BE1018135A3 - Nouveau systeme d'aerogenerateur a axe vertical. - Google Patents

Abstract

Système de conversion de l'énergie cinétique du vent en énergie électrique, suivant le plan page 9, mettant en oeuvre: -Un rotor vertical en charpente métallique (F) de section carrée ou triangulaire, suivant la grandeur de l'aéromoteur, solidarisé en sa base à un axe (B) tournant entre les paliers (A et C). -Des pales (G) verticales radicales, trois ou quatre suivant la grandeur de l'aérogénérateur, assemblées au rotor axial (F), composées de parties de charpente métalliques modulaires superposées portant des panneaux de surface profilée - parties assombries du plan- tournant sous l'action du vent entre le palier support (C) et le palier guide supérieur (K) au travers de l'accouplement I. -L'alternateur (L) et sa mécanique accouplée à l'axe (B) lesquels sont supportés par une construction métallique à une certaine distance du sol. Système d'aérogénérateur comportant en outre, des aubes (H) verticales fixées au sol, consolidées entre elles dans un tracet périphérique concentrique autour des pales (G) ayant chacune une direction oblique par raport à la radiale, comportant de panneaux de surface spécialement profilée.

Description

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'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.

Claims (1)

1. 2

   REVENDICATIONS 1 . Système d'aérogénérateur, suivant le descriptif précédent, caractérisé en ce que il est constitué principalement de composants modulaires de fabrication standard ce qui facilite grandement F approvisionnement et le montage et ce à un prix modéré. 2. Système d' aérogénérateur caractérisé en ce que la stabilité de F ensemble de la colonne-rotor F , porteuse des pales G et sollicitée latéralement par la poussée du vent , est assurée par les "aérocapteurs" H . Ceux-ci forment en effet un ensemble en charpente métallique circulaire de construction renforcée fixée au O sol ayant un diamètre compatible à F égard de la hauteur de F aérogénérateur en question.

   3. Système d' aérogénérateur suivant le descriptif de cette invention et des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que , le rotor de F aéromoteur est constitué d' une charpente métallique 5 verticale en colonne F .Le montage de la colonne-rotor F étant effectué au site par le montage d' éléments modulaires superposés solidement assemblés et ce simultanément avec le montage des éléments modulaires composant les pales radiales G .

   4. Système d' aérogénérateur caractérisé en ce que il 0 est équipé d' "aérocapteurs" H fixes qui canalisent le vent en courants rectilignes. Ces derniers se dirigent toujours, indifféremment de la direction initiale du vent, vers des directions optimales pour la poussée et la rotation des pales G . De plus, les "aéro capteurs" H assurent la mise en marche de F aéromoteur en par5 tant de F arrêt même sous F action de vent à faible vitesse p. ex. à 2 m/sec. ce qui est un avantage majeur vis à vis d' autres systèmes d' aéromoteurs.

   5. Système d' aérogénérateur caractérisé en ce que les courants obliques du vent dérivés par les "aérocapteurs" H , sont 0 effectués à des directions spécifiques et préférentielles de la présente invention pour les pales G ,se trouvant face au flux du vent , sans provoquer de contre-courant à la rotation d' une ou de deux pale G se trouvant en arrière plan du flux du vent

   6. Système de F aérogénérateur suivant F une ou F au5 tre des revendications de 2 et 4 caractérisé en ce que les aérocapteurs H , disposés dans une zone annulaire écartée de la périphérie délimitée par les pales 6 , occupent une surface face au vent, indépendamment de sa direction, qui est environ 75% supérieure à la section balayée par les pales G proprement dite de F aéromoteur en question. 20

   Ainsi, F énergie cinétique disponible du vent qui frappe les palesG en rotation estd' environ 75 % supérieure à celle qui correspond à la surface réellement balayée par celles-cii. Ceci est évidemment un avantage d' une importance capitale du système de la présente invention vis à vis des aérogénérateurs à axe horizontal commercialisés actuellement. En effet, dans ces systèmes ,F énergie disponible du vent est limitée à celle qui correspond uniquement à la surface même balayée par F hélice en rotation . 7.

   Système d' aérogénérateur suivant les revendiO cations 4 à 6 caractérisé en ce que , grâce à F utilisation des "aérocapteurs" H on peut atteindre un rendement mécanique optimalisé - rapport entre F énergie cinétique du vent à F axe F et F énergie cinétique disponible du vent - étant donné que : chaque pale G est favorablement orientée par rapport au flux du vent qui la 5 frappe en sa rotation sur un champ d' action du vent supérieur à 1 8O [deg.] d' angle .

   8. Système d' aérogénérateur caractérisé en ce que il comporte des "aérocapteur" H au minimum douze formant, grâce à leurs connexions périphériques à différentes hauteurs , un ensemble 0 circulaire parfaitement consolidé résistant à la poussée du vent qui est ainsi repartie sur une grande surface de forme cylindrique .

   9. Système d' aérogénérateur suivant le descriptif précédent et la revendication 1 caractérisé en ce que, il est constitué d' éléments modulaires superposés aussi bien pour la construc5 tion de la colonne - rotorF comprenant les pales G que pour les aérocapteurs H .

   10. Système d' aérogénérateur suivant la revendication 9 caractérisé en ce que par sa conception modulaire il permet F augmentation de sa puissance dans un rapport compatible avec la 0 grandeur de F appareillage électrique et mécanique initialement prévus. Pour ce faire il sera nécessaire d' ajouter des modules supplémentaires identiques aux existants constituant la colonne F, les pales G et les "aérocapteurs" H .

   1 1. Système d' aérogénérateur suivant le descriptif 5 précédent suivant lequel le générateur électrique L et sa mécanique annexe sont supportés par une structure métallique près du sol ce qui facilite grandement F installation de F ensemble et en réduit le coût du montage et de F entretien .