WO2007113399A2 - Eolienne spherique a canaux dotee d'un deflecteur central mobile - Google Patents

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    • Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Definitions

  • This new wind turbine looks like the extracting air balls placed on the chimneys.
  • the architecture of the geodesic sphere can be derived from any regular convex polyhedron that can be inscribed in a sphere, notably the tetrahedron, the octahedron and the icosahedron.
  • the sphere can also be realized, FIG. 4, by the construction and the assembly side by side of trunks of identical tetrahedrons, FIG. 2, whose equilateral bases marry the surface of the fictitious spheres inscribed and
  • the thirty edges, on the surface of the sphere, constitute a triangulated and curved mesh.
  • the twelve vertices represent star nodes (7).
  • the sphere may also come from an assembly of curved tubes representing the edges, FIG. 5.
  • connection of these tubes can be provided by star sleeves, Figure 8, male tips (4) or female. These, being able to connect the end of three to six tubes, thus constitute the nodes or vertices of the icosahedron and can present a flat, conical or spherical silhouette. These radial sleeves also have an axial passage (3) or an axial end (male or female).
  • this spherical and triangulated architecture ensures good rigidity of the frame.
  • the rotor is made by connecting the nodes (7) or star peaks at a central hub (5) by a plurality of spokes (6), and then connecting this hub to an axis (8).
  • the axial passage of the sleeves or their axial end allows here the passage and fixing the spokes to the hub.
  • vanes can be built, figure 1, by means of the arcs of spherical zone (EF, ET ') that we fold along the axis (H ⁇ ). All these blades or channels will have their cavities oriented (9) in the same direction circular.
  • These vanes or curved canals, FIG. 9, V-shaped or troughs, may have an asymmetry: the near side of the center being generally longer than
  • blades or channels will have flexibility and elasticity on the sides to allow them to open slightly (Z) when the wind enters the intrados (9), and to close slightly when the dawn goes back against 5 the wind by presenting him his back (extrados) (10) with the more aerodynamic profile.
  • the surfaces of the blades or channels are thus substantially varied.
  • These blades or channels, in an arc, may be composed in several sections to increase the flexibility.
  • the horizontal (parallel) edges (17) can be removed if it does not affect the robustness of the framework. This would reduce the screen.
  • FIG. 10 represents the circulation of the air in a wind turbine with twenty vanes or channels
  • FIG. 11 shows the flow of air in a wind turbine to eighty vanes or channels.
  • the linear speed of the rotor at the equator is greater. This favors the flow of the fluid and, as a result, the fluid coming from the direction of the poles
  • This deflector benefits from a V-shaped aerodynamic profile. It channels the fluid from the central part to the sides where its force is more active.
  • the trailing areas (32) of the baffle sides will be tapered and resilient so as to fade under wind pressure.
  • This deflector consists of two flaps (21) which pivot on a hinge (15).
  • the leaves are connected to the central bearing block (11) by two pairs of compression springs (14) and (16).
  • the springs (14) push the baffle forward (upwind) and move the center of gravity (G) backward, and the springs (16) force the opening of the deflector 2.0.
  • the architecture of the spherical rotor with triangulated mesh realized either by tubes or by tetrahedron trunks, provided with a central axis and without radius, makes possible the construction of two spherical and concentric rotors, figure 15, S (27 and 28), fixed on the same axis (31) by bearings.
  • These rotors will be counter-rotating by giving the blades or channels a direction of rotation opposite through an opposite orientation.
  • the interior of the sphere (28) is equipped with a fixed deflector, Figure 12, or a variable geometry deflector, Figure 13, as described above.
  • this vertical axis counter-rotating wind turbine will benefit from the wind thrust over its entire surface, whereas in single-axis vertical wind turbines, only half of the swept surface is useful for providing beneficial work.
  • These two rotors may also include a generator by motor elements placed in a toric manner around the periphery of the rotors in their equatorial plane.
  • One of the elements of the generatrix is secured to the inner face of the outer rotor (29) and the other of the inner rotor (30).
  • the current generator (22) can also be placed at the top of the mast (26): the rotor surrounding the south pole (24) in a toric manner while the stator is mounted in a screw-in position. -vis all around the mast, £ -5 toric way also.

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Abstract

C'est une éolienne sphérique à canaux dotée. d'un déflecteur central mobile s Orientant pointe avant face au vent grâce à son centre de gravité excentré L'ossature sphérique est constituée soit d'un assemblage de troncs de tétraèdres identiques, soit d'un maillage triangulé et bombé. Une partie de cette ossature supporte un réseau d'aubes (2) constituant des canaux pour guider l'air le long des méridiens droits et obliques.

Description

EOLIENNE SPHERIOUE A CANAUX DOTEE D'UN DEFLECTEUR
CENTRAL MOBILE
ETAT ANTERIEUR
La quasi-totalité des éoliennes modernes sont faites désormais de la même 5 façon : un rotor tripale face au vent. Ces éoliennes à axe horizontal doivent leur succès commercial aux larges investissements qui leur ont été consacrés.
Ceci n'enlève rien aux nouvelles potentialités réalistes des éoliennes à axe vertical. La porte reste donc ouverte aux nouvelles conceptions pour leur réalisation dans la mesure où elles apporteront un mieux. i 0 Les petits modèles d' éoliennes à axe vertical connaissent actuellement un regain d'intérêt et l'on en voit naître de nouvelles très diverses. Parmi ces éoliennes, nous trouvons celles répondant au type SAVONIUS où les aubes sont parfois réparties symétriquement à la périphérie d'un tambour.
Leur rotation est rendue possible par la différence des forces exercées par le i î> vent sur la cavité des aubes (intrados) : force motrice positive, et sur le dos de ces aubes (extrados) : force négative, ou frein.
Différents artifices ont été utilisés pour diminuer au maximum la force négative du frein : soit en canalisant l'air là où il freinerait le moins le mécanisme, soit en faisant varier la surface utile des aubes selon qu'elles se 2.0 présentent dans le sens du vent avec un maximum d'ouverture pour favoriser la force motrice positive, ou face au vent avec un minimum d'ouverture lui donnant un profil aérodynamique en diminuant la force négative du frein.
#**
INNOVATION
Nous proposons une éolienne rattachée au type général de SAVONIUS Z 5 (machine à traînée) .
Cette nouvelle éolienne, de forme sphérique, ressemble aux boules extractrices d'air placées sur les cheminées.
Pour y parvenir, la conception d'une nouvelle ossature du rotor en forme de sphère géodésique est nécessaire.
30 A l' image de notre planète, nous pouvons attribuer à cette sphère, figure 11 , les mêmes appellations de cartographie :
- pôle nord (23) pour le sommet axial de la sphère,
- pôle sud (24) pour le sommet opposé, - méridiens (20) pour les grands cercles périphériques rejoignant les pôles et, par extension, pour les lignes obliques dérivant directement de ces méridiens,
- équateur (25) pour le cercle horizontal le plus éloigné de l'axe vertical,
- parallèles (17) pour les lignes circulaires horizontales parallèles à l' équateur.
***
5* SPHERES
Plusieurs procédés nous permettent de réaliser cette sphère.
1) Selon la figure 7, par un assemblage d'un certain nombre de méridiens pouvant être matérialisés par des tubes cintrés en demi-cercle (20) régulièrement répartis sur un cercle équatorial.
^O Ces méridiens divisent la sphère en fuseaux égaux à l'exemple des tranches d'une orange. Pour consolider ce montage, il est utile de relier ces méridiens entre eux par plusieurs parallèles (17) également matérialisés par des tubes cintrés. Ceci donne un maillage trapézoïdal en surface de la sphère.
Dans les deux exemples suivants, l'architecture de la sphère géodésique peut *\5 découler de tout polyèdre régulier convexe pouvant s'inscrire dans une sphère, notamment le tétraèdre, l'octaèdre et l'icosaèdre.
2) La sphère peut aussi être réalisée, figure 4, par la construction et l'assemblage côte à côte de troncs de tétraèdres identiques, figure 2, dont les bases équilatérales épousent la surface des sphères fictives inscrites et
20 circonscrites.
Ces troncs de tétraèdres sont constitués, figure 1, par trois arcs de zone sphérique d'égale longueur (AB=BC=BD), de hauteur adaptée, et refermés sur eux-mêmes de façon triangulée, figure 2.
Dans ce cas de figure issu de l'icosaèdre, vingt troncs de tétraèdres sont 2.5 nécessaires pour construire la sphère, figure 4, et, dans la cavité centrale, on peut loger ou inscrire une autre sphère.
Les trente arêtes, en surface de la sphère, constituent un maillage triangulé et bombé. Les douze sommets représentent des nœuds en étoiles (7).
3) La sphère peut aussi provenir d'un assemblage de tubes cintrés représentant 30 les arêtes, figure 5.
La liaison de ces tubes peut être assurée par des manchons en étoile, figure 8, à embouts mâles (4) ou femelles. Ceux-ci, pouvant liaisonner l'extrémité de trois à six tubes, constituent donc les nœuds ou sommets de l'icosaèdre et peuvent présenter une silhouette plane, conique ou sphérique. Ces manchons radiaires ont aussi un passage axial (3) ou un embout axial (mâle ou femelle).
On obtient ainsi une ossature de sphère faite d'un maillage triangulé et bombé.
Sur les figures annexées, ces manchons sont remplacés par des boules (32) 5 percées du nombre de trous désirés. Le procédé est d'une réalisation plus aisée.
Pour ces différents modèles, cette architecture sphérique et triangulée assure une bonne rigidité de l'ossature.
ROTORS
A partir de ces trois exemples de sphère, nous pouvons construire au moins A 0 trois modèles de rotor avec plusieurs variantes :
1) en fixant ces sphères d'un seul côté au moyen d'un palier à l'exemple d'un tambour de machine à laver frontale (à ouverture par le devant),
2) en reliant par un axe transversal deux pôles ou deux facettes diamétralement opposés, figure 4, i 5 3) pour les sphères réalisées avec des tubes, figure 5, ou des troncs de tétraèdres, figure 4, on réalise le rotor en reliant les noeuds (7) ou sommets en étoile à un moyeu central (5) par une pluralité de rayons (6), puis en reliant ce moyeu à un axe (8). Le passage axial des manchons ou leur embout axial permet ici le passage et la fixation des rayons allant au moyeu.
20 EOLIENNES
A partir de ce type de rotor, nous proposons une nouvelle conception d'éolienne à axe vertical.
Ceci sera rendu possible en fixant des aubes ou des canaux (2), figure 3, sur les tubes ou sur les cloisons périphériques (méridiens verticaux et obliques).
ZS Ces aubes peuvent être construites, figure 1, au moyen des arcs de zone sphérique (EF, ET') que nous replions suivant l'axe (HΙ).Toutes ces aubes ou canaux auront leurs cavités orientées (9) dans le même sens circulaire. Ces aubes ou canaux cintrés, figure 9, en forme de V ou d'auges, peuvent présenter une dissymétrie : le côté proche du centre étant généralement plus allongé de
30 façon à mieux garder le fluide. Pour augmenter le rendement de Péolienne, le choix des aubes ou canaux est primordial. Ces aubes ou canaux auront de la souplesse et de l'élasticité sur les côtés pour leur permettre de s'ouvrir légèrement (Z) lorsque le vent y rentre dans l'intrados (9), et de se refermer légèrement lorsque l'aube remonte contre 5 le vent en lui présentant son dos (extrados) (10) au profil plus aérodynamique.
On fait ainsi varier sensiblement les surfaces des aubes ou canaux.
Ceux-ci, fixés sur les tubes ou sur les cloisons du maillage, épousent ainsi les courbures de la sphère.
Ces aubes ou canaux, en arc de cercle, pourront être composés en plusieurs j 0 tronçons pour en augmenter la souplesse.
Les arêtes horizontales (parallèles) (17) peuvent être supprimées si cela ne nuit pas à la robustesse de l'ossature. Ceci permettrait de réduire la tramée.
L'un des atouts en faveur du rendement produit par cette éolienne sphérique est qu'une partie du fluide, attaquant le rotor sur l'intrados, sera guidée le long des 1 5 canaux ou aubes vers la région de l'équateur (25) où la pression de ce fluide exercera une poussée plus forte, vu Péloignement de l'axe central.
A l'opposé, l'aube remontant le vent en lui présentant son dos (extrados) au profil aérodynamique laissera filer le vent en lui offrant moins de résistance. En supposant le vent venant de face :
£θ - la figure 10 représente la circulation de l'air dans une éolienne à vingt aubes ou canaux,
- la figure 11 représente la circulation de l'air dans une éolienne à quatre vingt aubes ou canaux.
La vitesse linéaire du rotor à l'équateur est plus importante. Ceci favorise 2.5 l'écoulement du fluide et, de ce fait, le fluide venant de la direction des pôles
(23, 24) est aspiré à cause de la dépression relative dans la zone de l'équateur par rapport à la pression plus forte exercée ailleurs.
Cette pression augmente au fur et à mesure que l'on se rapproche des pôles car, la vitesse linéaire du rotor y étant plus faible, ceci crée une résistance plus "50 grande des aubes ou canaux, d'où l'élévation de la pression dans ces zones.
La similitude de la circulation de l'air dans les aubes ou canaux de cette sphère (figure 11) et des mouvements de l'air autour de notre planète est significative : ceci fait penser à la "force de CORIOLIS". On retrouve des fortes pressions polaires et des basses pressions équatoriales. Ces deux facteurs 35 contribuent à améliorer le rendement d'une telle éolienne.
*** DEFLECTEUR
Pour éviter les tourbillons gênants à l'intérieur de l'éolienne et pour améliorer son rendement, il est intéressant d'équiper sa partie centrale d'un déflecteur rendu mobile autour de l'axe central grâce à des paliers (11).
5 Ce déflecteur, figure 12, dont le centre de gravité (G) est excentré, a la particularité de présenter sa pointe avant (13) toujours face au vent.
Ce déflecteur bénéficie d'un profil aérodynamique en forme de V. Il canalise le fluide depuis la partie centrale vers les côtés où sa force est plus agissante. Les zones de fuite (32) des côtés du déflecteur seront effilées et élastiques de 40 manière à s'effacer sous la pression du vent.
Pour améliorer ce déflecteur, nous pouvons le concevoir à géométrie variable, figure 13 et 14, et sa silhouette sera fonction de la force du vent et contribuera à une régulation de la vitesse de l'éolienne.
Ce déflecteur est constitué de deux battants (21), lesquels pivotent sur une A 5 charnière (15).
Les battants sont reliés au bloc palier central (11) par deux paires de ressorts à compression (14) et (16).
Les ressorts (14) poussent le déflecteur vers l'avant (face au vent) et font reculer le centre de gravité (G) vers l'arrière, et les ressorts (16) forcent 2.0 l'ouverture du déflecteur.
Un guide (19), situé à la pointe avant du bloc palier (11), passe par un orifice ménagé dans la charnière (15) et maintient l'équilibre des battants dans l'axe du bloc palier.
Selon la force du vent, les battants comprimeront plus ou moins les ressorts IS (16).
Plus le vent sera fort, plus l' ouverture du déflecteur sera réduite et ceci aura pour effet de réguler en partie la vitesse de l'éolienne.
Cette éolienne sphérique inédite à axe vertical a aussi d'autres points forts en rapport aux conceptions actuellement connues : 3θ - robustesse due à sa structure triangulée,
- stabilité, car absence de porte-à-faux et d' à-coups dans la rotation, sécurité accrue pour les petits modèles, équipant les bateaux notamment,
- meilleure intégration dans le paysage de par sa forme arrondie et rotation moins prenante au regard, θ5 - niveau sonore plus faible,
- transport facilité de par la composition de ses éléments, sa forme plus pleine lui permet d'être mieux remarquée par les oiseaux et ces derniers l'éviteront plus facilement, haubanage possible de la partie basse du mât. EOLIENNE CONTRAROTATTVE
L'architecture du rotor sphérique à maillage triangulé, réalisé soit par des tubes soit par des troncs de tétraèdre, muni d'un axe central et sans rayon, rend possible la construction de deux rotors sphériques et concentriques, figure 15, S (27 et 28), fixés sur le même axe (31) grâce à des paliers.
Ces rotors seront contrarotatifs en donnant aux aubes ou canaux un sens de rotation contraire grâce à une orientation opposée.
Le vent, figure 16, venant sur le dos (extrados) (10) des aubes du rotor (27), sera dévié (S) vers la cavité (9) des aubes ou canaux (intrados) du rotor interne ^ 0 (28) et ceci permettra la rotation de cette sphère.
L'intérieur de la sphère (28) est équipé d'un déflecteur fixe, figure 12, ou d'un déflecteur à géométrie variable, figure 13, comme décrit plus haut.
En ce cas, cette éolienne contrarotative à axe vertical bénéficiera de la poussée du vent sur toute sa surface alors que, dans les éoliennes simples à axe vertical, -\ S seule la moitié de la surface balayée est utile pour fournir un travail bénéfique.
Ces deux rotors peuvent également comporter une génératrice par des éléments moteurs placés de façon torique sur le pourtour des rotors dans leur plan équatorial. L'un des éléments de la génératrice est solidaire de la face interne du rotor extérieur (29) et l'autre du rotor intérieur (30).
2.0 La transmission du courant se ferait alors par un système de balais communiquant avec l'arbre porteur (31).
Pour ces différents types d' éolienne, la génératrice de courant (22) peut aussi être placée en haut du mât (26) .: le rotor ceinturant le pôle sud (24) de façon torique tandis que le stator serait monté en vis-à-vis tout autour du mât, de £-5 façon torique également.

Claims

REVENDICATIONS
1) Eolienne à axe vertical, d'aspect sphérique, caractérisée par le fait :
- qu'elle est équipée d'un déflecteur mobile (12) dans sa partie centrale, tournant librement sur l'axe vertical grâce à des paliers (11), que son ossature sphérique est constituée soit d'un assemblage de troncs de 5" tétraèdres (1) identiques dont les bases triangulées épousent la surface des sphères fictives inscrites et circonscrites à ces troncs de tétraèdres, soit d'un maillage triangulé et bombé,
- et qu'une partie de cette ossature supporte un réseau d'aubes constituant des canaux pour guider l'air le long des méridiens (20) droits et obliques 0 depuis la région des pôles vers l'équateur.
2) Déflecteur interne mobile pour éoliennes à axe vertical de toutes formes caractérisé par le fait : qu'il tourne librement autour de l'axe central grâce à des paliers (11), qu'il a un profil aérodynamique, i 5* - qu'il est statique ou dynamique, que sa pointe avant (13) se dirige automatiquement face au vent grâce au centre de gravité (G) excentré et situé à l'arrière de l'axe central par rapport à la pointe avant du déflecteur,
- et que les zones de fuite (32) des côtés du déflecteur sont effilées et 2.Ô élastiques pour se refermer (plus ou moins) sous la pression du vent.
3) Déflecteur selon la revendication 2 caractérisé par le fait : qu'il est à géométrie variable car constitué de deux battants (21) pivotant sur une charnière (15),
- qu'il est poussé vers l'avant grâce à des ressorts à compression (14),
2.5 - qu'il est guidé par la pointe (19) du bloc palier (11) passant par un orifice ménagé dans la charnière, et que les battants sont repoussés vers l'extérieur grâce à des ressorts de compression (16).
4) Eolienne, selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ces aubes ou 30 canaux (2) sont cintrés, que la cavité, en coupe, est en forme de V ou d'auges, et que leurs côtés sont effilés ou élastiques (Z).
5) Eolienne, selon les revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisée par le fait :
- qu'elle a deux rotors concentriques, coaxiaux et contrarotatifs (27,28) car fixés sur un même axe (31) grâce à des paliers (11),
^>5 - que les canaux ou aubes (2) des rotors (27, 28) ont une orientation opposée pour donner un sens de rotation contraire,
- qu'elle est équipée d'un déflecteur (12) rigide ou à géométrie variable à deux battants (21). 6) Eolienne, selon la revendication 5, caractérisée par le fait qu'une génératrice de courant est placée sur le pourtour des rotors dans le sens équatorial : l'un des éléments de la génératrice (29) est solidaire de la face interne du rotor extérieur et l'autre partie (30) de la génératrice est solidaire
5 du rotor intérieur.
7) Eolienne, selon les revendications 1 et 5, caractérisée par le fait qu'une génératrice (22) est placée en haut du mât (26), le rotor ceinturant le pôle sud (24) et le stator ceinturant le haut du mât.
8) Architecture d'un système sphérique géodésique pour la réalisation d'un Λ 0 rotor d' eolienne selon l'une des revendications 1 et 5 caractérisée par le fait que son ossature est constituée : soit par un modèle d'assemblage de troncs de tétraèdres identiques dont les bases triangulées épousent la surface des sphères fictives inscrites et circonscrites à ces troncs de tétraèdres, ι5 - soit par un modèle de maillage, triangulé de façon équilatérale et bombée, ou encore trapézoïdal et bombé.
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