2
'Nouueau sustème d' aérogénérateur à ae uertical"
La présente invention concerne un nouveau type d' aérogénérateur à pales radiales à panneaux de surface profilée assemblées sur un axe vertical , autour desquelles des aubes verticales fixes canalisent le vent vers des directions préférentielles du système .
De cette caractéristique unique il résulte un accroissement important du rendement de I' aéromoteur et de son énergie cinétique disponible. Dans la bibliographie relative aux aérogénérateurs servant à capter et convertir F énergie cinétique du vent en énergie électriO que , on distingue deux groupes principaux d' appareils .
Dans le premier groupe , qui est le plus répandu depuis plusieurs années , appartiennent les "éoliennes" dont F élément moteur est une hélice généralement à trois pales montées sur un axe horizontal donc, parallèle à la direction du vent. 5 Au second groupe appartiennent les anciens systèmes de Darrieus et de Savonius sur lesquels ont été développés plusieurs systèmes dérivés . L' aérogénérateur de Savonius est constitué d' une seule pale cintrée diamétrale en forme de S montée le long d' un axe perpendiculaire à la direction du vent.Toutefois, il a été abandonO né à cause de son très faible rendement.
L' aérogénérateur de Darrieus composé de deux ou trois pales métalliques minces en forme d' un "arc" montées également le long d' un axe vertical ou horizontal perpendiculaire à la direction du vent est très peu utilisé vu sa grande inertie lors du démarrage. 5 Le rendement maximum d' un aéromoteur est calculé sur base du produit de plusieurs rendements propres à tous les éléments intervenant dans ce type d' installation, en partant de F énergie récupérable sur F énergie cinétique disponible du vent, jusqu' à F obtention de F énergie finale qui est généralement F énergie électrique . O Dans le cas d' une éolienne, par exemple , on ne peut récupérer au mieux que la fraction 1 6/27 ( appelé limite de Betz ) de F énergie cinétique totale de la masse du vent qui frappe la surface balayée par F hélice tournante.
Toutefois , le rendement général que F on peut atteindre est très inférieur à la limite de Betz en tenant com5 pte des rendements propres aux différentes transformations telles que celles relatives au multiplicateur ou le réducteur , F alternateur etc. Finalement on arrive à un rendement en énergie électrique en rapport avec F énergie cinétique disponible d' une éolienne à sa vitesse nominale lequel varie entre 3O % et 4O % de la limite de Betz . La limite de Betz , qui intervient dans tous les aéromoteurs à différentes valeurs , est le facteur qui affecte le plus le rendement général d' une éolienne à axe horizontal car il est basé surtout sur la vitesse du vent en aval de la surface balayée par F hélice. Cette vitesse n' est pas négligeable compte tenu qu' une partie important du flux du vent traverse les espaces entre les pales d' une éolienne.
Un inconvénient majeur d' une éolienne est le fait que F ensemble de la génératrice et de tous les éléments nécessaires à la conversion de F énergie cinétique en énergie électrique sont montés en haut d' un pilône. Pour une éolienne d'une puissance moyenne le pilône à prévoir a une hauteur allant jusque 50 mètres et nécessite évidemment une fondation importante et fort coûteuse. Ces incovéniants sont des désavantages majeurs des éoliénnes à axe horizontal en y ajoutant que à des vitesses de vent inférieures à 4 m/sec une éolienne s' arrête. Elle doit donc impérativement être équipée d' un moyen de stockage d' énergie pour être réamorcée ce qui comporte un investissement important.
Dés recherches sont toujours en cours pour pouvoir utiliser des systèmes à axe vertical qui présentent certains avantages non négligeables , par exemple un coût d' installation modéré, et surtout pour pouvoir atteindre un rendement énergétique aussi élevé que possible. Entre autres avantages des aéromoteurs à axe vertical il faut citer que pour ces appareils la génératrice de courant électrique est installée près du sol , ce qui est évidemment un avantage majeur car il réduit le coût d' installation et facilite F entretien de toute la mécanique du système .
Le nouveau système d' aérogénérateur qui fait F objet de la présente invention est également à axe vertical. Toutefois il diffère totalement des appareils de Darieus ou de Savonius cités au début de ce texte et de systèmes dérivés de ceux-ci commercialisées jusqu' à ce jour. 2007/0010
Les deux paramètres qui sont particulièrement optimalisés dans ce nouvel aéromoteur sont : le rendement global d' une part mais aussi F augmentation importante de F énergie cinétique disponible à F égard de la surface balayée par les pales en rotation. Le plan en annexe représente une coupe longitudinale en élévation illustrant schématiquement à titre d' exemple non limitatif F aérogénérateur de la présente invention dont la description suit dans ce texte :
L' aéromoteur de la présente invention est consttué de F ensemble d' un rotorF vertical, qui en sa base comprend F arbre B au prolongement duquel est montée la structure motrice proprement dite en charpente métallique englobant des ensembles de pales G et leurs supports radiaux S .Cette structure métallique parfaitement verticale, consolidée et équilibrée, de par sa symétrie par rapport à F axe B , se met en rotation sous Faction du vent entre les trois paliers suivants , dont :
-le palier guide inférieur A , fixé sur la structure métallique E -le palier intermédiaire C , qui est fixé sur la plate - forme de la structure métallique D, à quelques mètres du sol, lequel supporte la charge verticale de la colonne-rotor F et partiellement la poussée horizontale du vent appliquée sur les pales G . -le palier guide supérieur K placé au sommet du rotor F , tenu par trois haubans l , lequel supporte également une partie de la poussée du vent sur les pales G . L' appareillage électrique et la mécanique L du système de conversion de F énergie cynétique en énergie électrique sont installés à quelques mètres du niveau du sol et sont accouplés avec F arbre B . Sur le prolongement de F arbre B , juste au-dessus du palier C , un accouplement rigide I est installé fixant solidement F arbreB au bas de la colonne -rotor F à savoir en son axe .
La colonne-rotor F est composée d' éléments modulaires en charpente métallique en nombre non limitatif - elle est en fait représentée avec sept modules au plan en annexe. Suivant la grandeur de F aérogénérateur la colonne F elle est de section carrée et comprend quatre ensembles radiaux de pales G ou elle a une section en triangle équilatéral et comprend alors trois ensembles de pales G .
Suivant un mode avantageux de réalisation de I' invention, chaque élément ou module formant les pales G est composé d' un panneau métallique de faible épaisseur à ondulations verticales ayant les dimensions appropriées qui est inséré et solidement fixé dans la charpente métallique formée de supports radiaux S . Suivant un mode particulièrement avantageux qui caractérise le système de la présente invention, autour des pales G en une circonférence concentrique et distante de celles-ci sont disposées des aubes H verticales ; leur nombre et leur largeur préférés de F invention sont déterminés en fonction de la grandeur de F aérogénérateur. Toutes les aubes H ont la même hauteur que celle des pales G .
Les aubes H équidistantes dans leur tracé circulaire ont chacune une position distincte , préférée de F invention, O ayant une direction déviée par rapport à la direction radiale. Chaque aube H est composée de quatre montants métalliques fixés au sol reliés par de barres de renfort qui y sont soudées formant une setion en charpente rectangulaire. Dans cette charpente sont insérées et fixées des tôles minces en acier inoxydable ayant une surface 5 profilée caractéristique de la présente invention .
Afin de les consolider et les rendre parfaitement résistantes à la poussée du vent les colones en charpente englobant des aubes H sont reliées entre elles au moyen des barres en tubes métalliques à différentes hauteurs jusque et y compris leur sommet O lesquelles ne produisent qu' une résistance négligeable au flux du vent. Ainsi, F ensemble des aubes H forme une charpente circulaire parfaitement consolidée autour des pales en rotation G .
Les aubes H sont en fait des éléments particulièrement avantageux de I' aérogénérateur de la présente invention car 5 elles canalisent toujours le flux du vent , qui frappe les palesG , en des direction favorable à leur rotation et ce indépendamment de sa direction initiale. D' autre part les aubes H elles doublent quasiment la section de F aérogénérateur frappée par le vent ce qui influence avatageusement son rendement . 0 Suivant la puissance de F aérogénérateur la consolidation de la structure F en sa verticalité au départ du palier K est assurée soit par trois cables J , comme il est figuré au plan en annexe , orientées en des angles de 120 [deg.] , soit par trois charpentes horizontales fixées également au sommet des trois aubes H en des 5 angles de 1 20 [deg.]
De cette façon un ensemble de construction métallique est érigé autour des pales G dirigeant les courants du vent dans des directions optimales à leur rotation dès que le flux du vent atteint les bords extérieurs des aubes H c.à.d. avant de pénétrer dans F espace balayé par les pales G de F aéromoteur. 20070
Suivant une forme de réalisation particulièrement avantageuse de F invention, les panneaux des aubes H que F on appelle par la suite "aérocapteurs", comportent des ondulations horizontales ce qui est une des caractéristiques uniques de cet aérogénérateur. En effet ces ondulations de largeur et profondeur adéquates formant des cannaux inévitables de passage du vent, rectifient d' une part sa direction initiale en des directions préférentielles du système mais elles augmentent d' autre part dans une certaine mesure sa vitesse initiale O De surcroît, les "aérocapteurs" H , installés à la périphérie et à une distance environ égale à la largeur des pales G augmentent la section proprement dite de F aéromoteur face au vent.
De cette particularité de F aérogénérateur de la présente invention , résulte un accroissement considérable de F énergie cynétique effec5 tivemant disponible par rapport à celle correspondante à la section proprement dite balayée par les pales G .
Enfin, comme il a été cité au début de ce texte , en page 3 alinéa 39, les pales G comportent des panneaux à ondulations . Ces ondulations ayant de largeurs et profondeurs appropriées sont O avantageusement orientées pour optimaliser les trajets du vent depuis son entrée dans F espace circulaire décrit par les palesG en rotation jusqu' à son échappement en dehors de cet espace.
Comme conséquence de cette particularité , les pales G en leur rotation dérivent automatiquement les courants du vent, s' é5 échappant de leur surface, dans une direction principalement verticale et de ce fait on évite la formation de contre-courants pour la ou les pales se trouvant en arrière plan du flux du vent.
2
'Nouueau sustème of wind turbine to aeratorical
The present invention relates to a new type of aerodynamic aerator with radial blades with profiled surface panels assembled on a vertical axis, around which fixed vertical vanes channel the wind towards preferential directions of the system.
This unique characteristic results in a significant increase in the efficiency of the wind turbine and its available kinetic energy. In the bibliography relating to wind turbines for capturing and converting the kinetic energy of wind into electrical energy, two main groups of apparatus are distinguished.
In the first group, which is the most widespread for several years, belong the "wind turbines" whose F motor element is a propeller generally three blades mounted on a horizontal axis, therefore, parallel to the wind direction. In the second group belong the ancient Darrieus and Savonius systems on which several derivative systems have been developed. The Savonius aerogenerator consists of a single S - shaped diametrical curved blade mounted along an axis perpendicular to the wind direction. However, it was abandoned because of its very low efficiency.
The Darrieus aerogenerator composed of two or three thin metal blades in the shape of an "arc" also mounted along a vertical or horizontal axis perpendicular to the direction of the wind is very little used due to its high inertia at startup. 5 The maximum efficiency of a wind turbine is calculated on the basis of the product of several efficiencies specific to all the elements involved in this type of installation, starting from the energy recoverable from the available kinetic energy of the wind, until obtaining F final energy which is usually F electrical energy. O In the case of a wind turbine, for example, the maximum momentum of the mass of the wind, which strikes the surface swept by F rotary helix, can only be recovered at the best of fraction 1 6/27 (called the Betz limit). .
However, the overall efficiency achievable is much lower than the Betz limit, taking into account the yields of different transformations such as multiplier or reducer, alternator etc. Finally, we arrive at an electrical energy yield in relation to the available kinetic energy of a wind turbine at its nominal speed, which varies between 30% and 40% of the Betz limit. The Betz limit, which occurs in all windmills at different values, is the factor that most affects the overall efficiency of a horizontal axis wind turbine because it is based mainly on the wind speed downstream of the surface swept by F propeller. This speed is not negligible considering that a significant part of the flow of the wind passes through the spaces between the blades of a wind turbine.
A major disadvantage of a wind turbine is that the entire generator and all the elements necessary for the conversion of kinetic energy into electrical energy are mounted on top of a pylon. For a wind turbine of average power the pilon to be expected has a height of up to 50 meters and obviously requires a large foundation and very expensive. These uncovering agents are major disadvantages of horizontal axis windmills by adding that at wind speeds below 4 m / sec a wind turbine stops. It must imperatively be equipped with a means of energy storage to be rebooted which involves a significant investment.
Research is still underway to be able to use vertical axis systems which have some significant advantages, for example a moderate installation cost, and especially to achieve as high energy efficiency as possible. Among other advantages of vertical axis wind motors it should be mentioned that for these devices the electric generator is installed near the ground, which is obviously a major advantage because it reduces the cost of installation and facilitates maintenance of all the mechanics of the machine. system.
The new wind turbine system which is the subject of the present invention is also vertical axis. However, it differs totally from the Darieus or Savonius devices mentioned at the beginning of this text and derived systems of these commercialized until today. 2007/0010
The two parameters that are particularly optimized in this new wind turbine are: the overall efficiency on the one hand but also the significant increase in kinetic energy available with respect to the surface swept by the rotating blades. The plan in the appendix represents a longitudinal sectional elevation schematically illustrating, by way of nonlimiting example, the aerogenerator of the present invention, the description of which follows in this text:
The aeromotor of the present invention is made up of a set of vertical rotorF, which at its base comprises F shaft B at the extension of which is mounted the actual motor structure in metal frame including sets of blades G and their radial supports S This perfectly vertical metallic structure, consolidated and balanced, by its symmetry with respect to F axis B, is rotated under the action of the wind between the three following levels, of which:
the lower guide bearing A, fixed on the metal structure E, the intermediate bearing C, which is fixed on the platform of the metal structure D, a few meters from the ground, which supports the vertical load of the column-rotor F and partially the horizontal thrust of the wind applied on the blades G. the upper guide bearing K placed at the top of the rotor F, held by three stays l, which also supports a part of the thrust of the wind on the blades G. The electrical equipment and mechanics of the Cynetic energy conversion system are installed a few meters from the ground level and are coupled with F shaft B. On the shaft extension B, just above the C-bearing, a rigid coupling I is installed firmly fixing F shaftB at the bottom of the column -rotor F namely on its axis.
The column-rotor F is composed of modular elements of metal frame in non-limiting number - it is in fact represented with seven modules in the annexed plan. Depending on the size of F wind turbine column F it is of square section and comprises four radial sets of blades G or it has an equilateral triangle section and then comprises three sets of blades G.
According to an advantageous embodiment of the invention, each element or module forming the blades G is composed of a thin metal panel with vertical corrugations having the appropriate dimensions which is inserted and securely fixed in the metal frame formed of radial supports. S. According to a particularly advantageous mode which characterizes the system of the present invention, around the blades G in a concentric circumference and distant from them are arranged vertical blades H; their preferred number and width of the invention are determined as a function of the magnitude of the aerogenerator. All the blades H have the same height as that of the blades G.
Equidistant vanes H in their circular pattern each have a distinct, preferred position of the invention, O having a direction deviated from the radial direction. Each dawn H is composed of four metal uprights attached to the ground connected by reinforcing bars which are welded forming a setion rectangular frame. In this framework are inserted and fixed thin stainless steel sheets having a profiled surface characteristic of the present invention.
In order to consolidate them and make them perfectly resistant to the thrust of the wind, the frame columns encompassing blades H are interconnected by means of bars made of metal tubes at different heights up to and including their top O which only produce a resistance. negligible to the flow of the wind. Thus, the set of blades H forms a circular framework perfectly consolidated around the rotating blades G.
The blades H are in fact particularly advantageous elements of the aerogenerator of the present invention because they always channel the flow of the wind, which strikes the blades G, in a direction favorable to their rotation and this independently of its initial direction. On the other hand, the blades H nearly double the wind turbine section of the wind turbine, which has a positive effect on its efficiency. According to the power of the aerogenerator, the consolidation of the structure F vertically at the beginning of the landing K is ensured either by three cables J, as it is shown in the attached plan, oriented at angles of 120 [deg.], Or by three horizontal frameworks also fixed at the top of the three blades H at angles of 1 20 [deg.]
In this way a set of metal construction is erected around the blades G directing the currents of the wind in optimal directions to their rotation as soon as the flow of the wind reaches the outer edges of the blades H i.e. before entering F space swept by the airfoil G blades. 20070
According to a particularly advantageous embodiment of the invention, the panels of the blades H, which are referred to hereinafter as "air-sensors", comprise horizontal corrugations, which is one of the unique characteristics of this aerogenerator. In fact, these corrugations of adequate width and depth forming unavoidable ducts for the passage of the wind rectify on the one hand its initial direction in preferential directions of the system but, on the other hand, they increase to some extent its initial velocity. the "airsensors" H, installed at the periphery and at a distance approximately equal to the width of the blades G increase the actual section of the wind turbine F face.
From this feature of the aerogenerator of the present invention, results a considerable increase in available cynetic energy available relative to that corresponding to the actual section swept by the blades G.
Finally, as mentioned at the beginning of this text, on page 3, paragraph 39, the blades G have corrugated panels. These corrugations having appropriate widths and depths are advantageously oriented to optimize the wind paths from its entry into the circular space described by the rotating blades G until it is exhausted outside this space.
As a consequence of this peculiarity, the blades G in their rotation automatically derive the currents of the wind, escaping from their surface, in a mainly vertical direction and thus the formation of counter-currents for the blade or blades is avoided. found in the background of the wind flow.