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REVENDICATIONS
1. Convertisseur d'énergie éolienne en énergie d'une autre forme comprenant une turbine éolienne à axe vertical, un récepteur transformant l'énergie mécanique produite par la turbine éolienne, placé en dessous de celle-ci, et un arbre tournant vertical soutenu par des haubans et des paliers, reliant mécaniquement le récepteur au rotor de la turbine, la turbine comprenant un rotor coaxial à l'arbre et muni d'ailes dont l'envergure est disposée verticalement, caractérisé en ce qu'au moins deux desdites ailes, régulièrement espacées, sont des ailes composites constituées chacune de deux parties au moins approximativement de même longueur que l'envergure, mécaniquement reliées par un assemblage latéralement élastique et souple,
la partie située à l'avant de l'aile par rapport au sens de rotation du rotor et comportant le bord d'attaque étant entièrement rigide et en position fixe par rapport au rayon la reliant à l'axe de rotation du rotor, et la partie située vers l'arrière de l'aile comportant une fraction latéralement élastique et souple intermédiaire entre la partie rigide avant de l'aile et une fraction arrière, dont elle est solidaire, qui est soit rigide, soit souple et élastique, et qui comporte le bord de fuite de l'aile, le bord de fuite étant libre de se mouvoir latéralement en même temps que ladite fraction arrière, sous l'action du vent relatif, ce qui entraîne une diminution d'incidence de ladite partie arrière.
2. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la partie rigide avant de l'aile possède un profil aérodynamique symétrique dont le plan de symétrie est perpendiculaire et fixe par rapport au rayon qui relie la partie avant à l'axe de rotation du rotor.
3. Convertisseur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la partie arrière de l'aile est mobile et libre de se déplacer par rapport à la partie avant de l'aile selon des surfaces verticales sensiblement sécantes en une même droite verticale appartenant à la partie avant, cette mobilité étant obtenue exclusivement au moyen d'une liaison mécanique fixe de la partie avant avec la fraction latéralement élastique et souple de la partie arrière.
4. Convertisseur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la partie avant de l'aile est contiguë à la partie arrière de l'aile, ces deux parties possédant alors le même plan de symétrie, en l'absence de vent, et étant mécaniquement reliées l'une à l'autre sur la plus grande partie de l'envergure de l'aile.
5. Convertisseur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la partie avant (17) est séparée par un espace de la partie arrière (18, 23) et en ce que l'angle aigu séparant, dans une section perpendiculaire à l'axe de rotation de la turbine, la médiatrice de la liaison (24) qui passe par l'axe (3) du rayon aboutissant à la partie arrière (23), est inférieur à 65, la partie avant et la partie arrière de l'aile ayant alors leurs plans de symétrie confondus ou parallèles, en l'absence de vent.
6. Convertisseur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la partie avant de l'aile (17) est séparée par un espace de ladite partie arrière (23, 18) et en ce que l'angle aigu séparant, dans une section perpendiculaire à l'axe de rotation de la turbine, les rayons de giration aboutissant respectivement à la partie avant (17) et à la partie arrière (23), est égal ou supérieur à 6", la partie avant et la partie arrière de l'aile ayant alors leur plan de symétrie perpendiculaire à leur rayon de giration respectif, en l'absence de vent.
7. Convertisseur selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé par le fait que la partie arrière de l'aile (18) est soutenue sur son avant par une partie rigide auxiliaire profilée (23) rigidement fixée par rapport au rayon qui la relie à l'axe de rotation du rotor, ces deux parties étant mécaniquement solidaires l'une de l'autre sur la plus grande partie de l'envergure de l'aile.
8. Convertisseur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que des entretoises (24) relient horizontalement la partie avant de l'aile à la partie arrière d'une manière rigide.
9. Convertisseur selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé par le fait que la partie arrière de l'aile est entièrement souple et élas- tique, étant constituée par un seul matériau élastique et souple (18).
10. Convertisseur selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé par le fait que la partie arrière de l'aile est entièrement souple et élastique, étant constituée de manière hétérogène par plusieurs matériaux élastiques et souples (19 et 18) de raideurs différentes.
11. Convertisseur selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé par le fait que la partie arrière est formée d'une fraction (20) qui est élastique et souple, située vers l'avant, et d'une fraction (21) rigide, les matériaux constituant les fractions (20 et 21) étant différents.
12. Convertisseur selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé par le fait que la partie arrière de l'aile est continue sur toute son envergure.
13. Convertisseur selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé par le fait que ladite partie arrière de l'aile est segmentée par zones sur son envergure.
14. Convertisseur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la partie avant (17) de l'aile reçoit à ses deux extrémités un dispositif(l5) destiné à diminuer l'influence des tourbillons marginaux.
15. Convertisseur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que la partie avant (17) de l'aile, ainsi que la partie arrière (23) reçoivent à chacune de leurs extrémités un dispositif (15) destiné à diminuer l'influence des tourbillons marginaux.
La présente invention concerne un dispositif convertisseur d'énergie éolienne en énergie mécanique, électrique ou thermique, et particulièrement une turbine éolienne à axe vertical.
L'épuisement probable, dans un avenir relativement proche, des réserves de certains combustibles fossiles et l'augmentation du prix des énergies non renouvelables ont accéléré les recherches entreprises pour convertir les énergies renouvelables, essentiellement l'énergie solaire sous ses divers aspects et en particulier sous forme éolienne, en énergie utilisable dans les activités humaines.
Dans un premier type de ces convertisseurs d'énergie éolienne, on connaît ceux constitués essentiellement d'une hélice ayant son axe de rotation orienté selon la direction du vent; ces convertisseurs font partie de la catégorie dite à axe horizontal. Ils ont l'inconvénient de nécessiter des mécanismes, relativement compliqués et fragiles, d'orientation et de régulation des caractéristiques aérodynamiques de l'hélice. De plus, ils obligent le plus souvent à placer l'organe de transformation d'énergie, telle la génératrice d'électricité, au niveau de l'axe de l'hélice, c'est-à-dire au sommet d'une tour solidement construite. En bref, cette technique permet de réaliser des installations de bonnes performances, mais d'un coût élevé et d'une fiabilité qui n'est pas excellente.
Dans un deuxième type de convertisseurs d'énergie éolienne, on connaît ceux possédant une turbine ou rotor à axe de rotation vertical, ce qui permet généralement d'éviter l'orientation de l'ensemble de la turbine par rapport à la direction du vent, et aussi de placer l'organe de transformation d'énergie, comme une génératrice d'électricité, en bout de l'axe de rotation vertical de la turbine, au niveau du sol. On peut obtenir ainsi une simplification de l'installation par rapport aux éoliennes à axe horizontal.
Dans ce type de convertisseurs à axe de rotation vertical, on connaît notamment:
- les rotors à traînée différentielle, dits de Savonius, qui présentent les inconvénients d'un mauvais rendement aérodynamique et de nécessiter un poids élevé de matériaux utilisés pour leur construction, ces deux caractéristiques se traduisant par un coût élevé de ces machines,
- les rotors à circulation instationnaire, à variation cyclique de pas et aubes fixes, dits de Darrieus, qui présentent les inconvénients de ne pas pouvoir démarrer seuls et d'avoir un rendement aérodynamique médiocre,
- les rotors à circulation instationnaire, à vanation cyclique de pas et aubes mobiles, dits Cyclogiro, dans lesquels la variation cycli
que du pas est commandée par une transmission mécanique ou électrique à partir d'un organe détecteur de la direction du vent; de telles machines présentent l'inconvénient de mettre en oeuvre un mécanisme compliqué, fragile et cher, mais le rendement aérodynamique obtenu est du même ordre que celui des systèmes à hélice à axe horizontal, c'est-à-dire élevé,
des systèmes de turbines à axe vertical, à circulation instationnaire et à effet d'orientation cyclique des aubes du rotor, qui pivotent chacune selon un axe vertical sous l'action combinée du vent et des forces élastiques développées par des tendeurs en caoutchouc ou des contrepoids; de tels systèmes sont encore compliqués, relativement coûteux et fragiles, et ils ont des rendements aérodynamiques relativement moyens.
La présente invention a pour but de pallier les inconvénients des convertisseurs d'énergie éolienne connus et de réaliser une turbine éolienne d'une grande simplicité, d'excellente fiabilité, d'un prix de revient faible et ayant cependant de bonnes performances en pratique.
Elle a pour objet un convertisseur d'énergie éolienne en énergie d'une autre forme, comprenant une turbine éolienne à axe vertical, un récepteur transformant l'énergie mécanique produite par la turbine éolienne, placé en dessous de celle-ci, et un arbre tournant vertical soutenu par des haubans et des paliers, reliant mécaniquement le récepteur au rotor de la turbine, la turbine comprenant un rotor coaxial à l'arbre et muni d'au moins deux ailes régulièrement espacées dont l'envergure est disposée verticalement, caractérisé en ce que les ailes sont chacune constituées de deux parties au moins approximativement de même longueur que l'envergure, mécaniquement reliées par un assemblage latéralement élastique et souple,
la partie située à l'avant de l'aile par rapport au sens de rotation du rotor et comportant le bord d'attaque étant entièrement rigide et en position fixe par rapport au rayon la reliant à l'axe de rotation du rotor, et la partie située vers l'arrière de l'aile comportant une fraction latéralement élastique et souple intermédiaire entre la partie rigide avant de l'aile et une fraction arrière, dont elle est solidaire, qui est soit rigide, soit souple et élastique, et qui comporte le bord de fuite de l'aile, le bord de fuite étant libre de se mouvoir latéralement en même temps que la fraction arrière, sous l'action du vent relatif, ce qui entraîne une diminution d'incidence de la partie arrière.
Si les deux parties de l'aile sont contiguës, la partie souple est mécaniquement liée à la partie rigide de l'aile sur tout ou partie de l'envergure de celle-ci. Si les deux parties caractéristiques de l'aile sont séparées, il est nécessaire de soutenir la partie souple par une partie rigide auxiliaire profilée, située à l'avant de la partie souple; et si ledit espace de séparation est important, il peut être obligatoire de donner un certain angle aux plans de symétrie des deux parties de l'aile, de manière qu'ils soient chacun perpendiculaires à leur rayon de giration respectif.
La présente invention est décrite ci-dessous, à titre illustratif, mais nullement limitatif, en regard du dessin annexé dans lequel:
la fig. 1 représente, en perspective, un mode de réalisation du convertisseur d'énergie éolienne selon l'invention;
la fig. 2 représente, en perspective, un élément du convertisseur d'énergie éolienne selon l'invention;
la fig. 3 représente, en perspective, un autre mode de réalisation de turbine éolienne;
la fig. 4 représente, en perspective, un mode de réalisation particulier du rotor du convertisseur d'énergie éolienne selon l'invention;
la fig. 5 représente, en coupe, des modes de réalisation particuliers d'aile du rotor du convertisseur d'énergie éolienne selon l'invention;
la fig. 6 représente, en coupe, d'autres modes de réalisation particuliers d'aile de rotor du convertisseur d'énergie éolienne;
;
la fig. 7 représente, en perspective, des modes de réalisation particuliers de la structure de l'aile de rotor du convertisseur d'énergie éolienne;
la fig. 8 représente, en coupe et en perspective, un autre mode de réalisation particulier de l'aile de rotor du convertisseur d'énergie éolienne dans lequel les deux parties, rigide et souple, de l'aile sont séparées par un espace libre de profondeur relativement faible;
la fig. 9 représente, en coupe, un autre mode de réalisation particulier de l'aile de rotor du convertisseur d'énergie éolienne dans lequel les deux parties, rigide et souple, de l'aile sont séparées par un espace libre relativement important, et
la fig. 10 représente, en perspective, un mode de réalisation particulier du rotor de convertisseur d'énergie éolienne selon l'invention dans lequel la partie rigide de l'aile est complètement séparée de la partie souple.
La fig. 1 représente un mode de réalisation de la présente invention, dans lequel le rotor est constitué de deux ailes verticales 1, parallèles à l'axe 3, possédant chacune une partie rigide 17 située vers l'avant de l'aile par rapport au sens de rotation 14 et qui a un profil aérodynamique symétrique par rapport au plan vertical tangent au cylindre décrit par l'aile 1, ce plan de symétrie étant généralement, mais non obligatoirement, perpendiculaire, dans un plan vertical, au bras profilé 2. Le profil aérodynamique symétrique donné aux parties 17 est par exemple celui dit NACA 0015.
Dans la configuration représentée par la fig. 1, la partie arrière de l'aile par rapport au sens de rotation 14 est constituée d'une feuille souple et élastique 18, ayant le même plan de symétrie que 17 et donc située dans son prolongement; à titre d'exemple, la partie 18 peut être constituée d'une feuille du matériau (marque déposée ou PMMA Plexiglas). La partie 18 est mécaniquement solidaire de la partie 17 sur toute sa longueur, mais cela n'est pas obligatoire et ne correspond qu'à l'exemple représenté par la fig. 1, d'autres configurations étant décrites ci-dessous.
De même, le choix des matériaux et celui des méthodes de mise en forme et de liaison est relativement large. La valeur de la corde de cette aile composée de deux parties est généralement, mais non obligatoirement, constante le long de l'envergure, et l'allongement (rapport de l'envergure à la corde) peut être quelconque, une valeur typique convenable étant proche de dix. L'envergure des ailes est disposée parallèlement à l'axe de rotation matérialisé par l'arbre tournant 3, qui peut être constitué par exemple d'un tube d'acier galvanisé, ou d'un tube d'alliage d'aluminium, tel que le Duralumin (marque déposée) ou A-U4G, ou, pour les très grandes installations, une poutre en treillis d'acier. Les bras 2 relient mécaniquement les ailes 1 à l'arbre 3, qui, dans le cas représenté par la fig. 1, est tournantjusqu'au sol, ou au niveau du support 9, qui n'est pas forcément scellé au sol.
Le rayon de giration des ailes, qui détermine la longueur des bras, peut prendre des valeurs quelconques, mais on préfère lui donner une valeur comprise entre 0,5 et 0,8 fois l'envergure, ou hauteur des ailes. Un haubanage 5, formé de câbles ou de mâts rigides, donne de la solidité au rotor. Dans le cas de la fig. l, les bras 2 sont mécaniquement solidarisés avec les ailes 1 au niveau du milieu de ces dernières; cette disposition, bien que préférée, n'est pas obligatoire. La liaison mécanique entre les bras 2 et les ailes 1 peut être faite par vissage, soudage ou collage, ou tout autre procédé adéquat.
Les bras 2 peuvent être des profilés en alliage métallique, par exemple en Duralumin ou A-U4G, en bois, en matière dite plastique éventuellement renforcée par exemple avec des fibres de verre, ou des combinaisons de ces divers matériaux; pour les très grandes installations, on peut utiliser des poutres en treillis d'acier. Les bras 2 sont solidarisés avec l'arbre 3 par l'intermédiaire d'une couronne 13 vissée sur 2, au niveau de laquelle on prendra les précautions d'usage pour éviter toute corrosion, notamment en évitant l'etablis- sement de couples galvaniques entre les matériaux employés. La hauteur du mât 3 est le plus souvent supérieure ou égale à l'envergure des ailes. Un palier tournant à butée 10 permet d'assurer la verticalité de l'axe 3 par l'action des haubans 6 et des raidisseurs 7.
Dans les installations ayant un arbre 3 de grande longueur, on peut disposer d'autres paliers tels que 10 à des positions intermédiaires sur la longueur, et les munir chacun d'un haubanage. Les haubans 6 sont fixés sur des pieux 8 scellés soit dans le sol en 25, soit sur des supports adéquats, par exemple des éléments de charpente d'une toiture de bâtiment. Le passage tournant étanche 12 permet de relier mécaniquement l'arbre 3 avec le système II qui est, par exemple, un multiplicateur de vitesse entraînant une génératrice d'électricité.
L'arbre 3 repose sur une butée tournante non représentée. Si l'éolienne entraîne une pompe, par exemple pour l'irrigation, on peut relier à celle-ci directement l'arbre tournant 3. L'ensemble des pièces constituant la turbine éolienne peut recevoir un traitement de surface approprié, comme par exemple une peinture, pour éviter la dégradation par corrosion.
La fig. 2 indique que les ailes du rotor peuvent recevoir un dispositif d'extrémité 15 qui a pour but de réduire les tourbillons marginaux et de diminuer ainsi le coefficient de traînée. La forme de ce dispositif est symétrique par rapport à un axe tel que celui désigné par a passant par l'extrémité de l'aile, et perpendiculaire à l'envergure. La matière de la pièce 15 est généralement choisie la même que celle qui constitue la partie 17 de l'aile, à laquelle la pièce 15 est mécaniquement fixée par tout moyen approprié.
La fig. 3 montre que le transformateur d'énergie 4, par exemple une génératrice d'électricité et son multiplicateur de vitesse, peut être placé en une position quelconque du mât-support 3 qui, dans ce cas, est fixe et mécaniquement lié à une embase 9. L'énergie transformée par 4 est acheminée vers son utilisation par un câble électrique 16.
La fig. 4 montre que la turbine éolienne possède plus de deux ailes, bien que son fonctionnement soit déjà correct dans ce cas.
La fig. 5 montre, en coupe, divers exemples d'ailes de turbine éolienne à axe vertical. Sur cette figure, la partie 17 de l'aile est rigide et pratiquement indéformable, elle peut être constituée de bois, d'alliage métallique, comme par exemple le Duralumin ou A-U4G, ou de matières dites plastiques, comme des composites verre/époxy, ou encore des combinaisons de ces divers matériaux. Le profil aérodynamique de 17 est symétrique, comme par exemple celui dit NACA 0015. Cette même figure montre que la partie 17 est prolongée vers l'arrière, par exemple par collage, par une partie 18 souple constituée d'une feuille d'un matériau à déformation élastique, la matière de 18 peut être un alliage métallique (par exemple le Duralumin ou
A-U4G), le bois, le caoutchouc, ou une matière dite plastique, par exemple le Plexiglas (marque déposée).
On choisira l'épaisseur et la raideur de la partie 18 de façon telle que sa déformation élastique soit bien adaptée à la force des vents que l'on souhaite utiliser et aux dimensions de l'aile du rotor. A titre d'exemple: pour une aile de 1 m d'envergure de configuration selon le cas a de la fig. 5, et des vents ayant une force de l'ordre de 4 Beaufort, on pourra prendre une feuille de Plexiglas d'épaisseur comprise entre 0,2 et 0,4 mm.
La fig. 5 montre que l'on peut faire varier les valeurs respectives de la profondeur des parties 17 et 18 de l'aile; cela permet d'optimaliser la configuration selon le mode de fonctionnement aérodynamique que l'on souhaite favoriser:
mode Darrieus, dans le cas b,
- mode à orientation cyclique de pas et aubes mobiles, dans le cas c.
Un excellent compromis est cependant obtenu par le cas a. On peut aussi favoriser l'un des deux modes de fonctionnement évoqués ci-dessus en agissant sur la raideur de la feuille élastique, déterminée principalement par sa nature et par son épaisseur. En conjuguant la densité, la forme et la raideur de 18, on peut obtenir un effet régulateur à grande vitesse de rotation.
La fig. 6 montre d'autres configurations d'aile de rotor de turbine éolienne. Sur cette figure, le cas a montre que la partie avant 17 est ici un profilé d'alliage léger, par exemple le Duralumin ou
A-U4G, mis en forme par extrusion, la partie arrière 18 est une feuille de matière dite plastique, comme par exemple du fluorure de polyvinyle ou PVF, collée dans une fente de 17 généralement sur toute l'envergure de l'aile.
Dans l'exemple du cas b, on interpose, par exemple par collage, une zone élastique 19. tel du caoutchouc alvéolé ou non, entre la partie avant rigide 17 et la partie arrière souple 18, sur toute l'envergure de l'aile ou par zones. Le cas c montre qu'on peut constituer la partie arrière 18 entièrement dans une matière élastique comme du caoutchouc mousse, convenablement mise en forme et liée par exemple par collage à la partie 17, sur toute l'envergure de l'aile ou par zones. Le cas d est un exemple consistant en un bloc élastique 20, par exemple en caoutchouc, solidaire de la partie avant rigide 17 et d'un bord de fuite 21 partiellement ou totalement rigide, qui se présente ici sous la forme d'une feuille à faces parallèles, par exemple en verre/époxy, la liaison entre 17, 20 et 21 se faisant sur toute l'envergure de l'aile ou par zones.
Le cas e montre que la partie avant rigide 17 est reliée à la partie arrière rigide en forme 21 par un bloc élastique 20, par exemple en caoutchouc, la liaison entre 17, 20 et 21 pouvant se faire sur toute l'envergure de l'aile ou par zones. Le cas f est celui où la partie avant rigide 17 est en forme de profil aérodynamique symétrique, par exemple NACA 0015, ainsi que la partie arrière rigide 21, ces deux profils étant mécaniquement reliés par une zone élastique 20 d'épaisseur moindre que les profils 17 et 21, la liaison entre 17, 20 et 21 étant réalisée sur toute l'envergure de l'aile ou par zones. La densité et la forme de 21, conjuguées avec la raideur de 20, permettent en outre d'obtenir un effet régulateur à grande vitesse, par action de la force centrifuge.
La fig. 7 montre, dans le cas a, que la partie arrière 18 peut être continue sur toute l'envergure de l'aile. Le cas b montre que la partie 18 de l'aile peut être renforcée localement par des baguettes 22 souples et élastiques, mais de raideur différente, et généralement plus élevée que 18, de telles baguettes pouvant par exemple être réalisées en composite verre/époxy, collées sur la partie 18 et fixées solidement dans un logement de 17, par exemple également par collage. Le cas c montre que la partie 18 peut être segmentée par zones.
La fig. 8 montre que la partie avant 17 de l'aile peut être séparée de la partie arrière, ici composée de 23 et 18, par un espace libre relativement faible, dans l'exemple de cette figure. Les fonctions et caractéristiques des parties 17 et 18 sont les mêmes que celles décrites dans les exemples précédents, en particulier le caractère rigide de 17 et le caractère de souplesse et d'élasticité de 18, ainsi que la nature des matériaux utilisés. La partie 21 est profilée, rigide et soutient, sur tout ou partie de l'envergure de l'aile, la partie souple et élastique 18. Les constituants principaux de l'aile, 17, 18 et 23, sont ici soutenus de place en place, tout au long de l'envergure, par des entretoises 24; l'une de ces entretoises, située au milieu de l'envergure, est reliée au bras 2 pour assurer la liaison mécanique avec l'axe vertical de la turbine éolienne.
Dans une telle disposition, on voit sur la fig. 8 que généralement, mais non obligatoirement, la partie avant 17 a le même plan de symétrie que la partie arrière, 23 et 18, ce plan étant tangent au cylindre décrit par l'aile, et cela en l'absence de vent; si les plans de symétrie des parties 17, d'une part, et 18-23, d'autre part, sont distincts, ils restent parallèles dans cet exemple.
La fig. 9 montre le cas dans lequel la partie avant 17 de l'aile est séparée par un grand espace de la partie arrière constituée de 23 et 18; dans ce cas, il est nécessaire de disposer le plan de symétrie de la partie 17 perpendiculairement au bras 2, et de disposer le plan de symétrie de la partie arrière, constituée par 23 et 18, perpendiculairement au rayon de giration aboutissant à 23. Des entretoises 24 relient les deux parties de l'aile de place en place tout au long de l'envergure. Il sera indiqué d'adopter la disposition indiquée par l'exemple de la fig. 9 lorsque l'angle a aura une valeur égale ou supérieure à 6 environ.
La fig. 10 montre que l'espace libre explicité ci-dessus peut devenir très important; ici, les parties 17 forment des ailes simples et sont portées par des bras 26 disposés perpendiculairement aux bras 27. Ceux-ci portent les parties 23 et 18 qui forment des ailes composites. L'exemple de la fig. 10 comporte quatre ailes, mais cette disposition n'est pas obligatoire, bien qu'intéressante. Les longueurs des bras 26 et 27 portant respectivement les ailes simples et les ailes composites peuvent être égales ou inégales, bien qu'il soit préférable en général de leur donner une longueur identique.
Le principe du fonctionnement aérodynamique de la turbine éolienne à axe vertical est décrit par la vue selon f de la fig. 1. Le vent relatif de vitesse VR agit de deux façons: d'lme part, sur le profil rigide 17 comme dans un rotor de Darrieus et, d'autre part, sur la partie souple 18, comme dans le cas d'une turbine éolienne à orien tation cyclique de pas et aubes mobiles. Il est intéressant de noter que ces deux modes d'action ne se produisent pas pour les mêmes valeurs du rapport X de vitesse périphérique des ailes du rotor à la vitesse du vent, ce qui a pour effet de stabiliser la valeur du rendement aérodynamique du rotor sur une plage assez large de valeurs de h.
Par rapport aux convertisseurs d'énergie selon l'art antérieur, les turbines éoliennes à axe vertical du convertisseur selon la présente invention présentent les avantages suivants dans leurs applications:
simplicité: le système ne comporte aucun autre mécanisme qu'un arbre vertical tournant; il n'y a pas de mécanisme d'orientation par rapport à la direction du vent; le montage sur le site d'installation est facile;
- robustesse: par cette simplicité et par la solidité d'une construction haubanée;
- bonnes performances: par l'action combinée de deux principes aérodynamiques qui agissent à des vitesses de rotation différentes et complémentaires; le démarrage s'effectue sans assistance; le dispositif présente un effet d'autorégulation à grande vitesse de rotation;
faible coût de construction et d'installation:
dû à la simplicité de la réalisation et à la rigidité de la construction, ainsi qu'au faible poids et au coût réduit des matières utilisées;
- fiabilité: la simplicité et la robustesse de la construction permettent d'obtenir un fonctionnement durable.
Des applications particulièrement intéressantes de la turbine éolienne peuvent être trouvées dans la transformation d'énergie éolienne en énergie électrique, à petite ou grande puissance, dans la transformation d'énergie éolienne en énergie thermique par une action de freinage mécanique s'opérant, par exemple sur des fluides, selon des méthodes connues, dans des systèmes de pompage, par exemple en vue de faire de l'irrigation, et d'une manière générale chaque fois qu'il s'agira d'utiliser l'énergie du vent, même dans des conditions très dures.
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CLAIMS
1. Wind energy converter into energy of another form comprising a wind turbine with vertical axis, a receiver transforming the mechanical energy produced by the wind turbine, placed below it, and a vertical rotating shaft supported by shrouds and bearings, mechanically connecting the receiver to the rotor of the turbine, the turbine comprising a rotor coaxial with the shaft and provided with wings whose span is arranged vertically, characterized in that at least two of said wings, regularly spaced, are composite wings each consisting of two parts at least approximately the same length as the span, mechanically connected by a laterally elastic and flexible assembly,
the part located at the front of the wing relative to the direction of rotation of the rotor and comprising the leading edge being entirely rigid and in a fixed position with respect to the radius connecting it to the axis of rotation of the rotor, and the rearward part of the wing comprising a laterally elastic and flexible fraction intermediate between the rigid front part of the wing and a rear fraction, of which it is integral, which is either rigid, or flexible and elastic, and which comprises the trailing edge of the wing, the trailing edge being free to move laterally at the same time as said rear fraction, under the action of the relative wind, which causes a reduction in the incidence of said rear part.
2. Converter according to claim 1, characterized in that the rigid front part of the wing has a symmetrical aerodynamic profile whose plane of symmetry is perpendicular and fixed relative to the radius which connects the front part to the axis of rotation rotor.
3. Converter according to claim 2, characterized in that the rear part of the wing is mobile and free to move relative to the front part of the wing according to substantially intersecting vertical surfaces in the same vertical line belonging to the front part, this mobility being obtained exclusively by means of a fixed mechanical connection of the front part with the laterally elastic and flexible fraction of the rear part.
4. Converter according to claim 3, characterized in that the front part of the wing is contiguous to the rear part of the wing, these two parts then having the same plane of symmetry, in the absence of wind, and being mechanically connected to each other over most of the span of the wing.
5. Converter according to claim 3, characterized in that the front part (17) is separated by a space from the rear part (18, 23) and in that the acute angle separating, in a section perpendicular to the axis of rotation of the turbine, the mediator of the link (24) which passes through the axis (3) of the radius leading to the rear part (23), is less than 65, the front part and the rear part of the wing then having their coincident or parallel planes of symmetry, in the absence of wind.
6. Converter according to claim 3, characterized in that the front part of the wing (17) is separated by a space from said rear part (23, 18) and in that the acute angle separating, in a section perpendicular to the axis of rotation of the turbine, the radii of gyration respectively leading to the front part (17) and to the rear part (23), is equal to or greater than 6 ", the front part and the rear part of the wing then having their plane of symmetry perpendicular to their respective radius of gyration, in the absence of wind.
7. Converter according to one of claims 5 or 6, characterized in that the rear part of the wing (18) is supported on its front by a rigid auxiliary profiled part (23) rigidly fixed relative to the radius which connects to the axis of rotation of the rotor, these two parts being mechanically integral with one another over the greater part of the span of the wing.
8. Converter according to claim 7, characterized in that spacers (24) horizontally connect the front part of the wing to the rear part in a rigid manner.
9. Converter according to one of claims 4 to 8, characterized in that the rear part of the wing is entirely flexible and elastic, consisting of a single elastic and flexible material (18).
10. Converter according to one of claims 4 to 8, characterized in that the rear part of the wing is entirely flexible and elastic, being formed heterogeneously by several elastic and flexible materials (19 and 18) of different stiffness .
11. Converter according to one of claims 4 to 8, characterized in that the rear part is formed of a fraction (20) which is elastic and flexible, located towards the front, and of a fraction (21) rigid, the materials constituting the fractions (20 and 21) being different.
12. Converter according to one of claims 4 to 8, characterized in that the rear part of the wing is continuous over its entire span.
13. Converter according to one of claims 4 to 8, characterized in that said rear part of the wing is segmented by zones over its span.
14. Converter according to claim 4, characterized in that the front part (17) of the wing receives at its two ends a device (15) intended to reduce the influence of the marginal vortices.
15. Converter according to claim 7, characterized in that the front part (17) of the wing, as well as the rear part (23) receive at each of their ends a device (15) intended to reduce the influence of marginal vortices.
The present invention relates to a device for converting wind energy into mechanical, electrical or thermal energy, and in particular a vertical axis wind turbine.
The probable depletion, in the relatively near future, of the reserves of certain fossil fuels and the increase in the price of non-renewable energies have accelerated the research undertaken to convert renewable energies, mainly solar energy in its various aspects and in particular in wind form, in energy usable in human activities.
In a first type of these wind energy converters, those known essentially consist of a propeller having its axis of rotation oriented in the direction of the wind; these converters are part of the so-called horizontal axis category. They have the disadvantage of requiring relatively complicated and fragile mechanisms for orienting and regulating the aerodynamic characteristics of the propeller. In addition, they most often require placing the energy transforming member, such as the generator of electricity, at the level of the axis of the propeller, that is to say at the top of a tower. solidly built. In short, this technique makes it possible to produce installations of good performance, but of a high cost and of a reliability which is not excellent.
In a second type of wind energy converters, those with a turbine or rotor with a vertical axis of rotation are known, which generally makes it possible to avoid the orientation of the whole of the turbine relative to the wind direction, and also to place the energy transforming member, such as an electricity generator, at the end of the vertical axis of rotation of the turbine, at ground level. We can thus obtain a simplification of the installation compared to wind turbines with horizontal axis.
In this type of converters with a vertical axis of rotation, we know in particular:
- differential drag rotors, known as Savonius rotors, which have the drawbacks of poor aerodynamic efficiency and of requiring a high weight of materials used for their construction, these two characteristics being reflected in the high cost of these machines,
- unsteady circulation rotors, with cyclic variation of pitch and fixed vanes, called Darrieus, which have the drawbacks of not being able to start alone and of having poor aerodynamic performance,
- unsteady circulation rotors, with cyclic pitch vanation and mobile vanes, called Cyclogiro, in which the cycli variation
that the pitch is controlled by a mechanical or electrical transmission from a wind direction detecting member; such machines have the drawback of using a complicated, fragile and expensive mechanism, but the aerodynamic efficiency obtained is of the same order as that of propeller systems with horizontal axis, that is to say high,
turbine systems with vertical axis, with unsteady circulation and with a cyclic orientation effect of the rotor blades, which each rotate about a vertical axis under the combined action of wind and elastic forces developed by rubber tensioners or counterweights ; such systems are still complicated, relatively expensive and fragile, and they have relatively average aerodynamic yields.
The present invention aims to overcome the drawbacks of known wind power converters and to produce a wind turbine of great simplicity, excellent reliability, low cost price and yet having good performance in practice.
Its subject is a converter of wind energy into energy of another form, comprising a wind turbine with vertical axis, a receiver transforming the mechanical energy produced by the wind turbine, placed below it, and a shaft. vertical turn supported by shrouds and bearings, mechanically connecting the receiver to the turbine rotor, the turbine comprising a rotor coaxial with the shaft and provided with at least two regularly spaced wings whose span is arranged vertically, characterized in that the wings each consist of two parts at least approximately the same length as the span, mechanically connected by a laterally elastic and flexible assembly,
the part located at the front of the wing relative to the direction of rotation of the rotor and comprising the leading edge being entirely rigid and in a fixed position with respect to the radius connecting it to the axis of rotation of the rotor, and the rearward part of the wing comprising a laterally elastic and flexible fraction intermediate between the rigid front part of the wing and a rear fraction, of which it is integral, which is either rigid, or flexible and elastic, and which comprises the trailing edge of the wing, the trailing edge being free to move laterally at the same time as the rear fraction, under the action of the relative wind, which causes a reduction in the incidence of the rear part.
If the two parts of the wing are contiguous, the flexible part is mechanically linked to the rigid part of the wing over all or part of the span of the latter. If the two characteristic parts of the wing are separated, it is necessary to support the flexible part by an auxiliary rigid profiled part, located at the front of the flexible part; and if said separation space is large, it may be compulsory to give a certain angle to the planes of symmetry of the two parts of the wing, so that they are each perpendicular to their respective radius of gyration.
The present invention is described below, by way of illustration, but in no way limiting, with regard to the appended drawing in which:
fig. 1 shows, in perspective, an embodiment of the wind energy converter according to the invention;
fig. 2 shows, in perspective, an element of the wind energy converter according to the invention;
fig. 3 shows, in perspective, another embodiment of a wind turbine;
fig. 4 shows, in perspective, a particular embodiment of the rotor of the wind energy converter according to the invention;
fig. 5 shows, in section, particular embodiments of the rotor wing of the wind power converter according to the invention;
fig. 6 shows, in section, other particular embodiments of the rotor wing of the wind power converter;
;
fig. 7 shows, in perspective, particular embodiments of the structure of the rotor wing of the wind energy converter;
fig. 8 shows, in section and in perspective, another particular embodiment of the rotor wing of the wind energy converter in which the two rigid and flexible parts of the wing are separated by a free space of relatively deep low;
fig. 9 shows, in section, another particular embodiment of the rotor wing of the wind power converter in which the two rigid and flexible parts of the wing are separated by a relatively large free space, and
fig. 10 shows, in perspective, a particular embodiment of the wind power converter rotor according to the invention in which the rigid part of the wing is completely separated from the flexible part.
Fig. 1 shows an embodiment of the present invention, in which the rotor consists of two vertical wings 1, parallel to the axis 3, each having a rigid part 17 situated towards the front of the wing relative to the direction of rotation 14 and which has a symmetrical aerodynamic profile with respect to the vertical plane tangent to the cylinder described by the wing 1, this plane of symmetry being generally, but not necessarily, perpendicular, in a vertical plane, to the profiled arm 2. The aerodynamic profile symmetrical given to the parts 17 is for example that known as NACA 0015.
In the configuration shown in FIG. 1, the rear part of the wing relative to the direction of rotation 14 consists of a flexible and elastic sheet 18, having the same plane of symmetry as 17 and therefore located in its extension; by way of example, the part 18 may consist of a sheet of material (registered trademark or PMMA Plexiglas). Part 18 is mechanically integral with part 17 over its entire length, but this is not compulsory and corresponds only to the example shown in FIG. 1, other configurations being described below.
Likewise, the choice of materials and that of the forming and bonding methods is relatively wide. The value of the rope of this wing made up of two parts is generally, but not necessarily, constant along the span, and the elongation (ratio of the span to the rope) can be arbitrary, a suitable typical value being close to ten. The wingspan is arranged parallel to the axis of rotation materialized by the rotating shaft 3, which can consist for example of a galvanized steel tube, or an aluminum alloy tube, such than Duralumin (registered trademark) or A-U4G, or, for very large installations, a steel truss beam. The arms 2 mechanically connect the wings 1 to the shaft 3, which, in the case shown in FIG. 1, is rotating up to the ground, or at the level of the support 9, which is not necessarily sealed to the ground.
The turning radius of the wings, which determines the length of the arms, can take any values, but we prefer to give it a value between 0.5 and 0.8 times the wingspan, or height of the wings. A guy 5, formed of cables or rigid masts, gives solidity to the rotor. In the case of fig. l, the arms 2 are mechanically secured to the wings 1 at the middle of the latter; this provision, although preferred, is not mandatory. The mechanical connection between the arms 2 and the wings 1 can be made by screwing, welding or gluing, or any other suitable method.
The arms 2 can be profiles made of metal alloy, for example of Duralumin or A-U4G, of wood, of a so-called plastic material possibly reinforced for example with glass fibers, or combinations of these various materials; for very large installations, steel lattice beams can be used. The arms 2 are secured to the shaft 3 by means of a crown 13 screwed on 2, at which level the usual precautions will be taken to avoid any corrosion, in particular by avoiding the establishment of galvanic couples between the materials used. The height of the mast 3 is most often greater than or equal to the span of the wings. A rotary bearing with stop 10 ensures the verticality of the axis 3 by the action of the shrouds 6 and the stiffeners 7.
In installations having a shaft 3 of great length, other bearings such as 10 may be placed at intermediate positions along the length, and each be provided with a guy line. The shrouds 6 are fixed on piles 8 sealed either in the ground at 25, or on suitable supports, for example structural elements of a building roof. The sealed rotary passage 12 makes it possible to mechanically connect the shaft 3 with the system II which is, for example, a speed multiplier driving an electricity generator.
The shaft 3 rests on a rotary stop not shown. If the wind turbine drives a pump, for example for irrigation, it can be connected directly to the rotating shaft 3. All of the parts constituting the wind turbine can receive an appropriate surface treatment, such as for example a paint, to avoid degradation by corrosion.
Fig. 2 indicates that the rotor wings can receive an end device 15 which aims to reduce the marginal vortices and thus reduce the coefficient of drag. The shape of this device is symmetrical about an axis such as that designated by a passing through the end of the wing, and perpendicular to the span. The material of the part 15 is generally chosen the same as that which constitutes the part 17 of the wing, to which the part 15 is mechanically fixed by any suitable means.
Fig. 3 shows that the energy transformer 4, for example an electricity generator and its speed multiplier, can be placed in any position of the support mast 3 which, in this case, is fixed and mechanically linked to a base 9 The energy transformed by 4 is sent to its use by an electric cable 16.
Fig. 4 shows that the wind turbine has more than two wings, although its operation is already correct in this case.
Fig. 5 shows, in section, various examples of wind turbine wings with a vertical axis. In this figure, the part 17 of the wing is rigid and practically undeformable, it can be made of wood, of metal alloy, such as for example Duralumin or A-U4G, or of so-called plastic materials, such as glass / epoxy, or combinations of these various materials. The aerodynamic profile of 17 is symmetrical, as for example that known as NACA 0015. This same figure shows that the part 17 is extended towards the rear, for example by gluing, by a flexible part 18 made up of a sheet of material with elastic deformation, the material of 18 can be a metallic alloy (for example Duralumin or
A-U4G), wood, rubber, or a so-called plastic material, for example Plexiglas (registered trademark).
The thickness and the stiffness of the part 18 will be chosen so that its elastic deformation is well suited to the force of the winds which it is desired to use and to the dimensions of the rotor wing. For example: for a wing with a span of 1 m, configuration as in case a of fig. 5, and winds having a force of the order of 4 Beaufort, we can take a sheet of Plexiglas with a thickness between 0.2 and 0.4 mm.
Fig. 5 shows that the respective values of the depth of the parts 17 and 18 of the wing can be varied; this makes it possible to optimize the configuration according to the aerodynamic operating mode that one wishes to favor:
Darrieus mode, in case b,
- mode with cyclic orientation of pitch and moving blades, in case c.
An excellent compromise is however obtained by case a. One can also favor one of the two operating modes mentioned above by acting on the stiffness of the elastic sheet, determined mainly by its nature and by its thickness. By combining the density, the shape and the stiffness of 18, one can obtain a regulating effect at high speed of rotation.
Fig. 6 shows other configurations of the wind turbine rotor wing. In this figure, the case a shows that the front part 17 is here a light alloy profile, for example Duralumin or
A-U4G, formed by extrusion, the rear part 18 is a sheet of so-called plastic material, such as for example polyvinyl fluoride or PVF, bonded in a slot of 17 generally over the entire span of the wing.
In the example of case b, an elastic zone 19, such as cellular rubber or not, is interposed, for example by bonding, between the rigid front part 17 and the flexible rear part 18, over the entire span of the wing. or by zones. Case c shows that the rear part 18 can be made entirely of an elastic material such as foam rubber, suitably shaped and bonded for example by gluing to the part 17, over the entire span of the wing or by zones . Case d is an example consisting of an elastic block 20, for example made of rubber, integral with the rigid front part 17 and with a partially or completely rigid trailing edge 21, which is here in the form of a sheet with parallel faces, for example glass / epoxy, the connection between 17, 20 and 21 taking place over the entire span of the wing or by zones.
Case e shows that the rigid front part 17 is connected to the rigid rear part in the form 21 by an elastic block 20, for example made of rubber, the connection between 17, 20 and 21 being able to take place over the entire span of the wing or by zones. Case f is that where the rigid front part 17 is in the form of a symmetrical aerodynamic profile, for example NACA 0015, as well as the rigid rear part 21, these two profiles being mechanically connected by an elastic zone 20 of thickness less than the profiles. 17 and 21, the connection between 17, 20 and 21 being carried out over the entire span of the wing or by zones. The density and shape of 21, combined with the stiffness of 20, also make it possible to obtain a regulating effect at high speed, by the action of centrifugal force.
Fig. 7 shows, in case a, that the rear part 18 can be continuous over the entire span of the wing. Case b shows that the part 18 of the wing can be reinforced locally by flexible and elastic rods 22, but of different stiffness, and generally higher than 18, such rods can for example be made of glass / epoxy composite, glued to part 18 and fixed securely in a housing of 17, for example also by gluing. Case c shows that part 18 can be segmented by zones.
Fig. 8 shows that the front part 17 of the wing can be separated from the rear part, here composed of 23 and 18, by a relatively small free space, in the example of this figure. The functions and characteristics of parts 17 and 18 are the same as those described in the previous examples, in particular the rigid nature of 17 and the flexibility and elasticity of 18, as well as the nature of the materials used. Part 21 is profiled, rigid and supports, over all or part of the span of the wing, the flexible and elastic part 18. The main constituents of the wing, 17, 18 and 23, are here supported from place to place. place, throughout the span, by spacers 24; one of these spacers, located in the middle of the span, is connected to the arm 2 to provide mechanical connection with the vertical axis of the wind turbine.
In such an arrangement, we see in FIG. 8 that generally, but not necessarily, the front part 17 has the same plane of symmetry as the rear part, 23 and 18, this plane being tangent to the cylinder described by the wing, and this in the absence of wind; if the planes of symmetry of the parts 17, on the one hand, and 18-23, on the other hand, are distinct, they remain parallel in this example.
Fig. 9 shows the case in which the front part 17 of the wing is separated by a large space from the rear part consisting of 23 and 18; in this case, it is necessary to have the plane of symmetry of the part 17 perpendicular to the arm 2, and to have the plane of symmetry of the rear part, constituted by 23 and 18, perpendicular to the radius of gyration leading to 23. Des spacers 24 connect the two parts of the wing from place to place throughout the span. It will be advisable to adopt the arrangement indicated by the example of FIG. 9 when the angle a has a value equal to or greater than approximately 6.
Fig. 10 shows that the free space explained above can become very important; here, the parts 17 form simple wings and are carried by arms 26 arranged perpendicular to the arms 27. These carry the parts 23 and 18 which form composite wings. The example in fig. 10 has four wings, but this provision is not compulsory, although interesting. The lengths of the arms 26 and 27 carrying respectively the single wings and the composite wings can be equal or unequal, although it is generally preferable to give them an identical length.
The principle of the aerodynamic operation of the vertical axis wind turbine is described by the view along f of FIG. 1. The relative wind speed VR acts in two ways: on the one hand, on the rigid profile 17 as in a Darrieus rotor and, on the other hand, on the flexible part 18, as in the case of a turbine wind turbine with cyclic pitch orientation and movable blades. It is interesting to note that these two modes of action do not occur for the same values of the peripheral speed ratio X of the wings of the rotor to the wind speed, which has the effect of stabilizing the value of the aerodynamic efficiency of the rotor. over a fairly wide range of values of h.
Compared to energy converters according to the prior art, the vertical axis wind turbines of the converter according to the present invention have the following advantages in their applications:
simplicity: the system has no other mechanism than a rotating vertical shaft; there is no orientation mechanism relative to the wind direction; mounting at the installation site is easy;
- robustness: by this simplicity and by the solidity of a guyed construction;
- good performance: by the combined action of two aerodynamic principles which act at different and complementary speeds of rotation; starting is carried out without assistance; the device has a self-regulating effect at high speed of rotation;
low cost of construction and installation:
due to the simplicity of construction and the rigidity of the construction, as well as the low weight and reduced cost of the materials used;
- reliability: the simplicity and the robustness of the construction allow to obtain a durable operation.
Particularly interesting applications of the wind turbine can be found in the transformation of wind energy into electrical energy, small or large power, in the transformation of wind energy into thermal energy by a mechanical braking action taking place, for example on fluids, according to known methods, in pumping systems, for example for the purpose of irrigation, and in general whenever it is a question of using the energy of the wind, even in very harsh conditions.