CH718292A1

CH718292A1 - Axial wind turbine with profiled blades resulting from the experience of the sailing navy.

Info

Publication number: CH718292A1
Application number: CH00090/21A
Authority: CH
Inventors: Monnin Hubert
Original assignee: Monnin Hubert
Priority date: 2021-01-29
Filing date: 2021-01-29
Publication date: 2022-07-29

Abstract

L' invention veut adapter les connaissances de la marine à voile à la récupération de l'énergie éolienne, pour mieux l'utiliser comme énergie mécanique ou la convertir en électricité. L'éolienne est dotée de pales profilées rigides (1), trapézoïdales, carrées, triangulaires ou autre, avec un profil semblable à une voile de bateau. L'invention va permettre une réduction des dimensions, des contraintes mécaniques, des nuisances et des coûts. La rotation est relativement lente et silencieuse et permet aux aviateurs et oiseaux de repérer les dangers plus aisément. Elle peut être auto-orientable grâce à la position du rotor et des pales sous le vent du mât (4).The invention aims to adapt the knowledge of the sailing navy to the recovery of wind energy, to better use it as mechanical energy or convert it into electricity. The wind turbine is equipped with rigid profiled blades (1), trapezoidal, square, triangular or other, with a profile similar to a ship's sail. The invention will allow a reduction in dimensions, mechanical stresses, nuisances and costs. The rotation is relatively slow and quiet and allows aviators and birds to spot hazards more easily. It can be self-orienting thanks to the position of the rotor and the blades downwind of the mast (4).

Description

[0001] L'éolienne axiale à pales à profil rigide, semblable aux voiles de voilier, a un fonctionnement rotatif et reçoit le vent dans la direction de son axe de rotation et sert à récupérer l'énergie du vent pour l'utiliser comme énergie mécanique ou la convertir en électricité. [0001] The axial wind turbine with rigid profile blades, similar to the sails of a sailboat, has a rotary operation and receives the wind in the direction of its axis of rotation and serves to recover the energy of the wind to use it as energy. mechanical or convert it into electricity.

[0002] Le but de l'éolienne est de récupérer le plus possible d'énergie disponible dans la surface projeté de l'éolienne. The purpose of the wind turbine is to recover as much energy as possible available in the projected surface of the wind turbine.

[0003] Les éoliennes axiales en fonction actuellement ont une surface propre ne représentant qu'une petite partie de la surface projetée capable de récupérer l'énergie du vent. [0003] Axial wind turbines currently in operation have a clean surface representing only a small part of the projected surface capable of recovering energy from the wind.

[0004] Pour récupérer une grande quantité d'énergie, elles sont devenues géantes et de ce fait très fragiles et onéreuses à la construction et à l'entretien. [0004] To recover a large amount of energy, they have become gigantic and therefore very fragile and expensive to build and maintain.

[0005] La plupart des pales utilisées actuellement ont été conçues pour produire une sustentation à haute vitesse et pas pour la récupération de l'énergie du vent, comme le sont les voiles des bateaux. Le principe utilisé actuellement est majoritairement calqué sur le principe de l'hélice ou d'ailes d'avion. [0005] Most of the blades currently in use have been designed to produce lift at high speed and not for the recovery of wind energy, as are the sails of boats. The principle currently used is mostly modeled on the principle of the propeller or airplane wings.

[0006] Le rendement actuel est bien insuffisant par rapport à l'énergie disponible dans la surface projetée du rotor. [0006] The current efficiency is quite insufficient compared to the energy available in the projected surface of the rotor.

[0007] L'hélice d'avion est conçue pour créer un flux à partir d'une énergie limitée. [0007] The airplane propeller is designed to create a flow from a limited energy.

[0008] Une éolienne, au contraire, doit absorber le maximum de l'énergie d'un flux disponible. [0008] A wind turbine, on the contrary, must absorb the maximum energy from an available flow.

[0009] La portance de la pale est insuffisamment bien orientée et optimisée pour maximiser l'absorption de l'énergie disponible. [0009] The lift of the blade is insufficiently well oriented and optimized to maximize the absorption of the available energy.

[0010] Le fonctionnement est bruyant du fait d'un écoulement du flux d'air non laminaire, qui est la cause d'un mauvais rendement. [0010] Operation is noisy due to non-laminar air flow, which is the cause of poor performance.

[0011] Le vent capté par les voiles d'un voilier n'émet pas de son audible lors d'un écoulement laminaire issu d'un bon réglage. [0011] The wind picked up by the sails of a sailboat does not emit any audible sound during a laminar flow resulting from a good adjustment.

[0012] Les marins utilisent depuis des millénaires l'énergie du vent, sans formules compliquées, bien avant que l'aviation soit une réalité. [0012] Sailors have been using wind energy for millennia, without complicated formulas, long before aviation was a reality.

[0013] Ils ont compris et expérimenté que, plus on a de surface totale de voiles, y compris avec une multitude de voiles, plus la puissance disponible est élevée. [0013] They have understood and experienced that the more sails there are, including with a multitude of sails, the higher the power available.

[0014] La vitesse de déplacement du navire n'a pas influence sur le principe. [0014] The speed of movement of the vessel has no influence on the principle.

[0015] Elle est la conséquence du mode de conversion de l'énergie récupérée, (surface de voilure, liquide, coque et appendices) [0015] It is the consequence of the mode of conversion of the recovered energy, (wing area, liquid, hull and appendages)

[0016] Ils ont de surcroit optimisé la forme et l'orientation des voiles pour en tirer le maximum dans des conditions données. [0016] They have also optimized the shape and orientation of the sails to get the most out of them in given conditions.

[0017] Depuis les conceptions anciennes aux plus récentes, le profil de base qui est le plus performant est un profil concave, avec une profondeur et une position du creux choisis en fonction des performances voulues et en fonction de la force du vent. [0017] From the old to the most recent designs, the basic profile which performs best is a concave profile, with a depth and a position of the hollow chosen according to the desired performance and according to the force of the wind.

[0018] Pour y arriver, l''éolienne possède un rotor avec carénage aérodynamique (5) dans le prolongement d'une nacelle en ogive (8). Il est équipé de plusieurs pales rigides (1), trapézoïdales, carrées, triangulaires ou autre, avec un profil semblable aux voiles des bateaux. To achieve this, the wind turbine has a rotor with aerodynamic fairing (5) in the extension of a pointed nacelle (8). It is equipped with several rigid blades (1), trapezoidal, square, triangular or other, with a profile similar to the sails of boats.

[0019] La fixation des pales sur l'axe du rotor est rotative au moyen d'un axe pour chaque pale. The fixing of the blades on the axis of the rotor is rotatable by means of an axis for each blade.

[0020] L'axe de rotation des pales est perpendiculaire à l'axe du rotor. The axis of rotation of the blades is perpendicular to the axis of the rotor.

[0021] La position de l'axe de pale a été déterminée dynamiquement, par rapport au profil choisi, pour que l'effort de rotation de la pale sur elle-même, induit par le vent, soit le plus faible possible. [0021] The position of the blade axis has been determined dynamically, relative to the chosen profile, so that the rotation force of the blade on itself, induced by the wind, is as low as possible.

[0022] Les pales sont soit fixes mais réglables, ou dynamiquement orientées par rapport à l'axe du vent par une assistance mécanique ou électromécanique. [0022] The blades are either fixed but adjustable, or dynamically oriented with respect to the axis of the wind by mechanical or electromechanical assistance.

[0023] Les pales sont équilibrées statiquement ou dynamiquement entre elles par un dispositif mécanique quelconque, par exemple un jeu d'engrenages, de biellettes (3). The blades are statically or dynamically balanced with each other by any mechanical device, for example a set of gears, connecting rods (3).

[0024] Ce dispositif les rends solidaires entre elles de sorte que l'angle d'incidence (9) est le même pour toutes et la tendance à tourner autour de son axe par gravité est compensée par la ou les pales opposées. This device makes them integral with each other so that the angle of incidence (9) is the same for all and the tendency to rotate around its axis by gravity is compensated by the opposing blade or blades.

[0025] Un angle de vrillage (10) entre les extrémités de la pale (7) compense les différences d'angle d'incidence (9) provoquées par les différences de vitesse relative du vent. [0025] A twist angle (10) between the ends of the blade (7) compensates for the differences in angle of incidence (9) caused by the differences in relative wind speed.

[0026] A l'état pivotées, les unes contre les autres, elles peuvent se recouvrir partiellement. In the pivoted state, against each other, they can partially overlap.

[0027] La surface totale des pales peut être supérieure à la surface projetée du rotor. [0027] The total area of the blades may be greater than the projected area of the rotor.

[0028] Les propriétés aérodynamiques de l'éolienne sont optimisées à la manière du réglage des voiles d'un voilier, pour obtenir un rendement maximum de l'énergie récupérable. The aerodynamic properties of the wind turbine are optimized in the manner of adjusting the sails of a sailboat, to obtain maximum yield of recoverable energy.

[0029] Une interaction entre les pales est profitable car l'écoulement laminaire du flux est favorisé (comme c'est le cas sur les voiliers disposant de plusieurs voiles). [0029] An interaction between the blades is beneficial because the laminar flow of the flow is favored (as is the case on sailboats with several sails).

[0030] Leur orientation, angle d'incidence (9), par rapport à l'axe du vent, qui correspond à l'axe du rotor, est optimal environ vers 20° suivant le profil et la forme choisie (d'après les usages sur les voiliers), augmenté de l'angle du vent apparent. [0030] Their orientation, angle of incidence (θ), with respect to the axis of the wind, which corresponds to the axis of the rotor, is optimal around 20° depending on the profile and the shape chosen (according to the uses on sailboats), plus the apparent wind angle.

[0031] De cette manière, l'orientation de la force résultante de chaque pale est très proche du plan de rotation du rotor, soit perpendiculairement à son axe, limitant l'effort sur le mât dans l'axe du rotor. Il est souhaitable de tout faire pour qu'il le reste. [0031] In this way, the orientation of the resultant force of each blade is very close to the plane of rotation of the rotor, ie perpendicular to its axis, limiting the force on the mast in the axis of the rotor. It is desirable to do everything so that it remains so.

[0032] En cas de réglage dynamique, leur orientation se fait de telle sorte que leur angle d'incidence par rapport au vent apparent reste constant pour obtenir toujours le rendement maximum. In case of dynamic adjustment, their orientation is such that their angle of incidence relative to the apparent wind remains constant to always obtain maximum efficiency.

[0033] Il sera nécessaire de limiter la vitesse de rotation en cas de vent forts. [0033] It will be necessary to limit the speed of rotation in the event of strong winds.

[0034] On y parvient par une augmentation de la charge, un freinage ou une limitation ou réduction de l'angle d'incidence. This is achieved by increasing the load, braking or limiting or reducing the angle of incidence.

[0035] Le flux d'air doit s'écouler de manière laminaire tant sur leur extrados que leur intrados. [0035] The air flow must flow in a laminar manner both on their upper surface and their lower surface.

[0036] En cas de choix de pales fixes, l'augmentation de la vitesse de rotation sera limitée par le décrochage du profil dans le flux d'air. [0036] If fixed blades are chosen, the increase in the speed of rotation will be limited by the stalling of the profile in the air flow.

[0037] Pour convertir le couple énorme généré et limiter la vitesse de rotation, on utilisera de préférence un variateur de vitesse, par exemple à courroie trapézoïdale. [0037] To convert the enormous torque generated and limit the speed of rotation, a speed variator, for example with a V-belt, will preferably be used.

[0038] Le variateur pourra être commandé par la pression sur le rotor dans la direction de son axe de rotation, qui sera coulissant, en compression d'un ressort progressif conçu en fonction des caractéristiques du rotor ou par une assistance électronique et électromécanique. The variator can be controlled by the pressure on the rotor in the direction of its axis of rotation, which will be sliding, in compression of a progressive spring designed according to the characteristics of the rotor or by electronic and electromechanical assistance.

[0039] Il pourra aussi être actionné mécaniquement par la force centrifuge du rotor, appliquée sur la poulie secondaire du variateur. It can also be actuated mechanically by the centrifugal force of the rotor, applied to the secondary pulley of the variator.

[0040] Plus le vent forci, plus le rapport du variateur augmentera, faisant tourner la génératrice de plus en plus vite en chargeant progressivement le rotor et tendant à diminuer ainsi sa vitesse de rotation pour la maintenir à un niveau quasi constant. The stronger the wind, the more the ratio of the drive will increase, causing the generator to turn faster and faster by progressively loading the rotor and thus tending to reduce its speed of rotation to maintain it at an almost constant level.

[0041] Par un vent léger, le rapport sera petit, entre le rotor et la génératrice, permettant au rotor de tourner facilement et facilitant le démarrage. Le rapport le plus petit sera la position de repos. [0041] In a light wind, the ratio between the rotor and the generator will be small, allowing the rotor to turn easily and facilitating starting. The smallest gear will be the rest position.

[0042] En cas d'utilisation d'une boîte à vitesse fixe, ou en plus du variateur on peut envisager une cascade de génératrices ou d'étages de stators et rotors couplés de manière progressive ou une génératrice à puissance variable, permettant de charger ou décharger le rotor pour contrôler sa vitesse de rotation. [0042] In the event of use of a fixed speed gearbox, or in addition to the drive, a cascade of generators or stages of stators and rotors coupled in a progressive manner or a variable power generator can be envisaged, making it possible to load or unload the rotor to control its rotational speed.

[0043] Le fonctionnement du rotor est plus avantageux sous le vent du mât (4) qui le porte car il s'oriente beaucoup plus facilement et de manière autonome. [0043] The operation of the rotor is more advantageous downwind of the mast (4) which carries it because it orients itself much more easily and independently.

[0044] Il est souhaitable de freiner et amortir ce mouvement de rotation. [0044] It is desirable to slow down and dampen this rotational movement.

[0045] Un mât (4) tournant solidairement avec le rotor a l'avantage de pouvoir être construit de manière profilée et sa section peut être réduite et est beaucoup plus rigide dans l'axe de l'effort (mât-aile sur les voiliers). [0045] A mast (4) rotating integrally with the rotor has the advantage of being able to be built in a streamlined manner and its section can be reduced and is much more rigid in the axis of the effort (mast-wing on sailboats ).

[0046] Cela permet un écoulement sans obstacle du flux d'air au bord de fuite des pales. [0046] This allows unobstructed flow of the airflow at the trailing edge of the blades.

[0047] Si un mât de section ronde est choisi, on fixera un carénage profilé, solidaire du rotor, qui évitera des turbulences entre le mât et les pales. [0047] If a mast of round section is chosen, a streamlined fairing will be fixed, integral with the rotor, which will avoid turbulence between the mast and the blades.

[0048] Un socle (6) doit permettre l'équilibrage statique indispensable du mât avec son rotor (mise de niveau). A base (6) must allow the essential static balancing of the mast with its rotor (levelling).

[0049] Deux prototypes réalisés disposaient d'un rotor de 52 et 32 cm de diamètre. Two prototypes made had a rotor of 52 and 32 cm in diameter.

[0050] Ils ont été testés avec des mesures par „frein de Prony“ et un système de soufflerie. [0050] They were tested with “Prony brake” measurements and a wind tunnel system.

[0051] Un angle de calage (9) le plus favorable a été constaté pendant les tests, appliqué à la base du profil. [0051] The most favorable wedging angle (θ) was observed during the tests, applied to the base of the profile.

[0052] Le vrillage (10) est choisi en fonction des dimensions de l'éolienne. The twist (10) is chosen according to the dimensions of the wind turbine.

[0053] Les tests des prototypes effectués ont donné une augmentation de puissance d'environ 1,5 fois en passant de 2 à 3 ainsi que de 3 à 4 pales. En résumé, environ 3 fois plus de puissance pour le double de surface de pales. The tests carried out on the prototypes gave an increase in power of about 1.5 times by going from 2 to 3 as well as from 3 to 4 blades. In short, about 3 times more power for twice the blade area.

[0054] Lors des tests du prototype, la puissance a commencé de diminuer à partir de 5 pales, probablement en raison de la petite taille du prototype et de l'espace limité entre les pales (similitude aux voiliers de petite taille) [0054] During testing of the prototype, the power started to decrease from 5 blades, probably due to the small size of the prototype and the limited space between the blades (similar to small sailboats)

[0055] La surface disponible pour capter l'énergie peut être énorme et, suivant le nombre et les dimensions de pales choisies, peut dépasser la circonférence du rotor. [0055] The surface available to capture the energy can be enormous and, depending on the number and dimensions of blades chosen, can exceed the circumference of the rotor.

[0056] Cela permet de diminuer notablement le diamètre de rotation de l'éolienne. This makes it possible to significantly reduce the rotation diameter of the wind turbine.

[0057] Plus le vent est fort, plus le couple de rotation augmente sans pour autant que la vitesse de rotation ne doive devenir excessive. The stronger the wind, the more the rotational torque increases without the rotational speed having to become excessive.

[0058] Suivant les options de construction, aucune énergie n'est nécessaire à son fonctionnement qui est totalement autonome. [0058] Depending on the construction options, no energy is necessary for its operation, which is totally autonomous.

[0059] L'éolienne démarre très facilement, seule, avec très peu de vent. The wind turbine starts very easily, alone, with very little wind.

[0060] Elle nécessite peu d'entretien. [0060] It requires little maintenance.

[0061] Peu d'usure car les forces centrifuges et les vitesses de rotation sont limitées. [0061] Little wear because the centrifugal forces and rotation speeds are limited.

[0062] Pour les mêmes raisons, la construction est facilitée par des exigences mécaniques réduites [0062] For the same reasons, the construction is facilitated by reduced mechanical requirements

[0063] La visibilité par les aviateurs et les oiseaux est meilleure et le danger de collision diminué. Fig. 1. Perspective. Fig. 2. Vue côté gauche Fig. 3. Vue arrière droit. Fig. 4. Vue arrière. Fig. 5. Vue de détail rotor et carénage. Fig. 6. Graphique de tests.[0063] Visibility for airmen and birds is better and the danger of collision is reduced. Fig. 1. Prospect. Fig. 2. Left side view Fig. 3. Right rear view. Fig. 4. Rear view. Fig. 5. Detailed view of rotor and shroud. Fig. 6. Test chart.

Claims

1. The use of rigid profiled blades (1), trapezoidal, square, triangular or other, with a profile similar to a ship's sail

2. The shoulder (2) at the end of the blade to limit flow leakage due to centrifugal force and limit losses due to vortex.

3. The mechanical link (3) ensuring the balancing of the blades between them.

4. The profiled mast (4) or streamlined to promote the laminar flow of the air flow between the mast and the blades.

5. The streamlined fairing (5) which extends the rotor to promote the laminar flow of the air flow behind the wind turbine and limit disturbances.

6. The stable base (6) allowing rotation and leveling of the mast.

7. The conversion of the torque by a variable speed drive or a cascade of generators or stages of stators and rotors coupled in a progressive manner or a variable power generator.

8. Servo-control of the variator to the flow pressure on the rotor or to the centrifugal force of the rotor.

9. The positioning of the blade axis determined dynamically.