WO2012177111A2

WO2012177111A2 - Eolienne a axe vertical, convertible, autoregule, combinant une savoni us et une darrieus, a aubage composee

Info

Publication number: WO2012177111A2
Application number: PCT/MA2012/000008
Authority: WO
Inventors: Mohamed ENNAJI; Janah SAADI
Original assignee: Université Hassan Ii - Casablanca
Priority date: 2011-06-24
Filing date: 2012-06-22
Publication date: 2012-12-27
Also published as: WO2012177111A3; MA33875B1

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 géometrie variable, utilisant un aubage composé, 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. Cette turbine débute son cycle avec une configuration Savonius, et au fur et à mesure que la vitesse du vent augmente, elle se transforme en plusieurs turbines de type Darrieus imbriquées. ce qui fait qu'elle exploite les efforts aérodynamiques de type portance et trainée, qui présentent des complémentarités à plusieurs niveaux.

Description

EOLIENNE A AXE VERTICAL, CONVERTIBLE, AUTOREGULE, COMBINANT UNE SAVONI US ET UNE DARRIEUS, A AUBAGE

COMPOSEE

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 concerne en générale, le domaine des turbines aérauliques et hydrauliques (des applications de type 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 à une génératrice, ou une exploitation mécanique directe pour des applications de pompage ou d'entrainement 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 à son tour de plusieurs blocs de pale (4) regrouper d'une façon à ce que la géométrie de l'aubage soit de forme semi-circulaire (Figure A et B).

Les pales sont fabriqué pour que le poids de la pale soit plus important au niveau de la partie bord de fuit (5), en ayant une forme géométrique (6) la plus proche possible à un profil aérodynamique de type GOE225 comme se qui est présenté dans la figure C, cette configuration de profil donne un meilleur rendement, vue qu'il se caractérise par l'avantage de pouvoir produire un couple (portance ; traînée) plus importante comme se que montre les deux figure Z. Pour avoir cette différence de poids, la partie bord d'attaque de la pale est fabriquée sous une configuration géométrique coque mince (7), creuse pour avoir le minimum de poids, et la partie bord de fuite sous une configuration pleine (8), avec un perçage (9) sur tout le long de la pale permettant de placer élément d'assemblage (10) (ex : Axe) qui permet d'assurer une liberté de rotation par une liaison mécanique pivot sur l'axe z perpendiculaire à la surface du profil aérodynamique, permettant une révolution complète, pour permettre la transformation, comme le présente la figure D.

La figure D représente une vue en coupe transversale d'une pale élémentaire, montrant sa géométrie ainsi que l'ensemble des éléments permettant son assemblage.

Les éléments de pale doivent être assemblés comme dans la figure E, pour former l'aubage d'une forme semi-circulaire, autour d'un cercle de référence (11).

La turbine est assemblée, d'une façon à ce que le cercle référence de l'aubage représente un entre-axe supérieur au rayon (R) de l'axe principale (2), sachant que l'entre- axe (12) est la distance séparant l'axe principale de la turbine, et l'axe fictif de l'aubage en position initiale ouverte comme présenté sur la figure F.

La structure (1) (rotor) sur laquelle l'aubage et solidaire, sera fixé a son tour a une autre structure porteuse fixe (stator) qui permettra la fixation de la turbine et aussi l'entrainement 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 éléments des aubages (des pales par rapport à la structure (1)) sera conditionnée par un système d'attache élastique (13) (ressort, fil élastique, ...) qui permet d'attaché l'extrémité bord de fuite (point Ppale) de chaque pale à un point (Pstructure) 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 Tïl C^' û R

Sachant que :

R■ rayan, distance séparant le point (20) de l'axe principal

^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

ϋ■ Rendement de la turbine

V_v: 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 les points (Ppale) - qui représente l'extrémité bord d'attaque de chaque pale se déplacent en rotation autour de l'axe porteur de chaque pale.

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 causé par l'écoulement du vent autour de l'éolienne.

Dans un premier temps le dispositif est dans une configuration initiale de type Savonius (Figure A), 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 éléments de l'aubage (pales), due a la distribution du poids sur les pales.

Description de la transformation :

La turbine est dans sa configuration initiale (figure G), et le vent commence à souffler, l'écoulement du vent autour de la turbine (14), exerce une pression sur l'aubage, cette pression produit un effort de portance ( 15) la fait tourné à une vitesse faible.

La vitesse du vent augmente se qui entraine une augmentation de la vitesse de rotation de la turbine, l'effort centrifuge (16) exercer sur les pale augmente aussi, une fois cet effort devient plus important que la raideur des éléments d'attaches ( 17), il entraine le déplacement circulaire des pales, l'angle de calage ( 18) (<Xj) de chaque pale varie (a, avec i indice de la pale) (Figure H), jusqu'à ce que l'effort centrifuge soit égal à l'effort exercé par l'élément d'attache sur la pale, ce qui freine le déplacement des pales, si le vitesse du vent continue à augmenté les pales continue la rotation, mais une fois la vitesse du vent est très importante, l'effort centrifuge fait incliner les pales jusqu'à ce que chaque pale atteint un angle de calage supérieur à l'angle de décrochage (a décrochage), a pale est en décrochage aérodynamique, donc la pale arrête sa rotation, et constitue un élément de freinage de la turbine, si toutes les pales décroches, l'effort de freinage deviens important, la vitesse de rotation baisse et les pales reprennent petit à petit leurs configurations initiales, et le dispositif est autorégulé par ce phénomène de décrochage aérodynamique.

Les figures I, J, K, L, M et N montre le déroulement du procédé de transformation.

Durant cette transformation, la turbine prend différentes formes, du a l'inclinaison des éléments de l'aubage (les pales), pendant la configuration initiale la turbine est similaire à une Savonius, mais une fois le processus de transformation se déclenche la turbine prend l'allure d'une turbine composé de plusieurs Darrieus comme ce qui est présenté sur les figure 0, P, Q, R, S et T , cette configuration produit un couple plus important et il représente la somme des couple produit par chaque turbine Darrieus, se qui rend la puissance produite par ce dispositif encore plus importante.

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 X 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 (à partir de 0,5m/S) que les autres configurations ne peuvent pas exploiter, leurs domaines en vitesse se complètent, 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 Yl.

Donc l'avantage le plus important des turbines combinées (figure Y2) 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 Y2), du au fait que le processus de transformation assure une continuité au niveau de la récupération de la puissance (figure Y3).

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 aubage composé par de pales.

3. Dispositif selon les revendications (1) et /ou (2), avec un processus de transformation rotatif des pales.

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 similaires à ceux décrit précédemment.

Figure C

Figure C