Utilisation d immeuble comme concentrateur de vent pour produire de l électricité. Abrégé Les concepts actuels des systèmes de turbines à vent ( éoliennes) souffrent de plusieurs faiblesses qui nuisent à leurs implantations en milieu urbain. Les problèmes principaux sont leurs manques d efficacités par vent faible ou très élevé, le niveau sonore inacceptable pour l environnement urbain et l incapacité d adapter efficacement leur structure pour les intégrés au parc immobilier existant. La présente invention décrit un principe de fonctionnement qui, dépendamment des designs développés, améliore ou règles chacun de ces problèmes. Le principe directeur est d utiliser le vent orienté et concentré par les faces des immeubles les plus importants et d acheminé celui-ci dans la zone la plus efficace de turbines à vent fixées aux quatre coins de celui-ci. La turbine peut être produite dans le but de profiter de vents faibles ou inversement de façon à ne pas avoir de limite supérieure de vitesse. La turbine étant enchâssée dans l appareil, le bruit résultant du travail peut-être amorti presque complètement, il n y a pas de mouvement perceptible à l œil ni de danger pour la faune et finalement, l immeuble devient la structure portante de l éolienne. Mémoire descriptif La présente invention se rapporte à une nouvelle façon de concevoir des éoliennes dans le but de produire de l électricité. Bien que la combinaison générateur/pales couramment utilisé puissent être utilisée pour capter les flux d air concentré produit par les faces verticales des immeubles, diverses autres options sont préférables. Dépendamment des objectifs de conception d un produit, divers système de captions du vent peuvent être utilisé, principalement en fonction du vent moyen disponible, de l isolation sonore requise ou de l importance de l impact visuel. Les turbines à vent actuelles ont des limites d utilisation qui réduisent grandement leurs champs d application en milieu urbain. Premièrement, elle nécessite généralement un vent minimum de 10 km/h. au démarrage, et elle nécessite quelques km/h. de plus pour
fournir de l électricité de façon significative. Pour qu une éolienne tripale puisse produire une quantité significative d énergie, disons 1 Méga Watts, celle-ci doit avoir un diamètre d environ 50 mètres, ce qu aucun immeuble existant ne peut supporter. Cette situation est paradoxale puisqu il est admis par chacun que les centre-villes comportant plusieurs gratte-ciels sont toujours très venteux. L idée créatrice est de développer divers agencement pour utiliser le vent naturellement concentré par les quatre faces des grands immeubles. Ce jet de vent concentré sera dirigé sur les portions les plus efficaces de turbines qui pourront en tirer le maximum de couple. La figure 1 illustre de façon simplifiée le comportement du vent autour d un immeuble de forme carré. Dans notre exemple, le vent souffle à un angle de 30 degrés de la face (A) et de 60 degrés de la face (B). La face (A) déviera donc une quantité d air inférieure à celle de la face (B), mais l angle de déflexion étant plus faible, la vitesse à la fin de la surface sera plus élevée. Inversement, la face (B) déviera une quantité d air plus élevé mais l angle de déflexion étant plus élevé, le gain sera plus significatif au niveau de la pression et de la masse d air déplacé. On note finalement que les surfaces (C) opposées au vent seront en dépression, un état qui pourra être utilisé pour augmenter l efficacité des turbines à vent. La figure 2 détaille de façon simplifiée la composition du flux d air au coin d un immeuble. Il y a la zone (A) qui se compose d un flux d air compressé de façon relativement laminaire, d une zone de turbulence de surface (B) qui sera principalement tributaire de la texture et de la géométrie de la surface de l immeuble et d une zone de turbulence de traîné (P2) qui sera en dépression par rapport à (P1). Chaque immeuble étant différent, il sera nécessaire de mesurer les zone (A) et (B) pour chacune des 8 fins de surfaces d un immeuble avant de le transformer en éolienne. La mesure (B) est aussi importante que la mesure (A) car certains immeubles seront trop texturés pour être utilisable. Les mesures obtenues pour (A) serviront à déterminer la grandeur optimale des capteurs de vent pour chaque immeuble visé. On comprend qu il y aura un facteur de concentration du vent pouvant varier de 5 à 15 fois en fonction de la géométrie de l immeuble et de l efficacité des capteurs de vent. De l électricité pourra être produite de façon significative à partir de vents de 5 ou 6 km/h. Appareil de type 1 La figure 3 illustre de façon schématique le fonctionnement d un premier appareil utilisant le principe de fonctionnement de la présente invention. On note dans un premier temps que tous les designs de capteur de vent de coin d immeuble doivent être symétriques. La direction du vent étant aléatoire, chaque installation de coin doit être utilisable dans les 2 directions possibles.
L appareil capte le jet d air concentré d un côté, il l oriente vers la zone la plus efficace d une turbine à vent verticale et finalement l air est expulsé de l autre coté où la dépression facilite son évacuation. La figure 4 nous montre que l appareil concentre le jet d air incident pour un facteur de A/C qui sera généralement d un minimum de 3. Comme nous cherchons à garder le flot d air le plus laminaire possible, la distance L devra être ajustée en conséquence, elle devra être d un minimum de 2 fois la dimension A. Comme établie précédemment, la dimension A est calculé en fonction des mesures de concentration de vent produit par l édifice. L appareil de type 1 comporte plusieurs avantage architectural. Premièrement, celui-ci s adapte très bien à l apparence générale de l édifice. Les surfaces extérieures (10) peuvent être couvertes de tous matériaux architecturaux appropriés, incluant le verre ou la brique. Deuxièmement, la structure interne (11) servant à orienter le vent sera faite de caoutchouc recyclé ou de polystyrène expansé qui absorberont toutes vibrations ou bruits pouvant provenir de la turbine. Finalement les volets (12) absorbent une bonne partie du son résiduel et protègent les oiseaux de l appareil, et inversement. L appareil de type 1 comporte par contre un désavantage; l air est expulsé dans un conduit de même dimension que le conduit d arrivé, ce qui créera une petite résistance qui ne sera pas entièrement compensé par la dépression de la surface non exposé au vent. La figure 5 présente une version modifié de l appareil de type 1. L avantage principal est qu il n y a pas de compression d air à l entré ou à la sortie de l appareil, ce qui améliorera le rendement de celui-ci. Cet appareil ne pourra être installé que dans les nouvelles constructions. Appareil de type 2 Les figures 7,8 et 9 illustre de façon schématique le fonctionnement d un troisième appareil utilisant le principe de fonctionnement de la présente invention. La turbine à vent de type 3 est un appareil adaptatif dont la géométrie est variable. Il est composé de trois parties : - La première est fixe au coin de l immeuble, elle sert de déflecteur à vent et d amortisseur de son et de vibration par rapport à l immeuble. - La seconde partie est la turbine à vent elle-même. Son positionnement est fixe par rapport à l immeuble, les pales sont droites car la turbine doit être réversible. - La troisième partie peut-être comparée à une aile mobile qui s adapte à la nature du flux d air reçu pour en obtenir le maximum de puissance. La figure 7 nous montre l appareil de type 3 en position centrale. L appareil concentre le vent avec un ratio similaire aux deux appareils précédent, soit environ une concentration
de 3 fois. On remarque que le dégagement du flux d air est très évasé pour un rendement maximal. La figure 8 montre l appareil en position plus fermé. Par grand vent le flux d air incident sera déjà très concentré, une compression supplémentaire pourrait induire plus de turbulence et réduire le rendement énergétique. En position refermée, l appareil induirait un taux de compression inférieure à 2 pour 1, et l aire de dégagement du flux est encore augmenté. La figure 9 montre l appareil en position très ouverte. Lorsque le vent est faible, la compression à la surface de l immeuble est moins importante, la largeur du flux incident est donc plus grande (la dimension A des appareils précédents), mais ce flux est moins dense et il pourra être concentré par l appareil de façon plus importante, jusqu à un facteur de 5 ou 6. On note que l aire de dégagement est réduite, mais le flot d air résiduel est moins important. Le système est dit adaptatif car nous ne chercherons pas à pré programmer la position de l aile mobile en fonction de la vitesse du vent. Le flux d air incident peut prendre trop de formes différentes pour que nous puissions fournir des instructions efficaces sans un historique exhaustif, et les données cumulées au fil des ans ne seraient pas transférables d un édifice à l autre. Figurons un immeuble de 15 étages où les 13 niveaux supérieurs sont équipés de turbine à vent de type 3. Le système hydraulique qui positionne les ailles mobiles est relié à un ordinateur central qui commande les mouvements. Toutes les ailes d un même coin sont positionnées de la même façon, sauf une qui est plus ouverte de 2 ou 3 degrés, et une autre qui est plus fermé dans les même proportions. La puissance produite par chacun des appareils est mesuré et si l appareil plus ouvert ou celui plus fermé produit plus de puissance, l ensemble du système est ajusté à la nouvelle position. La révision en continu de la géométrie du système ne sera pas perceptible à l œil nu car il s agit d une correction de 2 ou 3 degrés à toutes les 3 ou 4 minutes. Le rendement de l installation sera donc optimisé sans que nous ayons à identifier et quantifier toutes les variables. On note finalement que l aile mobile pourrait présenter un danger au niveau architectural dans le cas d ouragan. La figure 10 montre que l aile pourrait être faite en deux parties qui seraient rabattables en cas d urgence. Bien que l appareil de type 2 soit nettement plus efficace énergétiquement, celui-ci comporte quelques désavantages : - Le bruit produit par la turbine à vent n est pas masqué de façon significative. Dépendamment des normes applicables, des turbines de type 1 pourraient être installés pour les 8 ou 12 premiers étages d un édifice, et des appareils de types 2 pour tous les étages supérieurs. - La turbine est directement accessible aux oiseaux. Un grillage protecteur pourrait être installé autour de la turbine, mais celui-ci pourrait générer des problèmes d entretien.
Exemple : La figure 12 est un croquis à l échelle d une éolienne tripale de 2 méga Watts et d un édifice existant de 57 étages. L éolienne couvre une surface d un peu plus de 4,000 mètres carrés alors que l immeuble, dans le meilleur angle tel que sur le croquis, couvre une surface de 11,000m2 et dans l angle le plus faible environ 7,800m2. Nous avons donc un édifice avec un potentiel comparatif maximum de 5.5 MW. Nous savons que dans un site approprié une éolienne classique aura un rendement d environ 30% de sa puissance maximale, quand sera-t-il de notre immeuble éolien? Dans un premier temps il y aura des pertes par frottement et turbulence. Il y aura aussi des cas où, de par la nature du flux d air dévié, une partie de celui-ci ne pourra pas être capté par le dispositif enchâssant les turbines. Nous avons par contre des facteurs très en faveur de notre immeuble éolien : - Il est clair qu une éolienne tripale de 72m. de diamètre ne peut pas utiliser tout l air de la surface qu elle couvre pour produire de l énergie, et ce spécialement à basse vitesse. Notre système de turbine où le flux est concentré sur la partie efficace des pales, utilisera tout l air capté pour produire de l énergie, ce qui générera un gain d efficacité important. - Les éoliennes classiques ne génèrent pas d énergie avec des vents de 10 km/h. et elles sont très peu efficace avec des vents de 12 ou 15 km/h. La concentration des flux d air sera la plus efficace à basse vitesse où les déplacements restent laminaires et sont faciles à concentrer dans la turbine. Nous prévoyons générer de l énergie de façon significative à partir de vents nominaux de 5 ou 6 km/h. donc presque 100% du temps. - Dans notre exemple, la majorité du vent capté par l immeuble l est à une hauteur supérieure à notre éolienne géante. Comme il est clairement établi que la force du vent croie avec la hauteur, voici un autre facteur qui augmente notre rendement comparatif. - Finalement, les parcs d éoliennes sont généralement situés assez loin des centres urbains. Dans le cas de notre immeuble éolien, l énergie sera consommée sur place. Comme la perte d énergie dans les grands réseaux de distribution est significative, le rendement comparatif de notre éolienne classique est réduit en fonction de l éloignement. Le rendement final dépendra de beaucoup de facteurs, la vitesse moyenne du vent où l immeuble est situé sera la variable principale, le prix de détail de l électricité dans cette municipalité comptera pour beaucoup dans la rentabilité des projets. Pour notre immeuble de 47 étages, un rendement de 15 à 20% signifierait des économies d énergie annuelle entre 500,000$ et 1 million.