du plateau support 5 et un bord supérieur 6f opposé au bord inférieur 6e.

Comme on peut le voir sur la Figure 1 et comme représenté très schématiquement sur la Figure 5, la pale 6 suit un profil aérodynamique dont la cambrure augmente progressivement du bord d'attaque 6c jusqu'à atteindre sa valeur maximale à approximativement le tiers de la corde, en partant du bord d'attaque 6c, puis diminue progressivement jusqu'au bord de fuite 6d. En d'autres termes, chaque pale 6 a son profil plus courbé à proximité du bord d'attaque 6c qu'à proximité du bord de fuite 6d. Ainsi, chaque pale 6 a une forme cambrée comme une aile d'avion.

Par ailleurs, le bord supérieur 6f est incliné pour se rapprocher du bord inférieur 6e à mesure que l'on s'approche du bord de fuite 6d en partant du bord d'attaque 6c. L'angle d'inclinaison peut varier de manière progressive le long du bord supérieur 6f, comme on peut le voir sur la Figure 2 où l'angle d'inclinaison diminue à mesure que l'on s'approche du bord de fuite 6d. On obtient un bord supérieur 6f légèrement courbe.

La longueur du bord de fuite 6d est assez courte, de façon à donner à la pale 6, lorsque l'on observe de face la surface concave 6a, une forme de voile de bateau.

Comme on peut mieux le voir sur la Figure 5, les pales 6 ont toutes leur surface concave 6a orientée dans un même sens anti-trigonométrique par rapport à l'axe de rotation du rotor 4.

Par ailleurs, chaque pale 6 est, de préférence, positionnée de telle sorte que sa corde ne passe pas par l'axe de rotation du rotor 4 et forme ainsi un angle d'incidence par rapport à celui-ci, de façon encore davantage préférée un angle d'incidence de dix degrés.

En fonctionnement, le vent est accéléré au niveau du carénage de protection 16 et orienté par les inducteurs de vortex 17 comme indiqué ci-dessus, de telle sorte qu'une partie du vent rentre dans le rotor 4 et vient appuyer sur la surface d'intrados 6a d'une pale 6, tandis qu'une partie du vent s'écoule autour du bord d'attaque 6c de la pale 6.

Du fait du profil aérodynamique de la pale 6, une dépression se créé côté surface d'extrados 6b, ce qui conduit à une accélération du vent côté surface extrados 6b, de sorte que le vent qui vient appuyer sur la surface d'intrados 6a de la pale 6 suivante dans le sens anti-trigonométrique, le fait avec une plus grande vitesse.

En d'autres termes, la forme de la pale 6 permet d'accélérer la partie du vent qui appuiera sur une autre pale 6, et donc de transférer davantage d'énergie du vent à l'autre pale 6, améliorant ainsi le rendement de l'éolienne 1.

Le fait que la partie de plus grande hauteur de la pale 6 se situe côté extérieur du rotor 4, permet d'obtenir une force maximale de rotation, et l'espace centrale dû à la forme de voile des pales 6 facilite l'évacuation de l'air par le centre de l'éolienne 1, via les évidements 5b du plateau inférieur 5.

Si l'on se réfère maintenant aux Figures 8 et 9, on peut voir que l'on a représenté un second mode de réalisation particulier de la présente invention présentant la même structure que le premier mode de réalisation particulier de la présente invention représenté sur les Figures 1 à 7. Ce second mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation en ce qu'il prévoit que chaque pale 6 est montée pivotante sur le plateau support 5 et en ce qu'il prévoit également un système de compensation permettant d'ajuster l'angle d'incidence de la pale 6 en fonction de l'intensité du vent.

Comme on peut mieux le voir sur la structure de l'éolienne 1 représentée sur la Figure 1, chaque pale 6 de l'éolienne 1 est montée pivotante autour d'un axe passant par un tube vertical Tl soudé sur la pale 6 au niveau de son bord d'attaque 6c, lequel tube Tl est monté mobile sur le plateau support 5 et le plateau supérieur 8. Bien entendu, les pales 6 pourront être montées pivotantes par tout autre moyen approprié.

Si l'on se réfère aux Figures 8 et 9, on peut voir que chaque pale 6 de l'éolienne 1 comprend un système compensateur à deux vérins disposé au niveau du bord de fuite 6d de chaque pale 6 et côté intérieur du rotor 4, désigné par le chiffre de référence 19, dont la fonction sera explicitée ci-après.

Comme on peut mieux le voir sur la Figure 8, le système compensateur 19 est composé de deux vérins 20 disposés l'un au-dessus de l'autre et fixés à la fois à une pale 6 et à un tube vertical T2 disposé côté intérieur du rotor 4 et monté fixe sur le plateau support 5. Le tube vertical T2 constitue ainsi un point d'appui pour les vérins 20. Bien entendu, le point d'appui pourra être formé par tout moyen approprié formé par plateau support 5 ou rendu solidaire du plateau support 5, comme par exemple des équerres fixées au plateau support 5.

Toujours avec référence aux Figures 8 et 9, on peut voir que les deux vérins 20 sont orientés de manière à être tangents au cercle décrit par le bord de fuite de la pale 6 en cas de pivotement de cette dernière.

Comme on peut également le voir sur la Figure 8, chaque vérin 20 comprend de manière classique un corps 20a et, ici, deux tiges de piston 20b permettant d'appliquer une sollicitation à la pale 6. Le corps 20a est fixé à la pale 6 par tout moyen approprié, tandis que les deux tiges de piston 20b partagent une unique tête 20c qui est fixée au tube T2 par toute liaison articulée appropriée, par exemple du type charnière, de façon à autoriser un léger pivotement des éléments les uns par rapport aux autres afin de tenir compte du fait que la pale 6 pivote alors que le tube T2 reste fixe. Ceci est valable quelle que soit la structure des moyens de sollicitation élastique.

La combinaison des pales 6 montées pivotantes sur le plateau support 5 et des systèmes compensateurs 19 est une mesure de sécurité du rotor 4 par vent fort et permet d'améliorer le rendement de l'éolienne 1, comme cela va être décrit ci-après.

En effet, en cas de vent fort, par exemple de plus de 10 Kts (18,52 km/h), le vent entre dans le rotor 4 et le fait tourner en poussant sur les pales 6 . Ainsi l'éolienne 1 tourne suivant la puissance du vent. Cependant, la rotation de l'éolienne par vent fort peut générer une surchauffe des composants électriques et également accélérer l'usure de l'ensemble des composants mécaniques de l'éolienne 1.

Le système compensateur 19 retenant chaque pale 6 de l'éolienne 1 montée pivotante sur le plateau support 5, permet par vent fort une diminution de l'angle d'incidence de chaque pale 6 afin de diminuer la portance.

Dans le premier mode de réalisation, chaque pale 6 est, de préférence, positionnée de telle sorte que sa corde ne passe pas par l'axe de rotation du rotor 4 et forme un angle d'incidence par rapport à celui-ci.

Le système compensateur 19 permet d'autoriser une réduction de l'angle d'incidence initial de chaque pale 6, qui sera par exemple de dix degrés, pour le porter éventuellement jusqu'à zéro degré, à savoir dans l'axe de rotation du rotor 4, de telle sorte que la portance de chaque pale 6 est diminuée, ainsi que la dépression, à savoir la force accélérant l'éolienne 1.

En effet, lorsque la pale 6 de l'éolienne 1 a un angle d'incidence de dix degrés, le centre de poussée se situe vers l'avant de celle-ci, en particulier au tiers de celle-ci. Lorsque l'on réduit l'angle d'incidence de la pale 6, le centre de poussée se déplace alors vers l'arrière, en particulier près du milieu de la pale 6. Ainsi, si la dépression se déplace vers le centre de la pale 6, la surface « portante » de la pale 6 est moins grande, donc la dépression exercée est également moins importante. La vitesse d'entrainement de l'éolienne 1 tend alors à se réduire pour se stabiliser vers une vitesse constante maximale.

En fonctionnement par vent fort, par exemple de plus de 10 Kts (18,52 km/h), le vent entre dans le rotor 4 et le fait tourner en poussant sur les pales 6, qui forcent sur le système compensateur 19 fixé à chaque pale 6 au niveau du bord de fuite 6d, de telle sorte que chaque pale 6 recule vers l'axe de rotation du rotor diminuant ainsi l'angle d'incidence des pales 6, et réduisant au final la vitesse d'entrainement de l'éolienne 1.

Ainsi, la réduction et la stabilisation de la vitesse d'entrainement de l'éolienne 1, par vent fort, vers une vitesse constante maximale permet de produire de l'énergie de manière maximale et constante, améliorant ainsi le rendement de l'éolienne 1, tout en évitant une usure prématurée de l'ensemble des composants mécaniques de l'éolienne 1.

Bien entendu, hors cas de vent fort, les systèmes compensateurs 19 s'opposent au pivotement des pales 6, qui conservent donc l'angle d'incidence initiale.

On souligne ici qu'un intérêt de prévoir des systèmes compensateurs 19 à vérins, à savoir des systèmes compensateurs avec moyens de sollicitation élastique, est qu'ils autorisent une diminution progressive de l'angle d'incidence au fur et à mesure que l'intensité du vent augmente, et qu'ils permettent ainsi de continuer, en toute sécurité, à tirer un maximum d'énergie à partir du vent même lorsque son intensité est supérieure à une valeur de seuil de sécurité.

Le réglage de retenue des vérins 20 du système compensateur 19, en d'autres termes la définition de la valeur de seuil à partir de laquelle les vérins 20 autoriseront le pivotement des pales 6, prend en compte le diamètre de l'éolienne, sachant que plus le diamètre est grand plus la vitesse est grande à un point fixe sur le pourtour du plateau, pour un même nombre de tour par minute, la vitesse du vent, et la vitesse maximum de fonctionnement des alternateurs, permettant de déterminer le nombre de tours/minutes par rapport au diamètre du plateau. Ainsi, la pression de retenue des vérins du système compensateur 19 est calculée pour que le système ne dépasse pas la vitesse du point externe maximum calculée en mètres/minute. En pratique, on pourra par exemple déterminer la valeur de seuil par calcul, à partir d'un effort donné appliqué sur la surface d'intrados 6a de la pale 6, de l'effort résultant au niveau du bord de fuite 6c, lequel effort résultant sera celui auquel doit résister le système compensateur 19.

En d'autres termes, ladite valeur de seuil pour l'intensité du vent pourra être celle à laquelle le système dépasse ladite vitesse du point externe maximum, et les vérins 20 seront dimensionnés pour résister à l'effort que le bord de fuite 6d exerce sur eux jusqu'à ce que cet effort dépasse celui que le bord de fuite 6d est censé exercer lorsque le système tourne à ladite vitesse du point externe maximum.

Il est bien entendu que les modes de réalisation ci-dessus de la présente invention ont été donnés à titre indicatif et non limitatif et que des modifications pourront y être apportées sans que l'on s'écarte pour autant du cadre de la présente invention.

Claims

REVENDICATIONS

1 - Eolienne à pales verticales (1), comprenant un mât fixe (2), un rotor (4) comprenant un plateau support (5) monté rotatif par rapport au mât (2) et des pales verticales (6) montées sur le plateau support (5), et des moyens générateurs (7) agencés pour convertir l'énergie cinétique de rotation du rotor (4) en énergie électrique, caractérisée par le fait que l'éolienne (1) comprend en outre : - des moyens moteurs électriques (10) agencés pour être aptes, lorsqu'ils sont alimentés en énergie électrique, à entraîner en rotation le plateau support (5), par exemple en cas de vent de très faible intensité ou en cas d'absence de vent ; - des moyens de stockage d'énergie électrique agencées pour être aptes à être reliés, d'une part, aux moyens générateurs (7) afin de récupérer de l'énergie électrique produite par les moyens générateurs (7) et, d'autre part, aux moyens moteurs (10) afin de les alimenter en énergie électrique pour un entraînement en rotation du plateau support (5) ; - des moyens de commande agencés pour : - dans un premier mode de fonctionnement de l'éolienne (1), transmettre de l'énergie électrique des moyens générateurs (7) aux moyens de stockage d'énergie électrique (15) et ne pas alimenter en énergie électrique les moyens moteurs (10) via les moyens de stockage d'énergie électrique (15) ; et - dans un second mode de fonctionnement de l'éolienne, alimenter les moyens moteurs (10) en énergie électrique provenant des moyens de stockage d'énergie électrique (15) et interrompre la transmission d'énergie des moyens générateurs (7) aux moyens de stockage d'énergie électrique (15).
2 - Eolienne (1) selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle comprend en outre une source auxiliaire d'énergie électrique (15) comprenant au moins un panneau photovoltaïque (15), la source auxiliaire d'énergie électrique (15) étant reliée aux moyens de stockage d'énergie électrique de façon à leur fournir l'énergie qu'elle collecte.
3 - Eolienne (1) selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que les moyens générateurs (7) et les moyens moteurs (10) sont solidaires du mât fixe (2) et comprennent chacun un rotor d'entrée/sortie de puissance mécanique (12) qui est relié au plateau support (5) de manière à être apte à faire tourner ce dernier et à être entraîné en rotation par ce dernier, lesdits rotors d ' entrée/sortie de puissance mécanique (12) n'étant pas alignés sur l'axe de rotation du rotor (4).
4 - Eolienne (1) selon la revendication 3, caractérisée par le fait qu'elle comprend une structure fixe de soutien (11) qui est solidaire du mât (2) et qui porte les moyens générateurs (7) et les moyens moteurs (10) .
5 - Eolienne (1) selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisée par le fait que les moyens générateurs (7) comprennent trois générateurs (7) et les moyens moteurs (10) comprennent un moteur (10), les trois générateurs (7) et le moteur (10) étant positionnés tous à la même distance de l'axe du rotor (4) et angulairement équidistants de 90°.
6 - Eolienne (1) selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisée par le fait qu'est prévue une couronne dentée (14) qui est portée par le plateau support (5) et avec laquelle engrènent les rotors d'entrée/sortie de puissance mécanique (12) des moyens générateurs (7) et des moyens moteurs (10).
7 - Eolienne (1) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait que chaque pale (6) se présente sous la forme d'une pièce de type plaque d'épaisseur globalement constante, comprenant ainsi une première surface, dite d'intrados (6a), et une seconde surface, dite d'extrados (6b), opposées l'une à l'autre et s'étendant entre un premier bord vertical, dit d'attaque (6c), et un second bord vertical, dit de fuite (6d), respectivement côté extérieur et côté intérieur du rotor, ainsi qu'entre des bords inférieur (6e) et supérieur (6f), respectivement proche et à distance du plateau support (5), la pale (6) suivant un profil aérodynamique dont la cambrure augmente progressivement du bord d'attaque (6c) jusqu'à atteindre sa valeur maximale à approximativement le tiers de la corde, en partant du bord d'attaque (6c), puis diminue progressivement jusqu'au bord de fuite (6d).
8 - Eolienne (1) selon la revendication 7, caractérisée par le fait que le bord supérieur (6f) de chaque pale (6) est incliné de façon à être à une distance maximale du bord inférieur (6e) au niveau du bord d'attaque (6c), et à se situer au voisinage du bord inférieur (6e) au niveau du bord de fuite (6d).
9 - Eolienne (1) selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisée par le fait que chaque pale (6) est montée fixe sur le plateau support (5) et est positionnée de telle sorte que sa corde ne passe pas par l'axe de rotation du rotor (4) et forme ainsi un angle d'incidence par rapport à celui-ci, de préférence un angle d'incidence de dix degrés.
10 - Eolienne (1) selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisée par le fait que chaque pale (6) est montée de façon pivotante sur le plateau support (5), autour d'un axe vertical qui, de préférence, coïncide avec le bord d'attaque (6c) de la pale (6), chaque pale (6) étant positionnée de telle sorte qu'en l'absence de vent sa corde ne passe pas par l'axe de rotation du rotor (4) et forme ainsi un angle d'incidence par rapport à celui-ci, de préférence un angle d'incidence de dix degrés, l'éolienne (1) comprenant en outre des systèmes compensateurs (19) interposés chacun entre, d'un côté, le bord de fuite (6d) d'une pale (6) respective et, de l'autre côté, un point d'appui (T2) solidaire du plateau support (5), chaque système compensateur (19) étant configuré pour s'opposer au pivotement de la pale (6) respective lorsque l'intensité du vent est inférieure ou égale à une valeur de seuil, de sorte que la pale (6) conserve l'angle d'incidence initial, et pour autoriser le pivotement de la pale (6) dans la direction diminuant son angle d'incidence, lorsque l'intensité du vent est supérieure à la valeur de seuil.
11 - Eolienne (1) selon la revendication 10, caractérisée par le fait que chaque système compensateur (19) comprend des moyens de sollicitation élastique (20) dont la résistance à la déformation élastique définit la valeur de seuil.
12 - Eolienne (1) selon la revendication 11, caractérisé par le fait que les moyens de sollicitation élastique (20) sont des moyens linéaires configurés pour exercer une action sur la pale (6) respective dans une direction tangente au cercle décrit par le bord de fuite (6d) de la pale (6) lorsque cette dernière pivote, les moyens de sollicitation élastique (20) comprenant, de préférence, au moins un vérin (20) dont l'un du corps (20a) et de la tige (20b) est rendu solidaire de la pale (6) respective et dont l'autre est rendu solidaire du point d'appui (T2), notamment deux vérins (20) disposés l'un au-dessus de l'autre.
13 - Eolienne (1) selon l'une des revendications 7 à 12, caractérisée par le fait qu'elle comprend un carénage de protection (16) des moyens moteurs (10) et des moyens générateurs (7), le carénage (16) se présentant sous la forme d'une pièce annulaire de profil aérodynamique dont la cambrure, de préférence, augmente progressivement du bord d'attaque jusqu'à atteindre sa valeur maximale approximativement au tiers de la corde, en partant du bord d'attaque, puis diminue progressivement jusqu'au bord de fuite, la pièce annulaire s'étendant vers l'extérieur à partir de la périphérie du plateau support (5) et à partir de cette dernière, la pièce annulaire présentant une surface supérieure (16a) qui s'incline vers le bas en partant de la périphérie du plateau support (5).
14 - Eolienne (1) selon la revendication 13, caractérisée par le fait que des éléments dits inducteurs de vortex (17) sont disposés à intervalle sur la surface supérieure (16a) du carénage (16), les éléments inducteurs de vortex (17) étant agencés pour diriger vers la surface intrados (6a) des pales (6) l'air qui s'écoule en entrée sur la surface supérieure (16a) du carénage (16) et limiter le phénomène de décrochage dudit air.