FR2869077A1 - Roue de type eolienne ou hydraulique a axe de rotation vertical - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une roue (1), de type éolienne ou hydraulique, entraînée en rotation autour d'un axe vertical (2). Cette roue comprend des panneaux (13) portés par des bras (7) radiaux par rapport à l'axe de rotation (2) de la roue. Ces panneaux (13) sont mobiles le long des bras radiaux (7), disposés verticalement et montés libres en rotation autour d'un axe géométrique (B-B') globalement parallèle à l'axe de rotation (2) de la roue.Cette roue peut être entraînée en rotation par un fluide, sans devoir être orientée par rapport au sens d'écoulement de ce dernier.

Description

L'invention a trait à une roue, de type éolienne ou hydraulique, entraînée

en rotation autour d'un axe vertical ainsi qu'à une installation de conversion d'énergie comprenant une telle roue.

On connaît des roues entraînées par un fluide, tel qu'un liquide dans le cas de roues hydrauliques ou de l'air dans le cas d'éoliennes, qui sont reliées à un alternateur ou à un autre dispositif permettant de générer du courant électrique ou d'exercer une force motrice sur un appareil.

Dans le cas des éoliennes, on connaît des appareils à axe vertical, par exemple des éoliennes de type Darrieus où des pales sont reliées à leurs deux extrémités à un mât vertical et tournent autour de ce dernier à la manière d'un fouet ménager. On connaît également par FR-A-2 396 878, une éolienne à axe vertical équipée de bras supportant des voiles adaptés pour s'effacer dans un plan horizontal par une rotation de 90 degrés autour du bras. Un tel dispositif nécessite une série de cames de renvois permettant de ramener dans une position angulaire désirée les panneaux effacés sous l'effet du vent. On connaît également par FR-A-2 333 976 une éolienne à axe vertical équipée de plateaux radiaux supportant des volets pouvant effectuer un déplacement angulaire de 0 à 90 degrés sur le plateau sur lequel ils sont articulés.

Dans ces dispositifs connus, la mise en position des volets est complexe 20 et nécessite une mécanique adaptée.

C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant une roue hydraulique ou aérienne à axe vertical dont l'orientation par rapport au courant du fluide est particulièrement simple à mettre en oeuvre.

A cet effet, l'invention a pour objet une roue, de type éolienne ou hydraulique, entraînée en rotation autour d'un axe vertical, cette roue comprenant des panneaux portés par des bras sensiblement radiaux par rapport à l'axe de rotation, caractérisée en ce que les panneaux sont mobiles en translation le long des bras, disposés verticalement et montés libres en rotation autour d'un axe géométrique globalement parallèle à l'axe de rotation de la roue.

Ainsi, grâce à l'invention, on réalise une roue où les panneaux s'effacent alternativement en offrant une surface plus ou moins grande sous la simple action du fluide, celui-ci entraînant en rotation les panneaux. La mobilité des panneaux le long des bras permet de sécuriser la roue dans une position de repos où elle n'est plus entraînée par le fluide.

Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, une roue hydraulique ou aérienne peut incorporer une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - Chaque panneau est porté par deux bras reliés à une extrémité.

- Les panneaux sont libres en rotation entre deux positions où les panneaux ont une face en appui sur les bras qui les portent.

- Les panneaux montés sur un même bras sont adaptés pour effectuer le même parcours en rotation autour de leurs axes de rotation respectifs.

- Les panneaux sont sensiblement adjacents lorsqu'ils sont en appui sur les bras, de manière à constituer ensemble un panneau de surface voisine de la somme des surfaces unitaires des panneaux.

- Les panneaux sont articulés sur des organes de rotation, notamment des charnières, mobiles en translation le long des bras radiaux.

- Les panneaux et les organes de rotation sont adaptés pour être rassemblés au voisinage de l'axe de rotation de la roue dans une position où les faces des panneaux ne sont pas en appui sur les bras qui les portent.

- La roue est équipée de plusieurs paires de bras parallèles supportant plusieurs rangés de panneaux parallèles.

- Les bras radiaux et l'axe de rotation de la roue sont haubanés.

L'invention concerne également une installation de conversion d'énergie mécanique comprenant au moins une roue, réalisée selon l'une des caractéristiques précédentes, associée à un dispositif de transformation d'énergie, notamment un alternateur électrique.

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre de deux modes de réalisation d'une roue aérienne, ou éolienne, conforme à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue générale d'une installation conforme à un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 est une représentation, à plus grande échelle, des différentes positions que prend au cours de son parcours un panneau de l'installation de la figure 1, - les figures 3A à 3D sont des représentations schématiques de dessus, de la roue de l'installation de la figure 1 dans diverses positions sous l'action du vent, - la figure 4 est une vue partielle, à plus grande échelle, de l'installation de la figure 1 dans une configuration où les panneaux sont en position repliée et - la figure 5 est une vue de face d'un dispositif conforme à un second mode de réalisation de l'invention.

L'installation aérienne de conversion d'énergie, ou éolienne, représentée à la figure 1 comprend une roue 1 dont l'axe vertical 2 est supporté par un alternateur électrique 3. En variante, la roue 1 peut être associée à un autre dispositif transformateur d'énergie, tel qu'un réducteur mécanique, des engrenages entraînant un axe ou une chaîne sans fin.

Au sommet de l'axe vertical 2, des haubans 4, par exemple des câbles métalliques, sont reliés à des mâts latéraux 5, eux mêmes maintenus en position verticale par des haubans 6. Cet axe 2 supporte quatre paires de bras 7 radiaux et sensiblement horizontaux. Chaque bras 7 est relié, à une extrémité, à un manchon 8 entourant l'axe vertical 2. Les bras 7 sont reliés deux par deux, à leurs extrémités opposées à celles fixées au manchon 8, par un montant vertical 9. Ainsi deux bras parallèles 7 s'étendant d'un même côté de l'axe 2 définissent un U. Les quatre U formés par les paires 10 de bras parallèles 7, s'étendent perpendiculairement à l'axe 2 et forment entre eux des angles droits en vue de dessus.

Les manchons 8 supportant les bras 7 sont solidaires de l'axe 2, qui, lorsque les bras 7 sont entraînés en rotation, tourne et entraîne également l'alternateur 3 et assure la production d'électricité. L'axe 2 est entraîné en rotation autour d'un axe géométrique R-R', globalement confondu avec un axe longitudinal de l'axe 2.

Les bras 7 sont réalisés, par exemple, en tubes métalliques ou composites. Dans chaque paire 10, le bras 7 le plus près de la tête de l'axe 2 est relié par des haubans 11 à cette dernière, de manière à être maintenu en position globalement horizontale. Les paires 10 de bras peuvent être reliées entre elles par des haubans. Ces haubans, non représentés, peuvent, par exemple, relier les montants verticaux 9 entre eux.

Des charnières 12 orientées selon une direction globalement perpendiculaire à un axe longitudinal A-A' des bras 7, sont disposées régulièrement sur les bras inférieurs et supérieurs constitutifs des paires 10 de bras. Ainsi, deux charnières 12 superposées définissent un axe vertical de rotation B-B' pour un panneau 13.

Les panneaux 13 sont réalisés en un matériau rigide, léger et de faible épaisseur, par exemple, en polymère ou en métal. Les panneaux 13 ont globalement une forme de parallélépipède rectangle, de faible épaisseur.

Les panneaux 13 sont montés sur les charnières 12 qui permettent leur articulation par rapport aux paires de bras 10. Les charnières 12 sont espacées sur les bras 7 de manière à ce que, lorsqu'un panneau 13 se trouve par une de ses grandes faces en appui contre les bras 7, il soit adjacent à deux panneaux voisins qui sont également en appui, par leur même grande face, sur les mêmes bras 7. La mitoyenneté entre panneaux 13 s'effectue par leur tranche. Ainsi, lorsque tous les panneaux 13 sont en appui contre les bras 7, ils définissent ensemble une surface se comportant globalement comme un panneau unique de surface égale à la somme des surfaces unitaires des panneaux 13.

Les panneaux 13 portés par une même paire de bras 7 sont mobiles en rotation autour de leurs charnières 12 respectives, de manière globalement identique. Ceci est réalisé par des panneaux 13 de même forme et dimensions, par des charnières identiques, ce qui permet d'obtenir globalement un même comportement face au fluide. Ainsi, tous les panneaux 13 effectuent le même déplacement angulaire. Pour une paire 10 de bras, les panneaux 13 situés à proximité du montant 9 sont les premiers, généralement, à amorcer le mouvement de rotation.

Néanmoins, la rotation des panneaux 13 d'une même paire 10 se fait 15 dans un laps de temps suffisamment court pour que les panneaux effectuent ce mouvement de manière globalement simultanée.

Comme représenté à la figure 2, un mouvement de rotation d'un panneau 13 permet à ce dernier de passer d'une position de départ D où une face 14 du panneau 13 est en appui sur les bras 7 d'une paire 10 à une position finale F où l'autre face 15 du panneau 13 est en appui sur les mêmes bras 7.

Lors de ce mouvement le panneau 13 passe par plusieurs positions intermédiaires P où il présente une surface au vent inférieure à la surface qu'il présente lorsqu'il est en appui par une face 14 ou 15 sur le bras 7. Lors de ce mouvement, le panneau 13 passe par une position médiane M où sa surface au vent est minimale. Cette position M est atteinte lorsque les faces 14, 15 d'un panneau 13 sont orientées selon une direction globalement orthogonale aux bras 7.

Ces charnières 12 sont fixées de manière amovible sur les bras 7. Par exemple, elles peuvent être fixées par vissage ou sur un manchon, non représenté, coulissant bloqué en position par une goupille ou par toute autre technique connue en soi.

Grâce au mode de fixation des charnières 12 sur les bras 7, celles-ci peuvent se déplacer sur ces derniers et se regrouper dans une même zone, par exemple au voisinage de l'extrémité du bras 7 fixé à l'axe 2. Dans cette position, représentée à la figure 4, les charnières 12 et les panneaux 13 occupent un espace minimum, les faces 14, 15 des panneaux 13 étant orientées selon une direction globalement perpendiculaire aux bras 7.

Dans cette position, dite de repos, les panneaux 13 offrent le minimum de surface au vent. Dans ce cas, le poids de l'ensemble du dispositif est suffisant pour éviter la rotation de la roue 1. Une telle position est particulièrement utilisée, soit lorsque l'on désire ne pas utiliser d'énergie fournie par la roue 1, soit lorsque le vent est trop fort, ce qui risquerait d'entraîner une rotation de la roue trop rapide provoquant des détériorations sur l'installation.

En cas de vent très faible, voire nul, comme illustré à la figure 3A, les panneaux 13 peuvent être en position globalement perpendiculaire par rapport au bras 7.

Comme représenté sur les figures 3B et 3C par la flèche F,,, lorsque le vent appuie sur les panneaux 13, ceux-ci prennent une orientation angulaire qui les amène en appui, par l'une de leurs faces 14 ou 15, sur les bras 7. Cela, jusqu'à ce que les bras aient une orientation globalement perpendiculaire à la direction du vent. Lorsque les bras ont une orientation globalement supérieure à 90 degrés par rapport à la direction du vent, les panneaux 13 entament, sous l'effet du vent, une rotation autour des charnières 12 pour se remettre dans une position globalement perpendiculaire aux bras 7.

Ainsi, on obtient une rotation où les bras 7 et les panneaux 13 après avoir été face au vent remontent au vent à la manière d'un voilier. Dans tous les cas, les vitesses angulaires respectives des bras 7 sont globalement voisines de celle du vent ou du courant.

A titre d'exemple, une éolienne à axe vertical avec un mât 2 de 20 mètres équipé de quatre bras 7 de 10 mètres de long, représentant une surface totale de panneaux 13 d'environ 480 mètres carrés reçoit, avec un vent de 40 km/h, une poussée permettant de générer une puissance électrique d'environ 90KW.

On obtient ainsi une éolienne d'une hauteur beaucoup plus faible qu'une éolienne à axe horizontal. En effet, pour avoir un diamètre tournant de 20 mètres, une éolienne à axe horizontal doit avoir des pales de 10 mètres montées sur un mât d'au moins 25 mètres. Avec une éolienne à axe vertical, il n'est plus nécessaire d'augmenter la résistance du mât, le générateur étant situé au sol. De plus, l'occupation au sol peut être de deux à quatre fois supérieure à celle réalisée avec des éoliennes à axe horizontal, la hauteur moindre permettant de réduire la distance minimale entre deux éoliennes voisines pour éviter qu'elles s'entraînent dans la chute, par effet domino.

La figure 5 illustre un dispositif conforme à un autre mode de réalisation où des panneaux 13' sont unitairement de surface plus faible que dans le premier mode de réalisation. La roue 1' comporte plusieurs paires 10 de bras 7 superposées, en l'occurrence trois paires 10 de bras 7 supportant trois rangées de panneaux 13'. L'ensemble des bras 7 situés dans un même plan comporte une série de panneaux 13 se déplaçant de manière simultanée et unitaire lors de leur mouvement en rotation de manière analogue au déplacement des panneaux dans la précédente configuration. Une telle configuration permet d'obtenir une surface de travail globalement identique à la première configuration tout en diminuant les contraintes mécaniques unitaires exercées sur chaque paire 10 de bras 7.

De telles installations sont aisément utilisables avec des fluides autres que de l'air, notamment avec des roues hydrauliques utilisées en mer ou en cours d'eau.

Un tel système est configurable pour de faibles hauteurs, par exemple de 3 à 5 mètres, notamment pour des roues hydrauliques. Dans ce cas, il peut être disposé dans un courant maritime, dans un courant généré par la marée ou dans un courant rencontré dans un cours d'eau.

Le haubanage permet, notamment dans le cas d'utilisation hydraulique, de rigidifier l'ensemble. Il n'est plus nécessaire avec un tel système d'orienter une hélice dans le sens du vent ou du courant, ces derniers, à partir d'une certaine intensité, mettant eux-mêmes en rotation dans un sens ou dans l'autre le dispositif.

En variante, on peut relier la roue 1 à un autre dispositif qu'un générateur d'électricité, par exemple à un système de noria ou de pompage.

De même le nombre et la surface unitaire des panneaux 13 ou 13' est variable.

La forme de ceux-ci peut être différente de celle décrite.

Le nombre des bras 7 situés dans un même plan peut être supérieur à ceux définis et l'on peut imaginer un dispositif à six paires 10 de bras voire plus. Les dimensions d'une telle éolienne sont aisément adaptables aux sites d'implantation.

De même, le système de fixation des panneaux 13 ou 13' sur les charnières 12 peut être non définitif, par exemple un système de goupilles et d'orifices permet de solidariser les panneaux sur les charnières. Dans ce cas, les panneaux sont démontables et amovibles, ce qui facilite la maintenance.

De la même manière d'autres systèmes de mise en mouvement des charnières, par exemple par un jeu de tringlerie peut être envisagé.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Roue (1, 1') , de type éolienne ou hydraulique, entraînée en rotation autour d'un axe vertical, ladite roue comprenant des panneaux (13; 13') portés par des bras (7) sensiblement radiaux par rapport audit axe de rotation, caractérisée en ce que lesdits panneaux (13; 13') sont mobiles en translation le long desdits bras (7), disposés verticalement et montés libres en rotation (12) autour d'un axe géométrique (B-B') globalement parallèle à l'axe de rotation (2) de la roue (1, 1').

2. Roue selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque panneau (13; 13') est porté par deux bras (7) reliés à une extrémité (9).

3. Roue selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que lesdits panneaux (13; 13') sont libres en rotation entre deux positions (D,F) où lesdits panneaux ont une face (14, 15) en appui sur les bras (7) qui les portent.

4. Roue selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les panneaux (13; 13') montés sur un même bras (7) sont adaptés pour effectuer le même parcours (D, F) en rotation autour de leurs axes (B-B') de rotation respectifs.

5. Roue selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdits panneaux (13; 13') sont sensiblement adjacents lorsqu'ils sont en appui (14, 15) sur lesdits bras (7), de manière à constituer ensemble un panneau de surface voisine de la somme des surfaces unitaires des panneaux (13; 13').

6. Roue selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les panneaux (13; 13') sont articulés sur des organes de rotation, notamment des charnières (12), mobiles en translation le long desdits bras (7) radiaux.

7. Roue selon les revendications 4 et 6, caractérisée en ce que lesdits panneaux (13; 13') et lesdits organes de rotation (12) sont adaptés pour être rassemblés au voisinage de l'axe de rotation (2) de la roue dans une position où les faces desdits panneaux (13; 13') ne sont pas en appui sur les bras (7) qui les portent.

8. Roue selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite roue (1') est équipée de plusieurs paires (10) de bras (7) parallèles supportant plusieurs rangées de panneaux (13') parallèles.

9. Roue selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdits bras (7) radiaux et l'axe de rotation (2) de la roue sont haubanés (4, 6, 11).

10. Installation de conversion d'énergie mécanique, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une roue (1, 1') selon l'une des revendications précédentes, associée à un dispositif de transformation d'énergie, notamment un alternateur électrique (3).