WO1996012105A1

WO1996012105A1 - Turbines eoliennes a axes multiples

Info

Publication number: WO1996012105A1
Application number: PCT/BE1995/000095
Authority: WO
Inventors: Pierre-Paul Adant
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-10-17
Filing date: 1995-10-17
Publication date: 1996-04-25
Anticipated expiration: 1997-04-17
Also published as: AU3738295A; BE1008859A6

Abstract

L'invention est une éolienne à axe vertical dont chaque pale, avantageusement en forme de secteur de cercle, est fixée à un arbre horizontal. Chaque pale et l'arbre horizontal effectuent soit un mouvement de rotation soit un mouvement oscillant faisant passer la pale de l'autre côté de l'axe vertical au moment où elle est parallèle à la direction du vent, ce qui permet à la pale de produire sous l'action du vent un couple moteur constamment dans le même sens sur l'arbre vertical. Le support de l'éolienne et la façon dont l'énergie du couple moteur est rendue utilisable varient selon les réalisations.

Description

Turbines éoliennes à axes multiples.

L'invention présentée, fait partie des éoliennes, c'est à dire des machines transformant l'énergie du vent en électricité, chaleur, ou mouvement.

Si l'on excepte certaines éoliennes d'un type tout à fait particulier, les turbines éoliennes sont généralement divisées en 2 types principaux: les éoliennes à axe vertical, et les éoliennes à axe horizontal. L'invention est une éolienne à axe vertical. L'inconvénient majeur des éoliennes à axe vertical est la force négative des pales remontant le vent.

Pour remédier à cet inconvénient, l'invention consiste à ajouter à l'axe vertical qui est l'axe principal, un ou plusieurs axes horizontaux

Sur chaque axe horizontal est centré un arbre horizontal solidaire d'une pale Chaque pale a avantageusement dans les réalisations décrites ci-après une forme telle que les lignes représentant deux côtés adjacents soient droites et se coupent en un point de l'axe horizontal correspondant. Cette forme est sensiblement celle d'un secteur de cercle, mais n'est pas exhaustive.

La pale et l'arbre effectuent un mouvement de rotation étudié de façon à placer la pale dans la position optimale par rapport à la direction du vent.

L'arbre horizontal, et donc la pale attachée à cet arbre, fera selon les réalisations un mouvement de rotation complet, ou un mouvement oscillant.

Le mouvement de rotation d'une pale autour d'un axe horizontal a dans les réalisations décrites la même vitesse angulaire que celle du mouvement d 1 c ^• •>•^••' ^• t autour de l'axe vertical. Le rapport des vitesses angulaires peut varier po.:: .Ή réalisations.

Dans le cas du mouvement oscillant, la pale passe de l'autre côté de

r:.. J. ou s'efface au moment où cette pale est parallèle au vent

Les avantages obtenus, grâce à cette invention sont les suivants: -outre les avantages propres à l'énergie éolienne, qui sont pour rappel:

-l'énergie éolienne est une énergie propre qui n'a pas d'influence sur l'écosystème humain,

-l'énergie éolienne est particulièrement rentable dans les sites isolés,

-l'énergie éolienne donne une sécurité d'approvisionnement dans les sites isolés,

-à long terme les combustibles fossiles vont en s'épuisant et seront de plus en plus chers,

-les moyens de stockage de l'énergie qui s'améliorent constamment, apportent un attrait supplémentaire, -l'invention apporte les avantages suivants:

1. l'avantage principal par rapport aux éoliennes à axe vertical de type conventionnel, est l'escamotage de la pale remontant le vent, supprimant ainsi son couple de force négatif sur l'arbre vertical,

2. par rapport aux éoliennes à axe horizontal, l'avantage est qu'il ne faut pas de profil d'aile sophistiqué, pas de mécanismes complexes de transmission, de calage des hélices, de protection contre le décrochage, etc.,

3. la fabrication et l'installation sont faciles, pour des tailles petites et moyennes, (Le gigantisme conduirait aux mêmes problèmes que pour les autres types d'éolienne.), 4. la sensibilité à la variation de direction du vent est faible, le mécanisme d'adaptation à la direction du vent peut être conçu de manière à être simple et efficace,

5. les coûts de fabrication, d'entretien, de surveillance, sont réduits, le rapport énergie/coûts est très favorable, 6. pour certaines réalisations, la stabilité est particulièrement importante, avec une infrastructure basée sur des essieux horizontaux portant des roues parcourant des cercles sur le sol ou sur un plan incliné. Selon la dimension de éolienne, cette base tournante peut être adaptée quant à la dimension et au nombre d'essieux porteurs, au nombre et aux dimensions des roues. En plus des essieux et des roues, la technologie de l'automobile peut également apporter les amortisseurs, les freins et les boites de vitesse utiles pour le roulement de l'infrastructure autour de l'axe vertical.

D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront des revendications secondaires et de la description des dessins qui sont annexés au présent mémoire et qui illustrent, à titre d'exemples non limitatifs, quelques modes de réalisation de l'invention parmi d'autres possibles.

Les figures la, lb, le et Id représentent une éolienne à pale rotative unique, cette pale tourne autour d'un axe horizontal avec la même vitesse angulaire que l'ensemble autour de l'axe vertical.

La figure la est une vue en élévation et en coupe avec brisures, suivant le plan DD'.

La figure lb est une vue en coupe partielle de la figure la, avec brisures, suivant le plan AA*. La figure 1 c est une vue en coupe de la pale au niveau du plan BB' de la figure 1 b.

La figure ld représente partiellement l'éolienne des figures la et lb après une rotation de 90 degrés de la pale par rapport aux axes.

La figure le représente une éolienne du même type que celle de la figure la, mais avec deux pales tournant en sens opposés. La figure lf représente une éolienne du même type que celle de la figure la, mais avec deux pales tournant dans le même sens. Les figures 2a & 2b représentent en élévation et en coupe partielle, avec brisures, une turbine éolienne à pale oscillante.

La figure 2b représente réolienne quand la pale est parallèle au vent, c'est à dire deux fois pour chaque rotation de l'arbre vertical.

La figure 2a représente l'éolienne après une rotation de 90 ou 270 degrés de l'arbre vertical, par rapport à la position de la figure 2b.

La pale reste toujours du même côté de l'axe vertical par rapport à la direction du vent, en donnant un couple de force sur l'arbre vertical, toujours dans le même sens.

Les figures 3a & 3b représentent en élévation, avec brisures, une turbine éolienne à pale pendulaire.

La figure 3a est une vue en coupe de la figure 3b, suivant le plan CC.

La figure 3a peut aussi représenter éolienne de la figure 3b après une rotation de 90 degrés de l'arbre vertical.

Les figures 4a, 4b et 4c montrent en coupe suivant le plan EE' (figure 4a) et en élévation (figure 4b et 4c) une réalisation, dans laquelle la pale est remplacée par des voiles escamotables. Chaque voile se déploie, ou se replie dans un profilé en U grâce à l'action du vent sur une plaque dont la surface est perpendiculaire au plan de la voue Diverses réalisations sont décrites ci-dessous, elles ne sont pas exhaustives, m dans les réalisations proprement dites des éoliennes, ni dans les types de support des eo ennes, ni dans les façons dont ces éoliennes captent et transmettent l'énergie du vent

Les figures la, lb, le & ld représentent une éolienne à pale rotative unique Dans cette réalisation, l'arbre vertical 115 de l'éolienne est soutenu par un

l ru- 102 et transmet le couple moteur par des poulies 103 au groupe 104 producteur d'électricité.

A l'exception du pignon conique 105 solidaire de la direction du vent et lirrc pa' rapport à l'arbre vertical 115, l'ensemble de la partie haute est solidaire de I arbre vertical 115 et lui donne son couple de rotation.

La pale 108 de préférence en forme de secteur de cercle est fixée sur l'arbre horizontal 116. La roue dentée 106 fixée sur cet arbre ayant le même nombre de dents que la roue dentée 105 impose à la pale 108 une vitesse de rotation angulaire (dans le sens de la flèche 114) autour de l'axe horizontal 107 égale à la vitesse angulaire de l'ensemble autour de l'axe vertical 101.

Cette disposition impose à la pale 108 de rester (sauf un court instant en position parallèle au vent) du même côté de l'axe vertical 101, par rapport à la direction du vent (flèche 110). La figure 1 d montre la position de la pale après un quart (ou trois quarts) de tour de rotation (par rapport à la position de la figure la) de l'arbre vertical 115, la direction du vent est alors perpendiculaire à la pale 108.

Le profil de la pale 108 est montré à la figure le, ce profil permet à la pale de profiter de la portance autant que de la traînée produites par le vent sur la pale. La portance produit un couple moteur complémentaire sur l'arbre horizontal 116. La plaque 109 a deux fonctions. Elle sert de contrepoids à la pale 108 pour l'équilibrer par rapport à l'axe 107. De plus, elle produit un couple moteur sur l'arbre 116 dans le sens de rotation de cet arbre quand la pale 108 est parallèle au vent De plus cette plaque 109 se place de profil lorsque la pale 108 est perpendiculaire au vent, comme dans la figure ld. L'ensemble formé de la pale 108 et la plaque 109 étant du même côté de l'axe vertical

101, il peut être nécessaire de placer un contrepoids 113, pour l'équilibrage de l'ensemble par rapport à l'axe vertical 101.

La roue dentée 105 est solidaire de la dérive 115 et est donc fixe par rapport à la direction du vent Un contrepoids 112 peut être nécessaire pour équilibrer le poids de la dérive 1 15

Les figures le & lf représentent des éoliennes de même type que celle des figures la à ld mais sont à pales rotatives multiples.

A la figure le deux ensembles "pales 158 et plaques 159" sont placés de chaque côté de l'axe vertical 151 sur l'arbre horizontal 161

Par le jeu des roues dentées 155 & 156 les deux ensembles 158 & 159 tournent dans des sens différents par rapport à l'axe horizontal 157

L'équilibrage part rapport à l'axe vertical 151 est résolu, et la puissance captée est presque doublée par rapport à la réalisation des figures la, lb, le et ld

A la figure lf, deux ensembles "pales 178 et plaques 179" sont placés de chaque côte de l'axe vertical 171 respectivement sur deux arbres horizontaux 181 &182 Par le jeu des roues dentées 174, 175 &176, les deux ensembles 178 & 179 tournent dans le même sens sur leurs axes respectifs 177 & 173 L'axe 173 n'est pas obligatoirement parallèle a l'axe 177

Les figures 2a & 2b représentent une éolienne à pale oscillante Cette réalisation est constituée d'une pale 201 de préférence en forme de secteur de cercle centré sur l'axe horizontal 208 La pale, solidaire d'un arbre horizontal 21 1, oscille autour de l'axe horizontal 208 correspondant L'arbre horizontal 21 1 est soutenu par une fourche 205 solidaire de l'arbre vertical 202 La pale est solidaire d'un essieu 206 placée dans le plan de la pale 201 et perpendiculaire à son axe médian 212 A l'extrémité de cet essieu 206, des roues 207 effectuent un mouvement de rotation autour de l'axe médian 212 de la pale, sur un plan incliné 204 Ce plan incliné 204 est libre par rapport à l'arbre vertical 202 et s'oriente en fonction de la direction du vent II est retenu sur l'arbre vertical 202 par le collier

209.

Dans les figures 2a et 2b, la direction du vent est perpendiculaire au plan du dessin

La figure 2b représente l'éolienne quand la pale est parallèle au vent, c'est à dire deux fois pour chaque rotation de l'arbre vertical 202

La figure 2a représente éolienne après une rotation de 90 ou 270 degrés de l'arbre vertical 202 par rapport à la position de la figure 2b.

La pale 201 reste toujours du même côté de l'axe vertical 210 par rapport à la direction du vent, donnant un couple de force sur l'arbre vertical 210, toujours dans le même sens Les dimensions de la pale oscillante 201 sont à déterminer en fonction de la force du vent et de la solidité des infrastructures: axe 202, pylône 203, ensemble du plan incliné 204, fourche 205, tige 206, et roues 207.

Dans certaines réalisations, le plan incliné 204 peut être placé au niveau du sol, ou sur un ponton flottant, pour gagner en stabilité. L'éolienne peut être avantageusement équipée de pales de type S AVONIUS, ou combinées avec une ou plusieurs autres éoliennes du même type, pour éviter l'arrêt sur la position de la figure 2b.

Une autre réalisation peut consister en deux pales placées perpendiculairement, se coupant suivant leurs axes de symétrie 212. Chaque pale est munie d'un essieu et de roues. La fourche 205 des figures 2a et 2b est remplacée par un joint de Cardan.

Les figures 3a & 3b représentent une éolienne à pale pendulaire.

Cette réalisation est constituée d'une pale 301 en forme de secteur de cercle. Le cercle est centré sur l'axe horizontal 308. La pale solidaire d'un arbre horizontal 316 oscille autour de l'axe horizontal 308 correspondant. L'arbre horizontal 316 est soutenu par une fourche 305 solidaire de l'arbre vertical 302.

Dans l'exemple l'arbre vertical 302 de Téolienne transmet le couple moteur par une boite de vitesse 303 au groupe 304 producteur d'électricité.

Les bords circulaires de la pale 301 oscillent dans un profilé en U 306, qui reprend la poussée produite par le vent sur la pale 301. Un dispositif de rouleaux (non indiqué sur le dessin) entre la pale 301 et le profilé en U 306 facilite le glissement de la pale dans le profilé 306.

Le profilé en U est solidaire (en trois points dans l'exemple dessiné) d'un essieu 307 au bout duquel des roues 310 assurent le support au sol, et la stabilité du mouvement de rotation. L'équilibre de l'ensemble est assuré par un deuxième essieu 309, perpendiculaire au premier et munis de roues 311.

Les essieux 307 & 309 sont joints par des entretoises (non indiquées sur le dessin) pour solidifier l'ensemble.

Il existe diverses façons de provoquer l'oscillation de la pale 301 de l'autre coté de l'axe vertical 302 au moment de son passage parallèlement au vent.

Dans la réalisation représentée, ce passage est provoqué par l'action du vent (flèche

313) sur une plaque 312 disposée dans le prolongement de la pale 301, perpendiculairement à celle ci.

Cette plaque 312 est solidaire de la pale 301 par une tige 314 prolongeant l'axe médian de la pale 301.

Les dimensions de la pale 301 sont à déterminer en fonction de la force du vent et de la solidité des infrastructures: axe vertical 302, profilé en U 306, fourche 305, essieux de support 307 & 309, et roues 310 &311.

Les figures 4a, 4b & 4c représentent une éolienne à voiles escamotables.

Un arbre vertical 401 est muni de 2 à 6 tendeurs de voile (trois dans l'exemple de la figure 4a). Un seul tendeur est représenté dans les figures 4b & 4c. Chaque tendeur se compose d'un profilé en U 402 dans lequel est repliée une voile 403 à l'état de repos. Cette voile se déploie en éventail 404 et se replie, à chaque rotation de 180° de l'arbre 401, lors de son passage parallèlement à la direction du vent (flèche 408). La voile 404 est tirée ou repoussée par la tige 405, par laquelle elle est fixée. La tige 405 tourne avec l'arbre horizontal 409 solidaire d'une autre tige 406, au bout de laquelle est fixée une plaque 407 perpendiculaire au plan de la voile. C'est l'action du vent (flèche 408) sur cette plaque 407 qui fait osciller l'ensemble des tiges 405 et 406 et d l'arbre 409 à chaque rotation de 180° de l'arbre vertical 401. La plaque 407 peut coulisser sur la tige 406 de façon à permettre le réglage fin au moment de l'installation. L'extrémité de la tige 405 et le bord circulaire de chaque voile peuvent avantageusement se déplacer dans un profilé en U de forme circulaire (non indiqué su le dessin) pour permettre une meilleure transmission de la force du vent sur infrastructure.

Pour réaliser l'invention: Les matériaux nécessaires sont "classiques". La fabrication des différents composants peut être réalisée, ou non, en série.

Suivant les résultats énergétiques escomptés, les tailles et les résistances de ces composants varieront.

La technologie automobile apporte ses composants (axes, roues, amortisseurs, freins, boites de vitesse, etc.) au type de support décrit dans la réalisation suivant les figures 2a et 2b, 3 a et 3b.

Le passage des pales oscillantes d'un côté à l'autre de l'axe vertical, ou l'ajustement de pales tournantes au moment de leur passage sous le vent peut être effectué, pour de grandes éoliennes, par une motorisation dépendant d'un système externe de détection de la direction et de la force du vent.

Dans les réalisations suivant les figures 1 à 3, les pales peuvent être construites en matériaux rigides ou faites de voiles tendues.

Les applications industrielles sont celles de toutes les éoliennes, leur but est de produire de l'électricité, de la chaleur, et/ou du mouvement. Le mouvement peut, entr autres, servir au pompage d'eau. II doit être entendu que l'invention n'est nullement limitée aux formes de réalisation décrites et que bien des modifications peuvent être apportées à ces dernières sans sorti du cadre des présentes revendications.

Claims

O 96/12105 PC17BE95/00095

o Revendications.

1. Eolienne du type à axe vertical caractérisée en ce que chaque pale, avantageusement mais pas obligatoirement en forme de secteur de cercle, est fixée à un arbre horizontal, chaque pale et l'arbre horizontal qui lui est solidaire effectue soit un mouvement de 5 rotation complet, soit un mouvement oscillant faisant passer la pale de l'autre côté de l'axe vertical au moment où la pale est parallèle à la direction du vent, ce qui permet dans les deux cas, à la pale soumise à l'action du vent, de produire un couple moteur constamment dans le même sens sur l'arbre vertical.

10 2. Eolienne du type à axe vertical, selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est composée d'un arbre vertical et d'un arbre horizontal sur lequel est fixée une pale dont, par un jeu de roues dentées, la vitesse angulaire de rotation autour de l'axe horizontal est maintenue strictement égale à la vitesse de rotation angulaire de l'ensemble autour de l'axe vertical, ce qui permet à cette pale de rester pratiquement

15 du même côté de l'axe vertical par rapport à la direction du vent et de fournir un couple moteur toujours dans le même sens sur l'axe vertical, à condition qu'un dispositif tenant compte de la direction du vent fasse passer la pale de profil au moment de son passage parallèlement au vent. 0 3. Eolienne du type à axe vertical, selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comporte une seconde pale sur le même arbre horizontal de l'autre côté de l'axe vertical, et en ce que ces deux pales tournent dans des sens opposés en restant toutes les deux pratiquement du même coté de l'axe vertical par rapport à la direction du vent. 5 4. Eolienne du type à axe vertical, selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comporte une seconde pale sur un autre arbre horizontal de l'autre côté de l'axe vertical et en ce que ces deux pales tournent dans le même sens en restant toutes les deux pratiquement du même coté de l'axe vertical par rapport à la direction du vent. 0 5. Eolienne du type à axe vertical, selon la revendication 2 à 4, caractérisée en ce qu'elle comporte des plaques, chacune étant située perpendiculairement et dans le prolongement de chacune des pales, servant de contrepoids à la pale par rapport à l'arbre horizontal correspondant, et de prise complémentaire de l'effort du vent au moment où la pale est parallèle à la direction du vent. 5

6. Eolienne du type à axe vertical, selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un arbre horizontal soutenu par une fourche, sur lequel est fixée une pale avantageusement mais pas obligatoirement en forme de secteur de cercle qui oscille à chaque passage parallèlement à la direction du vent pour se placer toujours du même 0 coté de l'axe vertical par rapport à la direction du vent, et produire ainsi un couple moteur constamment dans le même sens sur l'arbre vertical. 7. Eolienne du type à axe vertical, selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comporte un arbre horizontal solidaire d'une fourche, sur lequel est fixée une pale avantageusement mais pas obligatoirement en forme de secteur de cercle, qui tourne autour de son axe médian, pour se placer toujours du même coté de l'axe vertical par rapport à la direction du vent, produisant ainsi un couple moteur sur l'arbre vertical toujours dans le même sens; la pale étant solidaire d'un essieu muni de deux roues qui tournent autour de l'axe médian de la pale sur une plaque inclinée, qui s'oriente en fonction de la direction du vent.

8. Eolienne du type à axe vertical, selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comporte une deuxième pale perpendiculaire à la première, la coupant en son axe médian, munie d'un essieu et de roues tournant sur le même plan incliné, la fourche étant remplacée par un joint (de Cardan ou autre).

9. Eolienne du type à axe vertical, selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comporte un arbre horizontal solidaire d'une fourche, sur lequel est fixée une pale en forme de secteur de cercle qui oscille à chaque passage parallèlement au vent pour se placer toujours du même coté de l'axe vertical par rapport à la direction du vent, produisant ainsi un couple moteur sur l'arbre vertical toujours dans le même sen l'ensemble est posé sur une infrastructure comprenant des essieux et des roues supportant l'axe vertical et un profilé en U dans lequel oscille la pale et qui transmet la poussée du vent sur la pale à rinfrastructure.

10. Eolienne du type à axe vertical, selon les revendications 1 & 6, caractérisée en ce que les pales sont des voiles et en ce que l'éolienne comporte un arbre vertical muni de tendeurs de voile, chaque tendeur se composant d'un profilé en U dans lequel est repliée une voile à l'état de repos, qui se déploie en éventail et se replie, alternativement à chaque rotation de 180° de l'arbre vertical, lors de son passage parallèlement à la direction du vent, par un mécanisme comprenant une tige à laquelle la voile est attachée et qui tourne autour de l'arbre horizontal, lui même solidaire d'un autre tige, au bout de laquelle est fixée une plaque que le vent pousse pour rentrer ou sortir la voile du profilé en U à chaque rotation de 180° de l'ensemble autour de l'arbr vertical.