Eolienne horizontale à flux d’air guidéHorizontal Wind Turbine with Guided Airflow
Le brevet n°FR0302551 du 03/03/2003 décrit une éolienne composée d'une turbine horizontale du type moulin à aubes et à carénages mobiles. Ce système a l'avantage par rapport aux éoliennes à très grandes hélices, présentement en usage, d'avoir un bien meilleur rendement pour une même section de vent captée. La présente invention a pour but d'améliorer encore ce rendement tout en simplifiant les carénages. Selon l'invention, des aubes sont toujours composées d'ailes d'avion à profil convexe sur l'extrados et concave sur l'intrados avec des volets de courbure fixes sur leur bord de fuite. Les carénages selon l’invention sont maintenant fixes et servent à guider les veines de vent de façon à ce qu'elles enroulent la turbine dans le sens de sa rotation. Toujours selon l'invention, les aubes prennent l’assiette la mieux adaptée pour une portance maximale, en fonction de la direction du vecteur vent qu'elles reçoivent, correspondant à leur position au cours de la rotation de la turbine. C'est ainsi qu’elles peuvent passer d’une assiette d'aile fonctionnant au Cz maximum, avec une incidence aux alentours de 10° et avec écoulement laminaire, à une assiette perpendiculaire à la direction du vent, fonctionnant alors à l'instar d'une turbine PELTON. Cz est le coefficient de portance classique utilisé en aérodynamique. Les profils d’aile adaptés aux vitesses subsoniques lentes, peuvent procurer un coefficient Cz compris entre 2 et 3 (REBUFFET –Aérodynamique expérimentale § 640). La détermination des assiettes idéales pour chaque aube à chaque point de la rotation est obtenue par une expérimentation en soufflerie. Chaque aube est orientée par un moteur soumis à un asservissement recevant, par voie hertzienne, des ordres en provenance d’un calculateur préalablement programmé, sans que cela soit exclusif.Patent No. FR0302551 of 03/03/2003 describes a wind turbine composed of a horizontal turbine of the blade mill type and movable fairings. This system has the advantage over wind turbines with very large propellers, currently in use, of having much better performance for the same section of wind captured. The object of the present invention is to further improve this efficiency while simplifying the fairings. According to the invention, blades are always composed of aircraft wings with a convex profile on the upper surface and concave on the lower surface with fixed curvature flaps on their trailing edge. The fairings according to the invention are now fixed and serve to guide the wind streams so that they wind the turbine in the direction of its rotation. Still according to the invention, the blades assume the most suitable trim for maximum lift, depending on the direction of the wind vector they receive, corresponding to their position during the rotation of the turbine. This is how they can go from a wing attitude operating at maximum Cz, with an incidence of around 10° and with laminar flow, to an attitude perpendicular to the direction of the wind, then operating like of a PELTON turbine. Cz is the classic lift coefficient used in aerodynamics. Wing profiles adapted to slow subsonic speeds can provide a Cz coefficient of between 2 and 3 (REBUFFET – Experimental Aerodynamics § 640). The determination of the ideal attitudes for each blade at each point of rotation is obtained by experimentation in a wind tunnel. Each blade is oriented by a motor subjected to a servo system receiving, by radio, orders from a previously programmed computer, without this being exclusive.
La de la planche 1 est une coupe transversale de la turbine selon l'invention. En référence à cette , sont représentés en (1) les carénages supérieurs en plusieurs parties guidant les veines de vent supérieures ; en (2) sont présentés les carénages inférieurs en plusieurs parties également guidant les veines de vent inférieures. Chaque aube (3) en forme d'ailes d'avion peut s'orienter autour d'un axe (4), coaxial à un moteur de positionnement comportant une électronique apte à la communication hertzienne avec le calculateur mentionné. Les efforts des aubes sont recueillis sur un arbre (5) qui, en bout d’arbre entraîne un générateur d’électricité. Un dispositif de régulation permet, de façon préférentielle, à la tension délivrée d’être constante, quelle que soit la vitesse de rotation. Le maintien de tout le dispositif face au vent est assuré par un ou plusieurs empennages de direction (6) pouvant comporter éventuellement une gouverne de direction (7). Tout l'ensemble décrit ci-dessus est posé sur une barge flottante (8) comportant un tourillon d'ancrage tel que décrit dans le brevet mentionné tout au début. Le système peut être également installé à terre, la barge étant alors remplacée par un plateau support pivotant. L’unité constituée par tout l’ensemble selon l’invention décrit ci-dessus, peut être aisément dimensionnée pour résister à des vents très intenses, puisque les ailes utilisées sont analogues à celles d'avions volant à des vitesses aux environs de 400 nœuds. La production d'électricité est donc permanente et n'est alors pas arrêtée pour un vent violent, comme c'est le cas des hélices actuelles (limitées à 25 m/s). Il serait donc possible, lors de vents extrêmes, comme lors d’ouragans ou de cyclones, de fournir des puissances considérables. Mais cela nécessiterait un investissement très important dans le générateur pour une utilisation de très faible durée. Pour des raisons économiques, donc, le générateur est volontairement limité, par exemple, à la puissance correspondante à un vent de 30 m/s sans que cela soit limitatif. Au-delà de cette valeur les aubes sont rabattues tangentiellement à la rotation, formant ainsi un cylindre pratiquement lisse. Il est possible, malgré cela et malgré la puissance maximum débitée par le générateur, que, par frottement, la vitesse de rotation continue à augmenter. À cet effet un frein à induction par courants de Foucault, peut-être, selon l'invention, adjoint au système tournant. Sur cette douze positions sont repérées (a), (b), (c) etc. permettant d’identifier les configurations relatives des vecteurs vent atmosphérique et vent relatif et leur composition. Sur la sont dessinées en pointillé les aubes en position rabattue lors de vents extrêmes comme lors d’ouragan par exemple. La de la planche 2 est une vue par-dessus du système selon l'invention où les carénages (1) ont été enlevés. En référence à cette , il est montré le générateur (9) en bout de l’arbre (5). Pour raisons d'économie plusieurs unités selon l'invention peuvent être mis bout-à-bout. Leurs arbres (5), pour éviter les contraintes dues aux défauts d'alignement, sont joints deux à deux par une connexion formée d’un système comprenant un joint cardant et un joint Oldham de récupération d'excentricité (11). Sans que cela soit limitatif, sont montrées sur cette deux branches de la barge portant chacune un empennage vertical (6) destiné à maintenir l'ensemble face au vent. Avantageusement selon l'invention, l'espace entre les deux branches peut recevoir des installations portuaires destinées à accueillir des navires tels que des gaziers, lorsque, par exemple, de l'hydrogène est produit à bord de la barge. Toujours sur cette sont montrés des panneaux latéraux (12) destinés à empêcher l'évasion latérale des veines d'air canalisées par les carénages fixes (1) et (2). Optionnellement une installation de production d'hydrogène par l'électrolyse (13) peut être installée sur la barge, et l’hydrogène stocké dans des réservoirs (14). Une barge comportant trois unités, avec chacune des turbines de 100m de diamètre et 100m de long par exemple, sans que cela soit limitatif, nécessitera une barge d'environ 300 m de large et 300 m de long, la hauteur totale au-dessus du niveau de la mer étant d’environ 200 m. À titre de comparaison, les éoliennes de 6 MW présentement projetées, culminent au fait de la rotation, à 300 m de haut, ce qui fait que pour assurer leur stabilité, qui est très sensible au roulis, il faudrait approximativement la même barge que pour les trois modules précités. Par rapport au vent en amont, l’obstacle que constitue la turbine fait chuter la vitesse du vent, mais en contrepartie il y a accélération par effet de Venturi dans les carénages 1 et 2 de la . En première approximation on peut admettre que les deux se compensent. Pour calculer l'énergie équivalente produite par le système selon l'invention il est nécessaire d'établir un histogramme du vent sur un an : Vent atmosphérique Durée
30 m/s (108 km/h) 15 jours (360 heures)
25 m/s (90 km/h) 30 jours (720 heures)
17 m/s (60 km/h) 120 jours (2880 heures)
10 m/s (36 km/h) 120 jours (288 heures)
5 m/s (18 km/h) 60 jours (1440 heures)
0 m/s 20 jours (480 heures)
The of the board 1 is a cross section of the turbine according to the invention. With reference to this , are shown at (1) the multi-part upper fairings guiding the upper wind streams; in (2) are presented the lower fairings in several parts also guiding the lower wind veins. Each vane (3) in the form of airplane wings can be oriented around an axis (4), coaxial with a positioning motor comprising electronics capable of radio communication with the computer mentioned. The forces of the blades are collected on a shaft (5) which, at the end of the shaft, drives an electricity generator. A regulation device preferably allows the voltage delivered to be constant, regardless of the speed of rotation. Maintaining the entire device against the wind is ensured by one or more rudder tail units (6) which may optionally include a rudder (7). The entire assembly described above is placed on a floating barge (8) comprising an anchor pin as described in the patent mentioned at the very beginning. The system can also be installed on land, the barge then being replaced by a pivoting support plate. The unit constituted by the whole assembly according to the invention described above, can easily be sized to withstand very intense winds, since the wings used are similar to those of airplanes flying at speeds of around 400 knots. . The production of electricity is therefore permanent and is therefore not stopped for a violent wind, as is the case with current propellers (limited to 25 m/s). It would therefore be possible, during extreme winds, such as during hurricanes or cyclones, to provide considerable power. But it would require a very large investment in the generator for a very short time use. For economic reasons, therefore, the generator is deliberately limited, for example, to the power corresponding to a wind of 30 m/s without this being limiting. Beyond this value the blades are folded back tangentially to the rotation, thus forming a practically smooth cylinder. It is possible, despite this and despite the maximum power delivered by the generator, that, by friction, the speed of rotation continues to increase. For this purpose an induction brake by eddy currents, perhaps, according to the invention, added to the rotating system. On this twelve positions are identified (a), (b), (c) etc. to identify the relative configurations of the atmospheric wind and relative wind vectors and their composition. On the The blades are drawn in dotted lines in the folded position during extreme winds such as during a hurricane, for example. The of the board 2 is a view from above of the system according to the invention where the fairings (1) have been removed. With reference to this , the generator (9) is shown at the end of the shaft (5). For reasons of economy, several units according to the invention can be placed end-to-end. Their shafts (5), to avoid stresses due to misalignment, are joined two by two by a connection formed by a system comprising a carding joint and an Oldham eccentricity recovery joint (11). Without this being limiting, are shown on this two branches of the barge each carrying a vertical stabilizer (6) intended to hold the assembly facing the wind. Advantageously according to the invention, the space between the two branches can accommodate port installations intended to accommodate ships such as gas tankers, when, for example, hydrogen is produced on board the barge. Always on this side panels (12) intended to prevent the lateral escape of the air streams channeled by the fixed fairings (1) and (2) are shown. Optionally, a hydrogen production facility by electrolysis (13) can be installed on the barge, and the hydrogen stored in tanks (14). A barge comprising three units, each with turbines of 100m in diameter and 100m in length, for example, without this being limiting, will require a barge of approximately 300m in width and 300m in length, the total height above the sea level being about 200 m. By way of comparison, the 6 MW wind turbines currently planned culminate at the fact of the rotation, at 300 m in height, which means that to ensure their stability, which is very sensitive to roll, it would take approximately the same barge as for the three aforementioned modules. Compared to the wind upstream, the obstacle constituted by the turbine causes the wind speed to drop, but in return there is acceleration by the Venturi effect in the fairings 1 and 2 of the . As a first approximation, we can assume that the two compensate each other. To calculate the equivalent energy produced by the system according to the invention, it is necessary to establish a histogram of the wind over one year: atmospheric wind Duration
30m/s (108km/h) 15 days (360 hours)
25m/s (90km/h) 30 days (720 hours)
17m/s (60km/h) 120 days (2880 hours)
10m/s (36km/h) 120 days (288 hours)
5m/s (18km/h) 60 days (1440 hours)
0m/s 20 days (480 hours)
La masse spécifique de l'air étant de 1,293, la force tangentielle activant la rotation de la turbine est la composante tangentielle Ft du vecteur force développé par l’aube concernée, de module Fa=1/2x1,293x1x(Vc)²x Cz pour 1 m² et pour un vent de 1 m/s. Ce vecteur force Fa est, en première approximation perpendiculaire à la corde de l’aile en régime laminaire, soit des positions (a) à (e). Vc est le vecteur vent résultant de la composition des vecteurs vent atmosphérique Va et vent relatif Vr (dû à la rotation). La valeur numérique à prendre en compte est le module de ce vecteur Vc. La de la Planche 2 illustre la construction de ces différents vecteurs. Cz est le coefficient de portance classique utilisé en aérodynamique, déjà mentionné. Comme déjà dit, les profils d’aile adaptés aux vitesses subsoniques lentes, procurent, en régime laminaire, un coefficient Cz compris entre 2 et 3. Des essais en soufflerie antérieurs ont montré que le coefficient de traînée d’une aile perpendiculaire au vent est compris entre 1,4 et 1,8 selon le degré de concavité du profil de l’aile. Une unité comportant par exemple 12 aubes, sans que cela soit limitatif, il apparait alors, en référence à la , que 9 aubes sont actives, de (a) à (e) en régime laminaire comme vu plus haut et de (f) à (j) en régime perpendiculaire, alors qu'il en reste trois (j) (k) et (l), improductives, dans l'ombre aérodynamique des carénages inférieur (2). À chaque vitesse de vent correspond une vitesse tangentielle de la turbine optimale. Les calculs montrent qu'avec une bonne approximation cette vitesse tangentielle optimale est égale à 35 % de la vitesse du vent. Des calculs effectués sur une étude graphique donne les résultats suivant pour Ft : en (a) 1.6- en (b) 1,5- en (c) 1,3-en (d) 1- en (e) 0,8- en (f), (g), (h), (i), (j) : 0.4. On rappelle que ces valeurs sont en NEWTON pour un mètre carré. Pour obtenir la force (tangentielle) développée par une aube, il faut multiplier ces chiffres par 2600 dans l’exemple choisi, où chaque aile fait 2600 m² et multiplier encore par le carré de la vitesse du vent atmosphérique. La puissance correspondante s’obtient alors en multipliant cette force par la vitesse tangentielle de la turbine, valant, comme vu plus haut, 35% de la vitesse du vent atmosphérique Va. L’énergie produite est ensuite obtenue en multipliant la puissance par les temps de fonctionnement. Le tableau suivant résume ces valeurs pour la turbine choisie en exemple non limitatif de 100 m de diamètre et de 100 m de long, comportant 12 aubes de 2600 mètres carrés chacune : Vent atmosphérique Durée Puissance Energie
30 m/s et plus 360 h 16 MW 5760 MWh
25 m/s 720 h 11 MW 7920 MWh
17 m/s 2880 h 5 MW 14400 MWh
10 m/s 2880 h 1.8 MW 5180 MWh
5 m/s 1440 h 0.5 MW 720 MWh
The specific mass of the air being 1.293, the tangential force activating the rotation of the turbine is the tangential component Ft of the force vector developed by the blade concerned, with module Fa=1/2x1.293x1x(Vc)²x Cz for 1 m² and for a wind of 1 m/s. This force vector Fa is, as a first approximation, perpendicular to the chord of the wing in the laminar regime, i.e. from positions (a) to (e). Vc is the wind vector resulting from the composition of the atmospheric wind vectors Va and relative wind Vr (due to the rotation). The numerical value to be taken into account is the modulus of this vector Vc. The of Plate 2 illustrates the construction of these different vectors. Cz is the classic lift coefficient used in aerodynamics, already mentioned. As already said, the wing profiles adapted to slow subsonic speeds, provide, in laminar regime, a coefficient Cz between 2 and 3. Previous wind tunnel tests have shown that the drag coefficient of a wing perpendicular to the wind is between 1.4 and 1.8 depending on the degree of concavity of the wing profile. A unit comprising for example 12 blades, without this being limiting, it then appears, with reference to the , that 9 blades are active, from (a) to (e) in laminar mode as seen above and from (f) to (j) in perpendicular mode, while there are three left (j) (k) and ( l), unproductive, in the aerodynamic shadow of the lower fairings (2). Each wind speed corresponds to an optimal turbine tangential speed. Calculations show that with a good approximation this optimum tangential speed is equal to 35% of the wind speed. Calculations made on a graphical study give the following results for Ft: in (a) 1.6- in (b) 1.5- in (c) 1.3-in (d) 1- in (e) 0.8- in (f), (g), (h), (i), (j): 0.4. It is recalled that these values are in NEWTON for one square meter. To obtain the (tangential) force developed by a blade, multiply these figures by 2600 in the example chosen, where each wing is 2600 m² and multiply again by the square of the atmospheric wind speed. The corresponding power is then obtained by multiplying this force by the tangential speed of the turbine, equal, as seen above, to 35% of the atmospheric wind speed Va. The energy produced is then obtained by multiplying the power by the operating times. The following table summarizes these values for the turbine chosen as a non-limiting example, 100 m in diameter and 100 m long, comprising 12 blades of 2600 square meters each: atmospheric wind Duration Powerful Energy
30 m/s and more 360 hours 16MW 5760 MWh
25m/s 720 hours 11MW 7920 MWh
17m/s 2880 h 5MW 14400 MWh
10m/s 2880 h 1.8MW 5180 MWh
5m/s 1440 h 0.5MW 720 MWh
L’énergie totale délivrée par la turbine en un an est donc de : 33980 MWh. Sur une barge de 300 mètres de large comportant trois turbines, l’énergie totale produite est donc d’environ 100 000 MW heure. Sur une barge de même dimension accueillant une hélice de 300 m de haut au fait de sa rotation, il a été annoncé officiellement que le taux annuel de production d'énergie était de 23 %. L'année comportant 8760 heures l'énergie produite en un an est donc de 6x 8760x0.23 =12 090MW heure, soit environ huit fois moins. Le coût d’assemblage des 36 aubes horizontales à simplement poser sur des goujons verticaux en attentes à 30m de haut est du même ordre que celui de trois pales d’hélice à fixer verticalement à 200 m de haut. Les aubes en forme de profil d’ailes d’avion peuvent être faites en aluminium étiré dans une filière pour un coût bien inférieur au moulage des pales d’hélice en matériau composite. Même en admettant un facteur 2 d’erreur dans l’estimation des coûts, il apparait que le MW installé en technologie turbine horizontale est 4 fois moins cher qu’en technologie à hélice.The total energy delivered by the turbine in one year is therefore: 33980 MWh. On a barge 300 meters wide with three turbines, the total energy produced is therefore around 100,000 MW per hour. On a barge of the same size accommodating a propeller 300 m high due to its rotation, it was officially announced that the annual rate of energy production was 23%. The year comprising 8760 hours the energy produced in one year is therefore 6x 8760x0.23 =12 090MW hour, that is to say approximately eight times less. The cost of assembling the 36 horizontal blades to be simply placed on vertical studs pending at 30m high is of the same order as that of three propeller blades to be fixed vertically at 200m high. Blades in the shape of airplane wing profiles can be made from aluminum drawn in a die for a much lower cost than casting propeller blades from composite material. Even assuming a factor of 2 of error in the cost estimate, it appears that the MW installed in horizontal turbine technology is 4 times cheaper than in propeller technology.