EXPOSE DE L'INVENTION et DESCRIPTION Moteur éolien vertical des pales articulées Le moteur éolien vertical des pales articulées est une machine rotative actionnée par un conjoint de paires de pales articulées et par un conjoint des pales fixes. Les pales articulées sont montées dans un encadrement grâce aux charnières (deux ou plus) à qui leur permettent son mouvement autour des axes de rotation parallèle à l'axe moteur de la machine dans la direction du mouvement de l'air. Les pales fixes constituent des systèmes pour diriger convenablement le flux de l'air afin d'obtenir la différence de pression exigée pour l'apparition des forces de sustentations horizontales. La mobilité et la disposition des pales font que l'air incident sur elles, les ouvre à l'extrémité droite de la machine (selon le schéma sur la direction de l'air incident) et les ferme à l'autre. Cela garantie l'obtention d'une surface maximum de travail à l'une de ses côtés et une surface maximum à l'autre, toutes les deux perpendiculaires à la direction du mouvement du flux de l'air. La réduction de la surface de travail diminue la zone effective d'action de l'air sur l'une des pales du pair (la pale ouverte). Par conséquent on trouve une décroissance de la force de résistance de l'air qui s'oppose à son mouvement à son même sein et une augmentation simultanée de la surface relative de la pale opposée du pair où l'air incident exerce une force de pression dynamique favorable et de valeur maximum au mouvement de rotation du moteur éolien. On le fait pour que le frottement du fluide avec les pales ouvertes soit le minimum possible avec lequel on évite considérablement la dissipation d'énergie éolienne. Le trait distinctif, c'est-à-dire, l'innovation ou la modification que l'on propose aux moteurs éoliens verticaux, `est l'introduction des pales mobiles pour faire fonctionner la machine et la variation ou maintenance de la surface de travail des pales articulées pendant le fonctionnement de la machine. - En ce qui concerne la maintenance et la variation opportune de la surface de travail des pairs de pales, on obtient une meilleure exploitation de l'énergie éolienne ; plus d'efficacité énergétique et augmentation de la puissance mécanique. Tout cela a lieu avec le même effort et de la vitesse du flux d'air incident. LA FIGURE 1 ûVUE SUPERIEURE Les pales, comme une unité entière, sont intégrées par différentes sections mobiles qui sont fixes par son extrémité proximale à l'encadrement correspondant à chaque section mobile de la pale. Cet encadrement constitue un axe vertical de rotation qui est parallèle à l'arbre vertical moteur du rouleur. La fixation a lieu grâce aux charnières qui leur permettent de tourner autour de l'axe vertical de rotation et de s'ouvrir et de se fermer graduellement et alternativement d'une façon semblable à une fenêtre. Cela garantit l'augmentation ou la diminution graduelle et progressive de la surface effective d'action de l'air sur elles. Les pales fonctionnent en formant des paires opposées avec lesquelles on favorise l'effet produit en l'une d'elles soit l'inverse de celui produit à l'autre. Les pales sont montées en symétrie à l'axe vertical central du rouleur de la machine éolienne. Elles sont fixées rigidement à chaque côté de lui et à la longueur d'un même diamètre. Cela constitue une seule plane quand elles sont toutes fermées. Les pales fixes forment aussi des paires de fonctions opposées. Sa disposition permet une configuration qui la fait agir à l'une d'elles comme ralentisseur du flux d'ai et à l'autre avec un effet accélérateur, selon la position qu'elles occupent dans l'espace. Les deux autres restent sans fonctionner. L'orientation de l'air à travers de ces conduites provoque l'apparition des forces de sustentation horizontales qui s'additionnent à la force de pression dynamique en obligeant à faire tourner le rouleur du moteur éolien en sens horaire et elles contribuent à l'obtention d'une meilleure puissance mécanique ainsi qu'à la diminution de la résistance de l'air au mouvement des pales. s Le raccordement rotatoire de l'arbre avec la carcasse du moteur est fait grâce aux systèmes de roulement. Le mouvement giratoire du rouleur est transmis au consommateur d'énergie mécanique à travers des systèmes de transmission accouplés à l'arbre moteur.
LA FIGURE 2 û VUE SUPERIEURE Soit MNOP la position initiale de travail du moteur éolien vertical des pales articulées, V la direction du flux d'air incident sur la machine ; A, B, C et D les paies mobiles de la machine et a, b, c et d ses pales fixes dont la disposition et configuration d'elles leur permet d'agir comme des conduites de section transversales variables en accélérant ou en retardant le flux d'air selon le cas. Les pales qui forment les paires mobiles opposées sont A-C et B-D. Les paires de pales sont mutuellement perpendiculaires parmi elles. Les pales fixes qui forment les paires opposées sont a-b et c-d.
Les sections mobiles de la pale A sont opprimées sous l'action du vent incident sur ses respectifs encadrements, elles se ferment hermétiquement ; donc on obtient le maximum de surface d'action de l'air sur la pale. L'air a une incidence perpendiculaire sur la surface de travail des pales et il agit sur elles avec une force de pression dynamique FPD de la valeur atteignable maximale et cela stimule le mouvement giratoire de la pale autour de l'axe central de rotation du rouleur de la machine en sens horaire. En même temps l'air pénètre dans la conduite d(qui fait diminuer la vitesse) et cela provoque l'apparition d'une force de sustentation horizontale qui agit sur la pale D en sens horaire en l'obligeant à tourner dans le même sens de la pale A. Le flux d'air incident agit aussi sur les sections mobiles de ta pale C qui sont montées en opposition à ceux de la pale A. Elles tournent sur ses propres axes et s'ouvrent en réduisant l'aire effective d'action de l'air sur la pale et par conséquent la force de résistance qui s'oppose à son mouvement. Les deux sections extrêmes mobiles de la pale C s'ouvrent dans un sens qui garantie la fermeture totale de la canalisation c et c'est la seule partie qui contribue à l'apparition de la force de résistance qui s'oppose au mouvement de la pale. C'est pourquoi on devra ajouter convenablement les dimensions et la disposition de ces sections à la pratique pour diminuer cette force au maximum. La section mobile interne de la pale C s'ouvre sur l'action du flux canalisé d'une manière qui configure une canalisation avec la pale B. Cette canalisation accélère ce flux en lui imposant une vitesse qui pourrait atteindre le double de ta vitesse avec laquelle elle arrive à la pale C. Dans ce cas le flux se déplace très vite et parallèlement à la pale B où il atteint l'extrémité dans une période de temps relativement courte. Les pales A et B délimitent une zone où la vitesse de l'air est zéro. La différence entre cette vitesse et la vitesse du flux canalisé crée une différence de pression qui favorise l'apparition d'une force de sustentation horizontale qui agit sur la pale B en la faisant tourner aussi en sens horaire. C'est une force additionnelle à la force de pression dynamique sur la pale A et à la force de sustentation horizontale qui agit sur la pale D, celles deux déjà mentionnées. En théorie, le moteur éolien vertical des pales articulées serait soumit à l'instant initial de son mouvement à l'action de trois forces dont la direction et le sens obligeant au rouleur de la machine à tourner en sens horaire.
Dès le moment initial le rouleur commence à tourner. La pale A (position I) reste fermée jusqu'à occuper la position Il (où restait la pale B). Les sections mobiles de la pale B restent fermées jusqu'à arriver à la position Ill due à la différence de pression. Les sections mobiles de la pale C restent ouvertes jusqu'à occuper la position IV, où elles se ferment totalement pour recommencer le cycle de travail de la machine. Le processus précédent se répète alternativement chaque fois que le rouleur tourne un quart de tour selon l'ordre A * B* C* D* A. Le processus décrit peut se placer d'une façon semblable mais en sens antihoraire en changeant convenablement la configuration des pales et la configuration à leurs côtés. CALCUL DES FORCES DE PRESSION DYNAMIQUES ET DES FORCES DE SUSTENTATION HORIZONTALES EXERCEES PAR L'AIR SUR LE MOTEUR EOLIEN ET DE LA PUISSANCE DEVELOPPEE PAR CES FORCES. FIGURE 3 ù DETAILS DE LA CANALISATION DU FLUX D'AIR INCIDENT Une force de pression dynamique agit sur la pale A en lui faisant accomplir un travail mécanique utile provoqué par le déplacement de son point d'application de A à B. Cette force est perpendiculairement dirigée à la surface de travail de la pale A et sa valeur modulée est exprimée mathématiquement par l'expression : FPD = pSV2. Où FPD est la force de pression dynamique, en Newton (N) ; p est la densité de l'air en kg/m3 ; S est l'air active ou surface effective sur laquelle agit le flux de l'air incident, en m2 ; V est la vitesse du flux de l'air en mis. La force de pression dynamique qui agit sur la pale A stimule le rouleur à tourner dans un plan horizontal et en sens horaire. La puissance développée par la force de pression dynamique qui agit sur la pale A est exprimée par l'équation : P = pSV3. Où P est la puissance du moteur éolien en Watts (w) ; p est la densité de l'air en kglm3 ; S est l'aitactif ou surface effective sur laquelle agit le flux de l'air incident, en m2 ; V est la vitesse du flux de l'air en m/s. La force de sustentation horizontale qui agit sur la pale D se calcule selon la formule : FSHD = pSV (V1-V2). Où FSHD est la force de sustentation horizontale qui agit sur la pale D, en Newton (V) ; p est la densité de l'air en kg/m3 ; S est l'air actif ou surface effective sur laquelle agit le flux de l'air incident, en m2 ; V est la vitesse du flux de l'air en m/s ; VI est la vitesse de l'air parallèle à la surface profilée vers dehors de la pale D en mis et V2 est la vitesse du flux d'air canalisé pour d en mis. Dans ce cas, VI= V et V2 se calcule en appliquant le principe de la conservation de la masse. Ce principe établi que la masse d'air qui entre au canal dans un intervalle de temps est égale à celle qui sort dans ce même intervalle. En faisant les simplifications correspondantes à ce principe, l'on peut appliquer mathématiquement la formule suivante : V~Le = V2Ls ; comme VI = V l'on substitue : VLe = V2Ls Où Le est la distance de l'extrémité de la paie fixe profilée à la pale fixe configuratrice, en m : Ls = Li + Le est la distance de la surface de la pale D à la pale fixe configuratrice en m : Li est la longueur du segment déterminé par l'inclination de la pale profilée, en m : Le est la longueur à partir du segment précédent jusqu'à la pale fixe configuratrice. La grandeur (la valeur) de Li reste constante et celle de Le peut changer à propos d'ajuster convenablement la valeur de V2 (voir figure 3). V2 = VLe 1 Ls, comme Le 1 Ls < 1, donc V2 < V Cela signifie, dans ce cas, que la canalisation du flux d'air, à travers du canal 3 ralentit ce flux. C'est pourquoi l'on obtient une vitesse du flux à la sortie qui moins que V mais approximativement égale à celle. C'est-à-dire, V2 = V et le flux canalisé se déplace par le canal de section transversale constante à la vitesse qui a acquis en sortant du canal de la section variable sans changer sa valeur absolue. Tout cela garantit l'incidence pratiquement simultanée des deux flux d'air (celui qui agit sur les pales A et C et celui canalisé qui agit sur la pale mobile interne de C. Le rapport optimale Le 1 Ls doit être 0.9 ou légèrement supérieur pour obtenir que V2 = V et Vi -- V2=1 m/s. Toutes les précisions précédentes nous permettent de reformuler de cette manière : FsHD = pSV (Vi -- V2) FSHD = pSV * 1 mis (N) Alors, la puissance développée par cette force : Po = Psv2 * 1 mis (W) La force de sustentation horizontale qui agit sur la pale B se calcule en appliquant FsHB = pSV (Vi û V2), il faut ajouter quelques aspects pour 25 calculer FsHB: p, S et V ont la même signification physique et la valeur que celles de la pale D ; VI est la vitesse de l'air dans la région délimitée par les pales A et B et sa valeur est 0 (Vi = 0) ; 30 - V2 est la vitesse du flux d'air canalisé, à la sortie du canal constitué par la section mobile intérieure de C et la surface de la pale B. - La canalisation à nouveau du flux d'air provenant du canal d à travers de la configuration antérieurement dit produit une accélération du flux d'air et une vitesse de sortie Vs plus grande que la vitesse d'entrée Ve au canal. On doit avoir en compte que Ve = V et que Vs = 2Ve, résultat obtenu par la procédure suivant où l'on met un rapport Lc 1 Ls = 2 : VsLs = VeLe , Vs = VeLe I Ls donc Vs = 2Ve = 2V En faisant les substitutions correspondantes dans la formule FsHD = pSV (VI û V2), on obtient FsHB = 2pSV2 (N) et la puissance développée par cette force : PB = 2pSV3 (W) Exemple de calcul des forces qui agissent sur un moteur éolien vertical des pales articulées et de la puissance développée par ces forces lorsque la vitesse du vent soit de 36 km/h (10m/s) et l'aire de la surface active de travail soit 7 m2. La densité de l'air est 12 kglm3. Solution : - Force de pression dynamique qui agit sur la pale A : FPDA = 1.2 kg/m3 * 7 m2 * 100 m21s2 5 - Puissance développée par cette force : PA = 1.2 kgim3 * 7m2 * 1000 m3/s3 4 - Force de sustentation horizontale qui agit sur la pale D : FSHD = pSV*1 m/s FSHD= 1.2kg!m3 * 7m2 *10 mis *1 mis 4 - Puissance développée par cette force : PD = pSV2 * 1 mis PD + 1.2 kglm3.* 7 m2 * 100 m21s2 * 1 mis 4 840 wl - Force de sustentation horizontale qui agit sur la pale B : FSHB = 2pSV2 FPDA = pSV2 FPDA = 840 N' PA= pSV3 PA = 8400 wl 184 NI S 4 FsHB = 2 * 1.2 kglm3* 7 m2 * 100 m21s2 * 1 mis - Puissance développée par cette force : PB=2* 1.2kg/m3*7m2* 1000 m3/s3 - Puissance totale disponible : PT+ 8400 w + 16800 w + 840 w Le PT exprimée en chevaux vaur (cv) PT = 260401735 1680 N = 2pSV3 16800 wl r26040wI 35.4cv S PT=PA+PB+PD 4 . Pale D 20 2. Pale fixe profilée 3. Conduite de section transversal variable ralentisseur du flux d'air incident 4. Pale fixe configuratrice 5. Section mobile interne de la pale 25 6. Sections mobiles intermédiaires de la pale 7. Section mobile externe de la pale 8. Conduites de section transversale variables qui retardent le flux d'air incident 9. Encadrement extérieur pour le système des pales
Le Distance de l'extrémité de la paie fixe profilée à la pale fixe conlguratrice à l"entée Ls Longueur du segment de la conduite de section variable à la sortie L~ Longueur du segment déterminé par 11nclination de la pale fixe profilée V Direction du mouvement du fiuxe d'air incident