FR2944834A1

FR2944834A1 - Savonius and Darrieus hybrid vertical axis wind turbine for use by e.g. small/average industrial/commercial structure, has baffles symmetrical with respect to each other or slightly asymmetrical to faces of blades

Info

Publication number: FR2944834A1
Application number: FR0902040A
Authority: FR
Inventors: Emmanuel Robert Lucien Porcher
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-04-24
Filing date: 2009-04-24
Publication date: 2010-10-29

Abstract

The turbine has a Savonius rotor including superimposed stages that are shifted with respect to each other at an angle of 90 degree. Each stage comprises semi-cylindrical vanes along vertical axis. A Darrieus rotor is integrated with the Savonius rotor, and comprises straight and vertical blades having a biconvex profile. Two baffles are presented at the ends of the blades and directed towards interior and exterior of the Darrieus rotor. The baffles are symmetrical with respect to each other or slightly asymmetrical to the faces of the blades.

Description

La présente invention concerne une éolienne hybride à axe verticale optimisant la mise en oeuvre mixte de rotors de type Savonius et Darrieus. Ce rotor hybride permet d'optimiser et de conjuguer les qualités de chacun de ces rotors en en annulant les faiblesses réciproques. Les éoliennes à axe horizontal classique sont performantes en zone dégagée, quand un vent fort et régulier est assuré. Ceci impose des rotors positionnés à de grandes hauteurs qui impliquent par là même un coût d'implantation important et des démarches administratives lourdes. 10 D'autre part, les éoliennes de type Savonius ne permettent pas d'obtenir des puissances élevées sans devenir fragiles. Leur vitesse de rotation reste lente et leur puissance développée faible même si leur couple est élevé. Les éoliennes de type Darrieus ont l'impossibilité de démarrer de façon 15 autonome et doivent donc être amorcées par un lanceur mécanique, d'autre part leur couple reste faible même si leur vitesse de rotation comme leur puissance développée sont élevées. L'effet de vortex en bout de pale Darrieus traditionnelle, effet bien connu dans le monde aéronautique, augmente la traînée de la pale et donc la résistance à son avance en rotation, mais est aussi 20 générateur de turbulences diminuant ainsi fortement le potentiel de portance de l'air pour le passage de la pale suivante. Pour toutes ces raisons, ces différents types d'éoliennes sont donc peu compatibles avec un objectif de production d'énergie à faible coût, seul garant de sa large diffusion. The present invention relates to a vertical axis hybrid wind turbine optimizing the mixed implementation of Savonius and Darrieus type rotors. This hybrid rotor optimizes and combines the qualities of each of these rotors by canceling the reciprocal weaknesses. Conventional-axis wind turbines perform well in open areas, when strong, steady winds are assured. This imposes rotors positioned at great heights which imply a significant cost of implementation and heavy administrative procedures. On the other hand, Savonius type wind turbines do not make it possible to obtain high powers without becoming fragile. Their rotation speed remains slow and their power developed low even if their torque is high. Darrieus wind turbines have the impossibility to start autonomously and must therefore be initiated by a mechanical launcher, on the other hand their torque remains low even if their rotational speed and power developed are high. The vortex effect at the end of a traditional Darrieus blade, an effect well known in the aeronautical world, increases the drag of the blade and therefore the resistance to its rotating advance, but is also a generator of turbulence thus greatly reducing the lift potential. air for the passage of the next blade. For all these reasons, these different types of wind turbines are therefore not very compatible with a goal of low-cost energy production, the only guarantee of its wide distribution.

25 L'éolienne hybride faisant l'objet de cette invention permet de palier à ces différents inconvénients. Cette éolienne bénéficiant en outre des avantages généraux offerts par tous les types d'éoliennes verticales : insensibilité aux perturbations et phénomènes tourbillonnants, résistance aux vents extrêmes, permet d'envisager son utilisation par des particuliers ou de 30 petites et moyennes structures industrielles ou commerciales de façon simple, pour satisfaire partiellement leurs besoins ou atteindre éventuellement leur autonomie en production électrique avec un coût d'implantation très limité. The hybrid wind turbine which is the subject of this invention makes it possible to overcome these various drawbacks. This wind turbine also benefits from the general advantages offered by all types of vertical wind turbines: insensitivity to disturbances and swirling phenomena, resistance to extreme winds, allows its use by individuals or small and medium-sized industrial or commercial structures. simple way, to partially meet their needs or possibly reach their autonomy in electricity production with a very limited implementation cost.

La partie du rotor, de type Savonius, a principalement pour but d'obtenir un couple important mais aussi de permettre la mise en rotation de la partie Darrieus du rotor. Ce rotor Savonius est composé de 2 étages, chacun composé de 2 pales symétriques, semi-cylindriques, orientés verticalement, disposées symétriquement par rapport à l'axe du rotor et ayant une zone de recouvrement e, du diamètre d qui permet d'obtenir un ratio 0<_e/d<_1/3. Ce recouvrement permet d'obtenir un écoulement du vent de l'aube prenant le vent, dans l'aube remontant le vent en optimisant ainsi l'effet de poussée du vent. The purpose of the Savonius rotor part is mainly to obtain a high torque but also to allow the rotation of the Darrieus part of the rotor. This Savonius rotor is composed of 2 stages, each consisting of 2 symmetrical, semi-cylindrical, vertically oriented blades arranged symmetrically with respect to the axis of the rotor and having a covering area e, of diameter d which makes it possible to obtain a ratio 0 <_e / d <_1 / 3. This overlap makes it possible to obtain a flow of the wind from the dawn taking the wind, in the dawn windward, optimizing the effect of the wind.

De plus les rotors de type Savonius à simple étage ont l'inconvénient majeur d'avoir certains angles rotor/vent pour lesquels le couple polaire dégagé est nul ou légèrement négatif. Ceci a pour conséquence une absence de mise en rotation si l'angle rotor/vent effectif coïncide avec celui ayant un couple nul quand les vents restent faibles. Pour des vents élevés, les rafales auront pour effet la mise en rotation du système quel que soit l'orientation du rotor. De plus, lorsqu'un vent faiblit, le rotor s'arrête naturellement dans la position de moindre couple, ce qui rend plus difficile le redémarrage avec un vent de même direction. Cette forte variation de couple a pour effet secondaire d'induire des phénomènes vibratoires néfastes importants au niveau de la structure. Cet effet est annulé par la superposition de 2 étages de type Savonius, décalés de 90°. L'addition des couples de ces 2 étages permet l'obtention d'un couple polaire quasi constant quel que soit l'angle rotor/vent. Cela permet d'obtenir un démarrage de l'ensemble quel que soit l'angle rotor/vent, mais aussi et surtout de réduire considérablement les phénomènes vibratoires dus à cette variation du couple polaire au cours de la rotation. In addition Savonius single-stage rotors have the major disadvantage of having some rotor / wind angles for which the polar torque released is zero or slightly negative. This results in an absence of rotation if the effective rotor / wind angle coincides with that having a zero torque when the winds remain low. For high winds, bursts will cause the system to rotate regardless of rotor orientation. In addition, when a wind weakens, the rotor naturally stops in the position of less torque, which makes it more difficult to restart with a wind of the same direction. This strong torque variation has the side effect of inducing significant vibrational phenomena in the structure. This effect is canceled by the superposition of 2 floors Savonius type, offset by 90 °. The addition of the pairs of these two stages makes it possible to obtain a quasi-constant polar torque irrespective of the rotor / wind angle. This makes it possible to obtain a start of the assembly whatever the rotor / wind angle, but also and above all to considerably reduce the vibration phenomena due to this variation of the polar torque during the rotation.

Le rotor de type Darrieus est composé de plusieurs pales verticales droites à profil biconvexe. Le principale inconvénient de ce type de rotor pris indépendamment est de ne pas pouvoir se mettre en rotation sans aide extérieure, ce qui est résolu par la présence du rotor de type Savonius. La présence concomitante des rotors de type Savonius et Darrieus impose certains impératifs pour limiter les interférences réciproques de chacun des éléments. The Darrieus type rotor is composed of several straight vertical blades with biconvex profile. The main disadvantage of this type of rotor taken independently is that it can not be rotated without external assistance, which is solved by the presence of the Savonius-type rotor. The concomitant presence of Savonius and Darrieus type rotors imposes certain imperatives to limit the mutual interference of each of the elements.

Notamment la distance entre les pales des deux rotors Darrieus et Savonius doit permettre un écoulement suffisant de l'air et limiter les turbulences. Les pales de Darrieus sont donc maintenues par des bras permettant d'avoir une distance suffisante entre le rayon décrit par la pale de Darrieus et le rayon extérieur des aubes de Savonius. Les pales Darrieus dépassent en hauteur, soit dans la partie supérieure, soit dans la partie inférieure, soit dans chacune des parties, la hauteur du rotor Savonius. Ceci est rendu nécessaire pour que les pales Darrieus aient une zone d'ombre limitée au passage sous le vent du rotor Savonius. In particular, the distance between the blades of the two Darrieus and Savonius rotors must allow a sufficient flow of air and limit turbulence. The Darrieus blades are thus held by arms allowing a sufficient distance between the radius described by the Darrieus blade and the outer radius of the blades of Savonius. The Darrieus blades exceed in height, either in the upper part, in the lower part, or in each of the parts, the height of the Savonius rotor. This is necessary in order for the Darrieus blades to have a shadow zone limited to the downwind of the Savonius rotor.

Les extrémités des pales de Darrieus sont munies d'ailettes équivalentes à celles retrouvées sur les ailes de nombreux avions actuels. Ces ailettes permettent d'obtenir une augmentation significative de la portance des pales et d'accroitre ainsi directement le rendement du rotor. De plus elles engendrent une réduction très importante des turbulences à effet de vortex dues à la traînée des pales. La protection contre ce phénomène de tourbillon marginal, est d'autan plus appréciable que ces turbulences ont pour effet de perturber la pale suivante. Effectivement les pales passent successivement au même endroit rapidement, les rendant sensibles à ce type de perturbations. The ends of the Darrieus blades are equipped with fins equivalent to those found on the wings of many current aircraft. These fins make it possible to obtain a significant increase in the lift of the blades and thus directly increase the efficiency of the rotor. In addition, they generate a very significant reduction in vortex turbulence due to the drag of the blades. The protection against this phenomenon of marginal vortex, is of more than appreciable that these turbulences have the effect of disturbing the following blade. Indeed the blades pass successively in the same place quickly, making them sensitive to this type of disturbances.

Le phénomène de tourbillon marginal en extrémité de pale avec création d'un vortex est du à la différence de pression entre le flux d'air passant en intrados de la pale, en surpression, et le flux d'air passant en extrados de la pale qui est en sous pression. L'ailette récupère une partie de l'énergie du tourbillon et le diffuse en ayant pour effet d'augmenter l'allongement virtuel de la pale et de réduire la traînée induite par la portance grâce à la diminution du tourbillon marginal. A la différence des ailes d'avion, les pales travaillent en portance sur chaque face alternativement. A chaque extrémité des pales deux ailettes sont présentes, chacune sur une face de la pale, l'une orientée vers l'intérieur du rotor et l'autre vers l'extérieur. Elles sont symétriques l'une par rapport à l'autre ou légèrement asymétrique pour chaque face de la pale pour palier les perturbations liées au passage sous le vent de la partie centrale du rotor. Le profil de ces ailettes est trapézoïdal et elles forment un angle avec la pale qui peut être ajusté suivant le profil de la pale et les perturbations propres au dimensionnement spécifique de chaque rotor. Les dessins en annexe illustrent l'invention sur les points suivants : Figure 1 : vue de dessus d'une éolienne ayant 2 pales Darrieus, et les aubes Savonius sur 2 étages sont représentées en pointillés. Figure 2 : vue de face permettant la visualisation des aubes basses de a face et des aubes de l'étage supérieure de profil . Figure 3 : schéma de principe de la Savonius double étage Figure 4 : schéma de principe de la Savonius simple étage Figure 5 : détail d'une ailette Figure 6 : couple polaire d'une Savonius à simple étage Figure 7 : couples polaires superposés de 2 étages de Savonius Figure 8 : couple polaire d'une Savonius à double étage Figure 9 : profil de pale Darrieus Figure 10 : angle entre la pale Darrieus et l'ailette En référence aux figures 1, 2 et 3, l'éolienne hybride est composée en son centre de deux étages de rotor Savonius d'une hauteur identique. Les deux 20 étages sont décalés d'un angle de 90° l'un par rapport à l'autre. La figure 6 met en évidence les fortes variations de couple polaire d'un étage simple de rotor Savonius. La figure 7 met en évidence les couples polaires superposés de deux étages simples décalés de 90°. L'absence de perturbations significatives entre les deux étages permet de valider la figure 8 25 qui est la somme des couples polaires des deux étages superposés décalés de 90°. La comparaison des figures 6 et 8 permet de mettre en évidence l'intérêt de cet assemblage. Les variations de couple sont fortement atténuées, permettant d'assurer une rotation générant des vibrations dues à ces variations de couple très fortement limitées. 30 La figure 4 illustre que chaque étage est composé de 2 aubes semicylindriques symétriques de diamètre (d), ayant un chevauchement (e) au niveau de l'axe de rotation. Ce chevauchement a une valeur permettant d'obtenir le ratio e/d compris entre 0<_e/d<_1 /3. Les figures 1 et 2 illustrent un exemple de l'éolienne hybride équipée de deux pales de rotor Darrieus. Ces pales peuvent être d'un nombre supérieur 5 ou égal à 2, en restant inférieur ou égal à 8. Les pales du rotor Darrieus ont un profil biconvexe comme présenté sur la figure 9. Ce profil est principalement défini par sa longueur de profil (Li ), sa hauteur maximum(H) et la longueur entre le bord d'attaque et la hauteur maximum (L2). Ce profil respect les points suivants : 10 • Le point du profil où apparaît la hauteur (H) est positionné de telle sorte que : L2/Ll 5_1/3 • Le rapport entre la plus grande hauteur (H) et la longueur de la pale (Ll) doit être tel que : 15 1/3 H/Ll 1/15 Comme l'illustre la figure 1, les bras supportant les pales Darrieus ont un rayon permettant l'obtention d'une certaine distance entre les deux rotors. Le rapport entre le rayon (Rd) du bras de la pale de Darrieus et le rayon extérieur des aubes de Savonius (Rs) est d'au minimum : 20 Rd/Rs ? 1,1 La figure 2 montre le rapport entre la hauteur des pales Darrieus (Nd) et la hauteur des pales Savonius (Hs) qui doit être d'au minimum Hd/Hs>1 La figure 10 montre l'angle formé entre les ailettes présentes en 25 extrémité des pales de Darrieus et les pales elles même. Cet angle ((i) peut varier dans l'intervalle : 45°<_(3<_90°. The phenomenon of marginal vortex at the end of the vane with the creation of a vortex is due to the difference in pressure between the air flow passing in intrados of the vane, in overpressure, and the air flow passing in extrados of the vane who is under pressure. The fin retrieves a portion of the vortex energy and diffuses it with the effect of increasing the virtual elongation of the vane and reducing the drag induced by the lift due to the decrease of the marginal vortex. Unlike the wings of aircraft, the blades work in lift on each face alternately. At each end of the blades two fins are present, each on one side of the blade, one facing the inside of the rotor and the other outward. They are symmetrical with respect to each other or slightly asymmetrical for each face of the blade to overcome the disturbances related to the downwind of the central part of the rotor. The profile of these fins is trapezoidal and they form an angle with the blade which can be adjusted according to the profile of the blade and the disturbances specific to the specific dimensioning of each rotor. The drawings in the appendix illustrate the invention in the following points: FIG. 1: top view of a wind turbine having two Darrieus blades, and Savonius blades on two stages are shown in dashed lines. Figure 2: front view for viewing the lower blades of the face and the blades of the upper profile stage. Figure 3: schematic diagram of the Savonius double stage Figure 4: schematic diagram of the single stage Savonius Figure 5: detail of a fin Figure 6: polar pair of a single stage Savonius Figure 7: polar pairs superimposed of 2 Savonius stages Figure 8: Polar pair of a two-stage Savonius Figure 9: Darrieus blade profile Figure 10: Angle between the Darrieus blade and the fin With reference to Figures 1, 2 and 3, the hybrid wind turbine is composed of in its center two Savonius rotor stages of identical height. The two floors are shifted at an angle of 90 ° to each other. Figure 6 shows the strong polar torque variations of a simple Savonius rotor stage. Figure 7 shows the superimposed polar pairs of two simple stages offset by 90 °. The absence of significant disturbances between the two stages makes it possible to validate FIG. 8 which is the sum of the polar pairs of the two superimposed stages offset by 90 °. The comparison of FIGS. 6 and 8 makes it possible to highlight the interest of this assembly. The torque variations are strongly attenuated, making it possible to ensure rotation generating vibrations due to these extremely limited torque variations. FIG. 4 illustrates that each stage is composed of 2 symmetrical semicylindrical blades of diameter (d), having an overlap (e) at the axis of rotation. This overlap has a value making it possible to obtain the ratio e / d comprised between 0 <_e / d <_1 / 3. Figures 1 and 2 illustrate an example of the hybrid wind turbine equipped with two Darrieus rotor blades. These blades may be of a number greater than or equal to 2, remaining less than or equal to 8. The blades of the Darrieus rotor have a biconvex profile as shown in FIG. 9. This profile is mainly defined by its profile length ( Li), its maximum height (H) and the length between the leading edge and the maximum height (L2). This profile respects the following points: • The point of the profile where the height (H) appears is positioned so that: L2 / L1 5_1 / 3 • The ratio between the greatest height (H) and the length of the blade (Ll) should be such that: 1/3 H / L 1/15 As illustrated in Figure 1, the arms supporting the Darrieus blades have a radius to obtain a distance between the two rotors. The ratio of the Darrieus blade arm radius (Rd) to the Savonius blade outer radius (Rs) is at least: Rd / Rs? 1.1 Figure 2 shows the relationship between the height of the Darrieus blades (Nd) and the height of the Savonius blades (Hs) which must be at least Hd / Hs> 1. Figure 10 shows the angle formed between the vanes. present at the end of the Darrieus blades and the blades themselves. This angle ((i) can vary in the range: 45 ° <_ (3 <_90 °.

La figure 5 montre le trapèze formé par l'ailette ayant pour base en contact avec la pale, son coté le plus large, le ratio entre le coté opposé (OP) et la base (B) est compris dans l'intervalle : 05 OP/B 51 Le ratio entre la hauteur (H) du trapèze et sa base (B) est compris dans l'intervalle : 0,1 <_ H/B 5.2.FIG. 5 shows the trapezium formed by the fin having its base in contact with the blade, its widest side, the ratio between the opposite side (OP) and the base (B) is in the range: 05 OP / B 51 The ratio between the height (H) of the trapezium and its base (B) is in the range: 0.1 <_ H / B 5.2.

10 L'homme de l'art pourra jouer avec l'ensemble de ces différents paramètres pour modifier les caractéristiques du rotor de l'éolienne hybride pour l'optimiser en fonction de l'usage attendu, priorité au couple ou à la vitesse de rotation, mais aussi en fonction de la vitesse moyenne de vent attendu sur le site d'implantation prévu.Those skilled in the art will be able to play with all of these different parameters in order to modify the characteristics of the rotor of the hybrid wind turbine in order to optimize it according to the expected use, priority to the torque or the speed of rotation. , but also according to the expected average wind speed at the planned implantation site.

15 La fabrication de cette invention n'est pas limitée au mode de réalisation proposé ici mais peut s'étendre à toute modification évidente pour l'homme de l'art. Une éolienne réalisée suivant les prescriptions de la présente invention résout les carences liées à celles de l'art antérieur, en offrant un couple polaire 20 quasi constant, un démarrage autonome, un couple important et une vitesse de rotation élevée. De plus cette éolienne de construction simple permet d'obtenir un cout de fabrication extrêmement faible aux vues de ses performances. Ceci permet d'en envisager l'utilisation dans de nombreuses applications jusqu'ici 25 non rentables en production éolienne.5 The manufacture of this invention is not limited to the embodiment proposed herein but may be extended to any obvious modification to those skilled in the art. A wind turbine produced according to the prescriptions of the present invention solves the shortcomings related to those of the prior art, by offering quasi-constant polar torque, autonomous starting, high torque and high rotation speed. In addition, this wind turbine of simple construction makes it possible to obtain an extremely low manufacturing cost in view of its performances. This makes it possible to consider using it in many previously uneconomical applications in wind generation.

Claims

REVENDICATIONS1. Hybrid vertical axis wind turbine Savonius and Darrieus, characterized in that it comprises: a Savonius rotor with two superposed layers and of equivalent size. They are offset from each other by an angle of 90 °. Each of these stages is composed of 2 semi-cylindrical blades in the vertical axis of diameter (d), having a recovery value (e). - A Darrieus rotor, secured to the Savonius rotor, consisting of several blades 10 straight and vertical. These blades have a biconvex profile. - At each end of the rotor blades Darrieus two fins are present, each on one side of the blade, one facing inwardly of the rotor and the other outwardly. They are symmetrical with respect to each other or slightly asymmetrical for each face of the blade. 15

2. Wind turbine according to claim 1, characterized in that the overlap at the central edges of the blades of the Savonius rotor satisfies the following characteristic: 0 <_ e / d 1/3

3. Wind turbine according to claim 1, characterized in that the number of blades Darrieus rotor is greater than or equal to 2, remaining less than or equal to 8.

Wind turbine according to claim 1, characterized in that the ratio between the total length of the blade profile (Li) and the distance between the leading edge of the blade at its widest point (L2), meets the following characteristic: L2 / Ll 1/3 25

5. Wind turbine according to claim 1, characterized in that the ratio between the maximum width of the blade (H) and its length (Li), meets the following characteristic: 1/3 H / Li 1/15

6. Wind turbine according to claim 1, characterized in that the ratio between the radius (Rd) of the arm of the Darrieus blade and the outer radius of the blades of Savonius (Rs), meets the following characteristic: Rd / Rs? 1.1

7. Wind turbine according to claim 1, characterized in that the ratio between the height of the Darrieus blades (Hd) and the height of the Savonius blades (Hs) has the following characteristic: Hd / Hs> 1

8. Wind turbine according to claim 1, characterized in that the angle ((3) formed between the fins present at the end of the Darrieus blades and the blades themselves may vary in the range: 45 ° <90 ° 10

9. Wind turbine according to claim 1, characterized in that the ratio between the base (B) of the trapezium formed by the fin and its opposite side (OP) meets the following characteristic: 0 <_ OP / B <_1

10. Wind turbine according to claim 1, characterized in that concerning the blade of Darrieus blade, the ratio between its height (H) and its base (B) 15 has the following characteristic: 0.1 <_ H / B <_ 2