FR2944834A1 - Eolienne hybride a axe vertical - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une éolienne hybride à axe vertical comportant deux rotors concentriques et solidaires. Le rotor de type Savonius est constitué de deux étages superposés de dimensions équivalentes et décalés d'un angle de 90°. Chaque étage comporte deux aubes semi cylindriques ayant un recouvrement permettant l'écoulement de l'air entre les aubes. Les pales du rotor de type Darrieus sont verticales et droites, et leur profil est biconvexe. Ces pales sont au nombre de 2 minimum et de 8 maximum. Chaque extrémité de pale est pourvue de 2 ailettes, l'une orientée vers l'intérieur du rotor et l'autre vers l'extérieur.

Description

La présente invention concerne une éolienne hybride à axe verticale optimisant la mise en oeuvre mixte de rotors de type Savonius et Darrieus. Ce rotor hybride permet d'optimiser et de conjuguer les qualités de chacun de ces rotors en en annulant les faiblesses réciproques. Les éoliennes à axe horizontal classique sont performantes en zone dégagée, quand un vent fort et régulier est assuré. Ceci impose des rotors positionnés à de grandes hauteurs qui impliquent par là même un coût d'implantation important et des démarches administratives lourdes. 10 D'autre part, les éoliennes de type Savonius ne permettent pas d'obtenir des puissances élevées sans devenir fragiles. Leur vitesse de rotation reste lente et leur puissance développée faible même si leur couple est élevé. Les éoliennes de type Darrieus ont l'impossibilité de démarrer de façon 15 autonome et doivent donc être amorcées par un lanceur mécanique, d'autre part leur couple reste faible même si leur vitesse de rotation comme leur puissance développée sont élevées. L'effet de vortex en bout de pale Darrieus traditionnelle, effet bien connu dans le monde aéronautique, augmente la traînée de la pale et donc la résistance à son avance en rotation, mais est aussi 20 générateur de turbulences diminuant ainsi fortement le potentiel de portance de l'air pour le passage de la pale suivante. Pour toutes ces raisons, ces différents types d'éoliennes sont donc peu compatibles avec un objectif de production d'énergie à faible coût, seul garant de sa large diffusion.

25 L'éolienne hybride faisant l'objet de cette invention permet de palier à ces différents inconvénients. Cette éolienne bénéficiant en outre des avantages généraux offerts par tous les types d'éoliennes verticales : insensibilité aux perturbations et phénomènes tourbillonnants, résistance aux vents extrêmes, permet d'envisager son utilisation par des particuliers ou de 30 petites et moyennes structures industrielles ou commerciales de façon simple, pour satisfaire partiellement leurs besoins ou atteindre éventuellement leur autonomie en production électrique avec un coût d'implantation très limité.

La partie du rotor, de type Savonius, a principalement pour but d'obtenir un couple important mais aussi de permettre la mise en rotation de la partie Darrieus du rotor. Ce rotor Savonius est composé de 2 étages, chacun composé de 2 pales symétriques, semi-cylindriques, orientés verticalement, disposées symétriquement par rapport à l'axe du rotor et ayant une zone de recouvrement e, du diamètre d qui permet d'obtenir un ratio 0<_e/d<_1/3. Ce recouvrement permet d'obtenir un écoulement du vent de l'aube prenant le vent, dans l'aube remontant le vent en optimisant ainsi l'effet de poussée du vent.

De plus les rotors de type Savonius à simple étage ont l'inconvénient majeur d'avoir certains angles rotor/vent pour lesquels le couple polaire dégagé est nul ou légèrement négatif. Ceci a pour conséquence une absence de mise en rotation si l'angle rotor/vent effectif coïncide avec celui ayant un couple nul quand les vents restent faibles. Pour des vents élevés, les rafales auront pour effet la mise en rotation du système quel que soit l'orientation du rotor. De plus, lorsqu'un vent faiblit, le rotor s'arrête naturellement dans la position de moindre couple, ce qui rend plus difficile le redémarrage avec un vent de même direction. Cette forte variation de couple a pour effet secondaire d'induire des phénomènes vibratoires néfastes importants au niveau de la structure. Cet effet est annulé par la superposition de 2 étages de type Savonius, décalés de 90°. L'addition des couples de ces 2 étages permet l'obtention d'un couple polaire quasi constant quel que soit l'angle rotor/vent. Cela permet d'obtenir un démarrage de l'ensemble quel que soit l'angle rotor/vent, mais aussi et surtout de réduire considérablement les phénomènes vibratoires dus à cette variation du couple polaire au cours de la rotation.

Le rotor de type Darrieus est composé de plusieurs pales verticales droites à profil biconvexe. Le principale inconvénient de ce type de rotor pris indépendamment est de ne pas pouvoir se mettre en rotation sans aide extérieure, ce qui est résolu par la présence du rotor de type Savonius. La présence concomitante des rotors de type Savonius et Darrieus impose certains impératifs pour limiter les interférences réciproques de chacun des éléments.

Notamment la distance entre les pales des deux rotors Darrieus et Savonius doit permettre un écoulement suffisant de l'air et limiter les turbulences. Les pales de Darrieus sont donc maintenues par des bras permettant d'avoir une distance suffisante entre le rayon décrit par la pale de Darrieus et le rayon extérieur des aubes de Savonius. Les pales Darrieus dépassent en hauteur, soit dans la partie supérieure, soit dans la partie inférieure, soit dans chacune des parties, la hauteur du rotor Savonius. Ceci est rendu nécessaire pour que les pales Darrieus aient une zone d'ombre limitée au passage sous le vent du rotor Savonius.

Les extrémités des pales de Darrieus sont munies d'ailettes équivalentes à celles retrouvées sur les ailes de nombreux avions actuels. Ces ailettes permettent d'obtenir une augmentation significative de la portance des pales et d'accroitre ainsi directement le rendement du rotor. De plus elles engendrent une réduction très importante des turbulences à effet de vortex dues à la traînée des pales. La protection contre ce phénomène de tourbillon marginal, est d'autan plus appréciable que ces turbulences ont pour effet de perturber la pale suivante. Effectivement les pales passent successivement au même endroit rapidement, les rendant sensibles à ce type de perturbations.

Le phénomène de tourbillon marginal en extrémité de pale avec création d'un vortex est du à la différence de pression entre le flux d'air passant en intrados de la pale, en surpression, et le flux d'air passant en extrados de la pale qui est en sous pression. L'ailette récupère une partie de l'énergie du tourbillon et le diffuse en ayant pour effet d'augmenter l'allongement virtuel de la pale et de réduire la traînée induite par la portance grâce à la diminution du tourbillon marginal. A la différence des ailes d'avion, les pales travaillent en portance sur chaque face alternativement. A chaque extrémité des pales deux ailettes sont présentes, chacune sur une face de la pale, l'une orientée vers l'intérieur du rotor et l'autre vers l'extérieur. Elles sont symétriques l'une par rapport à l'autre ou légèrement asymétrique pour chaque face de la pale pour palier les perturbations liées au passage sous le vent de la partie centrale du rotor. Le profil de ces ailettes est trapézoïdal et elles forment un angle avec la pale qui peut être ajusté suivant le profil de la pale et les perturbations propres au dimensionnement spécifique de chaque rotor. Les dessins en annexe illustrent l'invention sur les points suivants : Figure 1 : vue de dessus d'une éolienne ayant 2 pales Darrieus, et les aubes Savonius sur 2 étages sont représentées en pointillés. Figure 2 : vue de face permettant la visualisation des aubes basses de a face et des aubes de l'étage supérieure de profil . Figure 3 : schéma de principe de la Savonius double étage Figure 4 : schéma de principe de la Savonius simple étage Figure 5 : détail d'une ailette Figure 6 : couple polaire d'une Savonius à simple étage Figure 7 : couples polaires superposés de 2 étages de Savonius Figure 8 : couple polaire d'une Savonius à double étage Figure 9 : profil de pale Darrieus Figure 10 : angle entre la pale Darrieus et l'ailette En référence aux figures 1, 2 et 3, l'éolienne hybride est composée en son centre de deux étages de rotor Savonius d'une hauteur identique. Les deux 20 étages sont décalés d'un angle de 90° l'un par rapport à l'autre. La figure 6 met en évidence les fortes variations de couple polaire d'un étage simple de rotor Savonius. La figure 7 met en évidence les couples polaires superposés de deux étages simples décalés de 90°. L'absence de perturbations significatives entre les deux étages permet de valider la figure 8 25 qui est la somme des couples polaires des deux étages superposés décalés de 90°. La comparaison des figures 6 et 8 permet de mettre en évidence l'intérêt de cet assemblage. Les variations de couple sont fortement atténuées, permettant d'assurer une rotation générant des vibrations dues à ces variations de couple très fortement limitées. 30 La figure 4 illustre que chaque étage est composé de 2 aubes semicylindriques symétriques de diamètre (d), ayant un chevauchement (e) au niveau de l'axe de rotation. Ce chevauchement a une valeur permettant d'obtenir le ratio e/d compris entre 0<_e/d<_1 /3. Les figures 1 et 2 illustrent un exemple de l'éolienne hybride équipée de deux pales de rotor Darrieus. Ces pales peuvent être d'un nombre supérieur 5 ou égal à 2, en restant inférieur ou égal à 8. Les pales du rotor Darrieus ont un profil biconvexe comme présenté sur la figure 9. Ce profil est principalement défini par sa longueur de profil (Li ), sa hauteur maximum(H) et la longueur entre le bord d'attaque et la hauteur maximum (L2). Ce profil respect les points suivants : 10 • Le point du profil où apparaît la hauteur (H) est positionné de telle sorte que : L2/Ll 5_1/3 • Le rapport entre la plus grande hauteur (H) et la longueur de la pale (Ll) doit être tel que : 15 1/3 H/Ll 1/15 Comme l'illustre la figure 1, les bras supportant les pales Darrieus ont un rayon permettant l'obtention d'une certaine distance entre les deux rotors. Le rapport entre le rayon (Rd) du bras de la pale de Darrieus et le rayon extérieur des aubes de Savonius (Rs) est d'au minimum : 20 Rd/Rs ? 1,1 La figure 2 montre le rapport entre la hauteur des pales Darrieus (Nd) et la hauteur des pales Savonius (Hs) qui doit être d'au minimum Hd/Hs>1 La figure 10 montre l'angle formé entre les ailettes présentes en 25 extrémité des pales de Darrieus et les pales elles même. Cet angle ((i) peut varier dans l'intervalle : 45°<_(3<_90°.

La figure 5 montre le trapèze formé par l'ailette ayant pour base en contact avec la pale, son coté le plus large, le ratio entre le coté opposé (OP) et la base (B) est compris dans l'intervalle : 05 OP/B 51 Le ratio entre la hauteur (H) du trapèze et sa base (B) est compris dans l'intervalle : 0,1 <_ H/B 5.2.

10 L'homme de l'art pourra jouer avec l'ensemble de ces différents paramètres pour modifier les caractéristiques du rotor de l'éolienne hybride pour l'optimiser en fonction de l'usage attendu, priorité au couple ou à la vitesse de rotation, mais aussi en fonction de la vitesse moyenne de vent attendu sur le site d'implantation prévu.

15 La fabrication de cette invention n'est pas limitée au mode de réalisation proposé ici mais peut s'étendre à toute modification évidente pour l'homme de l'art. Une éolienne réalisée suivant les prescriptions de la présente invention résout les carences liées à celles de l'art antérieur, en offrant un couple polaire 20 quasi constant, un démarrage autonome, un couple important et une vitesse de rotation élevée. De plus cette éolienne de construction simple permet d'obtenir un cout de fabrication extrêmement faible aux vues de ses performances. Ceci permet d'en envisager l'utilisation dans de nombreuses applications jusqu'ici 25 non rentables en production éolienne.5

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Eolienne à axe verticale hybride Savonius et Darrieus, caractérisée en ce qu'elle comprend : un rotor Savonius à deux étages superposés et de taille équivalente. Ils sont décalés l'un par rapport à l'autre d'un angle de 90°. Chacun de ces étages est composé de 2 aubes semi-cylindriques dans l'axe vertical de diamètre (d), ayant un recouvrement de valeur (e). - un rotor Darrieus, solidaire du rotor Savonius, composé de plusieurs pales 10 droites et verticales. Ces pales ont un profil biconvexe. - A chaque extrémité des pales du rotor Darrieus deux ailettes sont présentes, chacune sur une face de la pale, l'une orientée vers l'intérieur du rotor et l'autre vers l'extérieur. Elles sont symétriques l'une par rapport à l'autre ou légèrement asymétrique pour chaque face de la pale. 15
2. 2. Eolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le chevauchement au niveau des bords centraux des aubes du rotor Savonius réponde à la caractéristique suivante : 0 <_ e/d 1 /3
3. 3. Eolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le nombre de pales du rotor Darrieus soit supérieur ou égal à 2, en restant inférieur ou égal 20 à 8.
4. 4. Eolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le rapport entre la longueur totale du profil de la pale (Li) et la distance entre le bord d'attaque de la pale, à son point le plus large, (L2), réponde à la caractéristique suivante : L2/Ll 1 /3 25
5. 5. Eolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le rapport entre la largeur maximale de la pale (H) et sa longueur (Li ), réponde à la caractéristique suivante : 1/3 H/Li 1/15
6. 6. Eolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le rapport entre le rayon (Rd) du bras de la pale de Darrieus et le rayon extérieur des aubes de Savonius (Rs), réponde à la caractéristique suivante : Rd/Rs ? 1,1
7. 7. Eolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le rapport entre la 5 hauteur des pales Darrieus (Hd) et la hauteur des pales Savonius (Hs) réponde à la caractéristique suivante : Hd/Hs>1
8. 8. Eolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'angle ((3) formé entre les ailettes présentes en extrémité des pales de Darrieus et les pales elles même, peut varier dans l'intervalle : 45° <_ 90° 10
9. 9. Eolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le rapport entre la base (B) du trapèze formé par l'ailette et son coté opposé (OP) réponde à la caractéristique suivante : 0 <_ OP/B <_1
10. 10. Eolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que concernant l'ailette de la pale Darrieus, le rapport entre sa hauteur (H) et sa base (B) 15 réponde à la caractéristique suivante : 0,1 <_ H/B <_ 2