La présente demande de brevet revendique la priorité de la demande de brevet français FR14/57001 qui sera considérée comme faisant partie intégrante de la présente description.

Domaine

La présente demande concerne un dispositif aéroporté pour la conversion de l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique .

Exposé de 1 ' art antérieur

Les dispositifs aéroportés utilisés pour la conversion de l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique comprennent généralement un cerf-volant ou un aérostat. Un avantage est que de tels dispositifs aéroportés peuvent être utilisés à des altitudes élevées où les vents sont généralement plus puissants et/ou plus réguliers qu'à des altitudes plus faibles.

Le dispositif aéroporté peut être utilisé pour la traction d'un véhicule, par exemple un bateau. Le dispositif aéroporté peut être utilisé pour entraîner un générateur électrique. Le générateur électrique peut être porté par le dispositif aéroporté ou être situé au sol. Le dispositif aéroporté forme alors une éolienne aéroportée qui permet la conversion de l'énergie cinétique du vent en énergie électrique. Un inconvénient des dispositifs aéroportés, notamment lorsqu'ils sont utilisés comme éolienne aéroportée, est le faible rendement, en particulier en comparaison avec une éolienne classique. En outre, la structure des dispositifs aéroportés peut être complexe et la commande de la trajectoire suivie par le dispositif aéroporté peut être difficile.

Résumé

Un objet d'un mode de réalisation vise à pallier tout ou partie des inconvénients des dispositifs aéroportés décrits précédemment utilisés pour la conversion de l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique.

Un autre objet d'un mode de réalisation est d'augmenter le rendement du dispositif aéroporté.

Un autre objet d'un mode de réalisation est que le dispositif aéroporté a une structure simple.

Un autre objet d'un mode de réalisation est que la trajectoire suivie par le dispositif aéroporté peut être commandée de façon simple.

Dans ce but, un mode de réalisation prévoit un dispositif aéroporté comprenant au moins trois ailes portantes et un dispositif de liaison, les ailes étant reliées entre elles par des premiers câbles flexibles, chaque aile étant, en outre, reliée au dispositif de liaison par un deuxième câble flexible, le dispositif de liaison étant relié à un troisième câble flexible destiné à être relié à une base, les premiers, deuxièmes et troisième câbles étant tendus lorsque le dispositif aéroporté est mis au vent.

Selon un mode de réalisation, le dispositif ne comprend pas d'armature rigide reliant les ailes entre elles.

Selon un mode de réalisation, le dispositif de liaison comprend une première partie reliée à une deuxième partie, les deuxième câbles étant fixés à la première partie et le troisième câble étant fixé à la deuxième partie, la première partie étant adaptée à pivoter par rapport à la deuxième partie. Selon un mode de réalisation, au moins l'une des ailes comprend au moins un premier actionneur adapté à modifier la longueur de la portion de l'un des premiers câbles tendue entre ladite aile et l'une des autres ailes.

Selon un mode de réalisation, au moins l'une des ailes comprend un deuxième actionneur adapté à modifier la longueur de la portion du deuxième câble tendue entre ladite aile et le dispositif de liaison.

Selon un mode de réalisation, chaque aile est reliée à au moins deux autres ailes par au moins deux premiers câbles.

Selon un mode de réalisation, chaque aile comprend des premiers actionneurs adaptés à modifier indépendamment les longueurs des portions desdits au moins deux premiers câbles tendues entre ladite aile et les deux autres ailes.

Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend au moins deux paires d'ailes, les deux ailes de chaque paire étant reliées entre elles par l'un des premiers câbles, chaque aile de chaque paire étant reliée à au moins l'une des ailes de l'autre paire par un autre des premiers câbles.

Selon un mode de réalisation, l'envergure de chaque aile est comprise entre 5 m et 50 m.

Selon un mode de réalisation, au moins l'une des ailes comprend un extrados relié à un intrados par un bord d'attaque, un bord de fuite et des premier et deuxième bords latéraux, la corde de l'aile augmentant puis diminuant du premier bord latéral vers le deuxième bord latéral .

Selon un mode de réalisation, pour chaque aile, au moins l'un des premiers câbles pénètre dans l'aile par le bord latéral de l'aile le plus à l'intérieur du dispositif aéroporté lorsque le dispositif aéroporté est mis au vent.

Selon un mode de réalisation, pour chaque aile, le deuxième câble pénètre dans l'aile par l'intrados de l'aile.

Un mode de réalisation prévoit également un système de production d'énergie électrique, comprenant un dispositif aéroporté tel que défini précédemment et un générateur électrique relié au troisième câble du dispositif aéroporté.

Un mode de réalisation prévoit également un système de transport, comprenant un dispositif aéroporté tel que défini précédemment et un véhicule, notamment un bateau, relié au troisième câble du dispositif aéroporté.

Brève description des dessins

Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :

la figure 1 est une vue en perspective, partielle et schématique, d'un mode de réalisation d'un dispositif aéroporté ;

la figure 2 est une vue en perspective, partielle et schématique, d'un système de génération d'électricité comprenant le dispositif aéroporté représenté en figure 1 ;

la figure 3 est une vue en perspective, partielle et schématique, d'un système de transport comprenant le dispositif aéroporté représenté en figure 1 ;

la figure 4 est une vue de dessus, partielle et schématique, d'un mode de réalisation d'une aile du dispositif aéroporté représenté en figure 1 ;

les figures 5 et 6 sont respectivement une vue en perspective et une vue de face, partielles et schématiques, d'un autre mode de réalisation d'une aile du dispositif aéroporté représenté en figure 1 ;

la figure 7 est une vue de dessus, partielle et schématique, d'un autre mode de réalisation d'une aile du dispositif aéroporté représenté en figure 1 ; et

les figures 8 et 9 sont des vues avec coupe, partielles et schématiques, de modes de réalisation d'un câble du dispositif aéroporté représenté en figure 1.

Description détaillée

Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Dans la suite de la description, sauf indication contraire, les termes "sensiblement", "environ", "approximativement" et "de l'ordre de" signifient "à 10 % près".

La figure 1 représente un mode de réalisation d'un dispositif aéroporté 10. Le dispositif aéroporté 10 comprend au moins trois ailes, par exemple de trois à huit ailes 12. De préférence, le dispositif aéroporté comprend au moins quatre ailes 12. De façon avantageuse, le dispositif aéroporté 10 comprend un nombre pair d'ailes 12. Les ailes 12 sont reliées entre elles par des câbles flexibles. Un câble flexible est un câble qui, sous l'action d'une force extérieure, peut se déformer, notamment se plier, sans se casser ou se déchirer. Il n'y a pas d'armature rigide reliant les ailes 12 entre elles. A titre d'exemple, dans le cas où le dispositif aéroporté 10 comprend quatre ailes 12, chaque aile 12 est reliée à chaque aile adjacente par un câble flexible 14 et est reliée à l'aile opposée par un câble flexible 16. En outre, chaque aile 12 est reliée à un dispositif de liaison 18 par un câble flexible 20. Le dispositif de liaison 18 est relié à un système d'ancrage, non représenté, par un câble flexible 22.

Selon l'application envisagée, le système d'ancrage peut être au sol, sur une bouée, ou sur un navire. Selon un mode de réalisation, le dispositif de liaison 18 comprend une première partie 24 à laquelle sont fixés les câbles 20 et reliée à une deuxième partie 26 à laquelle est fixé le câble 22. La première partie 24 est adaptée à pivoter par rapport à la deuxième partie 26 autour de l'axe du câble 22. Le dispositif de liaison 18 peut correspondre à un émerillon.

Chaque aile 12 correspond à une aile portante comprenant un intrados 30 relié à un extrados 32 par un bord d'attaque 34, un bord de fuite 36, un bord latéral extérieur 38, orienté vers l'extérieur du dispositif 10, et un bord latéral intérieur 40, orienté vers l'intérieur du dispositif 10. Chaque aile 12 peut correspondre à une aile profilée, par exemple selon un profil NACA. Selon un mode de réalisation, pour chaque aile 12, le ou les câbles 14 et 16 sont reliés sensiblement au même point du bord latéral intérieur 40. Selon un mode de réalisation, pour chaque aile 12, le câble 20 est relié à l'aile 12 en un point de l'intrados 30 à distance du bord d'attaque 34, du bord de fuite, du bord latéral extérieur 38 et du bord latéral intérieur 40. A titre de variante, le câble 20 peut être relié au bord latéral intérieur 40.

Le fonctionnement du dispositif aéroporté 10 est le suivant. Sous l'action du vent, représenté schématiquement par la flèche 42, les ailes 12 se déplacent sous l'effet des forces de portance. Les forces centrifuges tendent à écarter les ailes 12 radialement, de sorte que les câbles 14 et 16 sont tendus en permanence. Un mouvement de rotation des ailes 12 est alors obtenu, ce qui est représenté en figure 1 par la flèche 44. Les efforts de portance exercés sur chaque aile 12 se traduisent par une traction des câbles 20, et donc par une traction sur le câble 22. On obtient ainsi une conversion de l'énergie cinétique du vent 42 en énergie mécanique de traction du câble 22. De préférence, le câble 20 est relié à l'intrados 30 pour que l'axe longitudinal de l'aile 12 soit aligné avec le câble 16.

Les ailes 12 du dispositif aéroporté 10 tournent à la manière des pales d'une éolienne au sol. Le présent mode de réalisation est basé sur le fait que, pour une éolienne classique au sol, les parties des pales, qui en fonctionnement sont le plus efficaces pour capter l'énergie cinétique du vent, sont situées près des extrémités libres des pales, là où le couple d'entraînement dû au vent est le plus élevé. Les ailes 12 sont donc situées dans les zones utiles où le couple d'entraînement dû au vent 42 est le plus important et les câbles 14, 16, 20 sont situés dans les zones où le couple d'entraînement dû au vent 42 est réduit. De ce fait, la surface décrite par les ailes 12 au cours de leur mouvement peut être importante alors que le dispositif aéroporté a une structure simple et une masse réduite. De préférence, le diamètre maximal en fonctionnement du dispositif aéroporté 10 est compris entre 20 m et 200 m, de préférence entre 100 m et 150 m. Le poids du dispositif aéroporté 10, sans compter le câble 22, peut être compris entre 20 kg et 20 tonnes. La vitesse de rotation en fonctionnement des ailes peut être comprise entre 1,5 et 200 tours par minute.

La figure 2 représente un mode de réalisation d'un système de production d'électricité 45 dans lequel le câble 22 du dispositif aéroporté 10 est relié à un générateur électrique 46. A titre de variante, chaque aile 12 peut comprendre un générateur électrique comprenant une turbine entraînée lors du déplacement de l'aile 12. L'énergie électrique produite peut alors être transmise au sol par les câbles 20 et 22.

La figure 3 représente un mode de réalisation d'un système de transport 47 dans lequel le câble 22 du dispositif aéroporté 10 est relié à un véhicule 48, dans le présent exemple un navire. Le dispositif aéroporté 10 est alors utilisé comme moyen de traction du véhicule 48.

La figure 4 est une vue schématique d'un mode de réalisation de l'une des ailes 12 du dispositif aéroporté 10 représenté en figure 1. Chaque aile 12 du dispositif aéroporté 10 peut avoir sensiblement la structure représentée en figure 4. L'aile 12 forme une enceinte partiellement creuse et on a représenté de façon schématique en figure 4 plusieurs éléments disposés dans le volume interne de l'aile 12. L'aile 12 est, par exemple, réalisée en matériaux composites. Les câbles 14, 16, 20 peuvent être réalisés en fibres synthétiques, notamment le produit commercialisé sous l'appellation kevlar.

Dans la suite de la description, on appelle axe longitudinal D de l'aile un axe perpendiculaire aux deux plans parallèles les plus éloignés dont l'un est tangent au bord latéral extérieur 38 et l'autre est tangent au bord latéral intérieur 40. L'envergure E de l'aile 12 est la distance entre ces plans. L'envergure E est comprise entre 5 m et 50 m, de préférence entre 25 m et 35 m. La corde de l'aile 12, mesurée dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal D, n'est pas constante le long de l'axe D. La corde augmente depuis le bord latéral intérieur 40 jusqu'à une corde maximale puis diminue jusqu'au bord latéral extérieur 38. La corde maximale est comprise entre 0,25 m et 5 m, de préférence entre 1,25 m et 3,5 m. La corde maximale est située sensiblement entre 10 % et 45 %, de préférence entre 15 % et 30 %, de l'envergure depuis le bord latéral intérieur 40. A 50 % de l'envergure depuis le bord latéral intérieur 40, le rapport entre la corde et la corde maximale est compris entre 60 % et 100 %, de préférence entre 70 % et 90 %. L'épaisseur maximale entre l'extrados et l'intrados est comprise entre 7 % et 25 % de la valeur de la corde à cet endroit, de préférence entre 8 % et 15 % de la valeur de la corde à cet endroit. Chaque câble 14, 16, 20 a un diamètre moyen compris entre 5 mm et 10 cm.

On appelle flèche de bord d'attaque, F^, l'angle entre l'axe D et un plan tangent au bord d'attaque 34. La flèche est positive lorsque l'angle, orienté de l'axe D vers le plan tangent, est dans le sens antihoraire lorsqu'on regarde l'extrados de l'aile et négative dans le cas contraire. Selon un mode de réalisation, la flèche du bord d'attaque F^ varie le long de l'axe D du bord latéral intérieur 40 au bord latéral extérieur 38. Selon un mode de réalisation, la flèche du bord d'attaque F^ est successivement, en s 'éloignant du bord latéral intérieur 40 selon 1 ' axe D, négative et diminue en valeur absolue au fur et à mesure que l'on s'éloigne du bord latéral intérieur 40 le long de l'axe

D, s'annule puis est positive et augmente jusqu'au bord latéral extérieur 38. Selon un mode de réalisation, à 20 % de l'envergure depuis le bord latéral intérieur 40, la flèche du bord d'attaque 34 est comprise entre -20 degrés et 5 degrés, et à 60 % de l'envergure depuis le bord latéral intérieur 40, la flèche du bord d'attaque 34 est comprise entre 0 degrés et 10 degrés. On appelle flèche de bord de fuite, Fp, l'angle entre un plan tangent au bord de fuite et l'axe D. Selon un mode de réalisation, la flèche du bord de fuite Fp varie le long de 1 ' axe D du bord latéral intérieur 40 au bord latéral extérieur 38. Selon un mode de réalisation, la flèche du bord de fuite Fp est successivement, en s 'éloignant du bord latéral intérieur 40 selon l'axe D, positive, nulle, négative, nulle et positive. Selon un mode de réalisation, à 20 % de l'envergure depuis le bord latéral intérieur 40, la flèche du bord de fuite Fp est comprise entre 30 degrés et 0 degrés, et à 60 % de l'envergure depuis le bord latéral intérieur 40, la flèche du bord de fuite Fp est comprise entre -10 degrés et 10 degrés.

L'aile 12 peut comprendre un vrillage, c'est-à-dire que l'angle entre la corde et un plan de référence, ou angle de calage, peut varier le long de l'axe D.

L'aile 12 comprend :

un module de commande 50, comprenant par exemple un processeur ;

des capteurs 52, reliés au module de commande 50, par exemple un capteur de vitesse, un capteur de position de l'aile, par exemple un système de localisation GPS (acronyme anglais pour Global Positioning System) , des gyroscopes, des accéléromètres, un tube de Pitot, des magnétomètres et un baromètre ;

des actionneurs 53, 54, 55, 56, chaque actionneur 53, 54, 55, 56 étant commandé par le module de commande 50 et étant relié à l'un des câbles 14, 16, 20 ;

au moins un aileron mobile de bord de fuite, deux ailerons mobiles 57, 58 étant représentés en figure 4 ;

un module de communication à distance 59 relié au module de commande 50 ; et

une batterie d'accumulateurs 60 pour l'alimentation du module de commande 50, des actionneurs 53, 54, 55, 56 et des moteurs d' actionnement des ailerons 57, 58.

A titre de variante, la batterie 60 peut être remplacée par un générateur électrique. A titre de variante, l'énergie électrique pour l'alimentation du module de commande 50, des moteurs 54 d' actionnement des câbles 14, 16, 20 et des moteurs d' actionnement des ailerons 57, 58 peut être amenée à chaque aile via les câbles 20 et 22. Chaque actionneur 53, 54, 55, 56 est adapté à modifier la longueur de la portion tendue du câble 14, 16 ou 20 à l'extérieur de l'aile 12. A titre d'exemple, chaque actionneur 53, 54, 55, 56 est adapté à dérouler ou enrouler le câble 14, 16, 20 auquel il est relié. La longueur de la portion de chaque câble 14, 16 s 'étendant entre deux ailes 12 et la longueur de la portion de chaque câble 20 s 'étendant entre une aile 12 et le dispositif de liaison 18 peut ainsi être modifiée.

Le module de commande 50 de chaque aile 12 est adapté à échanger des signaux à distance, par l'intermédiaire du module de communication 59, avec les modules de commande 50 des autres ailes 12, par exemple selon un procédé de transmission à distance de données du type à haute fréquence. Le module de commande 50 de chaque aile 12 peut, en outre, être adapté à échanger des signaux à distance, par l'intermédiaire du module de communication 59, avec une station au sol.

La commande de l'incidence de chaque aile 12 est réalisée par le mode de commande 50 en modifiant l'inclinaison des ailerons 57, 58 et en modifiant la longueur des portions des câbles 14, 16 et 20 tendues en fonctionnement entre les ailes 12 ou entre les ailes 12 et le dispositif de liaison 18. Selon un mode de réalisation, l'incidence de chaque aile 12 peut être modifiée de façon cyclique au cours d'une révolution de l'aile 12. Selon un autre mode de réalisation, dans le cas où le dispositif aéroporté 10 est relié à un générateur électrique 46, le fonctionnement du générateur électrique 46 peut comprendre une alternance de premières et deuxièmes phases. Dans chaque première phase, les incidences des ailes 12 sont commandées pour augmenter les efforts de traction exercés par le dispositif aéroporté 10, le dispositif aéroporté 10 s 'éloignant du générateur électrique

46. Dans chaque deuxième phase, les incidences des ailes 12 sont commandées pour réduire les efforts de traction exercés par le dispositif aéroporté 10 sur le câble 22 de façon à pouvoir rapprocher le dispositif aéroporté 10 du générateur 46 en dépensant un minimum d'énergie. En outre, lorsque le dispositif aéroporté 10 est élevé du sol jusqu'à une altitude de fonctionnement, les parties tendues des câbles 14, 16, 20 entre les ailes 12 ou entre les ailes 12 et le dispositif de liaison 18 peuvent initialement être réduites pour diminuer l'encombrement du dispositif aéroporté 10.

Les figures 5 et 6 représentent un autre mode de réalisation de l'aile 12 dans lequel l'aile 12 comprend, en outre, deux dérives 62 qui peuvent comprendre chacune un volet mobile 64. La première dérive 62 se projette en saillie depuis l'extrados 32 et la deuxième dérive 62 se projette depuis l'intrados 30. L ' actionnement du volet mobile 64 de chaque dérive 62 est commandé par le module de commande 50. L ' actionnement du volet mobile 64 permet notamment de commander la position latérale du dispositif aéroporté 10 par rapport au vent 42.

Chaque aile 12 peut être munie d'un système de propulsion. Avant le lancement du dispositif aéroporté 10, les ailes 12 peuvent être disposées sur un support et les longueurs des câbles 14, 16 et 20 peuvent être réduites. Le système de propulsion de chaque aile 12 peut être actionné. Ceci entraîne la mise en tension des câbles 14, 16 et la mise en rotation des ailes 12. Sous l'action des efforts de portance, le dispositif aéroporté 10 s'élève dans les airs. Les longueurs des câbles 14, 16, 20 peuvent être progressivement augmentées au fur et à mesure que l'altitude du dispositif aéroporté 10 augmente jusqu'à ce que le dispositif aéroporté 10 atteigne l'altitude souhaitée. Dès que le dispositif aéroporté 10 est exposé à un vent suffisant pour assurer le maintien en altitude et en rotation du dispositif aéroporté 10, les systèmes de propulsion des ailes 12 peuvent être désactivés. Les systèmes de propulsion peuvent, en outre, être actionnés en vol, alors que le dispositif aéroporté 10 est à son altitude de fonctionnement, lorsque la puissance du vent 42 n'est pas suffisante pour maintenir le dispositif aéroporté 10 à cette altitude .

La figure 7 représente un mode de réalisation de l'aile 12 dans lequel le système de propulsion de l'aile comprend une hélice motorisée 70 qui se projette depuis le bord d'attaque 34 de l'aile vers l'avant de l'aile selon le sens de rotation de l'aile 12 en fonctionnement. L'hélice motorisée 70 peut être commandée par le module de commande 50 ou peut être commandée à distance depuis une station au sol. Un avantage de l'utilisation d'une hélice motorisée est qu'elle permet, en outre, de déplacer le centre de gravité de l'aile 12 vers l'avant selon le sens de rotation de l'aile 12 en fonctionnement. Ceci peut être avantageux pour améliorer la stabilité de l'aile. Selon un mode de réalisation, l'hélice 70 peut être amovible et repliée, au moins en partie, dans l'aile 12 lorsqu'elle n'est pas utilisée. A titre de variante, le système de propulsion peut comprendre un moteur à réaction, notamment un moteur-fusée ou un système de propulsion à air comprimé.

Chaque aile 12 peut, en outre, comprendre un train d'atterrissage, non représenté, qui permet les déplacements de l'aile 12 au sol. Le train d'atterrissage peut être amovible de façon à être replié, au moins en partie, dans l'aile 12 lorsqu'il n'est pas utilisé.

La figure 8 représente un mode de réalisation dans lequel chaque câble 14, 16, 20 ou 22 ou au moins l'un des câbles 14, 16, 20 ou 22 a une section profilée comprenant un bord d'attaque 72 et un bord de fuite 74 amincie. Ceci permet notamment de réduire la traînée du câble.

La figure 9 représente un mode de réalisation dans lequel chaque câble 14, 16, 20 ou 22 ou au moins l'un des câbles 14, 16 ou 30 comprend, en outre, un noyau 76 contenu dans une enveloppe profilée 78. Le noyau 76 peut être dans un premier matériau et l'enveloppe 78 peut être dans un deuxième matériau, la masse volumique du premier matériau étant supérieure à la masse volumique du deuxième matériau. Ceci permet de rapprocher le centre de gravité du câble vers le bord d'attaque et d'améliorer ainsi la stabilité aérodynamique du câble.

Divers modes de réalisation avec diverses variantes ont été décrits ci-dessus. On note que l'homme de l'art peut combiner divers éléments de ces divers modes de réalisation et variantes sans faire preuve d'activité inventive. En particulier, le dispositif aéroporté 10 peut à la fois comprendre un système de propulsion, tel que l'hélice 70 représentée en figure 7, des câbles 14, 16, 20 profilés comme cela est représenté aux figures 8 et 9 et un train d'atterrissage.