~~ Eolienne carénée auto-orientable »
La présente invention concerne une éolienne montée libre-ment pivotante autour d'un axe de rotation vertical de façon à permettre son auto-orientation naturelle face au vent et comportant une hélice ac-s tionnée par le vent et coopérant avec un alternateur pour fournir de l'énergie électrique.
Les spécialistes cherchent depuis longtemps à récupérer l'énergie éolienne qui a l'avantage d'être propre, c'est-à-dire de ne pas en-gendrer de pollution thermique ou chimique et parallèlement d'être iné-to puisable.
Ces avantages sont toutefois compensés dans une large mesure par une série d'inconvénients en particulier liés au caractère dis persé et intermittent du vent ; il est en outre bien connu que les ~~ parcs »
d'éoliennes consomment beaucoup d'espace et ne fonctionnent pas sans 15 nuisances sonores.
Ces inconvénients font que le marché des éoliennes n'a pas connu ces dernières années l'essor auquel on aurait pu s'attendre, et que les perspectives de développement dans ce domaine sont aujourd'hui très larges.
2o De manière plus précise, les éoliennes actuellement utili-sées sont fréquemment équipées d'hélices à pales radiales et à axe hori-zontal analogues à celles permettant la propulsion d'avions, mais en règle générale beaucoup plus grandes.
De telles hélices coopèrent classiquement avec des dynamos 25 ou des alternateurs industriels équipés d'entrainements multiplicateurs de vitesse, ce qui les rend lourdes, coùteuses, et de faible rendement.
Pour remédier à cet inconvénient, on a déjà proposé
conformément au document FR- 2 793 528, une éolienne équipée de pales hélicoïdales inclinées vers l'amont portées par un moyeu de gros diamètre 3o ainsi que d'un carénage circulaire divergent de longueur relativement fai-ble monté concentriquement au moyeu et entourant les pales à proximité
de leurs extrémités.
Dans une telle éolienne l'écoulement de l'air est guidé par un ensemble diffuseur constitué par le moyeu et le carénage.
35 Ce dernier est divergent ce qui permet d'obtenir une survi-tesse au droit des pales et augmente l'énergie transmise.
En outre, les pales obliques sont plus longues que des pales radiales de même diamètre utile et sont actives sur toute leur longueur ~~ Auto-orientable fairing wind turbine »
The present invention relates to a free-mounted wind turbine.
swivel around a vertical axis of rotation so as to allow its natural self-orientation facing the wind and comprising a propeller blown by the wind and cooperating with an alternator to provide electrical energy.
Specialists have long sought to recover wind energy which has the advantage of being clean, that is to say not generate thermal or chemical pollution and at the same time be to drawable.
However, these benefits are largely offset measure by a series of drawbacks in particular related to the dis persistent and intermittent wind; it is also well known that ~~ parks "
wind turbines consume a lot of space and do not operate without 15 noise pollution.
These drawbacks mean that the wind turbine market has not experienced in recent years the boom that we might have expected, and that the development prospects in this area are very wide.
2o More precisely, the wind turbines currently used are frequently fitted with propellers with radial blades and a horizontal axis zontal similar to those allowing aircraft propulsion, but in good standing generally much larger.
Such propellers conventionally cooperate with dynamos 25 or industrial alternators fitted with multiplier drives speed, which makes them heavy, expensive, and inefficient.
To remedy this drawback, it has already been proposed in accordance with document FR-2 793 528, a wind turbine fitted with blades helical inclined upstream carried by a large diameter hub 3o as well as a diverging circular fairing of relatively short length.
ble mounted concentrically to the hub and surrounding the nearby blades of their ends.
In such a wind turbine the air flow is guided by a diffuser assembly constituted by the hub and the fairing.
35 The latter is divergent which makes it possible to obtain a survival tesse to the right of the blades and increases the transmitted energy.
In addition, the oblique blades are longer than blades radials of the same useful diameter and are active over their entire length
2 sans perte aérodynamique d'extrémité, ce qui augmente là encore le ren-dement.
Cette éolienne s'est avérée à l'usage plus robuste, moins en-combrante à puissance égale et moins bruyante que les éoliennes classi-s ques.
Ces avantages sont notamment obtenus grâce à la présence du carénage qui comporte de préférence un bord d'attaque arrondi suivi J
d'une carène épaisse et d'un bord de fuite mince divergent.
Ce carénage permet en effet de supprimer les turbulences à
1o l'origine du bruit et de créer, en coopération avec le moyeu, un ensemble diffuseur convergent divergent permettant d'obtenir des conditions opti males d'accélération du flux d'air dans sa section la plus étroite et par suite l'entrainement optimal en rotation des pales.
De telles éoliennes doivent bien entendu comme toutes les t5 éoliennes montées sur un mât vertical étre toujours orientées face au vent ; elles sont donc tributaires d'organes d'orientation.
Ces organes sont à titre d'exemple constitués par des ~~ yaw » moteurs qui permettent d'orienter l'éolienne en fonction du vent, par des « yaw sensor » qui indiquent le sens de rotation de l'éolienne ainsi 2o que par des dispositifs de gestion adaptés.
Or, de tels organes d'orientation sont onéreux et relative-ment sophistiqués, donc exposés à des pannes, en particulier dans le cas d'éoliennes de grande envergure.
Ces organes sont en outre de nature à entrainer des risques 2s d'emmêlement des càbles qui transmettent l'énergie.
Pour remédier à ces inconvénients, on a déjà proposé de monter les pales d'une éolienne à la partie aval du moyeu dans le sens du vent ou de lui adjoindre une dérive lui permettant de rester orientée face au vent en toute circonstance ce sans avoir recours à des organes 3o d'orientation mécaniques.
Une telle configuration ne peut toutefois pas s'appliquer à
toutes les éoliennes en particulier aux éoliennes de grande dimension.
La présente invention a pour objet de proposer une éolienne auto-orientable permettant de surmonter cette difficulté.
3s Pour concevoir une telle éolienne, on a eu l'idée d'utiliser le carénage en tant que dérive.
Une telle éolienne auto-orientable conforme à l'invention peut ainsi être de type quelconque, et avoir une petite, une moyenne ou 2 without aerodynamic end loss, which again increases the yield Dement.
This wind turbine has proven to be more robust, less bulky at equal power and quieter than conventional wind turbines s ques.
These advantages are notably obtained thanks to the presence the fairing which preferably has a rounded leading edge followed J
thick hull and thin diverging trailing edge.
This fairing makes it possible to remove the turbulence at 1o the origin of the noise and create, in cooperation with the hub, a set divergent convergent diffuser to obtain optimal conditions air flow acceleration males in its narrowest section and by following the optimal rotation training of the blades.
Such wind turbines must of course like all t5 wind turbines mounted on a vertical mast always face the wind; they are therefore dependent on guidance bodies.
These organs are, for example, constituted by ~~ yaw »motors which allow to orient the wind turbine according to the wind, by "yaw sensor" which indicate the direction of rotation of the wind turbine as well 2o only by suitable management systems.
However, such orientation bodies are expensive and relatively sophisticated, therefore exposed to breakdowns, especially in the case large-scale wind turbines.
These bodies are also likely to entail risks 2s of tangled cables that transmit energy.
To remedy these drawbacks, it has already been proposed to mount the blades of a wind turbine at the downstream part of the hub in the direction of wind or to add a drift allowing it to stay oriented face in the wind in all circumstances without resorting to organs 3o mechanical orientation.
However, such a configuration cannot be applied to all wind turbines, in particular large wind turbines.
The object of the present invention is to provide a wind turbine self-orientating to overcome this difficulty.
3s To design such a wind turbine, we had the idea of using the fairing as a drift.
Such a self-rotating wind turbine according to the invention can thus be of any type, and have a small, an average or
3 une grande envergure à la condition d'être équipée d'un carénage diver-gent.
Selon l'invention cette éolienne est montée pivotante autour d'un axe de rotation vertical de façon à permettre son orientation face au vent et comporte une hélice actionnée par le vent, qui est équipée de pales portées par un moyeu d'axe horizontal ainsi qu'un alternateur coopérant avec l'hélice pour fournir de l'énergie électrique, et un carénage circulaire divergent de longueur relativement faible monté concentriquement au moyeu et entourant les pales.
1o Cette éolienne est caractérisée en ce que son axe de rotation est situé en amont du foyer des forces aérodynamiques résultantes géné-rées sur le carénage par un vent axial, dans le sens de ce vent.
Une telle éolienne auto-orientable peut toutefois présenter l'inconvénient de risquer de s'emballer lorsque la puissance de vent est trop importante, mettant ainsi en danger les différents éléments de sa structure.
Ce problème a déjà été abordé dans le cas d'éoliennes caré-nées non auto-orientables.
Pour résoudre celui-ci, il a été proposé d'adjoindre à
l'éolienne un système de nature à faire pivoter l'intégralité de celle-ci, y compris le carénage en présence de vents violents.
I1 s'agit cependant là d'un système à la fois lourd et coù-teux.
Une autre possibilité consisterait à prévoir des organes de z5 freinage en aval des pales. Un tel système est toutefois difficile à mettre en oeuvre dans la pratique.
Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, on a pu surmonter cette difficulté en adjoignant au moyeu de l'éolienne des or-ganes permettant de modifier l'orientation des pales par rapport au vent.
3o Les pales peuvent ainsi être ~~ effacées » par rapport au vent en présence de vent violent.
De tels organes qui permettent de disposer de pales à pas variable sont connus dans le domaine de l'aviation.
Leur adaptation à l'éolienne auto-orientable carénée 35 conforme à l'invention permet à celle-ci de fonctionner de façon satisfai sante à de grandes vitesses de vent. 3 large in size provided it is fitted with a different fairing gent.
According to the invention this wind turbine is pivotally mounted around a vertical axis of rotation so as to allow its orientation facing the wind and has a wind powered propeller, which is fitted with blades carried by a horizontal axis hub and a cooperating alternator with the propeller to provide electrical power, and a circular fairing diverging of relatively short length mounted concentrically to the hub and surrounding the blades.
1o This wind turbine is characterized in that its axis of rotation is located upstream of the focal point of the resulting aerodynamic forces rees on the fairing by an axial wind, in the direction of this wind.
Such a self-orienting wind turbine can however have the disadvantage of risking getting carried away when the wind power is too large, thus endangering the various elements of its structure.
This problem has already been addressed in the case of wind turbines not self-orientating.
To resolve this, it was proposed to add to the wind turbine a system capable of rotating the whole thereof, including including fairing in the presence of strong winds.
This is, however, a system that is both cumbersome and costly.
expensive.
Another possibility would be to provide for z5 braking downstream of the blades. Such a system is however difficult to put in works in practice.
According to a preferred characteristic of the invention, we have was able to overcome this difficulty by adding to the hub of the wind turbine ganes allowing to modify the orientation of the blades compared to the wind.
3o The blades can thus be ~~ erased "from the wind in the presence of strong wind.
Such bodies which make it possible to have pitch blades variable are known in the aviation field.
Their adaptation to the faired self-rotating wind turbine 35 according to the invention allows it to function satisfactorily health at high wind speeds.
4 La configuration particulièrement avantageuse de l'éolienne conforme à l'invention sera explicitée en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une coupe schématique d'une éolienne conforme à
s l'invention par un plan vertical ;
- la figure 2 est une coupe schématique d'une éolienne conforme à
l'invention orientée face au vent V par le plan horizontal médian du ca-rénage ;
- la figure 3 est une coupe schématique correspondant à la figure 2, to mais dans laquelle l'éolienne est orientée obliquement par rapport au vent V.
Selon la figure 1, l'éolienne est équipée d'un moyeu 10 d'axe horizontal xx' équipé de pales 11 ainsi que d'un alternateur 12 et d'un ca rénage circulaire divergent 1 monté concentriquement au moyeu 10 par 15 l'intermédiaire de bras de support 13 et entourant les pales 11.
Cette éolienne est montée pivotante sur un mat vertical 2 schématisé par un cercle sur les figures 2 et 3 par l'intermédiaire d'un pi-vot 14.
Le carénage 1 a un profil aérodynamique particulier défini 2o par un bord d'attaque arrondi 3 suivi d'un extrados/intrados 4 et de bords de fuite divergents 5.
Selon la figure 2, si l'on considère une section quelconque du carénage 1 par un plan radial, la corde interne C a une longueur rela tivement faible alors que le rayon moyen R correspond essentiellement à la 25 longueur des pales 11.
L'angle de la corde C et de l'axe x-x' du carénage 1 est de 5 à 30°.
Dans chaque plan radial, l'accélération du flux d'air à
l'intérieur du carénage 1 crée une force Fr qui peut se décomposer en 3o deux forces dont l'une est la portance élémentaire Fp tandis que l'autre est la tramée élémentaire Ft.
L'ensemble des forces aérodynamiques Frtotal générées par le vent V peut se résumer en deux forces, à savoir une résultante Frd sur le côté droit du carénage 1 et une résultante Frg sur le côté gauche du ca-35 rénage 1.
Selon la figure 2 l'angle d'incidence du vent V sur la corde C
droite est égal à l'angle d'incidence du vent sur la corde C gauche et donc la résultante Frd est égale à la résultante Frg.
Le foyer Fc de ces deux forces se situe à une distance d de l'axe de rotation 2 de l'éolienne, en arrière de cet axe.
L'éolienne est ainsi stable face au vent vu que la résultante Frtotal est orientée sur l'axe xx'. 4 The particularly advantageous configuration of the wind turbine according to the invention will be explained with reference to the accompanying drawings wherein - Figure 1 is a schematic section of a wind turbine according to s the invention by a vertical plane;
- Figure 2 is a schematic section of a wind turbine according to the invention oriented towards the wind V by the median horizontal plane of the renage;
FIG. 3 is a schematic section corresponding to FIG. 2, to but in which the wind turbine is oriented obliquely to the wind V.
According to Figure 1, the wind turbine is equipped with a hub 10 of axis horizontal xx 'fitted with blades 11 as well as an alternator 12 and an AC
divergent circular reinforcement 1 mounted concentrically to the hub 10 by 15 through the support arm 13 and surrounding the blades 11.
This wind turbine is pivotally mounted on a vertical mast 2 shown diagrammatically by a circle in FIGS. 2 and 3 by means of a pi-vot 14.
The fairing 1 has a specific aerodynamic profile defined 2o by a rounded leading edge 3 followed by an upper / lower surface 4 and edges divergent leakage 5.
According to Figure 2, if we consider any section of the fairing 1 by a radial plane, the internal cord C has a relative length tively small whereas the mean radius R essentially corresponds to the 25 blade length 11.
The angle of the cord C and the axis xx 'of the fairing 1 is 5 at 30 °.
In each radial plane, the acceleration of the air flow at the interior of the fairing 1 creates a force Fr which can decompose into 3o two forces, one of which is the elementary lift Fp while the other East the elementary screen Ft.
The set of Frtotal aerodynamic forces generated by wind V can be summed up in two forces, namely a resultant Frd on the right side of the fairing 1 and a resultant Frg on the left side of the box 35 renage 1.
According to Figure 2 the angle of incidence of the wind V on the cord C
right is equal to the angle of incidence of the wind on the left cord C and therefore the resultant Frd is equal to the resultant Frg.
The focal point Fc of these two forces is located at a distance d from the axis of rotation 2 of the wind turbine, behind this axis.
The wind turbine is thus stable against the wind since the resulting Frtotal is oriented on the axis xx '.
5 Selon la figure 3 si le vent V change de direction, ses angles d'incidence sur les cordes C droite et gauche deviennent différents.
Par suite, la résultante Frd n'est plus égale à la résultante Frg.
En conséquence la résultante Frtotal crée au niveau du 1 o foyer Fc un couple qui a tendance à faire revenir le système à
l'équilibre, c'est-à-dire face au vent.
Selon la figure 1, une telle configuration permet donc, en fait, d'utiliser le carénage en tant que dérive de façon à permettre une auto-orientation de l'éolienne, face au vent.
Il est à noter que la distance d entre le foyer Fc et l'axe de rotation 2 de l'éolienne et par suite la position de cet axe de rotation jouent un rôle essentiel dans la dynamique temporelle du système : en effet, plus la distance d est grande, plus le temps de réponse aux varia-tions de direction du vent est court.
2o Différents facteurs doivent cependant étre pris en considé-ration lors du choix de la position de l'axe de rotation 2 de l'éolienne, en particulier le temps de réponse de l'auto-orientation à partir du seuil initial de production, - le couple aérodynamique à partir du seuil initial de production qui doit étre supérieur au couple résistant de l'axe de rotation, - le couple du au poids de la machine ramenée sur l'axe de rotation ver-tical, - les contraintes mécaniques sur la couronne d'orientation, - les contraintes financières et esthétiques. 5 According to Figure 3 if the wind V changes direction, its angles of incidence on the right and left strings C become different.
Consequently, the resultant Frd is no longer equal to the resultant Frg.
Consequently the resulting Frtotal creates at the level of 1 o outbreak Fc a couple which tends to return the system to the balance, that is to say facing the wind.
According to Figure 1, such a configuration therefore allows, in done, to use the fairing as a drift so as to allow a self-orientation of the wind turbine, facing the wind.
It should be noted that the distance d between the focal point Fc and the axis of rotation 2 of the wind turbine and consequently the position of this axis of rotation play an essential role in the temporal dynamics of the system:
effect, the greater the distance d, the longer the response time to the varia-wind direction is short.
2o Different factors must however be taken into consideration.
ration when choosing the position of the axis of rotation 2 of the wind turbine, particular the self-orientation response time from the initial threshold of production, - the aerodynamic torque from the initial production threshold which must be greater than the resistive torque of the axis of rotation, - the torque due to the weight of the machine brought back on the axis of rotation ver-tical, - mechanical stresses on the slewing ring, - financial and aesthetic constraints.