FR2857063A1

FR2857063A1 - Wind turbine, has shroud mounted on hub, where turbine is mounted on rotational axis which is located upstream of centre of resulting aerodynamic forces generated on shroud by axial wind, in direction of wind

Info

Publication number: FR2857063A1
Application number: FR0404632A
Authority: FR
Inventors: Herve Kuhlmann; Francis G L Poullain; Jean Charles Poullain
Original assignee: GESTION SERVICE ENTPR FINANCIE
Current assignee: GESTION SERVICE ENTPR FINANCIE
Priority date: 2003-04-30
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2005-01-07

Abstract

The turbine has a propeller driven by wind and provided with blades carried by a hub (10) with a horizontal axis. An alternator (2) cooperates with the propeller to supply electrical energy. A shroud (1) mounted on the hub surrounds the blades. The turbine is mounted on a rotational axis that is located upstream of centre of resulting aerodynamic forces generated on the shroud, by axial wind, in the direction of the wind.

Description

La présente invention concerne une éolienne montée libre-The present invention relates to a wind turbine mounted freely

ment pivotante autour d'un axe de rotation vertical de façon à permettre son auto-orientation naturelle face au vent et comportant une hélice actionnée par le vent et coopérant avec un alternateur pour fournir de 5 l'énergie électrique. pivoting about a vertical axis of rotation so as to allow its natural wind self-orientation and having a wind-driven propeller cooperating with an alternator to supply electric power.

Les spécialistes cherchent depuis longtemps à récupérer l'énergie éolienne qui a l'avantage d'être propre, c'est-à-dire de ne pas engendrer de pollution thermique ou chimique et parallèlement d'être inépuisable. Specialists have long sought to recover wind energy which has the advantage of being clean, that is to say not to generate thermal or chemical pollution and at the same time to be inexhaustible.

Ces avantages sont toutefois compensés dans une large mesure par une série d'inconvénients en particulier liés au caractère dispersé et intermittent du vent; il est en outre bien connu que les parcs d'éoliennes consomment beaucoup d'espace et ne fonctionnent pas sans nuisances sonores. These advantages are, however, largely offset by a series of disadvantages, in particular due to the dispersed and intermittent nature of the wind; it is also well known that wind farms consume a lot of space and do not work without noise.

Ces inconvénients font que le marché des éoliennes n'a pas connu ces dernières années l'essor auquel on aurait pu s'attendre, et que les perspectives de développement dans ce domaine sont aujourd'hui très larges. These disadvantages mean that the wind turbine market has not experienced in recent years the growth that might have been expected, and that the development prospects in this field are now very broad.

De manière plus précise, les éoliennes actuellement utili- sées sont fréquemment équipées d'hélices à pales radiales et à axe horizontal analogues à celles permettant la propulsion d'avions, mais en règle générale beaucoup plus grandes. More precisely, the wind turbines currently in use are frequently equipped with propellers with radial blades and with a horizontal axis similar to those allowing the propulsion of aircraft, but generally much larger.

De telles hélices coopèrent classiquement avec des dynamos ou des alternateurs industriels équipés d'entraînements multiplicateurs de vitesse, ce qui les rend lourdes, coûteuses, et de faible rendement. Such propellers typically cooperate with dynamos or industrial alternators equipped with speed multiplier drives, which makes them heavy, expensive, and low efficiency.

Pour remédier à cet inconvénient, on a déjà proposé conformément au document FR- 2 793 528, une éolienne équipée de pales hélicoïdales inclinées vers l'amont portées par un moyeu de gros diamètre ainsi que d'un carénage circulaire divergent de longueur relativement fai- ble monté concentriquement au moyeu et entourant les pales à proximité de leurs extrémités. To overcome this drawback, it has already been proposed in accordance with document FR-2 793 528, a wind turbine equipped with helical blades inclined upstream carried by a hub of large diameter and a divergent circular fairing of relatively short length. mounted concentrically to the hub and surrounding the blades near their ends.

Dans une telle éolienne l'écoulement de l'air est guidé par un ensemble diffuseur constitué par le moyeu et le carénage. In such a wind turbine the flow of air is guided by a diffuser assembly constituted by the hub and the fairing.

Ce dernier est divergent ce qui permet d'obtenir une survi-35 tesse au droit des pales et augmente l'énergie transmise. The latter is divergent which makes it possible to obtain an over-speed for the right of the blades and increases the energy transmitted.

En outre, les pales obliques sont plus longues que des pales radiales de même diamètre utile et sont actives sur toute leur longueur 15 sans perte aérodynamique d'extrémité, ce qui augmente là encore le rendement. In addition, the oblique blades are longer than radial blades of the same useful diameter and are active along their entire length without aerodynamic end loss, which again increases the efficiency.

Cette éolienne s'est avérée à l'usage plus robuste, moins encombrante à puissance égale et moins bruyante que les éoliennes classi-5 ques. This wind turbine proved to use more robust, less cumbersome to equal power and less noisy than conventional wind turbines.

Ces avantages sont notamment obtenus grâce à la présence du carénage qui comporte de préférence un bord d'attaque arrondi suivi d'une carène épaisse et d'un bord de fuite mince divergent. These advantages are achieved in particular by the presence of the fairing which preferably comprises a rounded leading edge followed by a thick keel and a thin diverging trailing edge.

Ce carénage permet en effet de supprimer les turbulences à l'origine du bruit et de créer, en coopération avec le moyeu, un ensemble diffuseur convergent divergent permettant d'obtenir des conditions optimales d'accélération du flux d'air dans sa section la plus étroite et par suite l'entraînement optimal en rotation des pales. This fairing makes it possible to eliminate the turbulence at the origin of the noise and to create, in cooperation with the hub, a diverging convergent diffuser assembly making it possible to obtain optimal conditions for accelerating the flow of air in its most effective section. narrow and therefore the optimal drive in rotation of the blades.

De telles éoliennes doivent bien entendu comme toutes les 15 éoliennes montées sur un mât vertical être toujours orientées face au vent; elles sont donc tributaires d'organes d'orientation. Such wind turbines must of course like all 15 wind turbines mounted on a vertical mast always be facing windward; they are therefore dependent on guidance bodies.

Ces organes sont à titre d'exemple constitués par des yaw moteurs qui permettent d'orienter l'éolienne en fonction du vent, par des yaw sensor qui indiquent le sens de rotation de l'éolienne ainsi que par des dispositifs de gestion adaptés. These organs are, for example, constituted by yaw motors which make it possible to orient the wind turbine according to the wind, by yaw sensors which indicate the direction of rotation of the wind turbine as well as by adapted management devices.

Or, de tels organes d'orientation sont onéreux et relative-ment sophistiqués, donc exposés à des pannes, en particulier dans le cas d'éoliennes de grande envergure. However, such guidance devices are expensive and relatively sophisticated, so exposed to breakdowns, especially in the case of large wind turbines.

Ces organes sont en outre de nature à entraîner des risques 25 d'emmêlement des câbles qui transmettent l'énergie. These bodies are also likely to entail risks of entanglement of the cables that transmit the energy.

Pour remédier à ces inconvénients, on a déjà proposé de monter les pales d'une éolienne à la partie aval du moyeu dans le sens du vent ou de lui adjoindre une dérive lui permettant de rester orientée face au vent en toute circonstance ce sans avoir recours à des organes d'orientation mécaniques. To overcome these drawbacks, it has already been proposed to mount the blades of a wind turbine to the downstream part of the hub in the direction of the wind or to add a drift allowing it to remain facing the wind in all circumstances without recourse to mechanical orientation devices.

Une telle configuration ne peut toutefois pas s'appliquer à toutes les éoliennes en particulier aux éoliennes de grande dimension. Such a configuration, however, can not be applied to all wind turbines, especially large wind turbines.

La présente invention a pour objet de proposer une éolienne autoorientable permettant de surmonter cette difficulté. The object of the present invention is to propose an autoorientable wind turbine making it possible to overcome this difficulty.

Pour concevoir une telle éolienne, on a eu l'idée d'utiliser le carénage en tant que dérive. To design such a wind turbine, we had the idea to use the fairing as a drift.

Une telle éolienne auto-orientable conforme à l'invention peut ainsi être de type quelconque, et avoir une petite, une moyenne ou une grande envergure à la condition d'être équipée d'un carénage divergent. Such a self-steerable wind turbine according to the invention can be of any type, and have a small, medium or large scale provided to be equipped with a divergent fairing.

Selon l'invention cette éolienne est montée pivotante autour d'un axe de rotation vertical de façon à permettre son orientation face au vent et comporte une hélice actionnée par le vent, qui est équipée de pales portées par un moyeu d'axe horizontal ainsi qu'un alternateur coopérant avec l'hélice pour fournir de l'énergie électrique, et un carénage circulaire divergent de longueur relativement faible monté concentriquement au moyeu et entourant les pales. According to the invention this wind turbine is pivotally mounted about a vertical axis of rotation so as to allow its orientation facing the wind and comprises a wind-driven propeller, which is equipped with blades borne by a hub of horizontal axis and an alternator cooperating with the propeller to provide electrical power, and a diverging circular fairing of relatively short length mounted concentrically to the hub and surrounding the blades.

Io Cette éolienne est caractérisée en ce que son axe de rotation est situé en amont du foyer des forces aérodynamiques résultantes générées sur le carénage par un vent axial, dans le sens de ce vent. Io This wind turbine is characterized in that its axis of rotation is located upstream of the focal point of the resulting aerodynamic forces generated on the fairing by an axial wind, in the direction of this wind.

Une telle éolienne auto-orientable peut toutefois présenter l'inconvénient de risquer de s'emballer lorsque la puissance de vent est trop importante, mettant ainsi en danger les différents éléments de sa structure. Such a self-rotating wind turbine may, however, have the disadvantage of risking to race when the power of wind is too great, thus endangering the various elements of its structure.

Ce problème a déjà été abordé dans le cas d'éoliennes carénées non autoorientables. This problem has already been addressed in the case of non-self-contained careened wind turbines.

Pour résoudre celui-ci, il a été proposé d'adjoindre à 20 l'éolienne un système de nature à faire pivoter l'intégralité de celle-ci, y compris le carénage en présence de vents violents. To solve it, it has been proposed to add to the wind turbine a system of rotation to the entire thereof, including the fairing in the presence of strong winds.

Il s'agit cependant là d'un système à la fois lourd et coû-teux. However, this is a system that is both heavy and expensive.

Une autre possibilité consisterait à prévoir des organes de 25 freinage en aval des pales. Un tel système est toutefois difficile à mettre en oeuvre dans la pratique. Another possibility would be to provide braking members downstream of the blades. Such a system is however difficult to implement in practice.

Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, on a pu surmonter cette difficulté en adjoignant au moyeu de l'éolienne des organes permettant de modifier l'orientation des pales par rapport au vent. According to a preferred feature of the invention, this difficulty has been overcome by adding to the hub of the wind turbine organs for changing the orientation of the blades relative to the wind.

Les pales peuvent ainsi être effacées par rapport au vent en présence de vent violent. The blades can thus be erased with respect to the wind in the presence of strong wind.

De tels organes qui permettent de disposer de pales à pas variable sont connus dans le domaine de l'aviation. Such bodies which make it possible to have blades with variable pitch are known in the field of aviation.

Leur adaptation à l'éolienne auto-orientable carénée 35 conforme à l'invention permet à celle-ci de fonctionner de façon satisfaisante à de grandes vitesses de vent. Their adaptation to the self-steerable wind turbine 35 in accordance with the invention allows it to operate satisfactorily at high wind speeds.

La configuration particulièrement avantageuse de l'éolienne conforme à l'invention sera explicitée en se référant aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une coupe schématique d'une éolienne conforme à 5 l'invention par un plan vertical; - la figure 2 est une coupe schématique d'une éolienne conforme à l'invention orientée face au vent V par le plan horizontal médian du carénage; - la figure 3 est une coupe schématique correspondant à la figure 2, 10 mais dans laquelle l'éolienne est orientée obliquement par rapport au vent V. Selon la figure 1, l'éolienne est équipée d'un moyeu 10 d'axe horizontal xx' équipé de pales 11 ainsi que d'un alternateur 12 et d'un carénage circulaire divergent 1 monté concentriquement au moyeu 10 par l'intermédiaire de bras de support 13 et entourant les pales 11. The particularly advantageous configuration of the wind turbine in accordance with the invention will be explained with reference to the appended drawings in which: FIG. 1 is a diagrammatic section of a wind turbine according to the invention in a vertical plane; - Figure 2 is a schematic section of a wind turbine according to the invention facing the wind V by the median horizontal plane of the fairing; FIG. 3 is a diagrammatic section corresponding to FIG. 2, but in which the wind turbine is oriented obliquely with respect to the wind V. According to FIG. 1, the wind turbine is equipped with a hub 10 of horizontal axis. equipped with blades 11 as well as an alternator 12 and a divergent circular fairing 1 mounted concentrically to the hub 10 via support arms 13 and surrounding the blades 11.

Cette éolienne est montée pivotante sur un mat vertical 2 schématisé par un cercle sur les figures 2 et 3 par l'intermédiaire d'un pivot 14. This wind turbine is pivotally mounted on a vertical mat 2 schematized by a circle in Figures 2 and 3 via a pivot 14.

Le carénage 1 a un profil aérodynamique particulier défini 20 par un bord d'attaque arrondi 3 suivi d'un extrados/intrados 4 et de bords de fuite divergents 5. The shroud 1 has a particular airfoil defined by a rounded leading edge 3 followed by an extrados / intrados 4 and diverging trailing edges 5.

Selon la figure 2, si l'on considère une section quelconque du carénage 1 par un plan radial, la corde interne C a une longueur relativement faible alors que le rayon moyen R correspond essentiellement à la longueur des pales 11. According to FIG. 2, considering any section of the fairing 1 by a radial plane, the inner rope C has a relatively small length while the average radius R essentially corresponds to the length of the blades 11.

L'angle de la corde C et de l'axe x-x' du carénage 1 est de 5 à 30 . The angle of the rope C and the x-x 'axis of the fairing 1 is from 5 to 30.

Dans chaque plan radial, l'accélération du flux d'air à l'intérieur du carénage 1 crée une force Fr qui peut se décomposer en deux forces dont l'une est la portance élémentaire Fp tandis que l'autre est la traînée élémentaire Ft. In each radial plane, the acceleration of the airflow inside the fairing 1 creates a force Fr which can be broken down into two forces, one of which is the elementary lift Fp while the other is the elementary drag Ft .

L'ensemble des forces aérodynamiques Frtotal générées par le vent V peut se résumer en deux forces, à savoir une résultante Frd sur le côté droit du carénage 1 et une résultante Frg sur le côté gauche du ca- rénage 1. The set of aerodynamic forces Frtotal generated by the wind V can be summed up in two forces, namely a resultant Frd on the right side of the fairing 1 and a resultant Frg on the left side of the frame 1.

Selon la figure 2 l'angle d'incidence du vent V sur la corde C droite est égal à l'angle d'incidence du vent sur la corde C gauche et donc la résultante Frd est égale à la résultante Frg. According to FIG. 2 the angle of incidence of the wind V on the right chord C is equal to the angle of incidence of the wind on the left chord C and therefore the resultant Frd is equal to the resultant Frg.

Le foyer Fc de ces deux forces se situe à une distance d de l'axe de rotation 2 de l'éolienne, en arrière de cet axe. The Fc focus of these two forces is located at a distance d from the axis of rotation 2 of the wind turbine, behind this axis.

L'éolienne est ainsi stable face au vent vu que la résultante Frtotal est orientée sur l'axe xx'. The wind turbine is thus stable against the wind as the resultant Frtotal is oriented on the axis xx '.

Selon la figure 3 si le vent V change de direction, ses angles d'incidence sur les cordes C droite et gauche deviennent différents. According to Figure 3 if the wind V changes direction, its angles of incidence on the right and left C strings become different.

Par suite, la résultante Frd n'est plus égale à la résultante Frg. As a result, the resultant Frd is no longer equal to the resultant Frg.

En conséquence la résultante Frtotal crée au niveau du 10 foyer Fc un couple qui a tendance à faire revenir le système à l'équilibre, c'est-àdire face au vent. As a result, the Frtotal resultant creates at the Fc focus a pair that tends to bring the system back to equilibrium, that is, to the wind.

Selon la figure 1, une telle configuration permet donc, en fait, d'utiliser le carénage en tant que dérive de façon à permettre une autoorientation de l'éolienne, face au vent. According to Figure 1, such a configuration therefore allows, in fact, to use the fairing as a drift so as to allow self-orientation of the wind turbine, facing the wind.

Il est à noter que la distance d entre le foyer Fc et l'axe de rotation 2 de l'éolienne et par suite la position de cet axe de rotation jouent un rôle essentiel dans la dynamique temporelle du système: en effet, plus la distance d est grande, plus le temps de réponse aux variations de direction du vent est court. It should be noted that the distance d between the focal point Fc and the axis of rotation 2 of the wind turbine and consequently the position of this axis of rotation play a vital role in the temporal dynamics of the system: indeed, the greater the distance d is large, the response time to wind direction variations is short.

Différents facteurs doivent cependant être pris en considération lors du choix de la position de l'axe de rotation 2 de l'éolienne, en particulier: - le temps de réponse de l'auto-orientation à partir du seuil initial de production, - le couple aérodynamique à partir du seuil initial de production qui doit être supérieur au couple résistant de l'axe de rotation, - le couple du au poids de la machine ramenée sur l'axe de rotation ver- tical, - les contraintes mécaniques sur la couronne d'orientation, - les contraintes financières et esthétiques. Various factors must however be taken into consideration when choosing the position of the axis of rotation 2 of the wind turbine, in particular: - the response time of the self-orientation from the initial threshold of production, - the aerodynamic torque from the initial production threshold which must be greater than the resisting torque of the axis of rotation, - the torque due to the weight of the machine reduced to the vertical axis of rotation, - the mechanical stresses on the crown orientation, - financial and aesthetic constraints.

Claims

1) A wind turbine pivotally mounted about a vertical axis of rotation (2) so as to allow its orientation facing the wind (V) and having a wind-powered hé-lice which is equipped with blades (11) carried by a hub (10) horizontal axis, and an alternator (12) cooperating with the propeller to provide electric power, and a divergent circular fairing (1) of relatively short length mounted concentrically to the hub (10) and surrounding the blades (11), characterized in that the axis of rotation (2) is located upstream of the focal point (Fc) of the resulting aerodynamic forces (Frd, Frg) generated on the fairing (1) by an axial wind (V) , in the direction of this wind.

2) Wind turbine according to claim 1, characterized in that the hub (10) is equipped with members for changing the orientation of the blades (11) relative to the wind.