FR3027969B1 - DEVICE FOR GENERATING ELECTRICITY USING A VERTICAL AXIS TURBINE, WHERE THE GATHERING MEANS OR THE WATER ARE CONSTITUTED OF SWIVEL BLADES - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif de production d'électricité, éolien ou hydrolien, du type panémone, comprenant des moyens de prise (3) au vent ou à l'eau organisés autour d'un axe rotor (20) vertical, caractérisé en ce que les moyens de prise (3) au vent ou à l'eau sont portés par au moins deux châssis (4) rigides s'étendant radialement par rapport à l'axe rotor (20), les châssis comprenant chacun une traverse inférieure (40) et une traverse supérieure (41) reliées à chacune de leurs extrémités par au moins un montant (42), chaque châssis portant au moins deux pales (30) montées pivotantes autour d'un axe vertical (31) s'étendant entre la traverse inférieure et la traverse supérieure.The invention relates to a device for producing electricity, wind or tidal, of the panemone type, comprising means for taking (3) wind or water organized around a vertical rotor axis (20), characterized in that that the gripping means (3) for wind or water are carried by at least two rigid chassis (4) extending radially with respect to the rotor axis (20), the chassis each comprising a lower crosspiece (40 ) and an upper crosspiece (41) connected at each of their ends by at least one upright (42), each chassis carrying at least two blades (30) pivotally mounted around a vertical axis (31) extending between the crosspiece lower and the upper crosspiece.
Description
Dispositif de production d’électricité à l’aide d’une turbine à axe vertical, dont les moyens de prise au vent ou l’eau sont constitués de pales pivotantes.Device for generating electricity by means of a turbine with a vertical axis, whose means of catching wind or water consist of pivoting blades.
Le domaine de l’invention est celui de la conception et de la fabrication des dispositifs de production d’électricité à turbine, de type éolienne ou de type hydrolienne. Plus précisément, l’invention concerne un dispositif de production d’électricité dont la turbine présente un axe de rotation vertical.The field of the invention is that of the design and manufacture of turbine, wind turbine or tidal turbine power generating devices. More specifically, the invention relates to a power generation device whose turbine has a vertical axis of rotation.
Dans le domaine de l’invention, on distingue deux grandes familles de turbines pour les dispositifs de production d’électricité, à savoir : - les turbines à axes horizontal ; - les turbines à axe vertical.In the field of the invention, there are two main families of turbines for power generation devices, namely: - turbines with horizontal axes; - turbines with vertical axis.
Parmi les éoliennes à axe vertical, on connaît notamment les éoliennes à pales (ou voilure) tournante autrement désignées par le terme de panémones.Among vertical axis wind turbines, rotary turbine (or wing) rotating turbine otherwise known as panemones are known.
Les panémones mettent en oeuvre le principe général suivant les pales sont montées sur un support monté rotatif autour d’un axe vertical, les pales étant montées sur le support de façon à pouvoir pivoter autour d’un axe vertical, de telle sorte qu’elles offrent une portance maximale lorsqu’elles se déplacent dans la direction du vent, tandis qu’elles s’effacent lorsqu’elles reviennent contre le vent.The panemones implement the general principle according to the blades are mounted on a support rotatably mounted about a vertical axis, the blades being mounted on the support so as to be pivotable about a vertical axis, so that they provide maximum lift when moving in the direction of the wind, while they fade when they come back against the wind.
Les panémones existent depuis fort longtemps, mais ne connaissent pas de développement à un niveau industriel de par leur faible rendement.Panemones have been around for a long time, but do not experience development at an industrial level because of their low yield.
Selon une première architecture des panémones, les axes des pales pivotantes sont montés sur un disque supérieur et un disque inférieur, les axes étant répartis selon un cercle concentrique avec les disques.According to a first panemone architecture, the axes of the pivoting blades are mounted on an upper disk and a lower disk, the axes being distributed in a concentric circle with the disks.
Dans ce cas, chaque disque engendre un volant d’inertie qui nuit au rendement de l'éolienne.In this case, each disk generates a flywheel that affects the performance of the wind turbine.
Pour diminuer ce volant d’inertie, il a été proposé de monter les axes des pales pivotantes aux extrémités de bras radiaux inférieurs et supérieurs. Le bâti de l’éolienne est ainsi considérablement allégé, ceci toutefois au détriment de sa résistance mécanique. En effet, une telle éolienne peut se déformer, voire se détériorer irrémédiablement, lorsqu’elle est soumise à des vents de force moyenne ou forte.To reduce this flywheel, it has been proposed to mount the axes of the pivoting blades at the ends of lower and upper radial arms. The frame of the wind turbine is thus considerably lightened, this however at the expense of its mechanical strength. In fact, such a wind turbine can deform or even irreparably deteriorate when subjected to medium or strong force winds.
Des conceptions similaires peuvent être mises en oeuvre dans le cadre des hydroliennes, ceci cependant en conduisant aux mêmes inconvénients que ceux évoqués précédemment. L’invention a notamment pour objectif de pallier les inconvénients de l’art antérieur.Similar designs can be implemented in the context of tidal turbines, however, leading to the same disadvantages as those mentioned above. The invention particularly aims to overcome the disadvantages of the prior art.
Plus précisément l’invention a pour objectif de proposer un dispositif de génération d’électricité, éolien ou hydrolien, de type panémone, qui offre un rendement notablement supérieur au dispositif du même type de l’art antérieur. L’invention a notamment pour objectif de fournir un tel dispositif qui présente une tenue mécanique notablement améliorée par rapport au dispositif du même type de l’art antérieur.More specifically, the invention aims to provide a power generation device, wind or tidal panemone type, which offers a significantly higher performance of the device of the same type of the prior art. The invention particularly aims to provide such a device which has a significantly improved mechanical strength compared to the device of the same type of the prior art.
Ces objectifs, ainsi que d’autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints grâce à l’invention qui a pour objet un dispositif de production d’électricité, éolien ou hydrolien, du type panémone, comprenant des moyens de prise au vent ou à l’eau organisés autour d’un axe rotor vertical, caractérisé en ce que les moyens de prise au vent ou à l’eau sont portés par au moins deux châssis rigides s’étendant radialement par rapport à l’axe rotor, les châssis comprenant chacun une traverse inférieure et une traverse supérieure reliées à chacune de leurs extrémités par au moins un montant, chaque châssis portant au moins deux pales montées pivotantes autour d’un axe vertical s’étendant entre la traverse inférieure et la traverse supérieure.These objectives, as well as others that will appear later, are achieved thanks to the invention which relates to a device for generating electricity, wind or water, of panemone type, comprising means for taking wind or water. the water organized around a vertical rotor axis, characterized in that the means of taking wind or water are carried by at least two rigid frames extending radially relative to the rotor axis, the frames comprising each a lower cross member and an upper cross member connected at each of their ends by at least one upright, each frame carrying at least two blades mounted to pivot about a vertical axis extending between the lower cross member and the upper cross member.
Ainsi, grâce à l’invention, on peut augmenter notablement le rendement du dispositif de production d’électricité par rapport aux dispositifs de type panémone de l’art antérieur, ceci en faisant porter par les châssis un nombre plus élevé de pales pivotantes, ceci tout en assurant une tenue mécanique de chacun des châssis suffisamment résistante, y compris lorsque le dispositif est soumis à un vent ou à des courants relativement importants.Thus, thanks to the invention, it is possible to significantly increase the efficiency of the electricity generating device with respect to the panemone-type devices of the prior art, by having the chassis carry a greater number of pivoting blades, this being while ensuring a mechanical strength of each frame sufficiently strong, including when the device is subjected to wind or relatively large currents.
Comme cela va apparaître plus clairement par la suite, l’ensemble des pales des châssis peuvent être alignées pour former un plan unique de voilure qui tend à augmenter le rendement du dispositif, ceci avec un volant d’inertie de chaque pale relativement limité (comparé à une pale unique présentant une voilure identique à celle de l’ensemble de plusieurs pales regroupées).As will become clearer later, all the blades of the chassis can be aligned to form a single plane of wing which tends to increase the efficiency of the device, this with a flywheel of each blade relatively limited (compared to a single blade having a wing identical to that of the set of several blades grouped).
Selon une solution avantageuse, la traverse inférieure et la traverse supérieure sont chacune constituées par une plaque, les deux plaques d’un châssis étant reliées à leurs extrémités par une paire de montants.According to an advantageous solution, the lower cross member and the upper cross member are each constituted by a plate, the two plates of a frame being connected at their ends by a pair of posts.
Ainsi, les traverses inférieur et supérieure présentent une résistance augmentée vis-à-vis des contraintes en flambage et en torsion.Thus, the lower and upper sleepers have increased strength vis-à-vis the buckling and torsional stresses.
Selon un mode de réalisation préférentiel, le dispositif comprend trois châssis répartis à 120° deux à deux autour de l’axe rotor.According to a preferred embodiment, the device comprises three frames distributed at 120 ° two by two around the rotor axis.
De cette façon, le dispositif ainsi configuré présente un compromis optimisé entre poids (et inertie) et rendement.In this way, the device thus configured has an optimized compromise between weight (and inertia) and efficiency.
Selon un mode de réalisation particulier, chaque châssis porte cinq pales.According to a particular embodiment, each frame carries five blades.
Selon une solution préférentielle, les pales d’un châssis présentent leurs axes verticaux alignés au voisinage d’un des bords longitudinaux des plaques.According to a preferred solution, the blades of a chassis have their vertical axes aligned in the vicinity of one of the longitudinal edges of the plates.
Avantageusement, les plaques de chaque châssis sont reliées par une jambe de force.Advantageously, the plates of each frame are connected by a strut.
Une telle jambe de force contribue à améliorer la tenue mécanique des châssis.Such a strut helps improve the mechanical strength of the chassis.
Préférentiellement, les pales s’étendent chacune entre deux bords verticaux, l’axe vertical de chaque pale s’étendant au voisinage d’un des bords verticaux de la pale.Preferably, the blades each extend between two vertical edges, the vertical axis of each blade extending in the vicinity of one of the vertical edges of the blade.
On obtient de cette façon une meilleure réactivité des pales à s’effacer lorsqu’elles arrivent dans une phase où elles remontent le flux d’air ou d’eau, améliorant donc leur capacité à limiter au maximum leur résistance aux flux.In this way, a better reactivity of the blades to be erased when they arrive in a phase where they raise the flow of air or water, thus improving their ability to minimize their resistance to flow.
Avantageusement, chaque châssis porte, pour chaque pale, au moins une butée en rotation.Advantageously, each frame carries, for each blade, at least one stop in rotation.
Ainsi, comme cela va être expliqué plus en détail par la suite, les pales sont bloquées en pivotement autour de leur axe vertical lorsqu’elles sont dans leur phase de déplacement pendant laquelle le flux exerce une poussée maximale sur les pales.Thus, as will be explained in more detail later, the blades are locked in pivoting about their vertical axis when they are in their phase of displacement during which the flow exerts maximum thrust on the blades.
Dans ce cas, une tringle relie les pales en étant montée pivotante sur un des bords d’extrémité supérieur ou inférieur des pales, du côté de celles-ci opposé à l’axe vertical de rotation.In this case, a rod connects the blades being pivotally mounted on one of the upper or lower end edges of the blades, the side thereof opposite the vertical axis of rotation.
Selon une mise en oeuvre préférentielle, les châssis sont couplés au moins dans leur partie supérieure à l’axe rotor, le dispositif présentant un tube fixe à l’intérieur duquel l’axe rotor est guidé en rotation, l’axe rotor étant couplé à un générateur d’électricité présent en dessous du tube fixe. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d’un mode de réalisation préférentiel de l’invention, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels : la figure 1 est une vue de face d’ensemble du dispositif de production d’électricité selon l’invention ; la figure 2 est une vue partielle de dessus d’un dispositif de production d’électricité selon l’invention.According to a preferred embodiment, the frames are coupled at least in their upper part to the rotor axis, the device having a fixed tube inside which the rotor axis is guided in rotation, the rotor axis being coupled to an electricity generator present below the fixed tube. Other characteristics and advantages of the invention will appear more clearly on reading the following description of a preferred embodiment of the invention, given by way of a simple illustrative and nonlimiting example, and the appended drawings among which: Figure 1 is an overall front view of the power generation device according to the invention; Figure 2 is a partial top view of a power generation device according to the invention.
En référence aux figures 1 et 2, un dispositif de production d’électricité selon l’invention comprend : - un bâti de base 1, pouvant prendre la forme d’un caisson ; - un générateur d’électricité 2, installé dans le bâti de base 1 en étant fixé sur une dalle béton 10 coulée au fond du bâti de base ; - un axe rotor 20, dont la rotation est utilisée par le générateur pour la production d’électricité, cet axe rotor 20 s’étendant donc à partir du générateur et en élévation au-dessus du bâti de base en passant au travers de la paroi supérieure 11 de celui-ci ; - des moyens de prise 3 au vent ou à l’eau décrits plus en détail ci-après, organisés autour de l’axe rotor 20 vertical et étant conçus de telle sorte que le dispositif de production d’électricité est, susceptible de fonctionner tant en éolien qu’en hydrolienWith reference to FIGS. 1 and 2, an electricity generating device according to the invention comprises: a base frame 1, which can take the form of a box; - An electricity generator 2, installed in the base frame 1 by being fixed on a cast concrete slab 10 at the bottom of the base frame; a rotor axis 20, the rotation of which is used by the generator for the production of electricity, this rotor axis thus extending from the generator and in elevation above the base frame while passing through the wall upper 11 thereof; wind or water catching means 3 described in greater detail below, organized around the vertical rotor axis and being designed so that the electricity generating device is capable of operating both in wind turbines
Le bâti de base peut être réalisé en béton, sa paroi supérieure pouvant être un couvercle en béton rapporté sur le bâti de base, avec un joint d’étanchéité intercalé entre le couvercle et le bâti de base.The base frame can be made of concrete, its upper wall being a concrete cover attached to the base frame, with a seal inserted between the cover and the base frame.
Une plaque métallique est rapportée et solidarisée, par exemple par boulonnage sur le couvercle béton, un joint d’étanchéité étant intercalé entre la plaque métallique et le tube fixe.A metal plate is attached and secured, for example by bolting on the concrete cover, a seal being interposed between the metal plate and the fixed tube.
De par sa conception décrite ci-après, le dispositif selon l’invention est du type panémone.By its design described below, the device according to the invention is panemone type.
Selon le principe de l’invention, les moyens de prise 3 au vent ou à l’eau sont portés par au moins deux châssis 4, rigides, s’étendant radialement par rapport à l’axe rotor 20. Dans le mode de réalisation préférentiel présenté ci-après, le dispositif comprend trois châssis.According to the principle of the invention, the winding or water catching means 3 are carried by at least two rigid frames 4, extending radially with respect to the rotor axis 20. In the preferred embodiment presented below, the device comprises three frames.
Les châssis comprennent chacun : - une traverse inférieure 40 ; - une traverse supérieure 41 ; - au moins un montant 42 présent à chaque extrémité longitudinale des traverses inférieure et supérieure et reliant celles-ci (ces montants pouvant prendre la forme de tubes métalliques présentant à chacune de leurs extrémités un taraudage permettant la fixation par vissage des montants sur chaque traverse).The frames each comprise: - a lower cross member 40; an upper cross member 41; - At least one amount 42 present at each longitudinal end of the lower and upper cross and connecting them (these amounts may take the form of metal tubes having at each of their ends a thread for fixing by screwing the amounts on each cross) .
Selon le présent mode de réalisation, la traverse inférieure 40 et la traverse supérieure 41 prennent la forme de plaques en aluminium ou en acier galvanisé, dimensionnées de façon identique pour la traverse inférieure et la traverse supérieure.According to the present embodiment, the lower cross member 40 and the upper cross member 41 take the form of aluminum or galvanized steel plates, dimensioned identically for the lower cross member and the upper cross member.
Dans cette configuration, un montant 42 relie les plaques à chaque coin de celles-ci.In this configuration, an amount 42 connects the plates at each corner thereof.
Selon le principe de l’invention, chaque châssis porte au moins deux pales 30 (en aluminium ou en acier galvanisé) montées pivotantes autour d’un axe vertical 31 s’étendant entre la traverse inférieure 40 et la traverse supérieure 41.According to the principle of the invention, each frame carries at least two blades 30 (made of aluminum or galvanized steel) pivotally mounted about a vertical axis 31 extending between the bottom rail 40 and the top rail 41.
Préférentiellement, chaque châssis porte cinq pales, l’ensemble des pales du dispositif formant les moyens de prise au vent ou à l’eau.Preferably, each frame carries five blades, the set of blades of the device forming the means for catching wind or water.
Tel que cela apparaît sur la figure 2 le dispositif présente en outre les caractéristiques suivantes : - il comprend trois châssis répartis à 120° deux à deux autour de l’axe rotor ; - les pales 30 d’un châssis présentent leurs axes verticaux 31 alignés au voisinage d’un des bords longitudinaux des plaques, selon une ligne parallèle à l’axe longitudinal de la plaque ; - les pales s’étendent entre deux bords verticaux, l’axe vertical 31 de chaque pale s’étendant au voisinage d’un de ces bords verticaux ; - chaque châssis porte, pour chaque pale, au moins une butée en rotation, portée par l’une au moins des plaques.As shown in FIG. 2, the device furthermore has the following characteristics: it comprises three frames distributed at 120 ° in pairs around the rotor axis; - The blades 30 of a frame have their vertical axes 31 aligned in the vicinity of one of the longitudinal edges of the plates, along a line parallel to the longitudinal axis of the plate; the blades extend between two vertical edges, the vertical axis 31 of each blade extending in the vicinity of one of these vertical edges; each chassis carries, for each blade, at least one rotational stop carried by at least one of the plates.
Selon le mode de réalisation préférentiel illustré par les figures 1 et 2, une tringle 32 relie les pales en étant montée pivotante sur un des bords d’extrémité supérieur ou inférieur (en l’occurrence le bord supérieur) des pales, du côté de celles-ci opposé à l’axe vertical de rotation. Ainsi, la tringle 32, est susceptible de venir en butée contre les axes verticaux de rotation des pales lorsque celles-ci sont orientées perpendiculairement aux flux moteur (vent ou eau).According to the preferred embodiment illustrated in Figures 1 and 2, a rod 32 connects the blades being pivotally mounted on one of the upper or lower end edges (in this case the upper edge) of the blades, on the side of those opposite to the vertical axis of rotation. Thus, the rod 32 is capable of abutting against the vertical axes of rotation of the blades when they are oriented perpendicular to the engine flow (wind or water).
Il est à noter que la tringle 32 permet de maintenir constant l’écartement entre les extrémités correspondantes des pales, ce qui revient à maintenir les pales d’un châssis parallèles entre elles.It should be noted that the rod 32 makes it possible to keep the spacing between the corresponding ends of the blades constant, which amounts to keeping the blades of a chassis parallel to each other.
De plus, pour la pale de chaque châssis en position au voisinage de l’axe rotor, la butée est constituée par un des montants 42, ceci pour éviter que ladite pale vienne au contact de l’axe rotor. De plus, on précise que l’écartement entre les poteaux d’extrémités de chaque châssis permet le passage de la pale d’extrémité correspondante.In addition, for the blade of each frame in position in the vicinity of the rotor axis, the stop is constituted by one of the uprights 42, this to prevent said blade comes into contact with the rotor axis. In addition, it is specified that the spacing between the end posts of each frame allows the passage of the corresponding end blade.
Selon une variante envisageable, des butées en rotation sont portées par les plaques du châssis en étant disposées, pour chaque pale, du côté opposé de la pale par rapport au côté de la pale où est présent son axe de pivotement.According to one conceivable variant, rotational stops are carried by the plates of the chassis being arranged, for each blade, on the opposite side of the blade relative to the side of the blade where is present its pivot axis.
Selon une variante envisageable, l’axe de pivotement d’une pale peut constituer lui-même la butée pour la pale voisine, celle-ci étant alors dimensionnée de façon à pouvoir venir en chevauchement partiel d’une pale voisine.According to one conceivable variant, the axis of pivoting of a blade may itself constitute the abutment for the neighboring blade, which blade is then dimensioned so as to be able to partially overlap a neighboring blade.
Par ailleurs, comme indiqué précédemment, les axes de pivotement des pales sont alignés au voisinage d’un des bords longitudinaux des plaques. Préférentiellement, les axes de pivotement sont positionnés sur les châssis de façon à être alignés avec l’axe rotor du dispositif.Furthermore, as indicated above, the pivot axes of the blades are aligned in the vicinity of one of the longitudinal edges of the plates. Preferably, the pivot axes are positioned on the frames so as to be aligned with the rotor axis of the device.
Du côté opposé à ce bord au voisinage duquel les axes de pivotement sont présents, la plaque inférieure et la plaque supérieure sont reliées par une jambe de force 43.On the side opposite this edge in the vicinity of which the pivot axes are present, the lower plate and the upper plate are connected by a strut 43.
Selon le présent mode de réalisation, le bâti de base 1 porte un tube fixe 5 à l’intérieur duquel l’axe rotor 20 est guidé en rotation (le générateur étant donc dans cette configuration présent en dessous du tube fixe qui est porté par la paroi supérieure 11 du bâti de base) ceci par l’intermédiaire de roulements à billes 50 prévus au moins en partie inférieure et en partie supérieure du tube fixe, à l’intérieur de celui-ci.According to the present embodiment, the base frame 1 carries a fixed tube 5 within which the rotor axis 20 is guided in rotation (the generator is therefore in this configuration present below the fixed tube which is carried by the upper wall 11 of the base frame) this by means of ball bearings 50 provided at least in the lower part and in the upper part of the fixed tube, inside thereof.
Les châssis sont solidarisés en leur partie inférieure, c’est-à-dire par l’intermédiaire des traverses inférieures constituées par les plaques, à un organe 6 monté concentriquement autour du tube fixe et guidé en rotation autour de celui-ci par l’intermédiaire d’un palier à billes.The frames are secured in their lower part, that is to say through the lower crosspieces formed by the plates, to a member 6 mounted concentrically around the fixed tube and guided in rotation around it by the intermediate of a ball bearing.
Les traverses supérieures de chaque châssis sont quant à elles couplées, selon le présent mode de réalisation, à une plaque triangulaire équilatérale 7, elle-même couplée à l’axe rotor 20, par l’intermédiaire d’une portion carrée 200 présente à l’extrémité supérieure de l’axe rotor. La plaque triangulaire équilatérale 7 peut être guidée en rotation sur le tube fixe par l’intermédiaire d’un palier à billes 70.The upper crosspieces of each frame are in turn coupled, according to the present embodiment, to an equilateral triangular plate 7, itself coupled to the rotor axis 20, via a square portion 200 present in the housing. upper end of the rotor axis. The equilateral triangular plate 7 can be guided in rotation on the fixed tube by means of a ball bearing 70.
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