WO2012177112A2 - Eolienne a axe vertical, convertible, autoregu le, combinant une savonius et une darrieus, a pale pliable - Google Patents

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Definitions

  • the present patent relates to a new vertical axis turbine configuration shown in Figure (1), this device has significant advantages from the point of view of the operating range in speed and the power output, greater than those of other wind turbines vertical axis, this device has several advantages, which can be summarized in three points:
  • the proposed wind turbine is a variable geometry transformable device combined with a system that ensures this transformation, passing from one configuration to another according to the air flow rate and external conditions.
  • a turbine is a device for capturing the kinetic energy conveyed by the flows.
  • the present invention generally retains the field of aeraulic and hydraulic turbines for wind and tidal applications, this device allows the transformation of the energy conveyed by a aerodynamic or hydrodynamic flow into exploitable mechanical energy, for driving rotating devices, either for the production of electricity, if it is combined with a generator, or a direct mechanical operation for pumping or driving applications in general.
  • This device consists of a rotor (1) movable in rotation around a main axis (2), the rotor is composed of at least two blades (3), each blade is composed in turn of two blocks, one semi-vane-extrados (4) and a semi-vane-intrados (5), the transformation allows a completed faith, the formation of a blade (6) with an aerodynamic profile composed of two semi-vanes, which form the surfaces contact Extrados (7) and Intrados (8), the shape of each blade in its initial configuration is presented in Figure C.
  • the two semi-blades are manufactured in such a way that the weight of the semi-blade is greater than that of the semi-blade-extrados, keeping the geometric shape (9) closest to the aerodynamic profile GOE225 with a rounded trailing edge and an elongated rope D, this profile configuration gives a better performance, as profile is characterized by the advantage of being able to produce a greater torque (lift, drag) as shown by the two Figure E and F, the shapes of the two semi-blades are shown in Figures G and H, to transform the maximum power during recovery, during the recovery process.
  • the semi-vane-extrados is manufactured in a geometric configuration thin shell (10), hollow of the interior to have the minimum of weight, and semi-vane-intrados is manufactured with a solid configuration (1 1) with a rounding (12) on the leading edge end (13), to ensure a continuity of the surface during the assembly of the two parts at the end of the transformation process.
  • the device is assembled, in such a way that the blading represents an inter-axis greater than the radius of the main axis (R), knowing that the inter-axis between is the distance separating the main axis from the turbine, and the fictitious axis of the blade (14) in the open initial position as shown in Figure C.
  • the assembly of the semi-vane-extrados with the structure (1) is done by ensuring a degree of freedom by pivot connection, at the point of assembly leading edge (15), allowing a complete revolution, to allow the transformation.
  • the two semi-vanes will be assembled by the trailing edge ends (16), ensuring a degree of freedom by pivot connection, by a system allowing a complete revolution of the two semi-blades, for example a second bearing axis with a very radius small relative to the main axis, which will ensure the assembly through holes on the structure (1), with fastening systems for fixing the axis on the structure.
  • the rounding (12) of the semi-vane-intrados will be crossed by a system (17) allowing the semi-vane-intrados to move on the guide groove (18), the system must ensure the semi-vane-intrados freedom revolution by a pivot connection along the z axis, this will ensure a freedom of rotation of the semi-blade during its movement on the groove.
  • the structure (1) (rotor) on which the bladed and fixed, will in turn be fixed to another fixed bearing structure (stator) which will allow the turbine its fixation and also the drive of the system of use (generator: to produce electricity, pump or compressor: for pumping or compressing a fluid or simply to drive any mechanical system).
  • V v the speed of V flow.
  • centrifugal force is equal to:
  • the change in wind speed produces a proportional change in the speed of rotation of the turbine, this change is due to the change of the aerodynamic parameters following the flow of the wind around the wind turbine, initially the device is in an initial configuration of Savonius type, the flow of the wind around of the dawn produces a drag-type force, the distribution of the force on the surface of the blade exerts a pressure on this surface, this pressure having the same direction as that of the flow, the turbine begins its cycle of rotation.
  • the semi-vane-soffits represent a degree of freedom in pivoting mode with respect to the semi-vanes-extrados, as well as a degree of freedom in plane support mode guided by the groove (18) on the two supports of the structure of the turbine.
  • the centrifugal force becomes greater than the stiffness of the fastening element (19), it causes a displacement of the semi-vane-intrados on the guide groove (18), until the two surfaces become joins, and the semi-blade-extrados brakes the displacement of the semi-vane-intrados.
  • Figures I, J, K, L, M and N show the progress of the transformation process.
  • This device has the advantage of being able to exploit the two forces resulting from the flow, the drag and the lift, through the transformation device which makes it possible to switch between two Savonius or Darrieus configurations, thus combining the advantage of the two configurations, the transformation is done in operation of the speed of the flow, in a first case the turbine is in its default configuration (the Savonius) as the speed of the flow increases, the turbine tends to increase its speed of rotation.
  • the initial arrangement of the blades makes it possible to have an architecture similar to that of Savonius-type wind turbines, and with the increase in the speed of rotation, the device ensures a transformation of the turbine from a Savonius configuration to a Darrieus, to arrive at the profile of the desired configuration.
  • Figures N, O, P, Q and R show the two initial and final configurations of the turbine, in front view and tri-metric view in longitudinal section.
  • figure S represents the characteristic curves of the different wind turbine configurations, this figure allows us to see the interest of the combination of the two Darrieus and Savonius configuration, as well as the complementarity that this combination represents.
  • the Savonius and Darrieus wind turbines have the advantage of being able to exploit very weak winds (from 0.5m / S) that the other configurations can not exploit, and their domain in speed is complete, once the Savonius wind turbine between in the field of extinction, the Darrieus resumes the relay and starts in turn which is presented on the figure V.
  • the device disclosed in the patent represents another advantage over other combined turbine configurations (Fig. W), due to the fact that the transformation process provides continuity in power recovery (Fig. X).

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Abstract

L'invention consterne un dispositif de transformation de l'énergie cinétique véhiculé par un écoulement aérodynamique ou hydrodynamique, en énergie cinétique exploitable, ce dispositif combine les deux configurations classiques Savonius et Darrieus, le dit dispositif est transformable, à géométrie variable, utilisant un aubage pliable, et combiné à un système mécanique qui assure cette transformation, en passant d'une configuration à une autre selon la vitesse d'écoulement de l'air et les conditions externes, ce qui fait qu'elle exploite les efforts aérodynamiques de type portance et traînée, qui présentent des complémentarités à plusieurs niveaux.

Description

EOLIENNE A AXE VERTICAL, CONVERTIBLE, AUTOREGU LE,
COMBINANT UNE SAVONIUS ET UNE DARRIEUS, A PALE PLIABLE
Descriptif du dispositif:
Le présent brevet concerne une nouvelle configuration de turbine à axe vertical présenté sur la figure (1), ce dispositif présente d'important avantages du point de vue du domaine de fonctionnement en vitesse ainsi que la puissance produite, plus importants que celles des autres éoliennes à axe vertical, ce dispositif à plusieurs avantages, qui peuvent être résumés en trois points :
• L'auto-adaptation aux conditions externes, liée au fait que ce dispositif change automatiquement de configuration.
• L' autorégulation assurée par le dispositif de transformation qui peut être lié a un système de contrôle mécatronique.
• La continuité dans la production de l'énergie quelque soit le sens de l'écoulement et la vitesse du vent.
Ces avantages sont du au fait qu'elle combine les deux configurations classiques Savonius et Darrieus, ce qui fait qu'elle exploite les efforts aérodynamiques de type portance et traînée, qui présentent des complémentarités à plusieurs niveaux.
En effet l'éolienne proposée est un dispositif transformable à géométrie variable combiné à un système qui assure cette transformation, en passant d'une configuration à une autre selon la vitesse d'écoulement de l'air et les conditions externes.
Applications ;
Production d'énergie électrique, pneumatique, hydraulique, pompage
Une turbine est un dispositif de captation de l'énergie cinétique véhiculé par les écoulements, La présente invention conserve en générale, le domaine des turbines aérauliques et hydrauliques pour des applications éoliennes et hydroliennes, ce dispositif permet la transformation de l'énergie véhiculé par un écoulement aérodynamique ou hydrodynamique en énergie mécanique exploitable, pour entraîner des dispositifs rotatifs, soit pour la production de l'électricité, si elle est combinée a une génératrice, ou une exploitation mécanique directe pour des applications de pompage ou d' entraînement en générale.
Ce dispositif est constitué d'un rotor (1) mobile en rotation autour d'un axe principal (2), le rotor est composé d'au moins deux aubes (3), chaque aube est composé a son tour de deux blocs, un semi-aube-extrados (4) et un semi-aube-intrados (5), la transformation permet une foi achevé, la formation d'une pale (6) avec un profil aérodynamique composé des deux semi-aubes, qui forment les surfaces de contact Extrados (7) et Intrados (8), la forme de chaque aube dans sa configuration initiale est présenté dans la figure C.
Les deux semi aube sont fabriqué d'une tel façon a se que le poids du semi-aube- i itrados soit plus important que celui du semi-aube-extrados, en gardant la forme géométrique (9) la plus proche au profil aérodynamique GOE225 avec un bord de fuite arrondi et une corde allongée figure D, cette configuration de profil donne un meilleur rendement, vue que se profil se caractérise par l'avantage de pouvoir produire un couple (portance ; traînée) plus importante comme se que montre les deux figure E et F, les formes des deux semi-aubes sont présentées sur les figure G et H, pour transformer le maximum de puissance lors de la récupération, durant le processus de récupération.
Pour avoir la différence de poids entre les deux semis-aubes, le semi-aube-extrados est fabriqué sous une configuration géométrique coque mince (10), creuse de l'intérieur pour avoir le minimum de poids, et semi-aube-intrados est fabriqué avec une configuration pleine ( 1 1) avec un arrondi (12) sur l'extrémité bord d'attaque (13), pour assurer une continuité de la surface lors de l'assemblage des deux partie en fin du processus de transformation.
Sur les deux semi-aubes, un élément d'assemblage (13) qui permet d'assurer une liaison mécanique pivot sur l'axe z perpendiculaire à la surface du profil aérodynamique comme le présente la figure G et H.
Le dispositif est assemblé, d'une façon à ce que l'aubage représente un entre-axe supérieur au rayon de l'axe principale (R), sachant que l'entre-axe entre est la distance séparant l'axe principale de la turbine, et l'axe fictif de l'aubage (14) en position initiale ouverte comme présenté sur la figure C.
L'assemblage du semi-aube-extrados avec la structure (1), se fait en assurant un degré liberté par liaison pivot, au niveau du point d'assemblage bord d'attaque (15), permettant une révolution complète, pour permettre la transformation.
Les deux semi-aubes, seront assemblées par les extrémités bord de fuite ( 16), en assurant un degré liberté par liaison pivot, par un système permettant une révolution complète des deux semi-aubes, par exemple un second axe porteur avec un rayon très petit par rapport à l'axe principal, qui assurera l'assemblage en passant par des trous sur la structure (1), avec des systèmes d'attache permettant la fixation de l'axe sur la structure.
L'arrondi (12) du semi-aube-intrados sera traversé par un système (17) permettant au semi-aube-intrados de se déplacer sur la rainure guide (18), le système doit assurer au semi-aube-intrados une liberté de révolution par une liaison pivot suivant l'axe z, cela permettra d'assurer une liberté de rotation de la semi-aube lors de son déplacement sur la rainure.
La structure (1) (rotor) sur laquelle l'aubage et solidaire, sera fixé a son tour a une autre structure porteuse fixe (stator) qui permettra à la turbine sa fixation et aussi l'entraînement du système d'utilisation (génératrice : pour produire l'électricité, pompe ou compresseur : pour le pompage ou la compression d'un fluide ou tout simplement pour entraîner un système mécanique quelconque).
La liberté de déplacement des aubages (des deux semi-aubes par rapport a la structure (1)) sera conditionnée par un système d'attache élastique (19) (ressort, fil élastique, ...) qui permet d'attaché l'extrémité arrondi du semi-aube-intrados à un point (20) de la structure (1), ce système d'attache élastique doit être caractérisé par une raideur spécifique, égale au rapport de l'effort centrifuge minimum à partir du quel la transformation doit se déclenché et de la déflexion résultante.
^centrifuge min
x
^centrifuge — ù) R
Sachant que :
R ·■ rayon, distance séparant le point (20)de l'axe principal E 'centrifuge '■ Rendement de la turbine
m: la masse de l'aubage (des deux semi
— aubes et des axes de l'aubage)
Et la vitesse de rotation est égale à :
ϋ
Sachant que :
ω : la vitesse de rotation
ΰ : Rendement de la turbine
Vv: la vitesse de V écoulement.
Et la force centrifuge est égale à :
k— m—
R x
Et au fure et à mesure que le processus de transformation avance le point (21) - qui représente l'extrémité bord d'attaque de la semi-aube-intrados - se déplace sur la rainure de forme semi-elliptique (ellipse base de la rainure (22)). Donc la valeur de R sera variable :
1
R =
sin Θ cos Θ
a2
Avec : 9: un angle qui varie entre (π et -)
Le changement de la vitesse du vent produit un changement proportionnel de la vitesse de rotation de la turbine, ce changement est dû au changement des paramètres aérodynamiques suite à l'écoulement du vent autour de l'éolienne, dans un premier temps le dispositif est dans une configuration initiale de type Savonius, l'écoulement du vent autour de l'aube produit un effort de type traînée, la distribution de l'effort sur la surface de l'aube exerce une pression sur cette surface, cette pression ayant le même sens que celui de l'écoulement, la turbine commence son cycle de rotation.
Au fure et à mesure que l'écoulement est plus important (la vitesse du vent augmente), la vitesse de rotation augmente aussi, un effort centrifuge est exercé sur les semi-aubes-intrados, due au changement au niveau du pois des deux semi-aubes.
Les semi-aubes-intrados représentent un degré de liberté en mode pivot par rapport au semi-aubes-extrados, ainsi qu'un degré de liberté en mode appuis plan guidé par la rainure (18) sur les deux supports de la structure de la turbine.
Une fois l'effort centrifuge deviens plus important que la raideur de l'élément d'attache (19), il entraine un déplacement du semi-aube-intrados sur la rainure guide (18), jusqu'à ce que les deux surfaces se rejoigne, et le semi-aube-extrados freine le déplacement du semi-aube-intrados.
Les figures I, J, K, L, M et N montre le déroulement du procédé de transformation.
Ce dispositif à l'avantage de pouvoir exploité les deux efforts résultants de l'écoulement, la traîné et la portance, à travers le dispositif de transformation qui permet de basculer entre deux configurations Savonius ou Darrieus, donc de combinée les avantage des deux configuration, la transformation se fait en fonctionnement de la vitesse de l'écoulement, dans un premier cas la turbine se trouve dans sa configuration par défaut (la Savonius) au fur-et-à-mesure que la vitesse de l'écoulement augmente, la turbine à tendance d'augmenté sa vitesse de rotation.
La disposition initiale des aubes, permet d'avoir une architecture similaire à celle des turbines éoliennes de type Savonius, et avec l'augmentation de la vitesse de rotation, le dispositif assure une transformation de la turbine d'une configuration Savonius à une Darrieus, pour aboutir au profil de la configuration recherchée.
Les figures N, O, P, Q et R montre les deux configurations initiale et final de la turbine, en vue frontale et vue tri-métrique en coupe longitudinale.
Après étude des dispositions et configurations des éoliennes, on peut constater que les configurations Savonius et Darrieus représentent des complémentarités au niveau du domaine de fonctionnement et aussi au niveau de la puissance récupérée, la figure S représentes les courbes caractéristiques des différentes configurations de turbine éoliennes, cette figure nous permet de voir l'intérêt de la combinaison des deux configuration Darrieus et Savonius, ainsi que la complémentarité que représente cette combinaison.
Les éolienne Savonius et Darrieus ont l'avantage de pouvoir exploité des vents très faibles (a partir de 0,5m/S) que les autres configurations ne peuvent pas exploiter, et leurs domaine en vitesse se complète, une fois l'éolienne Savonius entre dans le domaine d'extinction, la Darrieus reprend le relais et démarre a son tour se qui est présenté sur la figure V.
Donc l'avantage le plus important des turbines combinées (figure W)est au niveau du domaine de fonctionnement en vitesse, qui est plus large par rapport aux autres configurations.
Le dispositif présenté dans se brevet représente un autre avantage par rapport aux autres configurations de turbine combinées (figure W), du au fait que le processus de transformation assure une continuité au niveau de la récupération de la puissance (figure X).

Claims

Revendications :
1. Dispositif de transformation d'écoulement de fluide (gazeux ou liquide), composé d'aubage transformable, exploitant les deux efforts aérodynamiques portance et traînée, contrôlé par un système exploitant l'effort centrifuge comme acteur de la transformation.
2. Dispositif selon la revendication (1), exploitant un système de guidage des aubes par rainure.
3. Dispositif selon les revendications (1) et /ou (2), avec un processus de transformation rotatif. D'un aubage composé et pliable.
4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, exploitant un système d'attache comme système de rappel et de régulation.
5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par la configuration géométrique présenté dans le descriptif, caractérisé par un aubage en matériau composite, plastique, ferrique ou autre matériau offrant des caractéristiques similaire a ceux décrit précédemment.
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