Bonjour,
L'autorisation de divulgation et d'exploitation vient de nous être accordée.
Eric et moi même avons le plaisir de vous présenter nos derniers travaux conceptuels.
Comme promis voici le descriptif de ce nouveau brevet de bi moteur éolien hyper technique et polyvalent déposé le 16 11 2012.
CO AUTEURS / INVENTEURS : Eric SORTINO et Pascal HA PHAM
.................................................................
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
L’invention est une machine de type aéromoteur entrainé par la force du vent et dont la cinématique fondamentale est une évolution notable des machines éoliennes décrites dans les 2 précédents brevets de moteurs éoliens déposés par Pascal HA PHAM : le brevet français N° 07 08238 déposé le 26/11/2007 (Mobile à flux élémentaire et à 2 plans de rotation imbriqués) et le brevet français N° 08 01249 déposé le 07/03/2008 (Eolienne type mobile à deux plans de rotation imbriqués et à couronne tournante).Pour mémoire, dans les 2 précédents brevets mentionnés ci dessus, la cinématique cyclée du biplan décrit / trace, dans un espace sphérique enveloppe, une courbe appelée par les mathématiciens « dôme de VIVIANI », ou encore « Clélie de Pappus » avec n = 1. Rappel de définition : les Clélies sont les lieux d’un point M d’un méridien d’une sphère tournante (selon une direction ouest/est par exemple) à vitesse constante « oméga » autour de son axe polaire sud-nord, ce point M se déplaçant aussi à la vitesse angulaire constante « n * omèga » sur son méridien (selon une direction pôle sud/pôle nord sur les premiers 180° puis pôle nord/pôle sud sur les 180° suivants, pour exemple). Antérieurement aux deux brevets cités ci-dessus, aucune machine éolienne n’était arrivée à exploiter de façon rentable les courbes de VIVIANI et/ou la cinématique des Clélies avec n = 1. La nouvelle version de cette machine générique baptisée à l’époque « ROBIPLAN » est intitulée « Deux aéromoteurs têtes bêches cyclés sur 4 temps avec surfaces de biplans photovoltaïques traçants des courbes de VIVIANI et contres couples de réglage au vent s’annulant sur axe de girouette », en synthèse c’est une double version de l’aéromoteur « ROBIPLAN » munie d’un système mécanique hyper réactif aux changements de directions du vent car agissant en marche sur les inclinaisons des biplans comme le fait un système de réglage de pas d’hélice. D’autre part ce nouveau double aéromoteur est équipé en option de surfaces de biplans photovoltaïques. La production globale de ce nouveau type de double machine éolienne est donc nettement améliorée : en situation de vents faibles et/ou turbulents, et en situation de bon ensoleillement.
LES EOLIENNES FACES AUX FORTS CHANGEMENTS DE DIRECTIONS DES VENTS
Un constat s’impose : les éoliennes actuelles à axes horizontaux, et en tout premiers les puissants aérogénérateurs actuels de type tripales sont inaptes à encaisser de brusques, fréquents et importants changement de direction des vents, ce constat était déjà vrai pour les anciens moulins à vents pour lesquels la masse de la tête ou la masse complète de la machine ne permet pas les indexations angulaires à la fois fréquentes, rapides et de valeurs importantes. Les turbulences caractérisants de nombreux sites / zones ventées y interdisent alors l’implantation d’éoliennes : de ce constat séculaire les aéromoteurs performants ne peuvent être installés durablement et efficacement que dans les régions ou la direction des vents dominants est stable et leur puissance suffisante. Les techniques marginales d’aérogénérateurs à axe vertical de type SAVONIUS ou DARRIEUS ne pallient que partiellement à la problématique des restrictions d’implantations car leurs rendements intrinsèques sont généralement plus faibles, tandis que leurs prises au vent sont généralement plus importantes. La présente invention palie totalement au problème en proposant un mécanisme global et spécifique n’agissant que sur l’angle d’incidence des plans à l’image d’un mécanisme de réglage de pas d’hélice d’avion ou de rotor d’hélicoptère : les masses à indexer sont très faibles et donc la réactivité du réglage (ou de l’indexation) est sans égal dans le monde des aérogénérateurs. D’autre part le concept de base de type « ROBIPLAN », déjà largement expérimenté sur des prototypes, présente un rendement intrinsèque plus fort et une prise au vent bien plus faible que les éoliennes de type SAVONIUS ou DARRIEUS (pour ne citer que ces deux modèles en exemple). Le double aéromoteur objet de ce brevet démarre et produit avec satisfaction y compris sous des vents extrêmement faibles, quand bien même ils sont turbulents et changent fréquemment et radicalement de directions.
SUR LES REGLAGES AU VENT D’UNE EOLIENNE TRIPALE
L’éolienne tripale possède deux réglages fondamentaux : un réglage du pas de son hélice en fonction de la vélocité du vent et indépendamment, un réglage de position azimutale de sa tête en fonction de la direction du vent. Seules les éoliennes tripale de petite taille peuvent être équipées d’un réglage azimutal au vent par une girouette de queue ou encore d’une petite éolienne de queue appelée FANTAIL par les anglo saxon et dont le rôle est d’entraîner la tête du moulin à vent sur un chemin circulaire équipé d’une crémaillère : le temps de réponse est alors très allongé car le mécanisme est fort démultiplié.
SUR LES REGLAGES DES EOLIENNES DARRIEUS ET SAVONIUS
Ces deux types d’éoliennes à axes vertical ne possèdent ni réglage de pas d’hélice, ni réglage d’azimut au vent
SUR LE REGLAGE AU VENT D’UN MONO MOTEUR « ROBIPLAN »
Sur le mono moteur éolien de type « ROBIPLAN », les systèmes de réglage de pas du biplan et de réglage azimutal au vent sont confondus en un seul réglage : celui ci est réalisé par l’indexation angulaire sur 360 °de la sortie centrale du couple conique, mais un important couple réactif et alternatif est transmis à l’arbre de pas /d’indexation au vent et ce couple réactif ne permet pas un pilotage de l’orientation au vent via une simple girouette : un cerveau moteur commandé est alors requis. Le montage et le calage de deux machines en opposition / annulation réciproques de leurs contres couples réactifs permet désormais le pilotage réactif et automatique de l’incidence globale des biplans grâce à une simple girouette.
LA SPECIFICITE DU CONCEPT DE L’EOLIENNE « ROBIPLAN »
C’est une éolienne à axe horizontal et à axe vertical à la fois. Définition de « ROBIPLAN » : ROtations BI imbriquées de deux PLANs orthogonaux. Cette éolienne possède un cycle de rotation assez particulier à 4 temps.
LES 4 TEMPS DU CYCLE, LE CALAGE ET LES CONTRES COUPLES REACTIFS
Chacune des deux machines de ce nouveau type de double aéromoteur montées têtes bêches, et calées contre rotativement, possède un cycle identique se déroulant sur un tour (un tour égal un cycle) :
Sur le premier temps (sur un quart de tour) :
- la motricité est crée par la poussée du vent - selon l’axe horizontal de machine - sur la partie en position verticale du biplan en rotation. Un coutre couple réactif est produit sur chaque axe satellitaire respectif de réglage d’incidence au vent : ce contre couple est positif sur l’aéromoteur du haut et négatif sur l’aéromoteur du bas. Lors du premier temps la partie verticale des biplans du haut est située en dessous de son axe traversant horizontal de rotation, la partie verticale des biplans du bas est située au dessus de son axe traversant horizontal de rotation .
Sur le deuxième temps (sur un quart de tour) :
- la motricité est crée par la poussée du vent - selon l’axe vertical de machine - sur la partie en position verticale du biplan en rotation. Un coutre couple réactif est produit sur chaque axe satellitaire respectif de réglage d’incidence au vent : ce contre couple est négatif sur l’aéromoteur du haut et positif sur l’aéromoteur du bas. Lors du deuxième temps la partie verticale du biplan du haut est située en partie latérale gauche de son axe traversant horizontal de rotation, la partie verticale du biplan du bas est située en partie latérale droite de son axe traversant horizontal de rotation (observateur face à la machine).
Sur le troisième temps (sur un quart de tour) :
- la motricité est crée par la poussée du vent - selon l’axe horizontal de machine - sur la partie en position verticale du biplan en rotation. Un coutre couple réactif est produit sur chaque axe satellitaire respectif de réglage d’incidence au vent : ce contre couple est positif sur l’aéromoteur du haut et négatif sur l’aéromoteur du bas. Lors du troisième temps la partie verticale des biplans du bas est située en dessous de son axe traversant horizontal de rotation, la partie verticale des biplans du haut est située au dessus de son axe traversant horizontal de rotation.
Sur le quatrième temps (sur un quart de tour) :
- la motricité est crée par la poussée du vent - selon l’axe vertical de machine - sur la partie en position verticale du biplan en rotation. Un coutre couple réactif est produit sur chaque axe satellitaire respectif de réglage d’incidence au vent : ce contre couple est négatif sur l’aéromoteur du haut et positif sur l’aéromoteur du bas. Lors du quatrième temps la partie verticale du biplan du haut est située en partie latérale gauche de son axe traversant horizontal de rotation, la partie verticale du biplan du bas est située en partie latérale droite de son axe traversant horizontal de rotation (observateur face à la machine).
Ce cycle à 4 temps est parfaitement pérenne pour chacune des deux machines aéromotrices. Les 2 machines montées têtes bêches et contre rotatives seront impérativement calées de telle sorte que, pour le début de leurs premiers temps respectifs, les surfaces de plans moteurs soient simultanément au dessus de l’axe horizontal traversant de son couple conique pour l’une et en dessous pour l’autre, ces plans sont alors simultanément positionnés dans un même plan vertical théorique (par convention pour réaliser un repère de calage réciproque et aisé des deux machines).
Tous les coutre couples réactifs et simultanés s’annulent via la liaison physique de chacun des deux axes satellitaires de réglage d’incidence au vent avec un axe long complémentaire, vertical et latéral (axe de girouette) équipé de 3 retours horizontaux (haut, médian et bas), de même longueur et à 90°, lui donnant ainsi la forme générique d’un trident en forme de « E ».
NATURE ET FONDEMENT DES DEVELOPPEMENTS OBJETS DU BREVET
Les prototypes issus des 2 précédents brevets cités plus haut ont bien révélés que l’axe central du couple conique permettait le réglage aisé de d’incidence au vent sur 360°, sans pour autant faire tourner l’ensemble de la tête de la machine générique (on l’a vu plus haut, c’est néanmoins le cas pour une éolienne tripales ou un moulin a vent traditionnel), mais qu’en corollaire, cet axe central de réglage d’incidence devait être successivement déverrouillé de sa dernière position, amené mécaniquement à une nouvelle position angulaire optimale pour y être re-verrouillé : cela implique une certaine lenteur de l’ajustement au vent avec recours à un mécanisme par vis sans fin non réversible (par exemple). De plus l’axe central de calage / réglage au vent possède une autre fonctionnalité principale non évidente : il assure le contre couple statique de la machine en fonctionnement productif : en résumé, la cinématique très particulière du biplan, selon deux axes de rotation imbriqués (courbes de VIVIANI / Clélie de Pappus) impose alors au levier de calage au vent un coutre couple dont la valeur relative sinusoïdale alterne 4 fois sur les 4 temps du cycle (un tour) et selon l’axe vertical de la machine. Cette nouvelle version de machine aéromotrice résulte d’un accouplement « têtes bêches » de deux machines génériques contre rotative de sorte que les coutre couples alternatifs produits par chacune des deux machines s’annulent continuellement / parfaitement via l’axe vertical secondaire et latéral (trident en « E ») destiné aussi à recevoir une girouette : par exemple sur l’extrémité haute de son retour de horizontal. De cette façon l’inertie d’orientation et l’énergie requise pour assurer le réglage au vent sont extrêmement réduits (voire nuls), et une girouette de petite taille suffit à réaliser un ajustement au vent en continu de la nouvelle double machine aéromotrice : la vitesse d’adaptation aux changements de directions des vents est très rapide voire instantanée, bien plus rapide que pour une machine traditionnelle de type aérogénérateur tripales (ou moulin à vent par exemple). Cette capacité intrinsèque de grande réactivité aux changements fréquents de direction des vents permet à cette nouvelle double machine d’être implantée efficacement et pratiquement n’importe ou, y compris au raz du sol. Une version bi énergie munie de surfaces de plans photovoltaïques vient encore renforcer l’efficacité globale de la nouvelle version de double machine éolienne. Ces améliorations constituent une évolution notable et spectaculaire des 2 précédents mono aéromoteurs de type « ROBIPLAN » qui nécessitaient un micromoteur à vis sans fin non réversible (trop lent) pour l’ajustement optimal à la direction des vents et ne possédaient pas la capacité à exploiter conjointement l’énergie solaire.
QUELQUES ILLUSTRATIONS CONCRETES DES AVANTAGES
Par exemple, ce nouveau type d’aéromoteurs double ne change pas de sens de rotation, ni ne perd de la puissance lors d’un changement rapide de 180° de la direction d’un vent de vitesse donnée.
Par exemple, ce nouveau type d’aéromoteurs permet de cumuler les variations annuels de puissance captées / prélevées à l’énergie du vent avec les variations de puissance captées / prélevées à l’énergie solaire, et ce avec une emprise au sol très réduite.
Par exemple, ce nouveau type d’aéromoteurs change de sens de rotation rapidement puis retrouve sa puissance nominale initiale, lors d’une modification volontaire (forcée) de l’indexage angulaire de 180° concernant l’axe de rotation secondaire latéral long et vertical de support de girouette.
ORIGINE ET GENESE DE L’INVENTION
Cette nouvelle invention fait suite à un travail indissociable réalisé courant 2012 par Eric SORTINO et Pascal HA PHAM. En synthèse, les multiples observations de fonctionnement des prototypes démonstrateurs réalisés par Pascal HA PHAM depuis le début de l’année 2008 (des vidéos ont été largement publiées et sont facilement accessibles via les traditionnels moteurs de recherches Internet : demander « ROBIPLAN VIDEO »), ces visionnages ont permis à Eric SORTINO de proposer, puis d’étudier et de valider collégialement avec Pascal HA PHAM les améliorations fondamentales proposées. Cette demande retient / hiérarchise déjà 2 développements techniques orchestrés entre les deux inventeurs. Cette double machine éolienne à base de moteurs génériques « ROBIPLAN » se démarque de tous les autres aéromoteurs éoliens en lui donnant de nouveaux axes pertinents de fonctionnements et d’exploitations rentables. Les prototypes réalisés courant 2012 par Eric SORTINO confirment les résultats espérés lors des études collégiales amont. Des plans théoriques de construction mécanique appliquée ont étés effectués en aval par Pascal HA PHAM. via les fondements mathématiques anciens (courbe de VIVIANI) et cycle / fondements cinématiques du traçage d’évolution (Clélie de Pappus) qui démarquent encore plus ce nouvel objet complexe de part ses origines lointaines et premières. Il est à noter qu’une double machine montée en série et appelée à l’époque « BIROBIPLAN » avait été étudiée et construite en 2008, mais elle ne donna pas les résultats escomptés en terme de gain de rendement et de pertinence de réglages : sur les 360° de réglages potentiels au vent, les deux machines montées en parallèle se faisaient mutuellement et séquentiellement de « l’ombre aérodynamique ». Il devenait alors évident que la seule solution restante était de les monter tête bêche - l’un au dessus de l’autre - suivant un axe vertical commun dans l’espace - les deux biplans tournent alors dans leur sphère enveloppe respective et de manière accouplée via un axe secondaire d’annulation des deux contre couples respectifs, permettant ainsi à cette nouvelle double machine éolienne de réagir aux vents de façon immédiate et efficace. L’adjonction optionnelle de cellules photovoltaïque sur les surfaces tournantes – ou biplans - de la dite double machine reste secondaire mais donne en plus à ce nouveau double aéromoteur un caractère de production bi énergie (possibilité d’exploitation connexe / simultanée de l’énergie éolienne et de l’énergie solaire ).
ETAT DE LA TECHNIQUE / AVANTAGES DE L’INVENTION
Dans le domaine des machines éoliennes, qu’elles soient de type aérogénérateur ou de type aéro élévateur d’eau, aucune ne peut posséder à la fois des pales (ou plans) parfaitement plans ayant un rapport longueur sur largeur proche de 1 et décrivant dans l’espace de telles courbes cyclées (VIVIANI et Clélies avec n=1), et aucune ne possède la capacité intrinsèque de produire de l’énergie en période d’absence ou d’insuffisance de vent. La machine objet de cette nouvelle invention produit de l’énergie électrique en absence totale de vent (ensoleillement minimum nécessaire), grâce à des surfaces de biplan planes et conséquentes avec un rapport longueur sur largeur pouvant être proche de 1 et pouvant intégralement être couvertes de cellules photovoltaïques lesquelles surfaces sont intrinsèquement / facilement azimutables (exploitation maximisée du soleil grâce aux fonctionnalités mécaniques de réglage d’incidence au vent = réglages angulaires tous azimuts et suivi équatorial de la machine arrêtée concernant l’un des 2 plans face au soleil (tracking). De plus, et en présence de vent et de soleil à la fois, la production globale d’énergie de cette nouvelle machine est la somme de sa production photovoltaïque et de sa production d’énergie issue de la fonctionnalité d’aérogénérateur (aéromoteur), l’orientation cyclée selon une trace dans l’espace de type Clélie de Pappus (avec n = 1) pour le « biplan photovoltaïque » permet alors une exploitation de l’énergie solaire non négligeable et la cinématique de la machine tournant dans le vent permet une exploitation de l’énergie éolienne optimisée. Dans les régions peu ventées et assez ensoleillées, la machine donnera une production annuelle assurément supérieure à celle de n’importe quel autre type d’aérogénérateur affichant une surface totale de pales (plans) similaire.
Autre avantage : dans les périodes de vent dynamique et de fortes chaleurs de milieu de journée, les cellules photovoltaïques restent à une température très proche de celle de l’air ambiant du fait des échanges thermiques/aérodynamique sur les plans : le rendement des cellules photovoltaïque ne chute que très peu suite au maintient acceptable de leur température de fonctionnement (refroidissement par air).
En régime mode bi énergie (éolien et solaire), cette machine possède la caractéristique de pouvoir présenter cycliquement / dynamiquement au soleil la plupart de ses surfaces de plans photovoltaïques sans avoir recours à une quelconque autre énergie d’apport que celle du vent : la cinématique fondamentale - clélie de Pappus avec n = 1 - le permet.
FAVORISATION DE L’ALBEDO A PROXIMITE DE LA MACHINE
Un canal en matériaux / revêtement réfléchissants est souhaitable dans l’environnement proche de la machine. A minima celle-ci sera implantée sur un sol blanc ou très réfléchissant, permettant à l’intrados et à l’extrados des biplans de produire de concert.
FONCTIONNALITE ANNEXE DE COMMUNICATION / PUBLICITE
Les biplans de grandes surfaces et tournant relativement lentement peuvent aussi servir à diffuser des messages divers voire publicitaires tant au recto qu’au verso (intrados et extrados de chaque plan de chaque biplan)
NOMENCLATURE, MONTAGES ET FONCTIONS DES ELEMENTS
Cette nouvelle double machine - glossaire page 16 avec renvois aux figures - est constituée de :
Trois couples coniques avec rapport de 1/1 pour l’ensemble des dentures des pignons coniques internes - constituent les pièces mécaniques principales assurant l’ensemble des cinématiques imposées par le cycle de la double machine et les fonctionnalités de réglage au vent. Les 3 couples coniques à 4 sorties sont identiques, l’un est situé en partie haute de la double machine, le deuxième en partie centrale et le troisième en partie basse, ils comportent tous leur axe traversant positionné à l’horizontale, un axe satellitaire rotatif positionnés verticalement vers le haut permet le réglage au vent de la machine du haut et, à l’opposé, un axe satellitaire rotatif positionnés verticalement vers le bas permet le réglage au vent de la machine du bas. Les 6 axes satellitaires des 3 couples coniques ainsi assemblés sont situés sur la même ligne verticale (axe générique de la machine) et constituent une ligne d’arbre à éléments différentiels après manchonnage de leurs axes satellitaires verticaux intermédiaires entre eux.
Le couple conique du haut supporte les deux biplans du haut montés sur son axe horizontal traversant de part et d’autre de son carter mobile qui tourne selon le cycle autour de l’axe vertical central générique de la machine.
Le couple conique du milieu comporte une queue horizontale fixée sur son carter, laquelle queue est aussi la branche centrale du trident en forme de « E ».Les 2 sorties satellitaires du couple conique du milieu situées sur l’axe vertical de la double machine sont manchonnées : l’une vers le haut, liée en rotation avec l’axe satellitaire rotatif bas du couple conique du haut, l’autre vers le bas, liée en rotation avec l’axe satellitaire rotatif haut du couple conique du bas. A la différence des 2 autres couples coniques, le carter du couple conique du milieu ne tourne pas régulièrement selon le cycle et ne pivote que lors des phases de réglage azimutales à la direction du vent autour de l’axe vertical central générique de la machine. L’axe horizontal traversant du couple conique du milieu entraîne la génératrice électrique.
Nota : les couples coniques du commerce sont disponibles en variantes à deux axes de sorties satellitaire opposées qu’à partir de modules à 4 sorties.
Le couple conique du bas supporte les deux biplans du bas montés sur son axe horizontal traversant de part et d’autre de son carter mobile qui tourne selon le cycle autour de l’axe vertical central générique de la machine.
QUATRE BIPLANS LATERAUX A SURFACE ORTOGONALE DECALEE
Quatre biplans de surfaces génériques planes sont montés sur les axes traversant horizontaux des couples coniques supérieur et inférieur de la double machine, ils sont fixés de façon orthogonale décalée. Ce sont ces 4 biplans latéraux qui captent la dynamique des vents passants en décrivant dans l’espace des courbes de VIVIANI, ou encore des Clélies de Pappus avec n = 1 (au sein des sphères enveloppes respectives de chacune des 2 machines), ce via l’arrangement cinématique décrit plus haut.
CALAGE OPTIMUM POUR VERSION A DEUX MACHINES
Un calage des biplans de la machine du haut par rapport aux biplans de celle du bas doit être respecté pour assurer la contre rotativité relative et nécessaire des deux machines, par convention les plans parallèles aux axes traversant horizontaux de chaque machine seront fixés sur ces derniers de telle sorte que :
- au point de départ du cycle celui de la machine inférieure soit en position supérieure à son axe traversant horizontal - cette position est appelée « position à 12 heures » ou P12 en référence à l’aiguille des heures d’une horloge.
- celui de la machine supérieure soit en position inférieure à son axe traversant horizontal - cette position est appelée « position à 6 heures » ou P6 en référence à l’aiguille des heures d’une horloge.
Nota : les surfaces des 2 plans positionnés en P12 et P6 sont alors confondues dans un même plan générique (théorique) vertical.
Ce calage optimum donne un maximum de puissance restituée grâce aux déviations dynamiques des veines d’air, ces déviations sont réciproques et bénéfiques car les 2 plans cités s’envoient (se dévient) l’un vers l’autre le flux de vent lors d’une majeure partie angulaire – lors du premier et du troisième ¼ de cycle de la double machine.
VERSION A QUATRE MACHINES OU PLUS
Il est possible de réaliser un ensemble encore plus puissant en superposant une deuxième double machine selon l’axe vertical de l’ensemble et par extension le nombre de double-machines n’est pas limité à deux (possibilité de 3, 4 ou plus)
Sur une version à quatre machines (deux doubles aéromoteurs), la calage optimum sera effectué suivant la même logique (les machines sont alors numérotées 1 à 4 en partant du bas) = par convention les plans parallèles aux axes traversant horizontaux des 4 machines seront fixés de telle sorte que :
- au point de départ du cycle celui de la machine N°1 soit en position P12
- celui de la machine N°2 soit en position P6
- celui de la machine N°3 soit en position P12
- celui de la machine N°4 soit en position P6
- les machines N° 1 et 3 tournent dans le même sens, les machines N° 2 et 4 tournent en sens inverse.
L’AXE VERTICAL LONG EN « E » POUR ANNULATION DES CONTRES COUPLES
Pour chaque double machine : un axe vertical long avec 3 retours horizontaux est monté en parallèle à la ligne d’arbre différentielle verticale des axes satellitaires, il permet l’annulation des contre couples réactifs opposés de la machine du haut par rapport à celle du bas et l’entraînement angulaire du carter de couple conique central, sa forme générique est un trident en « E ». Cet axe vertical long sera d’une hauteur au moins égale à la hauteur hors tout de la double cinématique de machine : pour ce faire, la sortie satellitaire haute du couple conique de la machine du haut est reliée perpendiculairement à l’extrémité horizontale haute de l’axe vertical long d’annulation des contre couples et la sortie satellitaire basse du couple conique de la machine du bas est reliée perpendiculairement à son extrémité horizontale basse. Les deux liaisons haute et basse ainsi décrites pivotent dans un palier haut et dans un palier bas aménagés en bout des traverses hautes et basse du cadre général de support d’ensemble (cadre ouvert en forme de « C » à angles vifs).
La sortie satellitaire haute de la machine du haut peut aussi dépasser de la traverse supérieure du cadre support ouvert et recevoir une surface de girouette en son extrémité supérieure pour assurer une meilleure dynamique rotative de réglage, ce type de girouette renforce en continu le positionnement optimal hyper réactif au vent de la double machine sur 360° angulaires.
UN SURMULTIPLICATEUR DE VITESSE EN AMONT DU GENERATEUR ELECTRIQUE
Dans le cas d’une vitesse de vent très basse, le biplan peut tourner à moins de 15 tours minutes : il y a alors nécessité d’ajouter un module mécanique de surmultiplication de la vitesse angulaire (de 3 à 10 fois) en sortie horizontale de l’axe traversant du couple conique du milieu pour entraîner le générateur électrique à une vitesse de rotation plus rapide, compatible avec les vitesses normales de fonctionnement des générateurs du commerce.
UN SUPPORT D’ENSEMBLE ARTICULE AU SOL ET BASCULANT
La structure support d’ensemble de type portique ouvert, en forme de « C » à angles vifs est organisée de la façon suivante :
- Un cadre support ouvert composé d’un montant vertical recevant en bas une traverse horizontale de maintien en bout de l’aéromoteur du bas, en haut une traverse horizontale de maintien en bout de l’aéromoteur du haut, les bouts de traverses horizontales et le montant vertical sont suffisamment espacés pour permettre le débattement correct des biplans et du trident en forme de »E » à l’intérieur de la structure support.
- Un système de verrouillage en position verticale de fonctionnement.
- La traverse horizontale supérieure reçoit en son bout le palier de guidage de l’arbre satellitaire vertical de contre couple de la machine supérieure.
- La traverse horizontale inférieure reçoit en son bout le palier de guidage de l’arbre satellitaire vertical de contre couple de la machine inférieure.
Le support articulé et basculant doit permettre d’assurer l’entretien et la maintenance nécessaire au bon fonctionnement de l’ensemble du double aéromoteur.
SYNTHESE DE CONCEPTUALISATION GENERALE DE L’AEROMOTEUR A 4 TEMPS
Pour une meilleure compréhension de la machine, il est nécessaire de conceptualiser globalement l’aéromoteur à 4 temps de type « ROBIPLAN » selon sa genèse / son historique :
1°) C’est un aéro moteur éolien à 4 temps dont l’expression mécanique la plus simple comporte un seul biplan tournant selon deux axes de rotations imbriqués orthogonaux et concentriques avec pour avantage majeur d’accepter des surfaces et des formes de contours différentes pour chacun des deux plans du biplan d’une même machine aéromotrice pour autant que l’ensemble tournant soit équilibré dynamiquement.
2°) Les deux rotations imbriquées tracent dans l’espace une courbe statique enveloppe appelée dôme de VIVIANI, ou encore une courbe dynamique appelée Clélie de PAPPUS avec n = 1, « n » étant le rapport entre la vitesse angulaire « VAE » reportée sur l’équateur de la sphère enveloppe, et la vitesse angulaire « VAM » reportée sur un méridien de référence de la même sphère enveloppe.
3°) Le biplan de base est constitué de deux plans orthogonaux = la première surface du biplan est contenue dans un plan sécants orthogonal au plan qui contient la deuxième surface du biplan.
4°) Le ou les biplans peuvent être fixés directement sur l’axe traversant horizontal ou encore sur un axe parallèle distant entraîné par l’axe horizontal traversant du couple conique via une chaîne cinématique basique (pignons rapport 1/1 et chaîne ou courroie crantée).
5°) Un couple conique du commerce possédant au moins 3 sorties est utilisé pour satisfaire la cinématique générique et fondamentale du mouvement. Ce couple conique de rapport 1/1 doit posséder 2 sorties situées sur son axe traversant horizontal de montage et au moins une sortie satellitaire centrale située sur son axe vertical de montage.
6°) le calage / réglage au vent de ce type de machine est effectué par rotation-indexation de la sortie centrale satellitaire du couple conique = 360° de réglage potentiel, un contre couple réactif et alternatif selon les 4 temps du cycle productif de la machine s’exerce sur cette sortie centrale satellitaire de couple conique.
7°) Le couplage de deux machines de même type montées têtes bêches de manières contre rotatives permet l’annulation des contre couples réactifs exercés sur les axes satellitaires de calage / réglage au vent, ce grâce à leurs greffages (fixations haute et basse) sur un même axe commun additionnel, vertical, long et latéral de type trident en forme de « E » : c’est l’axe de la girouette
8°) Un calage optimal des 2 machines montées têtes bêches est nécessaire afin d’assurer le réglage automatique hyper rapide en réponse à de brusques changements de direction des vents (impulsions par la girouette) et d’assurer un rendement optimal du double aéromoteur ainsi réalisé, cela donne naissance à la version « A.C.C.O. » du concept « ROBIPLAN » désignée aussi « ROBI 4 » car elle comporte nécessairement un minimum de 4 biplans orthogonaux.
9°) Mécaniquement, la version « A.C.C.O. » la plus élaborée du « ROBI 4 » comporte 3 couples coniques à 4 sorties – rapport 1/1, avec les axes traversants tous montés horizontalement et les arbres satellitaires centraux tous montés verticalement. L’axe horizontal traversant du couple conique central de la machine – situé à mi hauteur de celle-ci – est aussi l’axe intermédiaire qui assure la liaison contre – rotative via les axes de transmission (axes satellitaires secondaires) des machines haute et basse, une queue horizontale fixée sur son carter assure le lien avec le trident en « E » et supporte la génératrice électrique.
10°) Plusieurs couples de doubles machines aéromotrices « ROBIPLAN » de type « A.C.C.O. » peuvent être empilés / superposés sur un même axe vertical générique commun.
11°) L’ensemble des surfaces des biplans sera judicieusement recouvert de cellules photovoltaïques afin d’ajouter de l’énergie solaire à l’énergie captée au vent. Les notions de biplans interchangeables ou modulables prennent alors toute leurs mesures / importances.
NOTA : Définition de « A.C.C.O. » : Annulation des Contre couples et Calage Optimum
REMARQUE : Outre la fonctionnalité première de produire de l’énergie, le double aéromoteur « ROBIPLAN » de type « A.C.C.O. » peut aussi devenir un objet dynamique de communication ou un objet dynamique artistique grâce à ses grandes surfaces de biplans dont les formes peuvent être variées (rectangulaires, rondes, en croissant…en forme de coeur, et/ou porteuses de messages publicitaires et/ou interchangeables selon les objectifs et les besoins). L’axe long vertical de girouette peut aussi prendre des formes plus esthétique et/ ou plus judicieuses qu’un « E » générique : par exemple une forme en croissant de lune ou une forme de venturi en tunnel / cage fermée sur tout ou partie des 4 côtés, forçant ainsi le vent à passer au milieu. On parle alors de girouette pivotante dynamique intégrée à la machine et non plus seulement d’axe vertical long d’annulation des contres couples et de support de girouette.
EXEMPLE D’UTILISATION PERTINENTE
Ce type aérogénérateur solaire hyper réactif aux vent serait tout à fait adapté à produire l’énergie nécessaire au fonctionnement d’une plate forme automatique d’observation océanique - captage et envoi automatique d’informations - de petite taille et géo stationnaire : des accumulateurs électriques stockeraient les excédents de production éolienne et/ou solaire pour réaliser les corrections nécessaires de géo-positionnement via un propulseur électrique (Voigth Schneider par exemple).
Sur le plan terrestre, l’implantation de ce type de machine serait judicieuse dans la plupart des terres hostiles et isolées (montagnes, désert, pôles) pour réaliser l’alimentation en énergie de relais de communication au sol et/ou de modules d’observations in situ.
REFORMULATION / RESUME
Les deux aéromoteurs cyclés sur 4 temps et assemblés têtes bêches avec contres couples de réglage au vent s’annulant sur axe de girouette et surfaces de biplans photovoltaïques traçants des courbes de VIVIANI, sont constitués par un ensemble de 2 machines aéromotrices contre rotatives montées têtes bêches, l’une au dessus de l’autre, le fonctionnement de ces 2 machines éoliennes est cyclé sur 4 temps, leurs 4 biplans tournent simultanément selon un axe horizontal et selon un axe vertical, traçant au cours de leurs rotations cyclées et dans leurs espaces/enveloppes sphériques respectifs des courbes de VIVIANI ou des Clélie de PAPPUS avec n = 1, un système cinématique couplet assurer un auto réglage hyper réactif des biplans de ce double aéromoteur au regard de changements brusques et ou importants des directions de vent, ce nouveau système cinématique est composé de :
- une ligne d’arbres différentielle verticale résultant de l’assemblage - via 4 manchons - des 6 axes de sorties satellitaires de 3 couples conique identiques à 4 sorties, les carters des couples coniques haut et bas tournent continuellement au cours du cycle et autour de l’axe générique de la ligne d’arbre verticale, le carter du couple conique du milieu ne tourne que lors des phases de réglage de l’azimut au vent, les axes traversant des 3 couples conique sont tous en position horizontale. 2 des 4 manchons sont internes et tournent selon le cycle, c'est-à-dire qu’ils relient les 3 couples coniques entre eux via leurs axes satellitaires verticaux, les 2 autres manchons sont externes et ne tournent que pendant les phases de réglage de l’azimut au vent : ils relient les axes satellitaires externes de la machine du haut et de la machine du bas avec les branches haute et basse d’un trident en forme de « E ».
- quatre biplans de surfaces génériques planes montées sur les axes traversants horizontaux
des couples coniques supérieur et inférieur de la double machine, ils sont fixés de façon
orthogonale décalée de part et d’autre de chacun des carters tournants des couples coniques
et sont recouvertes de cellules photovoltaïques sur l’ensemble de leurs surfaces (intrados et
extrados).
- Un trident de calage en forme de « E » qui assure le phasage des 2 machines, le réglage en continu de leur azimut optimal au vent et l’annulation de leurs contres couples réactifs, ce trident en forme de «E» est muni de surfaces pour assurer la fonction de girouette.
- un générateur électrique couplé à l’axe horizontal traversant du couple conique du milieu et monté sur la branche médiane du trident en « E »
un support général d’ensemble en forme de cadre ouvert ou encore de « C » à angles vifs qui maintien verticalement la ligne d’arbre différentielle et guide en rotation le trident de calage / réglage / annulation des couples réactifs.
Les quatre biplans sont fixés de façon orthogonale décalée de part et d’autre de chacun des carters tournants des couples coniques et sont organisés de la manière suivante :
- chacun des 4 biplans possède 2 surfaces planes dont la première est dans l’alignement de l’axe horizontal traversant de son couple conique de rattachement
- pour chaque couple conique de rattachement la première surface plane du biplan de droite est dans le même plan que la première surface plane du biplan de gauche, en outre ces 2 premières surfaces planes sont positionnées du même coté de l’axe horizontal traversant du couple conique de référence.
- chacun des 4 biplans possède une deuxième surface plane orthogonale à la première
- pour chaque couple conique de rattachement, la deuxième surface plane orthogonale à la première est située vers l’avant pour le biplan de droite (à 0° angulaires en référence au cycle de rotation autour de l’axe vertical) et vers l’arrière pour le biplan de gauche (à 180° angulaires en référence au cycle de rotation autour de l’axe vertical), donnant ainsi au binôme de biplans du même couple conique son caractère typique appelé « orthogonal décalé »
Le calage des 2 machines est réalisé de la manière suivante :
- quand les 2 premières surfaces sont positionnées vers le bas (à 6 heures) pour le couple
conique de la machine du haut, les 2 premières surfaces de la machine du bas seront
positionnées vers le haut (à 12 heures), et inversement.
Un trident de calage en forme de « E » assure 3 fonctionnalités différentes : le positionnement angulaire relatif optimum des 2 machines contre rotatives haute et basse, le réglage en continu de leurs azimuts au vent et l’annulation de leurs contres couples réactifs, ce de la manière suivante :
- les branches horizontales hautes et basses du trident en forme de « E » sont chacune munies
en leurs bouts d’un manchon orthogonal destiné à être clavetés pour l’un, sur l’axe
satellitaire vertical haut de la machine du haut, pour l’autre côté sur l’axe satellitaire vertical
bas de la machine du bas
- la branche horizontale médiane du trident en forme de « E » est munie en sont bout d’une fixation sur le carter du couple conique de milieu, cette fixation garanti l’entraînement en rotation du carter du couple conique du milieu lors des rotations angulaires du trident en «E» autour de l’axe vertical de la machine (réglage de l’azimut au vent)
- le calage final des 3 couples coniques est acquis quand l’axe traversant horizontal du couple conique du milieu est parfaitement (définitivement) orienté selon une direction perpendiculaire avec la direction commune des 2 autres axes traversants horizontaux des couples coniques du haut et du bas : c’est le point zéro du cycle.
Les surfaces de girouette sont organisées en un ou plusieurs points sur le trident en forme de « E », à savoir :
- 2 surfaces triangulaires fixées à l’intérieur des coins haut et bas du trident en forme de « E »
- une grande surface rectangulaire verticale fixée en arrière de la branche verticale du « E »
- une surface supplémentaire extérieure située verticalement (perpendiculaire) en bout de la
traverse haute du trident en forme de «E» et donc solidaire avec l’axe satellitaire haut du couple conique du haut, dépassant ainsi par le haut du cadre ouvert de la double machine.
Un fonctionnement correcte de la double machine aéromotrice requiert la mise en œuvre d’au moins 1 de ces 3 types de surfaces de girouette.
Un générateur électrique est couplé à l’axe horizontal traversant du couple conique du milieu et monté sur la branche médiane du trident en forme de « E » de la manière suivante :
- le stator du générateur électrique est fixé sur la branche médiane et rigidifiée du trident en forme de « E »
- le rotor du générateur électrique est entraîné par un manchon fixé sur l’extrémité arrière de l’axe horizontal traversant du couple conique du milieu : de ce fait il tourne à une vitesse angulaire absolue du double de celle des rotors de biplans
- la puissance électrique du générateur est transmise à l’extérieure des parties tournantes par un connecteur central à contacts tournants selon l’axe vertical et situé tout en bas du trident en forme de « E » via un câble électrique bifilaire.
Les 4 biplans de surfaces génériques planes sont recouvertes de cellules photovoltaïques sur l’ensemble de leurs surfaces (intrados et extrados), la collecte finale de l’énergie électrique issue des cellules photovoltaïques est aussi réalisée par le connecteur central à contacts tournants selon l’axe vertical et situé tout en bas du trident en forme de « E » (même connecteur central tournant que celui du générateur électrique), ce, via 2 connecteurs supplémentaires centraux intermédiaires à contacts tournants selon l’axe vertical situés, l’un situé en bas du carter du couple conique du haut et l’autre situé en haut du carter du couple conique du bas via des câbles électriques bifilaires, et via 4 autres connecteurs supplémentaires centraux primaires à contacts tournants selon les axes traversants horizontaux situés 1’un à droite et l’autre à gauche de chacun des carters des couples coniques du haut et du bas (via les nécessaires et suffisants câbles électriques bifilaires).
Le réseau électrique complet du double aéromoteur photovoltaïque comportera un minimum de 7
connecteurs centraux à contacts tournants : 1 central, 2 intermédiaires et 4 primaires.
FONCTIONNALITES ANALYTIQUES DE L’ENSEMBLE AERO MECANIQUE SOLAIRE
La cinématique globale de ce nouveau double ensemble aéro mécanique solaire est assurée par une ligne d’arbres différentielle verticale résultant de l’assemblage via 4 manchons des 6 axes de sorties satellitaires de 3 couples conique identiques à 4 sorties, cette cinématique se décompose en une chaîne cinématique de puissance et une chaîne cinématique de réglage rapide des changements de direction du vent.
La chaîne cinématique de puissance est assurée par 4 biplans latéraux portés par les axes traversant horizontaux des couples coniques du haut et du bas (Au cour du cycle, les carters des couples coniques haut et bas tournent continuellement autour de l’axe vertical de la ligne d’arbres différentielle), lesquels couples coniques haut et bas reportent leur puissance captée au vent sur le couple conique central via un de leurs 2 axes satellitaires verticaux. Le couple conique central assure le calage et la liaison contre rotative des couples coniques du haut et du bas via ses deux axes satellitaires verticaux et via 2 manchons internes de liaison.
La chaîne cinématique de réglage rapide est constamment active durant le cycle de rotation de la chaîne cinématique de puissance, le réglage est assurée par une fourchette à 3 branches = trident en forme de « E », laquelle fourchette transmet aux éléments de puissance de la machine les variations angulaires de direction de vent. Cette fourchette / trident en « E » est en outre pourvue de :
- un manchon externe perpendiculaire en bout de sa branche horizontale haute
- un manchon externe perpendiculaire en bout de sa branche horizontale basse
- une plaque de fixation en bout de sa branche horizontale médiane
- deux surfaces triangulaires ayant fonction de girouette sont aménagées dans les coins intérieurs de la barre haute et de la barre basse du «E»
Les 2 manchons externes perpendiculaires du « E » sont montés par clavetages respectivement sur l’arbre de sortie satellitaire haut du couple conique du haut et sur l’arbre de sortie satellitaire bas du couple conique du bas. La plaque de fixation médiane du « E » est fixée sur le carter du couple conique du milieu. A la différence deux autres, le carter du couple conique du milieu ne tourne pas constamment mais seulement lors des phases de réglage automatique d’incidence au vent.
La terminologie « ligne d’arbres différentielle verticale » devient alors mieux compréhensible : indépendamment de la vitesse de rotation des deux lignes d’arbres horizontales de l’ensemble supportant les biplans, les impulsions angulaires de changement de direction du vent sont répercutées instantanément par cet arrangement mécanique complexe de sorties satellitaires et l’angle d’incidence au vent des biplans est réajusté automatiquement avec une grande rapidité, en outre, l’arbre horizontal traversant du couple conique du milieu tourne à une vitesse angulaire du double de celle des axes de rotors muni de biplans.
La partie électrique se résume ainsi : un générateur électrique dont le stator est fixé sur la branche médiane du « E » et dont le rotor est entraîné par l’axe horizontal traversant du couple conique du milieu. Les biplans recouverts de cellules photovoltaïques disposent d’un câblage spécifique aboutissant à un connecteur central principal, à contacts tournants, situé sur la barre basse du trident en « E », le générateur électrique aussi.
La fonction maintien et la fonction rotation de la ligne d’arbre différentielle sont dissociées :
la ligne d’arbre différentielle tourne en puissance après maintien en position verticale par deux paliers aménagés en bout du support général ouvert en forme de « C » : un palier tout en haut maintien l’arbre satellitaire haut du couple conique haut et un palier tout en bas maintien l’arbre satellitaire bas du couple conique bas. Outre ce maintien vertical, la ligne d’arbre différentielle est guidée en rotation par les roulements internes des couples coniques haut et bas (entraînements contre rotatifs de puissances internes aux carters via les axes traversants des couples coniques haut et bas), lors des réglages azimutaux au vent, la ligne d’arbre différentielle verticale pivote en étant guidé par les deux paliers du support général ouvert en forme de « C » (l’entraînement du réglage rapide de la ligne d’arbre est réalisé par la girouette via les trois branches du « E »).
SECONDE VARIANTE MECANIQUE
Une variante mécanique de cette double machine aéromotrice utilise 2 couples coniques du commerce à seulement 3 sorties pour la assurer la cinématique des machines haute et machine basse. Ces 2 couples coniques à 3 sorties ne disposent que d’une seule sortie satellitaire verticale. En conséquence de quoi un arbre d’entraînement vertical doit être ajouté et fixé sur chacun des carters des couples coniques haut et bas :
- ces 2 arbres d’entraînement sont centrés verticalement sur l’axe théorique de la ligne d’arbre différentielle
- ces 2 arbres d’entraînement verticaux sont manchonnés sur les axes de sorties satellitaires verticales du couple conique central
- L’axe horizontal traversant du couple conique médian tourne à la même vitesse que les axes supports de rotors de biplan
- La génératrice électrique fixée sur la branche médiane du « E » tourne deux fois moins vite que sur la précédente version (celle qui utilise 3 couples coniques identiques à 4 sorties)
PRECISIONS TECHNIQUES CONCERNANT LE SUPPORT GENERAL D’ENSEMBLE
Le support général d’ensemble en forme de cadre ouvert ou encore de « C » à angles vifs qui maintien verticalement la ligne d’arbre différentielle et guide en rotation le trident de calage / réglage / annulation des couples réactifs doit être rigide pour assurer le bon maintien et des guidages satisfaisants :
- ce support est équipé de deux paliers munis de roulement à rouleaux en bout des ses traverses supérieure et inférieure (fonction maintien en latéral et guidage en rotation de la ligne d’arbres différentielle verticale), en outre il est muni d’une butée à bille centrée en bas pour supporter le poids de la ligne d’arbres différentielle verticale.
- en outre ce support est articulé au sol pour permettre un pivotement à l’horizontal de l’ensemble de la double machine et faciliter ainsi les différentes opérations nécessaires de maintenances / révisions / réparations / modifications / améliorations.
GLOSSAIRE ET RENVOI VERS LES FIGURES DU BREVET
Vue d’ensemble FIG. 1
Le couple conique à 4 sorties (CC4S) FIG.2 :
- son axe traversant horizontal (ATH)
- son axe satellitaire vertical haut (ASVH)
- son axe satellitaire vertical bas (ASVB)
- son carter du couple conique (CCC)
La ligne d’arbres différentielle verticale (LADV) FIG.3 :
- son couple conique haut (CCH)
- son couple conique médian (CCM)
- son couple conique bas (CCB)
- son manchon interne de couplage haut (MICH)
- son manchon interne de couplage bas (MICB)
- son manchon externe de couplage haut (MECH)
- son manchon externe de couplage bas (MECB)
- sa fixation de branche horizontale médiane (FBHM)
Le binôme de biplan en position orthogonale décalée (BBHD) FIG.4 :
- ses 2 premières surfaces (PS1) et (PS2)
- ses 2 deuxièmes surfaces orthogonales décalées (DS1) et (DS2)
- l’axe traversant horizontal (ATH)
- le carter du couple conique (CCC)
- les différentes surfaces photovoltaïques (SPH)
Le trident en forme de « E » (TFE) FIG.5 :
- sa branche horizontale haute (BHH)
- sa branche horizontale médiane (BHM)
- sa branche horizontale basse (BHB)
- le manchon externe de couplage haut (MECH)
- le manchon externe de couplage bas (MECB)
- la fixation de branche horizontale médiane (FBHM)
- le générateur électrique (GEL)
- les différentes surfaces de girouette - recto verso (SF1), (SF2) et (SF3)
Vue du calage idéal au point zéro du cycle FIG.6 :
- l’axe traversant horizontal haut (ATHH)
- l’axe traversant horizontal médian vu en bout car perpendiculaire (ATHM)
- l’axe traversant horizontal bas (ATHB)
- position des surfaces premières du binôme de biplans hauts (PSPH)
- position des surfaces premières du binôme de biplans bas (PSPB)
- les branches horizontales haute (BHHT) et basse (BHBT) du tridents en forme de « E », sont vues en bout car perpendiculaires.
- les 3 carters de couples coniques haut (CCCH), médian (CCCM) et bas (CCCB)
- position des surfaces deuxièmes du binôme de biplans hauts vues en bout car perpendiculaires (PSDH)
- position des surfaces deuxièmes du binôme de biplans bas vues en bout car perpendiculaires (PSDB)
les figures du brevet :
un super tracker solaire.
