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CA 02523420 2005-10-24
WO 2004/099607 PCT/FR2004/001050
~~ Eolienne carénée auto-orientable »
La présente invention concerne une éolienne montée libre-
ment pivotante autour d'un axe de rotation vertical de façon à permettre
son auto-orientation naturelle face au vent et comportant une hélice ac-
s tionnée par le vent et coopérant avec un alternateur pour fournir de
l'énergie électrique.
Les spécialistes cherchent depuis longtemps à récupérer
l'énergie éolienne qui a l'avantage d'être propre, c'est-à-dire de ne pas en-
gendrer de pollution thermique ou chimique et parallèlement d'être iné-
to puisable.
Ces avantages sont toutefois compensés dans une large
mesure par une série d'inconvénients en particulier liés au caractère dis
persé et intermittent du vent ; il est en outre bien connu que les ~~ parcs »
d'éoliennes consomment beaucoup d'espace et ne fonctionnent pas sans
15 nuisances sonores.
Ces inconvénients font que le marché des éoliennes n'a pas
connu ces dernières années l'essor auquel on aurait pu s'attendre, et que
les perspectives de développement dans ce domaine sont aujourd'hui très
larges.
2o De manière plus précise, les éoliennes actuellement utili-
sées sont fréquemment équipées d'hélices à pales radiales et à axe hori-
zontal analogues à celles permettant la propulsion d'avions, mais en règle
générale beaucoup plus grandes.
De telles hélices coopèrent classiquement avec des dynamos
25 ou des alternateurs industriels équipés d'entrainements multiplicateurs
de vitesse, ce qui les rend lourdes, coùteuses, et de faible rendement.
Pour remédier à cet inconvénient, on a déjà proposé
conformément au document FR- 2 793 528, une éolienne équipée de pales
hélicoïdales inclinées vers l'amont portées par un moyeu de gros diamètre
3o ainsi que d'un carénage circulaire divergent de longueur relativement fai-
ble monté concentriquement au moyeu et entourant les pales à proximité
de leurs extrémités.
Dans une telle éolienne l'écoulement de l'air est guidé par
un ensemble diffuseur constitué par le moyeu et le carénage.
35 Ce dernier est divergent ce qui permet d'obtenir une survi-
tesse au droit des pales et augmente l'énergie transmise.
En outre, les pales obliques sont plus longues que des pales
radiales de même diamètre utile et sont actives sur toute leur longueur
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sans perte aérodynamique d'extrémité, ce qui augmente là encore le ren-
dement.
Cette éolienne s'est avérée à l'usage plus robuste, moins en-
combrante à puissance égale et moins bruyante que les éoliennes classi-
s ques.
Ces avantages sont notamment obtenus grâce à la présence
du carénage qui comporte de préférence un bord d'attaque arrondi suivi
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d'une carène épaisse et d'un bord de fuite mince divergent.
Ce carénage permet en effet de supprimer les turbulences à
1o l'origine du bruit et de créer, en coopération avec le moyeu, un ensemble
diffuseur convergent divergent permettant d'obtenir des conditions opti
males d'accélération du flux d'air dans sa section la plus étroite et par
suite l'entrainement optimal en rotation des pales.
De telles éoliennes doivent bien entendu comme toutes les
t5 éoliennes montées sur un mât vertical étre toujours orientées face au
vent ; elles sont donc tributaires d'organes d'orientation.
Ces organes sont à titre d'exemple constitués par des
~~ yaw » moteurs qui permettent d'orienter l'éolienne en fonction du vent,
par des « yaw sensor » qui indiquent le sens de rotation de l'éolienne ainsi
2o que par des dispositifs de gestion adaptés.
Or, de tels organes d'orientation sont onéreux et relative-
ment sophistiqués, donc exposés à des pannes, en particulier dans le cas
d'éoliennes de grande envergure.
Ces organes sont en outre de nature à entrainer des risques
2s d'emmêlement des càbles qui transmettent l'énergie.
Pour remédier à ces inconvénients, on a déjà proposé de
monter les pales d'une éolienne à la partie aval du moyeu dans le sens du
vent ou de lui adjoindre une dérive lui permettant de rester orientée face
au vent en toute circonstance ce sans avoir recours à des organes
3o d'orientation mécaniques.
Une telle configuration ne peut toutefois pas s'appliquer à
toutes les éoliennes en particulier aux éoliennes de grande dimension.
La présente invention a pour objet de proposer une éolienne
auto-orientable permettant de surmonter cette difficulté.
3s Pour concevoir une telle éolienne, on a eu l'idée d'utiliser le
carénage en tant que dérive.
Une telle éolienne auto-orientable conforme à l'invention
peut ainsi être de type quelconque, et avoir une petite, une moyenne ou
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une grande envergure à la condition d'être équipée d'un carénage diver-
gent.
Selon l'invention cette éolienne est montée pivotante autour
d'un axe de rotation vertical de façon à permettre son orientation face au
vent et comporte une hélice actionnée par le vent, qui est équipée de pales
portées par un moyeu d'axe horizontal ainsi qu'un alternateur coopérant
avec l'hélice pour fournir de l'énergie électrique, et un carénage circulaire
divergent de longueur relativement faible monté concentriquement au
moyeu et entourant les pales.
1o Cette éolienne est caractérisée en ce que son axe de rotation
est situé en amont du foyer des forces aérodynamiques résultantes géné-
rées sur le carénage par un vent axial, dans le sens de ce vent.
Une telle éolienne auto-orientable peut toutefois présenter
l'inconvénient de risquer de s'emballer lorsque la puissance de vent est
trop importante, mettant ainsi en danger les différents éléments de sa
structure.
Ce problème a déjà été abordé dans le cas d'éoliennes caré-
nées non auto-orientables.
Pour résoudre celui-ci, il a été proposé d'adjoindre à
l'éolienne un système de nature à faire pivoter l'intégralité de celle-ci, y
compris le carénage en présence de vents violents.
I1 s'agit cependant là d'un système à la fois lourd et coù-
teux.
Une autre possibilité consisterait à prévoir des organes de
z5 freinage en aval des pales. Un tel système est toutefois difficile à mettre
en
oeuvre dans la pratique.
Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, on a
pu surmonter cette difficulté en adjoignant au moyeu de l'éolienne des or-
ganes permettant de modifier l'orientation des pales par rapport au vent.
3o Les pales peuvent ainsi être ~~ effacées » par rapport au vent
en présence de vent violent.
De tels organes qui permettent de disposer de pales à pas
variable sont connus dans le domaine de l'aviation.
Leur adaptation à l'éolienne auto-orientable carénée
35 conforme à l'invention permet à celle-ci de fonctionner de façon satisfai
sante à de grandes vitesses de vent.
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La configuration particulièrement avantageuse de l'éolienne
conforme à l'invention sera explicitée en se référant aux dessins annexés
dans lesquels
- la figure 1 est une coupe schématique d'une éolienne conforme à
s l'invention par un plan vertical ;
- la figure 2 est une coupe schématique d'une éolienne conforme à
l'invention orientée face au vent V par le plan horizontal médian du ca-
rénage ;
- la figure 3 est une coupe schématique correspondant à la figure 2,
to mais dans laquelle l'éolienne est orientée obliquement par rapport au
vent V.
Selon la figure 1, l'éolienne est équipée d'un moyeu 10 d'axe
horizontal xx' équipé de pales 11 ainsi que d'un alternateur 12 et d'un ca
rénage circulaire divergent 1 monté concentriquement au moyeu 10 par
15 l'intermédiaire de bras de support 13 et entourant les pales 11.
Cette éolienne est montée pivotante sur un mat vertical 2
schématisé par un cercle sur les figures 2 et 3 par l'intermédiaire d'un pi-
vot 14.
Le carénage 1 a un profil aérodynamique particulier défini
2o par un bord d'attaque arrondi 3 suivi d'un extrados/intrados 4 et de bords
de fuite divergents 5.
Selon la figure 2, si l'on considère une section quelconque
du carénage 1 par un plan radial, la corde interne C a une longueur rela
tivement faible alors que le rayon moyen R correspond essentiellement à la
25 longueur des pales 11.
L'angle de la corde C et de l'axe x-x' du carénage 1 est de 5
à 30°.
Dans chaque plan radial, l'accélération du flux d'air à
l'intérieur du carénage 1 crée une force Fr qui peut se décomposer en
3o deux forces dont l'une est la portance élémentaire Fp tandis que l'autre
est
la tramée élémentaire Ft.
L'ensemble des forces aérodynamiques Frtotal générées par
le vent V peut se résumer en deux forces, à savoir une résultante Frd sur
le côté droit du carénage 1 et une résultante Frg sur le côté gauche du ca-
35 rénage 1.
Selon la figure 2 l'angle d'incidence du vent V sur la corde C
droite est égal à l'angle d'incidence du vent sur la corde C gauche et donc
la résultante Frd est égale à la résultante Frg.
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Le foyer Fc de ces deux forces se situe à une distance d de
l'axe de rotation 2 de l'éolienne, en arrière de cet axe.
L'éolienne est ainsi stable face au vent vu que la résultante
Frtotal est orientée sur l'axe xx'.
5 Selon la figure 3 si le vent V change de direction, ses angles
d'incidence sur les cordes C droite et gauche deviennent différents.
Par suite, la résultante Frd n'est plus égale à la résultante
Frg.
En conséquence la résultante Frtotal crée au niveau du
1 o foyer Fc un couple qui a tendance à faire revenir le système à
l'équilibre,
c'est-à-dire face au vent.
Selon la figure 1, une telle configuration permet donc, en
fait, d'utiliser le carénage en tant que dérive de façon à permettre une
auto-orientation de l'éolienne, face au vent.
Il est à noter que la distance d entre le foyer Fc et l'axe de
rotation 2 de l'éolienne et par suite la position de cet axe de rotation
jouent un rôle essentiel dans la dynamique temporelle du système : en
effet, plus la distance d est grande, plus le temps de réponse aux varia-
tions de direction du vent est court.
2o Différents facteurs doivent cependant étre pris en considé-
ration lors du choix de la position de l'axe de rotation 2 de l'éolienne, en
particulier
le temps de réponse de l'auto-orientation à partir du seuil initial de
production,
- le couple aérodynamique à partir du seuil initial de production qui doit
étre supérieur au couple résistant de l'axe de rotation,
- le couple du au poids de la machine ramenée sur l'axe de rotation ver-
tical,
- les contraintes mécaniques sur la couronne d'orientation,
- les contraintes financières et esthétiques.
