FR2883047A3 - Dispositif de conversion d'energie eolienne en energie electrique ou mecanique - Google Patents

Abstract

La présente invention se rapporte à un dispositif (10) de conversion de l'énergie éolienne générée par la force du vent en énergie électrique ou mécanique comprenant au moins une base (12) et un axe de rotation (15) sur lequel est monté au moins une pale (20) destinée à capter l'énergie cinétique du vent, caractérisé en ce l'axe de rotation (15) est sensiblement horizontal et la, ou chaque, pale (20) présente une dimension longitudinale principale qui s'étend le long dudit axe de rotation (15) et sensiblement sur toute sa longueur.

Description

DISPOSITIF DE CONVERSION D'ENEIRGIE EOLIENNE EN ENERGIE

ELECTRIQUE OU NIECANIQUE

L'invention se rapporte à un dispositif pour convertir l'énergie éolienne générée par la force du vent en énergie électrique ou mécanique, et plus particulièrement à une éolienne à axe horizontal fournissant de l'énergie électrique.

Il existe depuis des siècles des dispositifs utilisés pour capter l'énergie cinétique du vent et la convertir en énergie utilisable par l'homme. Les moulins transforment ainsi la force du vent soufflant dans leurs pales en une énergie mécanique utilisable par exemple pour moudre du grain. De petites turbines à ailettes comme celles qui existent encore dans l'ouest des Etats-Unis, ont également été utilisées pour pomper de l'eau à l'aide de la force du vent.

Depuis quelques décennies, et notamment pour des raisons écologiques, les éoliennes se sont développées rapidement au point de devenir une source d'énergie électrique de plus en plus intéressante en terme de coût et de rendement, ainsi que d'impact extrêmement faible sur l'environnement, c'est-à-dire en terme de pollution de l'air. Leur fonctionnement est en outre relativement simple. Lorsqu'il se met à souffler, le vent exerce un système de forces sur chaque pale qui forme le rotor ou l'hélice de l'éolienne. Le rotor, monté le plus souvent dans une nacelle externe, se met alors à tourner autour de son axe de rotation sensiblement horizontal. Par ailleurs, un alternateur, par exemple à induction, est associé à l'axe du rotor. Cet alternateur, ou générateur, est chargé de transformer la rotation des pales en énergie de façon à fournir un courant électrique à fréquence stable qui peut éventuellement être stocké dans des accumulateurs avant d'être délivré, ou bien être utilisé immédiatement, notamment pour éclairer une ville.

L'efficacité maximum de l'éolienne est obtenue lorsque l'hélice est face au vent, donc perpendiculaire. Sur les grandes éoliennes, une petite girouette/anémomètre située sur le côté ordonne à la nacelle de s'orienter vers une autre direction lorsqu'elle détecte que le vent a tourné.

La puissance de l'éolienne, c'est-à-dire le nombre de kilowatts qu'elle peut fournir, est déterminée par la surface balayée par les pales qui 35 correspondant, dans cas présent, à un disque.

Le nombre de pales n'importe pas car deux grandes pales peuvent fournir plus de puissance que trois pales, l'énergie produite par le vent étant proportionnelle au cube de la vitesse dudit vent.

L'emplacement de l'éolienne est également particulièrement important. II est préférable de la placer dans des zones à fort vent, tout en évitant les bourrasques au profit d'un courant plus régulier. Les éoliennes sont donc le plus souvent placées sur des collines, ou bien présentent des mâts de grande hauteur pour capter le maximum de courant d'air. Certaines éoliennes peuvent ainsi avoir un mât de plus de 40 mètres de hauteur et des pales de 30 mètres d'envergure, ce qui constitue un inconvénient majeur à leur implantation, notamment en raison des nuisances visuelles et sonores produites.

En alternative aux éoliennes traditionnelles à axe de rotation horizontale et rotor à deux ou trois pales, il existe également des éoliennes de type Darrieus comportant un axe de rotation vertical et deux pales en forme de C s'étendant du haut au bas du mât et se faisant face de manière symétrique par rapport audit mât. Ce principe unidirectionnel a l'avantage de capter les vents d'où qu'ils viennent, sans nécessiter de mécanisme d'orientation. Cependant, ce type d'éolienne est très fragile et nécessite des dimensions très importante (plus de 100 m de hauteur) pour produire suffisamment d'électricité. De plus, dans la partie basse du mât, les vents sont faibles et une perte d'efficacité est constatée. En outre, une éolienne de ce type nécessite pas un moteur d'accompagnement pour la phase de démarrage. Par ailleurs, le générateur étant placé au niveau du sol, son changement entraîne le démontage du mât et des pales, ce qui est long, délicat et coûteux. Enfin, des haubans disgracieux sont nécessaires pour tenir le mât.

Pour toutes les raisons et inconvénients évoqués, les éoliennes actuelles ne donnent pas entière satisfaction. De plus, leur rendement électrique est encore faible ce qui implique d'en construire de plus en plus grandes et d'en placer un grand nombre pour former un parc d'éoliennes. Ceci peut engendrer une défiguration du paysage, des coûts de conception et de construction importants en raison de la dimension des pales et du mât ou du poids de la nacelle. Les études aérologiques et d'impact sur la nature et l'environnement sont également longues et coûteuses car il est nécessaire de choisir avec précision le lieu de leur implantation ainsi que leur disposition/orientation les unes par rapport aux autres. Les questions de sécurité et de fiabilité sont également à prendre en compte. L'éolienne reste une machine très exposée aux intempéries (glace, foudre, pluie et vents violents) et les risques de bris ne sont pas négligeables. La durée de vie d'une éolienne doit atteindre au moins 20 ans pour être rentable. Son entretien est également compliqué et coûteux car les différentes pièces sont sujettes à de fortes contraintes mécaniques ou thermiques à cause des vents fluctuants et/ou turbulents. Ainsi, les pales du rotor peuvent soit atténuer, soit renforcer les oscillations et vibrations des pièces et provoquer des fissures, voire une casse du mât et/ou des pales. Enfin, le comportement dynamique et les propriétés de fatigue, tant des matériaux utilisés que de la structure entière, doivent être étudiés très en amont et de manière précise.

Ainsi, l'invention a pour objet de résoudre au moins une partie de ces problèmes en proposant une éolienne ayant une disposition particulière des pales par rapport à leur axe de rotation.

Plus précisément, la présente invention se rapporte à un dispositif pour convertir l'énergie éolienne générée par la force du vent en énergie électrique comprenant au moins une base et un axe de rotation sur lequel est monté au moins une pale destinée à capter l'énergie cinétique du vent, dans lequel l'axe de rotation est sensiblement horizontal et la, ou chaque, pale présente une dimension longitudinale principale qui s'étend le long dudit axe de rotation et sensiblement sur toute sa longueur.

Afin de présenter une surface de prise au vent importante, chaque pale est essentiellement plane et présente la forme d'un quadrilatère.

Dans le but d'améliorer le rendement de chaque pale en combinant poussée d'air sur la face amont et aspiration d'air sur la face aval, chaque pale forme un panneau rectangulaire muni d'une fente longitudinale formant un passage d'air.

Avantageusement, la fente est située, par rapport à l'axe de rotation, à une distance comprise entre environ un tiers et deux tiers de la 30 largeur de la pale.

Afin de canaliser l'air traversant le dispositif, un châssis de guidage d'air entoure l'axe de rotation et chaque pale.

De préférence, le châssis présente un carter interne comprenant une entré d'air amont et une sortie d'air aval, et un carter externe entourant le carter interne de sorte qu'au moins une zone de passage d'air de l'amont vers l'aval est formée entre le carter interne et le carter externe.

Dans le but d'optimiser la circulation de l'air à l'intérieur du châssis, un déflecteur est inséré dans le carter interne et présente un passage supplémentaire d'air.

De manière avantageuse le dispositif comprend huit pales réparties de manière régulière autour de l'axe de rotation pour former un rotor.

Afin d'intégrer le dispositif à son environnement, le dispositif est adapté pour être placé au fond d'une vallée par exemple sous un pont, ou s'étendre en hauteur entre deux collines et former une partie de pont.

D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, faite en référence aux dessins annexés, donnés à titre d'exemple, et qui représentent respectivement: - la figure 1, une vue en coupe d'un dispositif de conversion de la force du vent en énergie électrique conforme à la présente invention, - la figure 2, une vue de face du dispositif de la figure 1, - la figure 3, une vue de détail de face d'une pale du dispositif de l'invention, et - la figure 4, une vue de détail en coupe de la pale de la figure 3.

Les figures 1 à 4 représentent un dispositif 10 conforme à la présente invention de conversion de la force du vent en énergie électrique, encore appelé éolienne.

Cette éolienne 10 présente une base 12 posée sur le sol et constituée par exemple par des montants en béton ou en métal, de 25 dimensions choisies en fonction du lieu d'implantation.

L'éolienne comporte également un axe de rotation 15 sensiblement horizontal qui s'étend le long de la base 12 et présente une longueur L. Des pales 20, au nombre de huit dans le présent mode de réalisation, se dressent perpendiculairement à l'axe de rotation 15 pour former un rotor 25. Chaque pale présente une dimension longitudinale principale I qui s'étend le long dudit axe de rotation, sensiblement toute sa longueur L. Chaque pale 20 se présente sous la forme d'un panneau plan 22 sensiblement rectangulaire. Les pales 20 sont identiques et réparties de manière régulière tout autour de l'axe de rotation 15, c'est-à-dire chacune à 45 l'une de l'autre.

Chaque pale 20 présente une fente longitudinale 24 située, par rapport à l'axe de rotation 15, à une distance comprise entre un tiers et deux tiers de la largeur h de la pale, par exemple à environ la moitié.

L'ensemble du rotor 25 est entouré d'un châssis 30 par exemple en matière plastique, en composite, en métal, ou en alliage de métal. Le châssis 30 comprend un carter interne 40 situé le plus proche des pales 20, un carter externe 50 entourant le carter interne 40 et supporté par la base 12, et un déflecteur 60 situé à l'intérieur du carter interne 50. Les carters externe et interne présentent, en coupe, des profils partiellement cylindriques pour épouser la forme extérieure du rotor 15.

Une large ouverture amont 42 est aménagée dans le carter externe 40 et une plus petite ouverture amont 52 est aménagée dans le carter interne 50 afin de faire office de bouches d'entrée d'air.

De même, une large ouverture aval 44 est aménagée dans le 15 carter externe 40 et une plus petite ouverture aval 54 est aménagée dans le carter interne 50 afin de faire office de bouches de sortie d'air.

Un espace de passage d'air 55 est aménagé entre le carter interne 40 et le carter externe 50, en partie haute et basse de l'éolienne 10.

Le déflecteur 60 présente une forme courbée complémentaire d'une partie haute 41 du carter interne. Ce déflecteur présente une ouverture intermédiaire 62 faisant office de sortie secondaire d'air, et il définit un passage d'air 65 avec une partie basse 43 du carter interne 40.

Le fonctionnement de l'éolienne 10 à axe horizontal et pales longitudinales de la présente invention est le suivant.

L'air entre à la fois par l'ouverture 42 du carter interne 40 et par l'ouverture 52 du carter externe 50. Deux courants d'air se créent, l'un traverse le rotor 25, l'autre passe dans le passage 55 aménagé entre les deux carters.

Le premier courant d'air, illustré par les flèches A, entre dans le carter interne 40. Une partie de l'air entrant dans le carter interne 40 pousse les pales 20 les unes à la suite des autres selon le sens de rotation F du rotor 25, comme illustré par les flèches Al, tandis qu'une autre partie de l'air traverse chaque pale 20 au niveau de la fente longitudinale 24, comme illustré par les flèches A2. Un phénomène d'aspiration est par ailleurs créé derrière chaque pale 20, en partie du fait de la présence de la fente longitudinale 24.

Lorsque le rotor 25 tourne au sein du carter interne 40, une partie du flux d'air arrive à l'ouverture 62 du déflecteur 60, comme illustré par la flèche A3. Cette partie du flux d'air ressort alors par le passage 65 aménagé entre le déflecteur 60 et la paroi inférieure 43 du carter interne 40. Les flux d'air ayant traversé le carter interne 40 sortent de celui-ci au niveau de son ouverture aval 44, comme illustré par les flèche A'.

Le second courant d'air, illustré par les flèches B, traverse le châssis 30 en passant par les passages 55 aménagés entre les deux carters, sans jamais entrer dans le carter interne 40 et donc sans avoir de contact avec les pales 20. Cet air créé une petite aspiration augmentant la rotation des pales 20 et améliorant donc le rendement de l'éolienne.

Au final, tous les flux d'air se rejoignent à l'ouverture aval 54 du carter externe 50 et s'échappent dans la nature.

Bien entendu, le rotor 25 est associé à un alternateur (non 15 représenté) pour générer du courant électrique grâce au mouvement de rotation des pales 20.

En variante, le dispositif conforme à la présente invention peut fournir de l'énergie mécanique, par exernple pour pomper de l'eau d'une nappe phréatique à l'aide par exemple d'un système de bras et de bielles.

Avantageusement, l'éolienne 10 est disposée dans une zone venteuse, de préférence avec un vent régulier plutôt que des bourrasques de force et apparition aléatoires. Ainsi, l'éolienne 10 peut être placée au fond d'une vallée, par exemple sous un pont, ou plus en hauteur, entre deux collines, et constituer éventuellement une partie de pont.

Les avantages de ce type d'éolienne sont les suivants: - meilleure répartition des efforts sur les pales, effet d'aspiration de l'air grâce à la fente longitudinale, - grande stabilité de l'arbre aux vibrations, et donc continuité du mouvement de rotation du rotor, division du flux d'air entrant en différents flux s'ajoutant, une seule pale sur les huit n'est successivement pas active , d'où un rendement important, - résistance à de fortes bourrasques de vent, - implantation facile en crête ou en vallée.

Il doit être bien entendu toutefois que la description détaillée, donnée uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'Invention, ne constitue en aucune manière une limitation, les équivalents techniques étant également compris dans le champ de la présente invention.

Ainsi, le nombre et/ou la forme des pales peuvent être différents, de même que leur répartition autour de l'axe.

Plusieurs fentes peuvent être aménagées au travers de chaque pale, être différentes entre chaque pale, linéaire ou de courbure adaptée.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Dispositif (10) de conversion de l'énergie éolienne générée par la force du vent en énergie électrique ou mécanique comprenant au moins une base (12) et un axe de rotation (15) sur lequel est monté au moins une pale (20) destinée à capter l'énergie cinétique du vent, caractérisé en ce l'axe de rotation (15) est sensiblement horizontal et la, ou chaque, pale (20) présente une dimension longitudinale principale (I) qui s'étend le long dudit axe de rotation (15) et sensiblement sur toute sa longueur (L).

2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel chaque pale (20) est essentiellement plane et présente la forme d'un quadrilatère.

3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel chaque pale (20) forme un panneau (22) rectangulaire muni d'une fente longitudinale (24) afin de créer un passage d'air (A2).

4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel la fente (24) 15 est située, par rapport à l'axe de rotation (15), à une distance comprise entre un tiers et deux tiers de la largeur (I) de la pale (20).

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un châssis (30) de guidage d'air entoure l'axe de rotation (15) et chaque pale (20).

6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel le carter présente un carter interne (40) comprenant une entré d'air amont (42) et une sortie d'air aval (44), et un carter externe (50) entourant le carter interne (40) de sorte qu'au moins une zone de passage d'air (55) de l'amont vers l'aval est formée entre le carter interne (40) et le carter externe (50).

7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel un déflecteur (60) est inséré dans le carter interne et présente un passage supplémentaire (62) d'air.

8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend huit pales (20) réparties de manière régulière autour de l'axe de rotation (15) pour former un rotor (25).

9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est adapté pour être placé au fond d'une vallée par exemple sous un pont, ou s'étendre en hauteur entre deux collines et former une partie de pont.