FR2820173A1 - WIND TURBINE WITH GEOMETRICALLY VARIABLE BLADES - Google Patents
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Abstract
Description
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L'actuelle invention concerne une éolienne d'une technologie différente de celles qui ont été construites jusqu'à présent. C'est un changement essentiel sur le plan technique. The present invention relates to a wind turbine of a technology different from those which have been built up to now. This is an essential technical change.
Depuis plusieurs années, les constructeurs des éoliennes cherchent à obtenir des vitesses en bout de pale de plus en plus élevées afin d'atteindre des puissances importantes. For several years, the manufacturers of wind turbines have been seeking to obtain increasingly higher blade tip speeds in order to achieve high powers.
Ils sont ainsi contraints d'utiliser des pales en nombre restreint et très étroites à leur extrémité, ce qui ne facilite pas les démarrages et limite fortement le rendement de aérogénérateurs aux basses vitesses du vent ( < 6m. /sec. ). Aussi, dans les régions les plus ventées, la durée de fonctionnement utile aux puissances les plus élevées, ne dépasse-t-elle pas 35% du temps. Ce résultat est considéré satisfaisant en Europe, mais il est nettement insuffisant dans les zones côtières africaines pour les activités touristiques ou de dessalage de l'eau de mer, de même que pour les activités journalières des villages des zones sahéliennes. Dans ces régions, il est préférable de disposer d'appareils de puissance plus modeste avec une technologie peu compliquée, mais fonctionnant pendant au moins 75% du temps. They are thus forced to use blades in a limited number and very narrow at their ends, which does not facilitate starting and greatly limits the efficiency of wind turbines at low wind speeds (<6m / sec.). Also, in the windiest regions, the useful life at the highest powers does not exceed 35% of the time. This result is considered satisfactory in Europe, but it is clearly insufficient in the African coastal zones for tourist activities or desalination of sea water, as well as for the daily activities of villages in the Sahelian zones. In these regions, it is preferable to have devices of more modest power with an uncomplicated technology, but operating for at least 75% of the time.
L'éolienne proposée est d'une technologie nouvelle et se caractérise par : 'une pale à géométrie variable 'un mât inclinable
L'aérogénérateur proprement dit est fait d'un axe horizontal supportant à ses extrémités deux tambours identiques. Chacun de ces tambours possède un même nombre de pales allant de 3 à 5. The proposed wind turbine is of a new technology and is characterized by: 'a blade with variable geometry' a tilting mast
The aerogenerator itself is made of a horizontal axis supporting at its ends two identical drums. Each of these drums has the same number of blades ranging from 3 to 5.
Les pales sont exposées au vent ; c'est à dire que la direction du vent est perpendiculaire à l'axe de l'aérogénérateur, et chaque pale collecte le vent de face. La vitesse de rotation est variable. Deux disques de freinage sont fixés sur cet axe horizontal afin de limiter ses variations de vitesses. La force centrifuge resultant du rendement de la oale et l'importante force du moment de la masselotte sont capables de tourner l'aérogénérateur aux faibles vitesses du vent. The blades are exposed to the wind; that is to say that the wind direction is perpendicular to the axis of the wind generator, and each blade collects the headwind. The rotation speed is variable. Two brake discs are fixed on this horizontal axis in order to limit its speed variations. The centrifugal force resulting from the efficiency of the wind and the large moment force of the counterweight are capable of turning the wind generator at low wind speeds.
L'aérogénérateur selon l'invention possède deux tambours identiques, chacun de ces tambours possède un même nombre de pales, allant de 3 à 5 afin d'assurer la symétrie de l'aérogénérateur ainsi que sa stabilité. Les profiles de ces pales sont assimilées à ceux des feuilles des bananiers avec un concept permettant de produire le maximum d'énergie aux vitesses des rotations variables aux faibles vitesses du vent. The wind generator according to the invention has two identical drums, each of these drums has the same number of blades, ranging from 3 to 5 in order to ensure the symmetry of the wind generator as well as its stability. The profiles of these blades are assimilated to those of banana leaves with a concept allowing to produce the maximum energy at variable rotation speeds at low wind speeds.
Le vend frappe chaque pale de face mais frappe en même temps l'aérogénérateur de profile contrairement a ce qui existe par construction pour les autres aérogénérateurs. The vend strikes each blade from the front but at the same time strikes the profile wind generator contrary to what exists by construction for other wind turbines.
Selon notre invention le vent frappe l'aérogénérateur perpendiculairement à son axe central. Cette particularité est une des caractéristiques originales de cette éolienne. According to our invention, the wind hits the wind turbine perpendicular to its central axis. This particularity is one of the original characteristics of this wind turbine.
Les pales sont flexibles et fabriquées en matériaux spéciaux tels que : inox, matières composites, tissus métalliques etc... Dans une première demi-circonférence de la rotation de l'aérogénérateur, dite inactive, la flexibilité de la pale permet sa pliure sur ellemême sans qu'elle soit cassée, endommagée ou modifiée. A l'extrémité libre de chacune The blades are flexible and made of special materials such as: stainless steel, composite materials, metallic fabrics, etc. In a first half-circumference of the rotation of the wind generator, called inactive, the flexibility of the blade allows it to fold on itself. without being broken, damaged or modified. At the free end of each
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de ces pales une masselotte dont le poids sera déterminé experimentalement est fixée afin de donner une importante force de moment ce qui apporte une aide supplémentaire à la force de vent pour faire tourner l'aérogénérateur. Le maximum de cette force se trouve dans une deuxième demi-circonférence, dite active où les pales sont exposées entièrement faces au vent. Dans cette Demi-Circonférence active :
1. Chacune de ces pales est ouverte, prend le maximum de sa longueur et devient rigide,
2. Avec la masselotte fixée à l'extrémité libre dans cette demi-dirconférence active, une force de moment est générée et doit être plus importante que celle qui est developpée dans la demi-circonférence inactive,
3. Chacune de ces pales reste étendue jusqu'à sa position verticale proche du sol. of these blades a flyweight whose weight will be determined experimentally is fixed in order to give a large momentary force which brings additional aid to the wind force to rotate the wind turbine. The maximum of this force is found in a second half-circumference, called active, where the blades are exposed entirely facing the wind. In this active Half-Circumference:
1. Each of these blades is open, takes the maximum of its length and becomes rigid,
2. With the counterweight fixed at the free end in this active half-circumference, a momentary force is generated and must be greater than that which is developed in the inactive half-circumference,
3. Each of these blades remains extended to its vertical position close to the ground.
Une fois que la pale a franchi la position verticale la plus proche du sol, elle commence sa pliure sur elle-même et grâce à sa flexibilité sa géométrie varie et adopte la forme d'une courbe. Alors, dans cette Demi-Circonférence inactive :
1. La distance entre la masselotte fixée à la pale et le centre du tambour concerné, est minimale, donc, la force de moment résultant est aussi minimale et inferieure au même type de force produite dans la demi-circonférence active,
2. Ce type de force de moment se produit quand la pale se trouve en mouvement dans cette demi-circonférence inactive jusqu'à la position verticale loin du sol. Once the blade has crossed the vertical position closest to the ground, it begins to fold on itself and thanks to its flexibility its geometry varies and adopts the shape of a curve. So, in this inactive Half-Circumference:
1. The distance between the counterweight fixed to the blade and the center of the drum concerned, is minimal, therefore, the resulting momentary force is also minimal and less than the same type of force produced in the active half-circumference,
2. This type of momentary force occurs when the blade is in motion in this inactive half-circumference to the vertical position away from the ground.
Quand la pale commence la descente, à partir de la position verticale loin du sol et donc au début de la Demi-Circonférence active, elle frappe brusquement l'air et elle devient tendue et rigide. Ce choc brutal ouvre la pale pour qu'elle devienne prête à recevoir le vent, grâce, essentiellement, à la masselotte fixée à son extrémité libre. When the blade begins the descent, from the vertical position far from the ground and therefore at the start of the active Half-Circumference, it suddenly hits the air and it becomes taut and rigid. This brutal shock opens the blade so that it becomes ready to receive the wind, thanks, essentially, to the flyweight attached to its free end.
Chacune de ces pales est :
1. Rectangulaire et sa longueur est au moins 8 fois sa largeur,
2. Fixée par des files d'acier sur ces deux faces. La longueur de ces fils est déterminée pour qu'elle soit tendue dans une Position et soit flexible a géométrie variable dans une autre position. Each of these blades is:
1. Rectangular and its length is at least 8 times its width,
2. Fixed by steel lines on these two faces. The length of these wires is determined so that it is stretched in one position and is flexible with variable geometry in another position.
Les poids des masselottes fixées aux extrémités des pales sont égaux. Mais ces masselottes peuvent être changées et remplacées par d'autre de poids superieur ou inferieur selon selon la vitesse de vent et la vitesse de rotation de l'aérogénérateur. The weights of the weights attached to the ends of the blades are equal. But these weights can be changed and replaced by others of higher or lower weight depending on the wind speed and the speed of rotation of the wind generator.
Concernant l'orientation de l'aérogénérateur par rapport au vent, des dérives verticales peuvent être fixées sur l'axe central à côte de chaque tambour à deux distances égales. Regarding the orientation of the wind generator relative to the wind, vertical fins can be fixed on the central axis next to each drum at two equal distances.
L'aérogénérateur repose sur une plate-forme rectangulaire ou circulaire. Deux roulements à bille sont fixés sur cette plate-forme pour que l'axe central de l'aérogénérateur qui relie les deux tambours à ses extrémités puisse tourner facilement avec un minimum de frottements. L'axe central de la plate-forme est fixé à son centre géométrique. Cet axe est perpendiculaire à la plate-forme et pénètre dans l'extrémité The aerogenerator rests on a rectangular or circular platform. Two ball bearings are fixed on this platform so that the central axis of the wind generator which connects the two drums at its ends can rotate easily with a minimum of friction. The central axis of the platform is fixed at its geometric center. This axis is perpendicular to the platform and enters the end
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lointaine du sol du mât de l'éolienne, afin d'exercer ses rotations en toutes libertés selon la direction de vent. L'axe central de l'aérogénérateur est toujours horizontal, contrairement à l'axe de la plate-forme qui est toujours vertical. far from the ground of the wind turbine mast, in order to exercise its rotations in complete freedom according to the wind direction. The central axis of the wind turbine is always horizontal, unlike the axis of the platform which is always vertical.
Un système générateur électricité est fixé autour de l'axe horizontal de l'aérogénérateur. An electricity generator system is fixed around the horizontal axis of the wind generator.
Le système de freinage se compose de deux disques, qui sont fixés à deux distances égales des tambours correspondants, autour de l'axe de l'aérogénérateur. The braking system consists of two discs, which are fixed at two equal distances from the corresponding drums, around the axis of the wind generator.
Pour l'entretien de l'aérogénérateur, le mât central de l'éolienne peut être incliner en pivotant sur un axe horizontal qui traverse le mât central au tiere de sa longueur en partant du sol. Cet axe repos sur un support en forme de pyramide suseeptible de supporter les dispositifs de l'éolienne et toutes les forces qui résultent de son fonctionnement dans des conditions de vent violent. Cet axe horizontal est libre de façon que le mât puisse se pencher ou basculer vers le sol, afin de proceder à des manoeuvres d'entretien ou à des changements de pales. A l'extrémité inférieure, le diamètre du mât est inferieur au diamètre de sa partie superieure et se termine par une autre plate-forme circulaire qui supporte les galets métalliques lourds :
1. Les galets métalliques lourds peuvent s'empiler sur cette plate-forme en s'inserant à cette extrémité du mât. Le poids de ces galets assurent la stabilité de l'éolienne
tout entiere et sa verticalité. En plus, un système de sécurité additionnel est destiné à bloquer le mât en position verticale. For the maintenance of the wind generator, the central mast of the wind turbine can be tilted by pivoting on a horizontal axis which crosses the central mast to the length of its length from the ground. This axis rests on a pyramid-shaped support capable of supporting the devices of the wind turbine and all the forces that result from its operation in conditions of strong wind. This horizontal axis is free so that the mast can lean or tilt towards the ground, in order to carry out maintenance maneuvers or to change blades. At the lower end, the diameter of the mast is less than the diameter of its upper part and ends with another circular platform which supports the heavy metal rollers:
1. Heavy metal rollers can be stacked on this platform by being inserted at this end of the mast. The weight of these rollers ensures the stability of the wind turbine
whole and its verticality. In addition, an additional safety system is intended to block the mast in the vertical position.
2. Une corde est fixée la partie superieure du mât pour lui permettre de basculer vers le sol doucement et en toute sécurité. 2. A rope is attached to the upper part of the mast to allow it to tip down to the ground gently and safely.
L'enlèvement progressif des galets pendant qu'on tire la corde on facilite en toute securité le basculement du mât. Inversement, pour que le mât revienne à la verticale, on ajoute des galets en lâchant en même temps la corde afin de redresser le mât jusqu'à la
verticale. Cette technique simple est destinée à reduire les frais d'utilisation de grues ; elle est est facile à mettre en pratique et reduit le temps d'entretien, cela est un des avantages de cette invention. The gradual removal of the rollers while pulling the rope makes it easier to tilt the mast safely. Conversely, so that the mast returns to the vertical, we add rollers by simultaneously releasing the rope in order to straighten the mast to the
vertical. This simple technique is intended to reduce the cost of using cranes; it is easy to put into practice and reduces maintenance time, this is one of the advantages of this invention.
Les dessins annexés illustrent l'invention :
1. La figure (I) est une vue de profil de l'éolienne, selon l'invention
2. La figure (II) est une vue de face partielle et simplifiée de la partie aérogénérateur avec 3 pales Description générale de l'appareil. (Figure I)
L'appareil est fait d'un aérogénérateur situé au sommet d'un mât (8) fixé au sol par un système de contention permettant son inclinaison. The accompanying drawings illustrate the invention:
1. Figure (I) is a side view of the wind turbine according to the invention
2. Figure (II) is a partial and simplified front view of the aerogenerator part with 3 blades General description of the device. (Figure I)
The device is made of an aerogenerator located at the top of a mast (8) fixed to the ground by a containment system allowing its inclination.
L'aérogénérateur est fait de deux tambours identiques (2) sur lesquels sont fixées les pales (1). Les pales (1) sont munies, à leur extrémité, de masselottes métalliques (13). The wind generator is made of two identical drums (2) on which the blades (1) are fixed. The blades (1) are provided, at their end, with metal weights (13).
Chaque tambour (2) possède, dans un souci d'équilibre, un même nombre de pales (1), allant de 3 à 5. Les tambours (2) sont situés aux extrémités d'un axe horizontal (3), monté Each drum (2) has, for the sake of balance, the same number of blades (1), ranging from 3 to 5. The drums (2) are located at the ends of a horizontal axis (3), mounted
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sur roulements à billes (6) et fixé à une plate-forme rectangulaire ou circulaire (7). Sur un axe de rotation (14), sont disposés un système générateur d'électricité (4) et un système de freinage (5) fait de deux disques à commande électromagnétique. on ball bearings (6) and fixed to a rectangular or circular platform (7). On an axis of rotation (14), are arranged an electricity generating system (4) and a braking system (5) made of two electromagnetically controlled discs.
La plate-forme (7) est fixée à l'extrémité supérieure du mât (8) de l'éolienne par l'intermédiaire de l'axe vertical (14) tournant librement dans son logement, muni de roulements à billes (17). Elle est aussi munie de deux gouvernes (15) qui l'orientent par rotation de son axe support (14), afin que l'axe horizontal (3) de rotation des tambours (2) reste perpendiculaire à la direction du vent. The platform (7) is fixed to the upper end of the mast (8) of the wind turbine by means of the vertical axis (14) rotating freely in its housing, provided with ball bearings (17). It is also provided with two control surfaces (15) which orient it by rotation of its support axis (14), so that the horizontal axis (3) of rotation of the drums (2) remains perpendicular to the direction of the wind.
Le mât (8) de l'éolienne, est fixé (pour une utilisation pratique en zone isolée, d'accès difficile, en cas de manque d'équipements de levage en général coûteux) sur un axe horizontal (9) reposant sur un support métallique (12), à distance du sol. La partie inférieure est lestée d'un contrepoids (10). Afin de ne pas trop alourdir les structures, l'axe horizontal (9) de fixation du mât (8) devrait se situer à l'union du 1/3 inférieurs et des 2/3 supérieurs de sa longueur. Toute fixation plus proche de l'extrémité inférieure du mât (8) accroît le poids du lest nécessaire. En état de marche, le mât (8) est verrouillé en position verticale. Pour l'entretien et d'éventuelles réparations, il peut être basculé afin de rapprocher la plate-forme (7) du sol. A l'aide d'une simple corde (11) et au déverrouillage de l'axe horizontal (9) de fixation du mât (8), la manoeuvre est aisée. The wind turbine mast (8) is fixed (for practical use in an isolated area, difficult to access, in the event of a lack of generally expensive lifting equipment) on a horizontal axis (9) resting on a support metallic (12), at a distance from the ground. The lower part is weighted with a counterweight (10). In order not to make the structures too heavy, the horizontal axis (9) for fixing the mast (8) should be located at the union of the lower 1/3 and the upper 2/3 of its length. Any attachment closer to the lower end of the mast (8) increases the weight of the necessary ballast. In operating condition, the mast (8) is locked in the vertical position. For maintenance and possible repairs, it can be tilted in order to bring the platform (7) closer to the ground. Using a simple rope (11) and unlocking the horizontal axis (9) for fixing the mast (8), the operation is easy.
Fonctionnement de l'aérogénérateur. (Figure II)
Les pales (1) ont un profil en feuille de bananier et, contrairement à ce qui est observé dans les éoliennes traditionnelles, leur axe (3) de rotation n'est pas parallèle mais perpendiculaire à la direction du vent A . Operation of the wind generator. (Figure II)
The blades (1) have a banana leaf profile and, contrary to what is observed in traditional wind turbines, their axis (3) of rotation is not parallel but perpendicular to the wind direction A.
Elles sont rectangulaires, la longueur et la largeur étant dans le rapport de 8. Elles sont flexibles et peuvent donc se plier en longueur sur elle-même, en inox ou en matière composite ou en tissu métallique. They are rectangular, the length and the width being in the ratio of 8. They are flexible and can therefore fold in length on themselves, in stainless steel or in composite material or in metallic fabric.
Les pales (1) en inox ou en matière composite nécessitent des tendeurs en fils d'acier (16) reliant les deux faces de chaque pale (1) aux bords du tambour cylindrique (2) afin de limiter la courbure de ses déformations, de la rigidifier et de la maintenir ouverte. The blades (1) made of stainless steel or composite material require steel wire tensioners (16) connecting the two faces of each blade (1) to the edges of the cylindrical drum (2) in order to limit the curvature of its deformations, stiffen it and keep it open.
Les pales (1) sont munies à leurs extrémités libres d'une masselotte (13) amovible. The blades (1) are provided at their free ends with a removable counterweight (13).
Le poids des masselottes (13) peut ainsi être modifié facilement en fonction de l'état du vent. Les deux tambours (2) cylindriques tournent ensembles dans un même et unique sens B . The weight of the weights (13) can thus be easily modified according to the state of the wind. The two cylindrical drums (2) rotate together in the same single direction B.
L'association d'une structure souple et d'une masselotte (13) à l'extrémité de chaque pale (1) assure la régularité du mouvement : * En direction horizontale face au vent, la pale (1) est tendue, la surface au vent minimale et le moment cinétique maximal.
The association of a flexible structure and a flyweight (13) at the end of each blade (1) ensures the regularity of the movement: * In horizontal direction facing the wind, the blade (1) is taut, the surface minimum wind and maximum angular momentum.
* Quand la pale (1) passe de la situation horizontale à la situation verticale, son extrémité étant orientée vers le sol, l'impact du vent sur elle augmente * When the blade (1) goes from the horizontal to the vertical situation, its end being oriented towards the ground, the impact of the wind on it increases
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progressivement jusqu'à un maximum et le moment cinétique diminue jusqu'à son minimum. gradually to a maximum and the angular momentum decreases to its minimum.
* Quand la pale (1) passe de la position verticale mentionnée ci-dessus à la position horizontale, elle se recourbe par le poids de la masselotte (13) et l'impact du vent diminue progressivement. Le moment cinétique augmente alors mais du fait de la courbure de la pale (1) est moins important que dans la direction diamétralement opposée. * When the blade (1) passes from the vertical position mentioned above to the horizontal position, it bends by the weight of the counterweight (13) and the impact of the wind gradually decreases. The angular momentum then increases but because of the curvature of the blade (1) is less important than in the diametrically opposite direction.
Quand la pale (1) passe du niveau horizontal mentionné au paragraphe précèdent et monte vers la direction verticale elle progresse vers son incurvation maximale. When the blade (1) passes from the horizontal level mentioned in the preceding paragraph and rises in the vertical direction it progresses towards its maximum curvature.
L'impact du vent est alors pratiquement nul et le moment cinétique minimum. The impact of the wind is then practically zero and the minimum angular momentum.
* Enfin quand la pale (1) redescend vers la position horizontale face au vent elle se redresse brusquement sous l'action de la masselotte (13). La rapidité du redressement apporte une énergie cinétique qui s'ajoute au moment cinétique progressivement croissant et à la force créée par l'impact du vent. * Finally when the blade (1) descends towards the horizontal position facing the wind it suddenly straightens up under the action of the counterweight (13). The speed of recovery brings kinetic energy which is added to the progressively increasing kinetic moment and to the force created by the impact of the wind.
Le balancement des actions des forces dynamiques du vent et des variations des moments cinétiques, couplé à l'intervention éventuelle d'actions de freinage (5), assure aux tambours (2) un fonctionnement régulier. The balancing of the actions of the dynamic forces of the wind and the variations of the angular moments, coupled with the possible intervention of braking actions (5), ensures the drums (2) a regular operation.
Cette éolienne est de réalisation et d'entretien simple grâce à son mât (8) inclinable. This wind turbine is simple to make and maintain thanks to its tilting mast (8).
Elle produit facilement de l'énergie électrique : propre, sans effet secondaire sur l'environnement, renouvelable, bon marché, exploitable dans les zones isolées, et surtout elle fonctionne aux faibles vitesses du vent.It easily produces electrical energy: clean, with no side effect on the environment, renewable, inexpensive, usable in isolated areas, and above all it operates at low wind speeds.
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Also Published As
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WO2002061275A1 (en) | 2002-08-08 |
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