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CA 02719518 2010-10-25
Description
Utilisation d'une turbine à axe vertical en éolienne suspendue
et en hydrolienne.
La prise de conscience actuelle des nuisances écologiques causées
par l'exploitation des ressources d'énergie fossile et nucléaire pour la
production d'électricité conduit, pour combler des demandes de plus
en plus grandes, à prioriser l'exploitation des sources d'énergies
renouvelables sans effet écologique nuisible. Jusqu'à présent la
production d'électricité à partir d'énergies renouvelables sur la
planète provenait principalement des barrages. Les sites exploitables
sont de plus en plus rares, aussi les énergies d'origine éolienne ou
hydrolienne pour la production d'électricité et la biomasse pour le
chauffage deviennent des sources intéressantes.
On distingue les éoliennes à hélice dont l'axe de rotation est
horizontal et les éoliennes à axe vertical. Les projets d'éoliennes à
axe vertical dont la présente invention fait partie, sont très variés. Ils
présentent certaines faiblesses au niveau de leur rendement
énergétique. Aussi l'amélioration de cet aspect a été un critère
essentiel pour les nombreuses propositions présentées dans les
projets et ce sera le cas pour la présente invention. Ainsi pour utiliser
efficacement la turbine à aubes, on place un déflecteur couvrant la
moitié de la turbine du côté dont le mouvement s'oppose au fluide.
Plusieurs brevets choisissent de placer les turbines côte à côte
formant des paires de turbines avec un déflecteur commun aux deux
turbines (brevets CA2546750 et CN201193588). Les modèles de
type Savonius et Darrieus sont la base de plusieurs projets (brevets
CA2528714 et CA2216975). Le brevet (US7315093) décrit un
système éolien pour équiper des bâtiments en plaçant des turbines à
plusieurs endroits des bâtiments. On rencontre également des
systèmes avec des roues dont les pales sont pivotantes (brevets
EP2022980, WO 2009061300 et US 5226806), un système à deux
turbines verticales (brevet US 6674181), des systèmes avec plusieurs
panneaux (brevets US 4455491 et FR 2776719).
L'hydrolienne capte l'énergie cinétique de l'eau en se servant
d'hélices, de turbines ou de roues à aubes de la même façon que
l'éolienne le fait avec le vent. Les hydroliennes évoluent dans un
environnement agressif pour le matériel. On trouve des installations
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flottantes ou fixées au fond de l'eau. Parmi les brevets qui décrivent
des hydroliennes possédant une fixation au fond de l'eau on peut
citer les brevets FR 2879679, EP1467093, US2006127210 et
US4383797. Les brevets W02008114019 et GB2348249 proposent
des systèmes à hélices, maintenus en place dans le courant par leur
fondation au fond de l'eau et par des flotteurs les tirant vers le haut.
Le brevet W09902853 de Carstens Torkild de Norvège (1999)
propose une hydrolienne originale avec des paires de turbines à axe
verticale soutenues par une poutre hydrodynamique pourvue de
ballasts qui permet de la maintenir entre deux eaux dans le courant.
Cette solution demande des moyens assez imposants pour sa mise en
place et pour son entretien notamment si l'éolienne comporte un
grand nombre de turbines. Le brevet FR2878000 de Philippe
Boisneau de France (2006) décrit une hydrolienne flottante à hélices
avec un système de ballast, un mât et un treuil formant une
installation imposante.
Les modèles d'éolienne à axe horizontal utilisant l'hélice sont les
plus utilisés. Mais ils présentent certains inconvénients pour ce qui
est de l'esthétisme, du bruit et des vibrations. De leur côté la plupart
des technologies hydroliennes existantes ont l'inconvénient majeur
qu'il faut intervenir sous l'eau pour leur entretien. La présente
invention va proposer l'utilisation d'un type de turbine à axe vertical
qui est capable d'être placée sur une éolienne ou sur une hydrolienne
et qui va éliminer ou tout au moins atténuer ces inconvénients.
L'éolienne proposée est silencieuse, les vibrations résiduelles sont
faibles, son esthétisme peut s'intégrer aux habitations et elle est
amovible donc facilement accessible pour son entretien par
l'utilisateur. L'hydrolienne proposée a sa partie mécanique et
électrique hors de l'eau et elle est également amovible, donc d'un
entretien facile.
La présente invention concerne une turbine à axe vertical
suspendue qui peut être utilisée en éolienne et en hydrolienne. Son
objectif est de réaliser des unités de production d'électricité simples à
fabriquer, à installer et à entretenir. Cette turbine est suspendue en
dessous d'un carter qui comprend les pièces mécaniques assurant la
transmission du mouvement de la turbine à un générateur. Elle peut
être munie d'un carénage pour améliorer ses performances, carénage
formant un déflecteur à l'avant et une queue à l'arrière qui place
spontanément le déflecteur de façon correcte à l'avant de la turbine.
L'utilisation de cette turbine en éolienne se fait en la suspendant
en l'air par un anneau ou un crochet fixé au carter. De nombreuses
installations différentes peuvent être utilisées à cette fin que ce soit
des installations existantes comme des balcons, des arbres ou des
installations plus spécifiques comme des poteaux et des mâts avec
potences. En équipant ces installations d'un treuil on favorisera la
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mise en place de la turbine et son retrait. L'entretien de l'éolienne
sera ainsi facilité car il pourra être effectué au sol. Il permettra aussi
de préserver le matériel qui pourra être retirer et mis à l'abri en cas
de tempête. La conception de la turbine permet l'utilisation de
matériaux de faible épaisseur donc plus léger. En plus de faire
tourner la turbine le vent aura tendance l'incliner. Ce phénomène
aura l'avantage de réduire les vibrations sur la structure portante
mais elle diminuera la vitesse de rotation de la turbine en diminuant
la surface au vent. En retenant la turbine par le bas avec un câble
élastique, on peut prendre le contrôle de l'inclinaison de la turbine,
donc de sa vitesse de rotation et de l'énergie captée en fonction de la
force du vent, ceci tout en atténuant les vibrations résiduelles.
Employée sur une hydrolienne, cette turbine est plongée dans
l'eau alors que le carter contenant les parties mécaniques et
électriques restent hors de l'eau. Une première application consiste à
utiliser les structures fixes liées aux berges comme un pont, une
poutre, un câble...pour soutenir l'hydrolienne. La turbine, pour se
maintenir en position verticale, aura besoin d'être lestée au niveau de
son extrémité inférieure. Dans la deuxième application le carter, qui
la supporte la turbine, est fixé sur une structure flottante solidement
amarrée en pleine eau.
Liste des dessins
Figure 1- Description du carter soutenant la turbine.
Figure 2- Construction de la turbine et de son carénage.
Figure 3- Effets de la présence du déflecteur sur les courants.
Figure 4- Fixation du carénage sur l'éolienne.
Figure 5- Installation de la turbine fonctionnant en éolienne
suspendue.
Figure 6- Installation de la turbine fonctionnant en hydrolienne
suspendue.
Figure 7- Installation de la turbine fonctionnant en hydrolienne
flottante.
Commentaires sur les dessins
Figure 1- Description du carter soutenant la turbine.
La turbine 1 est de forme cylindrique. Elle comporte un carénage
2. Elle est suspendue en dessous de l'axe 4 qui est lui même soutenu
par le carter 7. Celui-ci porte un générateur 3 et contient les éléments
nécessaires à la multiplication du mouvement de rotation de la
turbine 1 qui est transmis au générateur 3. Ceci est effectué par la
roue dentée 10 fixée sur l'axe 4 de la turbine qui entraîne par la
chaîne 9 la roue dentée 8, fixée sur l'axe 5 qui est lui-même porté par
le carter 7. Sur cet axe 5 est fixée également une poulie 6 qui
entraîne par la courroie 11 la poulie 12 du générateur 3. Les
roulements à billes et autres butées nécessaires au guidage des axes 4
et 5 pour le bon fonctionnement du système ne sont pas représentés
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sur la figure.
Figure 2- Construction de la turbine et de son carénage.
Cette figure montre la façon dont est construite la turbine, elle a la
forme d'une cage cylindrique dont les barreaux à la circonférence de
celle-ci sont composés par des ailettes 1.1 de section constante et de
forme arquée pour le captage de l'énergie du fluide en mouvement et
toutes dirigées dans le même sens. Les bases de la turbine sont
constituées par des cerceaux 1.2, des rayons 1.3 et des moyeux 1.4,
ces derniers reliant la turbine à ses axes supérieur et inférieur. La
base supérieure peut avoir un diamètre différent de celui de la base
supérieure, la turbine prenant dans ce cas la forme d'un tronc de
cône.
La turbine possède un côté actif pour capter le vent et un côté
résistant. C'est pourquoi un déflecteur de largeur inférieure au rayon
de la turbine peut être placé devant le bord de ce côté résistant pour
augmenter la surface active en faisant dévier le fluide destiné au côté
résistant sur la partie active de la turbine ce qui sera montrer dans le
dessin de la figure 3. Afin de maintenir le déflecteur dans une
position fixe par rapport à la turbine ce déflecteur est relié à une
queue, l'ensemble, déflecteur plus queue, constitue un carénage qui
sera laisser libre en rotation autour de la turbine, ceci avec le même
axe de rotation que la turbine. La queue 2.2 dont l'aire est supérieure
à l'aire du déflecteur 2.4 fait office de girouette et se placera en
arrière de la turbine ce qui maintiendra le déflecteur en position fixe
à l'avant de la turbine. Le carénage est constitué de deux moyeux 2.1
sur lesquels sont fixés les rayons 2.3 qui portent le déflecteur 2.4 et
la queue 2.2.
Figure 3- Effets de la présence du déflecteur sur les courants.
La figure vient en complément de la figure précédente en
montrant l'effet du déflecteur sur les courants de fluides rencontrant
la turbine. La présence du déflecteur au bord d'un côté de la turbine
augmente la surface active en déviant les courants destinés au côté
résistant. Pour être efficace l'angle que font les droites engendrées
par l'intersection des plans du déflecteur et de la queue avec un plan
horizontal doit être compris entre 90 et 180 degré. Un angle au
voisinage de cent trente cinq degré devrait convenir. La turbine telle
que proposée est creuse, le fluide peut la traverser, non seulement
l'énergie cinétique du courant est captée en frappant les ailettes lui
faisant face mais il en fait de même en sortant de la turbine.
Figure 4-Fixation du carénage sur l'éolienne.
En bas de la turbine l'axe 15 est laissé libre en rotation par rapport
au moyeu par l'emploi d'un roulement à bille non représenté sur la
figure. L'axe 15 est muni d'un anneau 16 qui sert au contrôle de
l'inclinaison de la turbine. Le carénage 2 est guidé en rotation en bas
de la turbine par l'axe inférieur de la turbine 15. La partie supérieure
du carénage 2 est guidé et porté par la pièce 13 fixée sur le carter 7
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plaçant l'axe du carénage dans le prolongement de l'axe de la turbine.
Le poids du carénage repose sur cette pièce qui est fixe ce qui ne nuit
pas à la rotation de la turbine. Un crochet ou un anneau 14 est fixé au
sommet de cette pièce 13 afin d'accrocher l'éolienne. La pièce 13 est
creuse et percée latéralement de deux trous pour le passage des fils
électriques provenant du générateur.
Figure 5- Installation de la turbine fonctionnant en éolienne
suspendue.
La turbine 1 est suspendue à l'extrémité d'une potence 19 en haut
d'un poteau 20. Elle est reliée par l'intermédiaire d'un câble 17 et des
poulies 18 à un treuil 21 qui est fixé à la base du poteau 20. Sous
l'effet du vent la turbine s'incline, pour limiter cet inclinaison on
peut:
-Appliquer une force supplémentaire vers le bas sur l'anneau
inférieur 16 par un câble élastique fixé au sol.
-Utiliser une turbine plus allongée et accrocher du lest à l'anneau
16.
-Mettre deux poteaux au lieu d'un pour soutenir l'éolienne et relier
l'anneau 16 par un câble élastique à chacun des poteaux par un
anneau 22 coulissant le long d'eux ce qui est montré par le dessin du
bas.
Figure 6- Installation de la turbine fonctionnant en
hydrolienne suspendue.
La turbine est plongée dans l'eau à partir d'une installation placé
sur la rive comprenant un câble 17, des poulies 18 , un treuil 21, une
potence 19 et un poteau 20 de façon similaire à l'installation
précédente. Pour maintenir la turbine le plus verticale possible on a
placé du lest 23 tirant vers le bas l'anneau inférieur 16.
Figure 7- Installation de la turbine fonctionnant en
hydrolienne flottante.
Le carter 7 qui soutient la turbine 1 est supporté par la plaque 24
qui repose sur des flotteurs 25. L'ensemble est amarré à des blocs
reposant au fond du courant. Les parties mécaniques et électriques
sont hors de l'eau. Seuls la turbine 1 et son carénage 2 sont plongés
dans l'eau. Pour ce type d'installation le haut du carénage est fixé
juste au-dessus de la turbine. Pour maintenir verticalement la turbine
on peut:
-Ajouter du lest sur l'anneau 16.
-Amarrer la turbine au fond toujours par cet anneau 16.
-Jouer sur l'assise de flottaison par la taille des flotteurs, leur
forme, leur nombre et leur disposition.
Avantages de la technologie:
-La fabrication des deux systèmes utilise de nombreuses pièces
courantes qui peuvent provenir de récupération (tôle, plaques, axes,
flotteurs, mâts, câbles... ).
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-Les solutions de mise en place de cette turbine comme éolienne
et comme hydrolienne sont nombreuses, multipliant d'autant les
applications possibles et elles peuvent bénéficier d'installations
existantes.
-Pour les deux applications, l'utilisateur peut prendre en charge
l'entretien de son système de production d'électricité bénéficiant de
l'accessibilité de son système.
-L'utilisation périodique des deux systèmes est facilité par
l'aisance de leur mise en place et de leur retrait.
-L'éolienne proposée est silencieuse, les vibrations sont atténuées
et son esthétisme peut s'intégrer aux habitations.
-Pour son utilisation sur une l'hydrolienne les éléments électriques
et mécaniques (générateur, roulements, axes, poulies...) sont hors de
l'eau.
