FR3072134A1

FR3072134A1 - Eolienne verticale a pales pivotantes

Info

Publication number: FR3072134A1
Application number: FR1759526A
Authority: FR
Inventors: Sebastien Cussac; Pascal Epineau; Christophe Leveque
Original assignee: Collaborative Energy
Current assignee: Collaborative Energy
Priority date: 2017-10-11
Filing date: 2017-10-11
Publication date: 2019-04-12
Anticipated expiration: 2037-10-11
Also published as: FR3072134B1; WO2019073175A1

Abstract

L'invention est une éolienne (1), comportant des pales (20, 20', 20f, 20f', 20a) tournant autour d'un axe de rotation central (Z), l'axe de rotation central étant destiné à être orienté verticalement, l'éolienne comportant un châssis rigide (2), comportant au moins un bras (10) maintenant les pales, et s'étendant transversalement à l'axe de rotation central (Z), chaque pale comportant un bord d'attaque (21) et un bord de fuite (22), de telle sorte que selon le sens de rotation de l'éolienne (Q), le bord d'attaque est disposé devant le bord de fuite, l'éolienne comportant au moins deux pales (20, 20'), pales pivotantes, chaque pale pivotante étant telle que : - la pale pivotante (20) est reliée à un point du bras, dit point d'attache (15, 15'), la pale pivotante étant mobile en rotation, autour du point d'attache, selon un axe de pivotement (W, W'); - la pale pivotante (20) est reliée à une autre pale pivotante (20') par un lien flexible (23), dit lien d'association ; l'éolienne étant caractérisée en ce que : - chaque pale pivotante est associée à un point, dit point de tir (25, 25'), situé sur le châssis, le point de tir étant plus proche du bord de fuite (22) que du bord d'attaque (21) ; chaque pale pivotante est reliée au point de tir (25, 25') qui lui est associé ; de façon à limiter un débattement, par rapport au point de tir, de ladite pale pivotante autour de l'axe de pivotement

Description

Eolienne verticale à pales pivotantes

Description

DOMAINE TECHNIQUE

Le domaine technique de l'invention est celui des éoliennes à axe vertical.

ART ANTERIEUR

L'utilisation du vent comme source d'énergie est ancienne, mais elle connaît actuellement un regain d'intérêt du fait de la croissance de la demande en énergies renouvelables. On a assisté récemment à un développement d'éoliennes, pour produire de l'électricité. Il s'agit essentiellement d'éoliennes à axe horizontal. Cependant les éoliennes à axe horizontal ne s'alignent pas spontanément par rapport à la direction du vent et doivent posséder un mécanisme d'orientation dédié. De plus, de manière à être exposées à des vents forts et constants, elles nécessitent une installation à plusieurs mètres de hauteur, ce qui pose des nuisances esthétiques et rend l'installation coûteuse, de même que les opérations de maintenance, en particulier concernant le mécanisme d'orientation.

Parallèlement aux éoliennes à axe horizontal, des éoliennes à axe vertical se sont développées. Elles présentent l'avantage de pouvoir être installées à proximité du sol, et d'être moins coûteuses que les éoliennes à axe vertical, et de présenter un bon compromis entre la puissance dégagée et la surface occupée au sol, typiquement de l'ordre de 20 W/m². De plus, elles peuvent fonctionner par vent faible, quelle que soit son orientation. Plusieurs types d'éoliennes à axe vertical ont été conçus: Les éoliennes de type Savonius, qui disposent de pales fixes, et courbées, prenant la forme de demi-cylindres légèrement désaxés l'un par rapport à l'autre. Les pales s'étendent généralement à partir d'un arbre de rotation de l'éolienne. De telles éoliennes peuvent fonctionner sous un vent faible, mais leur rendement est limité lorsque la vitesse du vent augmente.

Les éoliennes de type Darrieus, qui disposent de pales fixes, chaque pale étant disposée au niveau de l'extrémité d'un bras, perpendiculairement à ce dernier. Chaque bras s'étend entre l'axe de rotation de l'éolienne et la pale. De telles éoliennes ont un rendement plus élevé que les éoliennes Savonius lorsque le vent est élevé. Cependant, leur démarrage est difficile, en particulier par rapport aux éoliennes de type Savonius.

Les panémones à pales mobiles, dont les pales sont disposées au bout d'un bras, et, à la différence des éoliennes de type Darrieus, sont mobiles par rapport à ce dernier.

La demande de brevet EP0021790 décrit une éolienne de type panémone, chaque pale disposant d'un bord d'attaque et d'un bord de fuite, chaque pale étant disposée à l'extrémité d'un bras. Chaque pale est reliée, par son bord d'attaque, au bras la maintenant, et est mobile en rotation par rapport à ce dernier. Chaque pale comporte également un lien, s'étendant entre le bord de fuite de ladite pale et les bords de fuite d'autres pales. La fonction du lien est de limiter le débattement de la pale autour du bras la maintenant. Selon cette éolienne, les mouvements de rotation de deux pales opposées sont symétriques et synchrones : lorsqu'une pale pivote, selon un angle, en se rapprochant de l'axe de rotation central de l'éolienne, la pale opposée pivote simultanément, selon le même angle, en s'éloignant de l'axe de rotation central.

L'éolienne décrite dans la demande de brevet français FR299736 peut être considérée comme un perfectionnement du dispositif exposé dans EP0021790. Dans cette éolienne, les bords de fuite de deux pales diamétralement opposées sont reliés par un lien. Le lien est déformable, autour d'un ou plusieurs moyens dits de renvoi, ces derniers pouvant être mobiles. Cette éolienne est agencée de telle sorte que lorsqu'une pale pivote de façon trop importante par rapport au bras la maintenant, la pale opposée tend à limiter son écartement, du fait de la présence du lien entre les deux pales. Lorsque la vitesse de rotation augmente, la configuration de l'éolienne tend vers une configuration de type Darrieus, précédemment évoquée. Cependant, les inventeurs ont constaté que cette éolienne pouvait encore être perfectionnée, et notamment par une meilleure maîtrise du débattement angulaire des pales, en particulier à faible vitesse de rotation. Ils ont conçu l'invention, décrite ci-après, à cette fin.

EXPOSE DE L'INVENTION

Un objet de l'invention est une éolienne, comportant des pales configurées pour tourner autour d'un axe de rotation central selon un sens de rotation, l'axe de rotation central étant destiné à être orienté verticalement, l'éolienne comportant un châssis rigide, le châssis comprenant au moins un bras maintenant les pales et s'étendant transversalement à l'axe de rotation central, chaque pale comportant un bord d'attaque et un bord de fuite, de telle sorte que selon le sens de rotation, le bord d'attaque est disposé devant le bord de fuite, l'éolienne comportant au moins deux pales, dites pales pivotantes, chaque pale pivotante étant telle que :

la pale pivotante est reliée à un point du bras, dit point d'attache, la pale pivotante étant mobile en rotation, autour du point d'attache, selon un axe de pivotement;

la pale pivotante est reliée à une autre pale pivotante par un lien, de préférence flexible, dit lien d'association;

l'éolienne étant caractérisée en ce que :

chaque pale pivotante est associée à un point, dit point de tir, situé sur le châssis, le point de tir étant de préférence plus proche du point d'attache que de l'axe de rotation central; chaque pale pivotante est reliée au point de tir qui lui est associé;

de façon à limiter un débattement, par rapport au point de tir, de ladite pale pivotante, autour de l'axe de pivotement.

La liaison entre le point de tir et la pale pivotante a pour fonction de maintenir, lors du pivotement de la pale autour de l'axe de pivotement, le bord de fuite à une distance, inférieure à une distance maximale prédéterminée, du point de tir.

De préférence, le point de tir est un point fixe du châssis. De façon alternative, il peut être mobile par rapport à ce dernier. Dans ce dernier cas, le déplacement du point de tir, par rapport au châssis, est limité dans une plage de déplacement, s'étendant par exemple selon une distance inférieure à 5 cm ou 10 cm.

De préférence, les points de tir, respectivement associés à deux pales pivotantes différentes, sont différents.

De préférence, le point de tir est plus proche de l'axe de rotation central, que ne l'est le point d'attache. Les points d'attache et de tir peuvent également être disposés à égale distance de l'axe de rotation central.

La distance entre le point d'attache et la pale correspond à un premier rayon de l'éolienne. De préférence, le point de tir est disposé à une distance, supérieure à la moitié du premier rayon, voire supérieure à 75% du premier rayon, de l'axe de rotation central.

Selon un mode de réalisation, au moins une pale pivotante est reliée, au point de tir lui étant associé, par une liaison de rappel s'étendant entre ledit point de tir et un point, dit point d'intersection, situé sur le lien d'association relié à ladite pale.

Selon un autre mode de réalisation, la pale pivotante est reliée, au point de tir lui étant associé, par une liaison de rappel s'étendant entre ledit point de tir et un point, dit point d'intersection, situé sur ladite pale.

Quel que soit le mode de réalisation, le point d'intersection est avantageusement plus proche du bord de fuite que du point d'attache, et/ou entre le bord de fuite et le point d'attache.

Quel que soit le mode de réalisation, la liaison de rappel est de préférence mobile autour du point de tir, selon un axe pouvant être parallèle à l'axe de rotation central, ou incliné par rapport à ce dernier. La liaison de rappel est de préférence mobile par rapport au point de tir selon une jonction de type rotule.

Le lien d'association associé à la pale pivotante s'étendant selon une longueur, entre ladite pale pivotante et l'autre pale pivotante, le point de tir peut être disposé à une distance, inférieure au cinquième de ladite longueur, du bord de fuite de ladite pale pivotante.

L'autre pale pivotante peut être une pale opposée à la pale pivotante.

Le point de tir associé à une pale pivotante peut être disposé sur le bras maintenant ladite pale pivotante. Il peut également être disposé sur un bras, dit bras adjacent, maintenant une pale adjacente de la pale pivotante.

Le point d'attache est de préférence disposé plus proche du bord d'attaque que du bord de fuite, et/ou entre le bord d'attaque et le bord de fuite.

La longueur de la liaison de rappel est de préférence fixe ; selon une variante, elle est variable selon une plage, par exemple inférieure à ±25% voire ±50%, autour d'une longueur nominale. La longueur de la liaison de rappel, ou sa longueur nominale, est de préférence inférieure à la distance séparant le bord de fuite du bord d'attaque, ou à la moitié de cette distance.

De préférence, le point de tir est plus proche du bord de fuite, que le point d'attache.

De préférence, au moins une pale pivotante définit un axe de pale, s'étendant entre le bord de fuite et le bord d'attaque. La pale pivotante présente un centre de surface. A la pale pivotante correspond une position, dite de référence, de telle sorte que lorsque la pale s'étend selon la position de référence, l'axe de la pale définit un axe de référence, l'axe de référence étant perpendiculaire à une droite s'étendant dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation, et reliant l'axe de rotation au centre de surface de la pale. Le débattement du bord de fuite de la pale est alors limité de telle sorte que :

- lorsque la pale s'incline en se rapprochant de l'axe de rotation central, l'angle entre l'axe de pale et l'axe de référence est inférieur à un premier angle limite;

- lorsque la pale s'incline en s'éloignant de l'axe de rotation central l'angle entre l'axe de pale et l'axe de référence est inférieur à un deuxième angle limite;

le premier angle limite étant supérieur au deuxième angle limite.

Le premier angle limite peut être inférieur ou égal à 60° ou 50° voire 45°, et/ou le deuxième angle limite est inférieur à 20°, voire inférieur à 10°.

Selon un mode de réalisation, l'éolienne comporte :

au moins deux pales pivotantes opposées, au moins deux pales fixes, opposées, reliées à un bras, et immobiles par rapport à ce dernier. L'éolienne peut comporter 2 pales pivotantes, ou un nombre de pales pivotantes supérieur à 2.

D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et représentés sur les figures listées ci-dessous.

FIGURES

La figure 1 représente un premier mode de réalisation de l'invention.

Les figures 2A, 2B et 2C montrent différentes configurations des pales de l'éolienne, selon le premier mode de réalisation, à différentes vitesses de rotation, par vent constant. Ces figures correspondent à des valeurs d'un paramètre de rapidité respectivement de plus en plus élevées.

Les figures 3A à 3D illustrent les configurations des pales de l'éolienne à une faible vitesse de rotation, selon quatre positions angulaires respectives.

Les figures 4A à 4D illustrent les configurations des pales de l'éolienne à une vitesse de rotation moyenne, selon les quatre positions angulaires respectives décrites en lien avec les figures 3A à 3D. Les figures 5A à 5D illustrent les configurations des pales de l'éolienne à une forte vitesse de rotation, selon les quatre positions angulaires respectives décrites en lien avec les figures 3A à 3D.

La figure 6 représente un autre mode de réalisation de l'invention.

La figure 7 est une photographie d'un autre mode de réalisation.

Les figures 8A et 8B représentent des éoliennes utilisées lors d'essais comparatifs, respectivement représentatives de l'invention et de l'art antérieur.

La figure 8C montre les résultats d'essais comparatifs entre une éolienne telle que représentée sur la figure 8A et l'éolienne représentée sur la figure 8B. La figure 8D représente un schéma électrique mis en oeuvre lors des essais comparatifs.

EXPOSE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS

La figure 1 représente une éolienne 1 selon un premier mode de réalisation de l'invention. L'éolienne comporte un châssis 2, s'étendant selon un axe vertical Z, et dont la figure 1 représente une vue transversale, selon un plan horizontal XY. Le châssis 2 comporte un bras rigide 10. Le bras 10 est mobile en rotation autour de l'axe vertical Z, ce dernier constituant un axe de rotation, dit axe de rotation central, de l'éolienne. Le terme un est à interpréter comme signifiant au moins un. A une première extrémité 11 du bras 10 est fixée une pale 20. La pale 20 comporte un bord d'attaque 21 et un bord de fuite 22. De façon classique, lorsque l'éolienne fonctionne, le bras 10 suit un mouvement de rotation et la pale 20 est orientée de telle sorte que, selon un sens de rotation Ω, le bord d'attaque 21 est placé devant le bord de fuite 22.

De même que dans les documents cités en lien avec l'art antérieur, la pale 20 est pivotante par rapport au bras 10. Plus précisément, la pale pivotante 20 est reliée à la première extrémité 11 du bras 10 en un point, dit point d'attache 15. Le point d'attache 15 est ménagé dans le bras 10, au niveau de la première extrémité. Dans cet exemple, le point d'attache 15 est un point fixe par rapport au bras 10. La pale pivotante 20 est mobile en rotation autour du point d'attache 15, selon un axe de pivotement W. Dans cet exemple, la pale pivotante s'étend parallèlement à l'axe de rotation central Z. L'axe de pivotement W est alors parallèle à l'axe de rotation central Z. Il est donc orienté parallèlement à la verticale. Cette condition n'est nullement nécessaire. Selon d'autres configurations, l'axe de pivotement W peut être incliné par rapport à l'axe de rotation central Z. C'est notamment le cas lorsque la pale pivotante 20 s'étend selon un plan incliné par rapport à la verticale. Dans cet exemple, le point d'attache 15 est situé à l'extérieur de la pale, au niveau du bord d'attaque 21. Selon une variante, il peut être ménagé dans la pale, par exemple entre le bord d'attaque 21 et le bord de fuite 22. Quel que soit le mode de réalisation, la pale pivote autour du point d'attache 15. De préférence, le point d'attache 15 est plus proche du bord d'attaque 21 que du bord de fuite 22, et/ou entre le bord d'attaque 21 et le bord de fuite 22.

L'éolienne comporte une autre pale pivotante 20', dite pale opposée, diamétralement opposée à la pale 20. Dans la suite de cette description, le terme pale opposée désigne une pale diamétralement opposée, en considérant une tolérance angulaire de ± 30° ou ±20° par rapport au diamètre. Dans cet exemple, la pale opposée 20' est identique à la pale 20. Elle est reliée à une deuxième extrémité 11' du bras 10. Elle comporte un bord d'attaque 21' et un bord de fuite 22'. Elle est reliée, par son bord d'attaque 21', à un point d'attache 15', le point d'attache 15' étant ménagé au niveau de la deuxième extrémité 11'. La pale opposée 20' est mobile en rotation par rapport au point d'attache 15' autour d'un axe de pivotement W' parallèle à l'axe de rotation central Z.

Les points d'attache 15 et 15' étant solidaires du bras 10, ils sont mobiles en rotation autour de l'axe central de rotation Z. Il en est de même des axes de pivotement W et W'.

Dans d'autres exemples, la pale opposée 20' est obtenue, à partir de la pale pivotante 20, par une rotation d'angle compris entre 150° et 210° autour de l'axe de rotation Z, une rotation de 180° correspondant au cas particulier d'une pale strictement diamétralement opposée à la pale pivotante 20.

Afin de limiter les débattements angulaires respectifs de la pale 20 et de la pale opposée 20' autour de leurs axes de pivotement respectifs W et W', un lien 23, dit lien d'association, relie la pale 20 à la pale opposée 20'. L'action du lien d'association est particulièrement importante lors des phases de virement de bord ou d'empannage d'une pale, lorsque cette dernière s'étend parallèlement à la direction du vent V. Plus précisément, à chaque pale pivotante 20, 20' est associé un point 28, 28', dit point d'association. Le lien d'association 23 s'étend entre les points d'association respectifs des pales entre lesquelles il s'étend. Le point d'association 28 d'une pale pivotante 20 est de préférence plus proche du bord de fuite 22 que du point d'attache 15, et/ou entre le bord de fuite 22 et le point d'attache 15.

Le lien d'association 23 peut être flexible. Par flexible, on entend que sa forme n'est pas fixe ; elle évolue en fonction de la position des pales, associées par le lien d'association, par rapport au sens du vent V, ainsi qu'en fonction de la vitesse de rotation autour de l'axe de rotation central Z. Le lien s'association 23 peut être formé d'un matériau souple, par exemple une sangle ou une corde, ou être composé de segments rigides articulés au niveau de points d'articulation. Les segments rigides peuvent être formés par des biellettes. Le lien d'association 23 permet d'associer au moins deux pales entre elles, les débattements angulaires respectifs des deux pales, autour de leurs axes de pivotement respectifs, étant ainsi rendus dépendants l'un de l'autre. Par débattement angulaire d'une pale, on entend le débattement autour de l'axe de pivotement W, W'.

La pale 20 peut s'étendre, parallèlement à l'axe de rotation central Z, selon une hauteur comprise entre 50 cm et 5 mètres, voire 10 ou 50 mètres, voire davantage. La pale peut également s'étendre selon un plan incliné par rapport à l'axe de rotation central, en formant, par rapport à ce dernier, un angle d'inclinaison pouvant atteindre 45° voire 60°. Le rayon du bras, c'est-à-dire la distance entre l'axe de rotation central Z et la première extrémité 11 (ou la deuxième extrémité 11') peut être comprise entre 20 cm et 5 mètres, voire 10 mètres, voire davantage. La longueur de chaque pale, c'est-à-dire la distance entre le bord d'attaque 21 et le bord de fuite 22, peut être comprise entre 10 cm et 5 m, voire davantage. Le bras 10 est de préférence réalisé selon un matériau rigide, par exemple un métal ou une matière plastique solide ou un matériau composite. Chaque pale 20 peut être formée d'un matériau de préférence rigide, ce matériau étant par exemple un plastique, un matériau composite ou un métal léger, par exemple de l'aluminium, ou du bois, ou un matériau fibré, comportant par exemple des fibres de carbone. Il peut également s'agir d'un matériau souple, par exemple un matériau utilisé dans la fabrication d'une voile nautique, avantageusement rigidifié par une armature rigide ou flexible.

Un aspect important de l'invention est que la pale pivotante 20 est associée à un point, dit point de tir 25, situé sur le châssis. Elle est reliée au point de tir par une liaison de rappel 26. De préférence, le point de tir 25 est fixe par rapport au bras 10 portant la pale 20. Il est de préférence fixe par rapport au point d'attache 15. Le point de tir 25 associé à une pale est différent du point d'attache 15 de ladite pale. Alors que le point d'attache 15 est avantageusement disposé plus proche du bord d'attaque 21 que du bord de fuite 22, et définit l'axe pivotement W, le point de tir 25 est situé plus proche du bord de fuite 22 que du bord d'attaque 21, et contribue à limiter le débattement angulaire de la pale 20 autour de l'axe de pivotement W, par l'intermédiaire de la liaison de rappel 26. Le point de tir 25 peut être mobile par rapport au châssis 2, mais son déplacement est alors limité dans une plage de déplacement, s'étendant par exemple sur 5 ou 10 cm. Le point de tir 25 est de préférence plus proche du point d'attache 15 que de l'axe de rotation central Z. Si un premier rayon de l'éolienne est défini comme étant la distance entre l'axe de rotation central Z et le point d'attache 15, la distance entre le point de tir 25 et l'axe de rotation central Z est avantageusement supérieure à la moitié du premier rayon, voire supérieure aux deux tiers du premier rayon, ou à 75% du premier rayon. Le point d'attache 15 définit, au cours d'une rotation de l'éolienne, un cercle, dit cercle périphérique C, centré sur l'axe de rotation central Z. Le point de tir 25 est disposé plus proche du cercle périphérique C que de l'axe de rotation central Z.

Dans l'exemple représenté sur la figure 1, le point de tir 25 est localisé sur une première extrémité auxiliaire 12 du bras 10. La première extrémité auxiliaire 12 est configurée de telle sorte que la pale pivotante 20 s'étend entre la première extrémité 11 et la première extrémité auxiliaire 12. De façon analogue, le point de tir 25', associé à la pale pivotante opposée 20', est localisé sur une deuxième extrémité auxiliaire 12' du bras 10. La deuxième extrémité auxiliaire 12' est configurée de telle sorte que la pale pivotante opposée 20' s'étend entre la deuxième extrémité 11' et la deuxième extrémité auxiliaire 12'.

Dans l'exemple représenté sur la figure 1, la liaison de rappel 26 s'étend entre le point de tir 25 et un point d'intersection 27, situé sur le lien d'association 23. La liaison de rappel 26 peut être formée par un matériau rigide ou souple. Elle est rigide ou flexible. Sa longueur est de préférence fixe. Dans cet exemple, la pale pivotante 20 est reliée au point de tir 25 :

par un segment 24 du lien d'association 23, s'étendant entre le point d'association 28 et le point d'intersection Tl ;

et par la liaison de rappel 26, s'étendant entre le point d'intersection 27 et le point de tir 25.

Le point d'intersection 27 forme un point d'articulation du lien d'association 23. Par point d'articulation, on entend un point disposé entre deux segments adjacents du lien d'association, lesdits segments étant articulés autour du point d'articulation.

La liaison de rappel 26 peut avantageusement être fixée au point de tir 25 par une jonction de type rotule, autorisant une rotation de la liaison de rappel 26, autour du point de tir 25, selon plusieurs degrés de liberté.

Ainsi, à chaque pale pivotante 20 est associé un point de tir 25. Les points de tirs 25 respectifs de deux pales pivotantes différentes, sont distincts. Sur la figure 1, on a également représenté le point de tir 25' associé à la pale opposée 20', ainsi que la liaison de rappel 26' reliant entre le point de tir 25' et le bord de fuite 22' de la pale opposée.

Quel que soit le mode de réalisation, le point d'intersection 27 est de préférence disposé plus proche du bord de fuite 22 que du point d'attache 15, et/ou entre le bord de fuite 22 et le point d'attache 15. Sa position varie en fonction de la géométrie des pales et du bras maintenant les pales. Elle est de préférence définie expérimentalement, ou sur la base de simulations numériques.

On peut concevoir que, dans d'autres configurations, la liaison de rappel 26 s'étende directement entre le point de tir 25 et la pale, cette dernière étant alors reliée à la fois à la liaison de rappel 26 et au lien d'association 23. Dans ce cas, la liaison de rappel 26 s'étend entre le point de tir et un point d'intersection 27, ce dernier étant situé sur la pale, et de préférence entre le bord de fuite 22 et le point d'attache 15.

Les dispositions du point de tir 25, de la liaison de rappel 26, et du point d'intersection 27 sont ajustées au cas par cas, en fonction de la géométrie du châssis 2, et notamment du bras 10 portant la pale pivotante 20. Cependant, d'une façon générale, il est préférable qu'au moins une des conditions suivantes soit respectée :

Le point de tir 25 associé à une pale est plus proche de l'axe de rotation central Z que ne l'est le point d'attache 15 de ladite pale. Autrement dit, le point de tir 25 associé à chaque pale pivotante étant situé à un deuxième rayon, strictement inférieur au premier rayon, de l'axe de rotation central. Selon une variante, le point de tir 25 associé à une pale est situé à une égale distance de l'axe de rotation central que le point d'attache de ladite pale : selon cette variante, le point de tir 25 est disposé sur le cercle périphérique.

La distance entre le point d'intersection 27 et l'axe central Z est variable en fonction de la vitesse de rotation et/ou de la position de la pale 20 par rapport à la direction du vent V.

La distance entre le bord de fuite 22 et l'axe central Z est variable en fonction de la vitesse de rotation et/ou de la position de la pale 20 par rapport à la direction du vent V.

La distance entre le point de tir 25 et le point d'intersection 27 est constante, ou subit une variation relative de ±25%, voire ±50% durant une rotation. Ainsi, au cours d'une rotation, le point d'intersection 27 suit une trajectoire courbe autour du point de tir 25.

La liaison de rappel 26 est mobile en rotation autour du point de tir 25, selon un axe de pivotement U, dit axe de pivotement secondaire, dans cet exemple parallèle à l'axe de rotation central Z, et passant par le point de tir 25.

Considérant le sens de rotation Ω, le point de tir 25 est situé derrière le bord de fuite 22 de la pale 20 à laquelle il est associé. Il est par conséquent situé derrière le point d'accroche 15. Le lien d'association 23 s'étend, entre deux pales pivotantes opposées 20, 20' selon une longueur ; le point d'intersection 27 est situé à une distance du bord de fuite 22 inférieure au tiers, voire au quart ou au cinquième, de ladite longueur.

La distance entre le bord de fuite 22 de la pale 20 et le point de tir 25 associé à ladite pale est inférieure au cinquième, ou au quart, de la longueur du lien d'association 23 s'étendant à partir de la pale.

La pale 20 s'étend, entre le bord d'attaque 21 et le bord de fuite 22, selon une longueur, dite longueur de pale. Le point de tir 25 est situé à une distance du bord de fuite 22 inférieure à la moitié, voire au tiers, de la longueur de pale.

La longueur de la liaison de rappel est fixe, ou est variable selon une plage de ±25% ou ±50% autour d'une longueur nominale. La longueur, ou la longueur nominale, de la liaison de rappel, est de préférence inférieure à la longueur de pale, ou à la moitié de la longueur de pale.

Le point de tir 25 est plus proche du bord de fuite 22 que du bord d'attaque 21 de la pale.

Les figures 2A, 2B et 2C permettent d'apprécier l'effet de la liaison de rappel 26 sur le débattement angulaire d'une pale pivotante. Ces figures représentent respectivement des configurations de deux pales opposées lorsque la vitesse de rotation est respectivement faible, moyenne et forte, la vitesse du vent étant constante. Sur chacune de ces figures, on a représenté une pale pivotante 20 exposée au vent et une pale pivotante opposée 20', sous le vent. La pale pivotante 20 au vent et la pale pivotante opposée 20', sous le vent, tournent selon le sens de rotation Ω. Le sens du vent V est représenté par une flèche.

Sur la figure 2A, on a également représenté, en pointillés, des positions de pales, dites positions de référence. Soit Δ, un axe, dit axe de pale, s'étendant entre le bord d'attaque 21 et le bord de fuite 22 d'une pale. Soit A_ref, un axe, dit axe de référence, s'étendant entre le bord d'attaque 21 et le bord de fuite 22 de la pale lorsqu'elle s'étend selon la position de référence. Soit G, le centre de surface de la pale. Par position de référence, on entend une position d'une pale selon laquelle le segment, reliant, dans un plan XY perpendiculaire à l'axe central de rotation Z, le centre de surface G de la pale à l'axe de rotation central Z, est perpendiculaire à l'axe de référence A_ref. Lorsque les pales occupent leur position de référence, l'éolienne est configurée telle une éolienne de type Darrieus. Ainsi, la position de référence de la pale est une position selon laquelle au moins une section de la pale est orientée parallèlement à son déplacement. L'axe de référence A_ref de la pale est donc parallèle à la direction du déplacement de la pale. Lorsque la pale est orientée selon la position de référence, le bord de fuite et le bord d'attaque peuvent notamment être équidistants de l'axe de rotation central Z.

Lorsque la vitesse de rotation est faible, comme représenté sur la figure 2A, la pale 20 exposée au vent tend à s'incliner, de telle sorte que son bord de fuite 22 se rapproche de l'axe de rotation central Z. Dans une telle configuration, le bord de fuite 22 est plus proche de l'axe de rotation central que le point de tir 25. L'axe de pale Δ forme un angle a, dit angle au vent, par rapport à l'axe de référence Aref. La liaison de rappel 26 tend à limiter le débattement angulaire de la pale 20, et en particulier le débattement du bord de fuite 22 par rapport au point de tir 25. Autrement dit, la liaison de rappel 26 tend à limiter le rapprochement du bord de fuite 22 de l'axe de rotation central Z.

Lorsque la vitesse de rotation est faible, comme représenté sur la figure 2A, l'angle au vent a est important, par exemple de l'ordre de 45°. La pale 20 exposée au vent exerce une force motrice, entraînant l'éolienne en rotation, d'une façon analogue à une panémone à pales mobiles classique.

La force motrice correspond à la poussée du vent sur la pale. Elle s'exerce perpendiculairement à la pale. Lorsque la vitesse de rotation augmente, comme illustré sur les figures 2B et 2C, la liaison de rappel 26 tend à réduire l'angle au vent a, réduisant ainsi la contribution motrice de la pale 20 exposée au vent. La pale 20 tend alors à se rapprocher de sa position de référence. La liaison de rappel 26 permet de limiter l'effet de la force centrifuge sur les pales, notamment lors de phases transitoires apparaissant lorsque la vitesse du vent fluctue. La liaison de rappel 26 permet également de limiter le débattement du point d'intersection 27 autour du point de tir 25.

Sur les figures 2A à 2C, on a également représenté le débattement angulaire de la pale opposée 20', cette dernière étant sous le vent. Si Δ' et A'_ref représentent respectivement l'axe de la pale opposée 20', et l'axe de la position de référence de la pale opposée, la pale opposée 20' pivote de telle sorte que l'axe de la pale Δ' forme un angle a', dit angle sous le vent, par rapport à l'axe de référence A'_ref. La liaison de rappel 26' tend à maintenir l'angle sous le vent oc'en dessous d'une valeur limite faible, par exemple inférieure à 20° ou à 10°. Elle tend à limiter l'écartement du bord de fuite 22' par rapport à l'axe de rotation central Z. Lorsque la vitesse de rotation est faible, la pale sous le vent 20' n'a qu'une action motrice marginale par rapport à la pale au vent 20. Plus la vitesse de rotation augmente, plus la contribution motrice de la pale sous le vent 20' augmente, et devient prépondérante au-delà d'une certaine vitesse de rotation. Sur les figures 2A et 2B, l'angle a' est faible, typiquement inférieur à 10° ou 20°. Sur la figure 2C, l'angle a' diminue encore, la pale opposée 20' se rapprochant de la position de référence.

Ainsi, lorsque la vitesse de rotation est faible, l'éolienne tourne selon une configuration proche d'une panémone à pales mobiles, l'action motrice étant principalement exercée par la pale au vent 20. Lorsque la vitesse de rotation augmente, l'éolienne tend vers une configuration de type Darrieus, les pales s'orientant selon leurs positions de référence respectives. L'action motrice est alors principalement exercée par la pale sous le vent.

D'une façon générale, la liaison de rappel 26 permet de limiter l'angle d'inclinaison a de la pale 20, lorsqu'elle se rapproche de l'axe de rotation central, inférieur à un premier angle limite, ce dernier étant inférieur ou égal à 50°, voire 45°. Elle permet également de limiter l'angle d'inclinaison a' de la pale 20, lorsqu'elle s'éloigne de l'axe de rotation central, inférieur à un deuxième angle limite, ce dernier étant inférieur à 10° ou 20°. Le deuxième angle limite est inférieur au premier angle limite. La liaison de rappel 26 permet ainsi de maintenir le bord de fuite 22 dans une plage de distance prédéterminée par rapport à l'axe de rotation central Z. La plage de distance se réduit au fur et à mesure que la vitesse de rotation de l'éolienne augmente. On remarque que contrairement à l'art antérieur, le deuxième angle limite, définissant le débattement maximal de la pale par rapport à sa position de référence, est bien inférieur au premier angle limite. Ainsi, le débattement de la pale au delà de sa position de référence est bridé. Le débattement de la pale de part et d'autre de sa position de référence est donc asymétrique.

Les figures 3A, 3B, 3C et 3D représentent l'évolution d'une pale pivotante 20 et d'une pale opposée 20' au cours d'une demi-rotation, lorsque la vitesse de rotation de l'éolienne est faible. Sur ces figures, le bras 10 forme un angle par rapport à la direction du vent V respectivement égal à 0°, 45°, 90° et 135°. On observe que le débattement angulaire des pales, autour de leurs axes de pivotement respectif, est limité par la liaison de rappel 26. L'angle au vent a est important, tandis que l'angle sous le vent a' est faible.

Les figures 4A, 4B, 4C et 4D représentent l'évolution d'une pale pivotante 20 et d'une pale opposée 20' au cours d'une demi-rotation, lorsque la vitesse de rotation de l'éolienne est modérée. Sur ces figures, le bras 10 forme un angle par rapport à la direction du vent V respectivement égal à 0°, 45°, 90° et 135°. On observe que le débattement angulaire des pales est limité par la liaison de rappel 26 et que le débattement angulaire des pales, et notamment de la pale au vent (pale 20 sur les figures 4A et 4B; pale 20' sur la figure 4D), tend à se réduire par rapport à la configuration à faible vitesse de rotation décrite en lien avec les figures 3A, 3B, 3C et 3D.

Les figures 5A, 5B, 5C et 5D représentent l'évolution d'une pale pivotante 20 et d'une pale opposée 20' au cours d'une demi-rotation, lorsque la vitesse de rotation est importante. Sur ces figures, le bras 10 forme un angle par rapport à la direction du vent V respectivement égal à 0°, 45°, 90° et 135°. Selon une telle configuration, le débattement angulaire des pales est négligeable, les pales étant orientées selon leur position de référence. Leur pivotement autour de leurs axes de pivotement respectifs devient faible. Selon cette configuration, les pales sont disposées selon une configuration Darrieus, particulièrement adaptée à des expositions à des vents forts. La distance entre le bord de fuite 22 et l'axe de rotation central Z est sensiblement constante durant la rotation.

Ainsi, l'éolienne fonctionne aussi bien par vent faible, du fait du débattement angulaire des pales, que par vent élevé, l'éolienne se présentant alors sous une configuration Darrieus.

Un paramètre de fonctionnement d'une éolienne est le paramètre de rapidité λ, également désigné par le terme vitesse spécifique, défini de telle sorte que :

λ = - ou :

v

U désigne la vitesse périphérique de l'éolienne, c'est-à-dire la vitesse du bord d'attaque de pale ;

V désigne la vitesse du vent.

Le paramètre de rapidité est usuellement désigné par le terme anglosaxon Speed Ratio, signifiant rapport des vitesses.

Les figures 3 à 5 sont représentatives d'un démarrage d'une éolienne par vent modéré ou fort, le paramètre de rapidité λ augmentant peu à peu. Les figures 3 (3A, 3B, 3C et 3D) montrent une configuration de l'éolienne au moment du démarrage, le paramètre de rapidité λ étant proche de 0. L'éolienne est essentiellement poussée par le vent, de façon analogue à une panémone à pales mobiles, le débattement angulaire des pales étant mis à profit pour que la pale au vent produise une force motrice de poussée permettant d'augmenter la vitesse de rotation de l'éolienne. Les figures 4 (4A, 4B, 4C et 4D) montrent une configuration de l'éolienne après l'acquisition d'une certaine vitesse de rotation, le paramètre de rapidité λ étant voisin de 1. La contribution à la rotation est équilibrée entre la pale au vent 20 et la pale sous le vent 20'. Le débattement angulaire d'une pale, au cours d'une rotation, se réduit. Les figures 5 (5A, 5B, 5C et 5D) illustrent une configuration de l'éolienne lorsque la vitesse de rotation est plus élevée, le paramètre de rapidité λ étant de 2. Le débattement d'une pale, au cours d'une rotation, est négligeable. L'éolienne se trouve alors selon une configuration Darrieus, la force motrice étant principalement exercée par la pale sous le vent.

Ainsi, à faible vitesse de rotation, c'est-à-dire au démarrage de l'éolienne, le débattement angulaire de chaque pale pivotante permet à l'éolienne d'acquérir une certaine vitesse de rotation, l'action motrice étant principalement exercée par les pales exposées au vent, comme on peut le voir sur les figures 2A, 3A à 3D. Lorsque la vitesse de rotation augmente, le débattement angulaire se réduit peu à peu (cf. figures 2B, 4A à 4D), pour devenir négligeable, l'éolienne se trouvant alors selon une configuration Darrieus (cf. figures 2C, 5A à 5D). L'invention permet ainsi d'obtenir une éolienne de type Darrieus, tout en présentant une certaine efficacité lorsque le vent est faible. Cela permet d'éviter le recours à une assistance au lancement de l'éolienne.

La figure 6 montre un deuxième mode de réalisation, dans lequel le châssis 2 de l'éolienne présente plusieurs bras 10, s'étendant entre une extrémité 11 et l'axe de rotation central Z. A chaque extrémité 11 est fixée une pale pivotante 20. A chaque pale pivotante est associé un point d'attache 15, à proximité du bord d'attaque 21 et un point de tir 25, à proximité du bord de fuite 22. Chaque pale pivotante 20 est mobile en rotation autour d'un axe de pivotement W, parallèle à l'axe de rotation central Z, et passant par le point d'attache 15. Les différentes pales de l'éolienne sont reliées à un lien d'association 23, présentant une forme en étoile, de telle sorte que le bord de fuite 22 d'une pale pivotante 20 est relié au bord de fuite 22' de plusieurs pales pivotantes, et en particulier d'au moins une pale pivotante opposée 20', telle que précédemment définie. Le bord de fuite 22 de chaque pale pivotante est relié au point de tir 25, associé à ladite pale, par une liaison de rappel 26, cette dernière s'étendant entre le point de tir 25 et le lien d'association 23. L'intersection de la liaison de rappel 26 et du lien d'association 23 définit un point d'intersection 27. De même que dans le mode de réalisation précédent, le lien d'association 23 est articulé selon des points d'articulation, chaque point d'articulation étant également un point d'intersection. Selon ce mode de réalisation, le point de tir 25 associé à une pale 20 est situé à proximité du point d'attache 15a d'une pale pivotante adjacente 20a. La pale pivotante adjacente est portée par un bras lia, adjacent du bras 11 portant la pale 20. On a également représenté, sur cette figure, le cercle périphérique C décrit par chaque point d'attache 15 au cours d'une rotation complète de l'éolienne.

La figure 7 est une photographie d'un troisième mode de réalisation de l'éolienne. Selon ce mode de réalisation, l'éolienne présente quatre pales. Deux pales 20, 20', diamétralement opposées l'une à l'autre, sont pivotantes, tel que précédemment décrit. Deux autres pales 20f, 20f sont montées fixes, selon une configuration de type Darrieus, c'est-à-dire orientées perpendiculairement au bras les supportant. Les pales pivotantes permettent de lancer l'éolienne, à faible vitesse de rotation. Ainsi, il n'est pas nécessaire que toutes les pales d'une éolienne soient pivotantes. Il est cependant préférable qu'au moins deux pales pivotantes, opposées l'une à l'autre, le soient.

Des essais comparatifs ont été réalisés à l'aide d'une éolienne telle que représentée sur la figure 8A, représentative de l'invention, et d'une éolienne à pales fixes, selon une configuration Darrieus, formant une éolienne de référence, cette dernière étant représentée sur la figure 8B. Chaque éolienne s'étend selon un diamètre de 24 cm et comporte deux pales identiques, de hauteur 40 cm et de longueur de corde égale à 6 cm. Les éoliennes ont été soumises à un vent dont la vitesse varie entre 10 km/h et 65 Km/h. On a mesuré, pour différentes vitesses du vent, la vitesse de rotation ainsi que le paramètre de rapidité λ.

Le tableau suivant montre les différentes valeurs mesurées :

Vitesse du	Référence	Référence	Référence	Invention	Invention	Invention
vent	Vitesse	λ	Tension	Vitesse	λ	Tension
(Km/h)	(tours/min)		(V)	(tours/min)		(V)
10	0	0	0	100	0,44	3
20	80	0,18	2,4	250	0,56	7,5
30	230	0,34	6,9	340	0,52	10,2
40	240	0,26	7,2	373	0,42	11,2
50	260	0,24	7,8	440	0,4	13,2
60	296	0,22	8,9	467	0,352	14
65	307	0,21	9,2	477	0,352	14,3

Lorsque la vitesse du vent est faible (10 Km/h), l'éolienne de référence ne tourne pas, tandis que l'éolienne selon invention acquiert une vitesse de rotation déjà significative. Dans les essais impliquant une vitesse du vent supérieure, l'éolienne de référence a été lancée à la main. Aux différentes vitesses du vent, la vitesse de rotation de l'éolienne selon l'invention est systématiquement supérieure à celle de l'éolienne de référence. La figure 8C montre l'évolution de la vitesse de rotation (axe des ordonnées) en fonction de la vitesse du vent (axe des abscisses), respectivement pour l'éolienne de référence (barres sombres) et pour l'éolienne selon l'invention (barres claires).

Un convertisseur a été disposé de façon à convertir l'énergie mécanique de chaque éolienne en énergie électrique, pour l'alimentation électrique de lampes. Le schéma électrique du montage est représenté sur la figure 8D. On a connecté 3 lampes Ll, L2 et L3, de puissance électrique 1W, entre les bornes issues de l'éolienne 1, les bornes étant déphasées de 120° l'une par rapport à l'autre. On a mesuré la tension moyenne entre deux bornes, par exemple de part et d'autre de la lampe L3. La tension moyenne mesurée est systématiquement supérieure, d'au moins 50%, en mettant en œuvre l'invention.

Ainsi, une éolienne selon l'invention permet d'obtenir, à différentes vitesses de vent, et à surface de pales égale, une vitesse de rotation plus élevée qu'une éolienne à pales fixes. Lorsque la vitesse du vent augmente, la vitesse de rotation de l'éolienne est également supérieure à la vitesse d'une éolienne de type Darrieus. L'éolienne selon l'invention s'adapte davantage aux fluctuations de charge. Son comportement dynamique permet un ajustement optimal de l'orientation des pales pivotantes en fonction des conditions opérationnelles, qu'il s'agisse d'une variation du vent ou d'une fluctuation de la charge électrique raccordée à l'éolienne.

L'invention pourra être mise en œuvre pour l'alimentation électrique d'habitats, l'installation étant simple. On peut par exemple envisager un couplage de différentes éoliennes selon l'invention. Par ailleurs, l'invention peut également être destinée à l'alimentation électrique d'habitations isolées, par exemple des refuges. Les dimensions et le nombre des éoliennes seront ajustés à la puissance électrique à fournir. Par ailleurs, l'invention peut se décliner en des éoliennes de faibles dimensions, dont la hauteur et/ou le diamètre est inférieur à 1 m. De telles éoliennes sont adaptées à des utilisations nomades, par exemple sur des véhicules de loisirs, ou encore des navires.

Claims

REVENDICATIONS

1. Eolienne (1), comportant des pales (20, 20', 20f, 20f, 20a), configurées pour tourner autour d'un axe de rotation central (Z) selon un sens de rotation (Ω), l'axe de rotation central étant destiné à être orienté verticalement, l'éolienne comportant un châssis rigide (2), comprenant au moins un bras (10) maintenant les pales, et s'étendant transversalement à l'axe de rotation central (Z), chaque pale comportant un bord d'attaque (21) et un bord de fuite (22), de telle sorte que selon le sens de rotation (Ω), le bord d'attaque est disposé devant le bord de fuite, l'éolienne comportant au moins deux pales (20, 20'), pales pivotantes, chaque pale pivotante étant telle que :

la pale pivotante (20) est reliée à un point du bras, dit point d'attache (15, 15'), la pale pivotante étant mobile en rotation, autour du point d'attache, selon un axe de pivotement (W, W');

la pale pivotante (20) est reliée à une autre pale pivotante (20') par un lien flexible (23), dit lien d'association ;

l'éolienne étant caractérisée en ce que :

chaque pale pivotante est associée à un point, dit point de tir (25, 25'), situé sur le châssis, le point de tir étant plus proche du bord de fuite (22) que du bord d'attaque (21), le point de tir étant plus proche du point d'attache que de l'axe de rotation central (Z) ;

chaque pale pivotante est reliée au point de tir (25, 25') qui lui est associé ;

de façon à limiter un débattement, par rapport au point de tir, de ladite pale pivotante autour de l'axe de pivotement (W,W').
2. Eolienne selon la revendication 1, dans laquelle les points de tir (25, 25'), respectivement associés à deux pales pivotantes différentes (20, 20'), sont différents.
3. Eolienne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le point de tir (25) est plus proche de l'axe de rotation central (Z), que le point d'attache (15), ou aussi proche de l'axe de rotation central (Z) que le point d'attache (15).
4. Eolienne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle au moins une pale pivotante (20) est reliée, au point de tir (25) lui étant associé, par une liaison de rappel (26) s'étendant entre ledit point de tir (25) et un point (27), dit point d'intersection, situé sur le lien d'association (23) relié à ladite pale.
5. Eolienne selon la revendication 4, dans laquelle le point d'intersection (27) est plus proche du bord de fuite (22) que du point d'attache (15)
6. Eolienne selon la revendication 5, dans laquelle le lien d'association (23) associé à la pale pivotante (20) s'étendant selon une longueur, entre ladite pale pivotante (20) et ladite autre pale pivotante (20'), le point de tir (25) est disposé à une distance, inférieure au cinquième de ladite longueur, du bord de fuite (22) de ladite pale pivotante.
7. Eolienne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la pale pivotante (20) est reliée, au point de tir (25) lui étant associé, par une liaison de rappel (26) s'étendant entre ledit point de tir (25) et un point (27), dit point d'intersection, situé sur ladite pale.
8. Eolienne selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, dans laquelle la liaison de rappel (26) est mobile en rotation autour du point de tir (25).
9. Eolienne selon la revendication 8, dans laquelle la liaison de rappel (26) est reliée au point de tir (25) par une jonction de type rotule.
10. Eolienne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le point de tir (25) est plus proche du bord de fuite (22) que du point d'attache (15).
11. Eolienne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le point de tir (25) est fixe sur le châssis.
12. Eolienne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le point de tir (25) associé à une pale pivotante est disposé :

- sur le bras (11) maintenant ladite pale pivotante (20) ;

- ou sur un bras (lia) adjacent du bras maintenant la pale pivotante (20), le bras adjacent maintenant une pale (20a) adjacente de ladite pale pivotante.
13. Eolienne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle :

au moins une pale pivotante (20) définit un axe de pale (Δ), s'étendant entre le bord de fuite et le bord d'attaque ;

la pale pivotante présente un centre de surface (G) ;

à la pale pivotante correspond une position, dite de référence, de telle sorte que lorsque la pale s'étend selon la position de référence, l'axe de la pale définit un axe de référence (A_ref), l'axe de référence étant perpendiculaire à une droite, s'étendant perpendiculairement à l'axe de rotation, et reliant l'axe de rotation au centre de surface de la pale;

le débattement du bord de fuite (22) de la pale étant limité de telle sorte que :

lorsque la pale s'incline vers l'axe de rotation central (Z), l'angle (a) entre l'axe de pale (A),et l'axe de référence (A_ref) est inférieur à un premier angle limite;

lorsque la pale s'incline en s'éloignant de l'axe de rotation central (Z), l'angle (a¹) entre l'axe de pale (Δ) et l'axe de référence (Δ_Γθί) est inférieur à un deuxième angle limite;

le premier angle limite étant supérieur au deuxième angle limite.
14. Eolienne selon la revendication 13 dans laquelle le premier angle limite est inférieur ou égal à 45°, et/ou le deuxième angle limite est inférieur ou égal à 20°.
15. Eolienne selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant :

5 - au moins deux pales pivotantes (20, 20') opposées ;

au moins deux pales fixes (20f, 20f), opposées, reliées à un bras, et immobiles par rapport à ce dernier.