CH718292A1 - Eolienne axiale à pales profilées issues de l'expérience de la marine à voile. - Google Patents

Abstract

L' invention veut adapter les connaissances de la marine à voile à la récupération de l'énergie éolienne, pour mieux l'utiliser comme énergie mécanique ou la convertir en électricité. L'éolienne est dotée de pales profilées rigides (1), trapézoïdales, carrées, triangulaires ou autre, avec un profil semblable à une voile de bateau. L'invention va permettre une réduction des dimensions, des contraintes mécaniques, des nuisances et des coûts. La rotation est relativement lente et silencieuse et permet aux aviateurs et oiseaux de repérer les dangers plus aisément. Elle peut être auto-orientable grâce à la position du rotor et des pales sous le vent du mât (4).

Description

[0001] L'éolienne axiale à pales à profil rigide, semblable aux voiles de voilier, a un fonctionnement rotatif et reçoit le vent dans la direction de son axe de rotation et sert à récupérer l'énergie du vent pour l'utiliser comme énergie mécanique ou la convertir en électricité.

[0002] Le but de l'éolienne est de récupérer le plus possible d'énergie disponible dans la surface projeté de l'éolienne.

[0003] Les éoliennes axiales en fonction actuellement ont une surface propre ne représentant qu'une petite partie de la surface projetée capable de récupérer l'énergie du vent.

[0004] Pour récupérer une grande quantité d'énergie, elles sont devenues géantes et de ce fait très fragiles et onéreuses à la construction et à l'entretien.

[0005] La plupart des pales utilisées actuellement ont été conçues pour produire une sustentation à haute vitesse et pas pour la récupération de l'énergie du vent, comme le sont les voiles des bateaux. Le principe utilisé actuellement est majoritairement calqué sur le principe de l'hélice ou d'ailes d'avion.

[0006] Le rendement actuel est bien insuffisant par rapport à l'énergie disponible dans la surface projetée du rotor.

[0007] L'hélice d'avion est conçue pour créer un flux à partir d'une énergie limitée.

[0008] Une éolienne, au contraire, doit absorber le maximum de l'énergie d'un flux disponible.

[0009] La portance de la pale est insuffisamment bien orientée et optimisée pour maximiser l'absorption de l'énergie disponible.

[0010] Le fonctionnement est bruyant du fait d'un écoulement du flux d'air non laminaire, qui est la cause d'un mauvais rendement.

[0011] Le vent capté par les voiles d'un voilier n'émet pas de son audible lors d'un écoulement laminaire issu d'un bon réglage.

[0012] Les marins utilisent depuis des millénaires l'énergie du vent, sans formules compliquées, bien avant que l'aviation soit une réalité.

[0013] Ils ont compris et expérimenté que, plus on a de surface totale de voiles, y compris avec une multitude de voiles, plus la puissance disponible est élevée.

[0014] La vitesse de déplacement du navire n'a pas influence sur le principe.

[0015] Elle est la conséquence du mode de conversion de l'énergie récupérée, (surface de voilure, liquide, coque et appendices)

[0016] Ils ont de surcroit optimisé la forme et l'orientation des voiles pour en tirer le maximum dans des conditions données.

[0017] Depuis les conceptions anciennes aux plus récentes, le profil de base qui est le plus performant est un profil concave, avec une profondeur et une position du creux choisis en fonction des performances voulues et en fonction de la force du vent.

[0018] Pour y arriver, l''éolienne possède un rotor avec carénage aérodynamique (5) dans le prolongement d'une nacelle en ogive (8). Il est équipé de plusieurs pales rigides (1), trapézoïdales, carrées, triangulaires ou autre, avec un profil semblable aux voiles des bateaux.

[0019] La fixation des pales sur l'axe du rotor est rotative au moyen d'un axe pour chaque pale.

[0020] L'axe de rotation des pales est perpendiculaire à l'axe du rotor.

[0021] La position de l'axe de pale a été déterminée dynamiquement, par rapport au profil choisi, pour que l'effort de rotation de la pale sur elle-même, induit par le vent, soit le plus faible possible.

[0022] Les pales sont soit fixes mais réglables, ou dynamiquement orientées par rapport à l'axe du vent par une assistance mécanique ou électromécanique.

[0023] Les pales sont équilibrées statiquement ou dynamiquement entre elles par un dispositif mécanique quelconque, par exemple un jeu d'engrenages, de biellettes (3).

[0024] Ce dispositif les rends solidaires entre elles de sorte que l'angle d'incidence (9) est le même pour toutes et la tendance à tourner autour de son axe par gravité est compensée par la ou les pales opposées.

[0025] Un angle de vrillage (10) entre les extrémités de la pale (7) compense les différences d'angle d'incidence (9) provoquées par les différences de vitesse relative du vent.

[0026] A l'état pivotées, les unes contre les autres, elles peuvent se recouvrir partiellement.

[0027] La surface totale des pales peut être supérieure à la surface projetée du rotor.

[0028] Les propriétés aérodynamiques de l'éolienne sont optimisées à la manière du réglage des voiles d'un voilier, pour obtenir un rendement maximum de l'énergie récupérable.

[0029] Une interaction entre les pales est profitable car l'écoulement laminaire du flux est favorisé (comme c'est le cas sur les voiliers disposant de plusieurs voiles).

[0030] Leur orientation, angle d'incidence (9), par rapport à l'axe du vent, qui correspond à l'axe du rotor, est optimal environ vers 20° suivant le profil et la forme choisie (d'après les usages sur les voiliers), augmenté de l'angle du vent apparent.

[0031] De cette manière, l'orientation de la force résultante de chaque pale est très proche du plan de rotation du rotor, soit perpendiculairement à son axe, limitant l'effort sur le mât dans l'axe du rotor. Il est souhaitable de tout faire pour qu'il le reste.

[0032] En cas de réglage dynamique, leur orientation se fait de telle sorte que leur angle d'incidence par rapport au vent apparent reste constant pour obtenir toujours le rendement maximum.

[0033] Il sera nécessaire de limiter la vitesse de rotation en cas de vent forts.

[0034] On y parvient par une augmentation de la charge, un freinage ou une limitation ou réduction de l'angle d'incidence.

[0035] Le flux d'air doit s'écouler de manière laminaire tant sur leur extrados que leur intrados.

[0036] En cas de choix de pales fixes, l'augmentation de la vitesse de rotation sera limitée par le décrochage du profil dans le flux d'air.

[0037] Pour convertir le couple énorme généré et limiter la vitesse de rotation, on utilisera de préférence un variateur de vitesse, par exemple à courroie trapézoïdale.

[0038] Le variateur pourra être commandé par la pression sur le rotor dans la direction de son axe de rotation, qui sera coulissant, en compression d'un ressort progressif conçu en fonction des caractéristiques du rotor ou par une assistance électronique et électromécanique.

[0039] Il pourra aussi être actionné mécaniquement par la force centrifuge du rotor, appliquée sur la poulie secondaire du variateur.

[0040] Plus le vent forci, plus le rapport du variateur augmentera, faisant tourner la génératrice de plus en plus vite en chargeant progressivement le rotor et tendant à diminuer ainsi sa vitesse de rotation pour la maintenir à un niveau quasi constant.

[0041] Par un vent léger, le rapport sera petit, entre le rotor et la génératrice, permettant au rotor de tourner facilement et facilitant le démarrage. Le rapport le plus petit sera la position de repos.

[0042] En cas d'utilisation d'une boîte à vitesse fixe, ou en plus du variateur on peut envisager une cascade de génératrices ou d'étages de stators et rotors couplés de manière progressive ou une génératrice à puissance variable, permettant de charger ou décharger le rotor pour contrôler sa vitesse de rotation.

[0043] Le fonctionnement du rotor est plus avantageux sous le vent du mât (4) qui le porte car il s'oriente beaucoup plus facilement et de manière autonome.

[0044] Il est souhaitable de freiner et amortir ce mouvement de rotation.

[0045] Un mât (4) tournant solidairement avec le rotor a l'avantage de pouvoir être construit de manière profilée et sa section peut être réduite et est beaucoup plus rigide dans l'axe de l'effort (mât-aile sur les voiliers).

[0046] Cela permet un écoulement sans obstacle du flux d'air au bord de fuite des pales.

[0047] Si un mât de section ronde est choisi, on fixera un carénage profilé, solidaire du rotor, qui évitera des turbulences entre le mât et les pales.

[0048] Un socle (6) doit permettre l'équilibrage statique indispensable du mât avec son rotor (mise de niveau).

[0049] Deux prototypes réalisés disposaient d'un rotor de 52 et 32 cm de diamètre.

[0050] Ils ont été testés avec des mesures par „frein de Prony“ et un système de soufflerie.

[0051] Un angle de calage (9) le plus favorable a été constaté pendant les tests, appliqué à la base du profil.

[0052] Le vrillage (10) est choisi en fonction des dimensions de l'éolienne.

[0053] Les tests des prototypes effectués ont donné une augmentation de puissance d'environ 1,5 fois en passant de 2 à 3 ainsi que de 3 à 4 pales. En résumé, environ 3 fois plus de puissance pour le double de surface de pales.

[0054] Lors des tests du prototype, la puissance a commencé de diminuer à partir de 5 pales, probablement en raison de la petite taille du prototype et de l'espace limité entre les pales (similitude aux voiliers de petite taille)

[0055] La surface disponible pour capter l'énergie peut être énorme et, suivant le nombre et les dimensions de pales choisies, peut dépasser la circonférence du rotor.

[0056] Cela permet de diminuer notablement le diamètre de rotation de l'éolienne.

[0057] Plus le vent est fort, plus le couple de rotation augmente sans pour autant que la vitesse de rotation ne doive devenir excessive.

[0058] Suivant les options de construction, aucune énergie n'est nécessaire à son fonctionnement qui est totalement autonome.

[0059] L'éolienne démarre très facilement, seule, avec très peu de vent.

[0060] Elle nécessite peu d'entretien.

[0061] Peu d'usure car les forces centrifuges et les vitesses de rotation sont limitées.

[0062] Pour les mêmes raisons, la construction est facilitée par des exigences mécaniques réduites

[0063] La visibilité par les aviateurs et les oiseaux est meilleure et le danger de collision diminué. Fig. 1. Perspective. Fig. 2. Vue côté gauche Fig. 3. Vue arrière droit. Fig. 4. Vue arrière. Fig. 5. Vue de détail rotor et carénage. Fig. 6. Graphique de tests.

Claims (9)

1. L'utilisation de pales profilées rigides (1), trapézoïdales, carrées, triangulaires ou autre, avec un profil semblable à une voile de bateau

2. L'épaulement (2) en bout de pale pour limiter la fuite du flux due à la force centrifuge et limiter les pertes dues au vortex.

3. Le lien mécanique (3) assurant l'équilibrage des pales entre elles.

4. Le mât profilé (4) ou caréné pour favoriser l'écoulement laminaire du flux d'air entre le mât et les pales.

5. Le carénage profilé (5) qui prolonge le rotor pour favoriser l'écoulement laminaire du flux d'air derrière l'éolienne et limiter les perturbations.

6. Le socle stable (6) permettant la rotation et une mise de niveau du mât.

7. La conversion du couple par un variateur de vitesse ou une cascade de génératrices ou d'étages de stators et rotors couplés de manière progressive ou une génératrice à puissance variable.

8. L'asservissement du variateur à la pression du flux sur le rotor ou à la force centrifuge du rotor.

9. Le positionnement de l'axe de pale déterminé dynamiquement.