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Stephen W. Dewar, Philip Watts et Frank Fish (États-Unis/Canada)

Finalistes du Prix de l'inventeur européen 2018

Stephen W. Dewar, Philip Watts et Frank Fish (États-Unis/Canada)

Catégorie : Pays non membres de l'OEB

Secteur : Technologie verte

Société : WhalePower Corporation (Canada)

Brevets : EP1805412

Invention : Les baleines, sources d’inspirations pour des turbines et ventilateurs

Une équipe comprenant un biologiste américain, un ingénieur en aéronautique américano-canadien, et un inventeur/entrepreneur canadien a observé la nature pour arriver à développer des turbines, des ventilateurs et des souffleurs industriels, silencieux et efficaces. Leurs pales de turbine biomimétiques sont conçues selon le principe de la nageoire à tubercules de la baleine à bosse. Elles peuvent contribuer à augmenter de 20% la production d’énergie des éoliennes et de 25% le débit d’air des ventilateurs et des souffleurs industriels.

dewar-side-visualLes performances aérodynamiques des turbines ont été considérablement améliorées et leur bruit a été réduit grâce à la technologie des tubercules développée par le biologiste Frank Fish, l'ingénieur en aéronautique Philip Watts et le réalisateur, inventeur et entrepreneur Stephen W. Dewar. L'équipe a fait sa découverte après que Frank Fish a compris que les tubercules - les petites bosses se trouvant sur le bord d'attaque des nageoires des baleines à bosses - réduisaient les masses d'air tournant indésirables appelées vortex, réduisant par là-même la traînée tout en augmentant simultanément la portance.

Le principe de ces tubercules a remis en cause l'aérodynamique conventionnelle, qui a longtemps considéré que le bord d'attaque des hélices, des pales et des turbines devait être aussi lisse que possible pour limiter la résistance à l'air. Il a été cependant constaté que ces bosses, positionnées spécifiquement, pouvaient augmenter considérablement les performances. Transposant cette découverte à la conception des pales d'éoliennes, des ventilateurs et des souffleurs industriels, l'équipe a créé la start-up WhalePower qui octroie des licences aux fabricants potentiels.

Bénéfices pour la société

Capable d'augmenter la production d'énergie des éoliennes de 20% tout en réduisant le bruit et les besoins en maintenance, cette technologie recèle un énorme potentiel pour le secteur éolien.

Une licence pour ce concept des tubercules de WhalePower a été accordée à un producteur d'énergie verte, qui a demandé au German Aerospace Centre (DLR) d'étudier les effets des pales de turbines équipées de tubercules dans une soufflerie. En plus de réduire le bruit d'au moins 2 décibels, l'usure des matériaux est réduite de 6-8% et la durée de vie des composants clés est prolongée de 25% - c'est-à-dire de 3 à 6 années étant donné que la durée de vie moyenne d'une éolienne est de 12-25 ans.

Pour les applications qui utilisent l'énergie plutôt que la produire, les pales à tubercules peuvent augmenter la circulation d'air d'un quart, tout en demandant moins d'énergie. Un important fabricant a testé un prototype de ventilateur de cartes graphiques informatiques et a trouvé qu'avec ce concept, l'efficacité était supérieure de 20% à celle du leader actuel du marché. Cette offre est très attrayante pour l'industrie informatique car les ventilateurs consomment environ 10% de l'énergie totale de dispositifs tels que les serveurs.

Avantages économiques

WhalePower fonctionne comme un cabinet de propriété intellectuelle "virtuel" en ligne qui octroie des licences aux entreprises qui souhaitent utiliser la technologie dans leur domaine d'expertise particulier.

L'entreprise a lancé le premier ventilateur Tubercle Blade HVLS (high-volume low-speed) sur le marché par l'intermédiaire de son licencié, Envira-North Systems. Appelé Altra Air fan, ce ventilateur industriel est disponible dans une grande gamme de tailles et dans 38 pays. Ces ventilateurs silencieux promettent 20 000 heures de fonctionnement sans maintenance, consomment aussi peu d'énergie qu'un sèche-cheveux classique et font circuler 25% d'air en plus que les ventilateurs similaires non équipés des tubercules. Un deuxième fabricant de ventilateurs HVLS, Shanghai Fast Link, vend également des ventilateurs HVLS équipés de tubercules en Chine.

Sur le marché de l'éolien, il est prévu que les ventes mondiales passent de 64,5 milliards d'euros en 2015 à 66 milliards d'euros en 2019. Le marché mondial des ventilateurs et souffleurs industriels et commerciaux, sur lequel WhalePower a placé son premier produit sous licence, devrait être égal à 8,5 milliards d'euros en 2022.

  • Stephen Dewar, Frank Fish and Philip Watts

    Stephen Dewar, Frank Fish et Philip Watts (de gauche à droite)

  • Stephen Dewar, Frank Fish and Philip Watts

    Technologie des tubercules

  • Stephen Dewar, Frank Fish and Philip Watts

    Stephen Dewar

  • Stephen Dewar, Frank Fish and Philip Watts

    Philip Watts

  • Stephen Dewar, Frank Fish and Philip Watts

    Frank Fish

  • Stephen Dewar, Frank Fish and Philip Watts

    Stephen Dewar

  • Stephen Dewar, Frank Fish and Philip Watts

    Frank Fish


Comment ça marche

Frank Fish, grand spécialiste de biomécanique dans le domaine de la nage des animaux, suppose que l'endurance et la vitesse extraordinaires de ces gigantesques mammifères que sont les baleines à bosse (qui pèsent quelque 30 tonnes métriques) pourraient être dues à leurs nageoires, dont le bord est pareil à des lames de scie. Les premières études réalisées par Frank Fish sur les nageoires des baleines suggéraient que les bosses des tubercules amélioraient la portance.

Frank Fish a confirmé ses résultats par un article qui a attiré l'attention de l'ingénieur en aéronautique Philip Watts. Les deux hommes ont alors formé une équipe pour approfondir ensemble leurs recherches sur ce phénomène et voir s'il pouvait avoir des applications pratiques. Ils ont trouvé qu'une surface portante type devait en fait lutter contre les turbulences de l'air qu'elle créait sur sa propre extrémité. Ces vortex (masses d'air tourbillonnantes) réduisaient l'efficacité et créaient du bruit supplémentaire.

L'équipe a été complétée par un nouveau membre, Stephen W. Dewar, et WhalePower a été créée pour développer, breveter et commercialiser le concept de cette nouvelle pale. En ajoutant les bosses que leur ont inspiré les tubercules, mais qu'ils ont arrondies et fuselées pour maximiser l'effet aérodynamique et hydrodynamique, ils ont pu augmenter de 40% la portance des pales tout en assouplissant le décrochage sur ce qu'on appelle l'angle d'attaque. Ils ont réussi à gagner environ 20% d'efficacité avec des pales d'éolienne dont le bord avant avait la forme d'un tubercule. Ce bord d'attaque plus efficace pourrait fonctionner à un pas (ou angle d'incidence du vent) plus élevé et continuer à produire de l'énergie dans des conditions de vent faible.

Inventeurs

Après avoir obtenu son doctorat au département de zoologie de la Michigan State University en 1980, Frank Fish est devenu professeur de biologie à la West Chester University de Pennsylvanie, où il est toujours en poste à la faculté. Il dirige le Liquid Life Laboratory de la West Chester University et ses recherches sont axées sur l'énergétique et l'hydrodynamique de la locomotion aquatique des vertébrés avec des applications biomimétiques. Les travaux de Frank Fish dans la biomécanique de la propulsion des mammifères en milieu aquatique ont été financés par la Defence Advanced Research Projects Agency (DARPA), la National Science Foundation et l'Office of Naval Research américains. Frank Fish a été professeur à l'université, scientifique chercheur et inventeur pendant plus de quarante ans. Il a publié plus de 150 articles de recherche, rapports gouvernementaux et chapitres de livres.

Depuis l'obtention de son doctorat en ingénierie environnementale à l'Institute of Technology de Californie en 1997, Philip Watts a développé et breveté ses avancées dans le domaine de l'éolien et il a été cadre dirigeant dans plusieurs entreprises éoliennes. Il est actuellement PDG de ReSource Renewable Energy, Inc. Il a été vice-président de R&D à WhalePower, où il a conçu une pale d'éolienne avec un ratio portance-traînée élevé. Philip Watts a également publié des articles scientifiques sur l'aérodynamique du vol de la chauve-souris et des astronautes en mouvement dans les stations spatiales. Il a rédigé plus de 70 publications scientifiques et rapports pendant les quatorze années où il a été chercheur.

Inventeur et entrepreneur prolifique, Stephen W. Dewar s'intéresse aux publications comme au journalisme scientifiques. Il a d'abord entendu parler des succès que rencontraient les recherches de Frank Fish et Philip Watts dans l'émission Quirks and Quarks de la radio CBC, et il est devenu partenaire de l'entreprise. Il a passé les trente dernières années à écrire, diriger et produire des centaines de documentaires pour la radio et la télévision ainsi que des drames et des comédies pour la Canadian Broadcasting Corporation, le National Film Board of Canada, CTV et CBS.

Le saviez-vous ?

De nombreux inventeurs se sont penchés sur le biomimétisme et l'utilisation de la nature pour trouver de nouvelles idées ou améliorer leurs inventions. Des millions d'années d'évolution représentent un socle solide pour de nouvelles conceptions dans de nombreux domaines de la technologie.

Parmi les précédents gagnants du Prix de l'inventeur européen dont les inventions sont inspirées de la nature, on compte Peter Holme Jensen, Claus Hélix-Nielsen et Danielle Keller (2014 ; PMS) pour leur méthode éco-énergétique de purification de l'eau basée sur les aquaporines et Adnane Remmal (2017 ; Prix populaire) pour ses antibiotiques améliorés en huiles essentielles. Parmi les finalistes dont les inventions relèvent de la biomimétique, on compte le maillot de bain conçu par Fiona Fairhurst, basé sur la peau du requin (2009 ; Industrie) et la turbine à fluide rotatif inventée par Miroslav Sedláček (2016 ; Recherche).

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