FR2574131A1 - Wind-powered device carrying a system for the production of photoelectric power - Google Patents

Abstract

The device comprises surfaces or blades 1 rotating around a rotor axis 4. The blades 1 carry photovoltaic cells 5 on their suction faces in order to convert the solar radiation received during the day into useful electrical power. The cells 5 can be produced on a flexible support so as to provide a perfect match to the shape of the suction faces of the blades 1 and they are connected in series and in parallel. The power collected is conveyed to the place of use by means of a rotating, adventageously mercury, contact. The system improves the ability to operate independently and increases the capacity of wind-powered devices with vertical or horizontal axes.

Description

La présente invention est relative aux éoliennes, c'est-à-dire à des transformateurs de l'énergie dynamique des vents en d'autres formes d'énergie. The present invention relates to wind turbines, that is to say transformers of dynamic wind energy into other forms of energy.

L'énergie disponible après transformation se présente généralement sous forme mécanique ou électrique. L'énergie mécanique peut être immédiatement utilisée comme par exemple dans les moulins à vent ou encore stockée en énergie potentielle accumulée, par exemple par pompage d'eau dont 1 'excé- dent est stocké dans un réservoir et peut être utilisé à tout moment. L'énergie électrique produite par un générateur de courant couplé à l'axe mécanique de l'éolienne peut être. The energy available after transformation is generally in mechanical or electrical form. Mechanical energy can be used immediately, for example in windmills, or stored as accumulated potential energy, for example by pumping water, the excess of which is stored in a tank and can be used at any time. The electrical energy produced by a current generator coupled to the mechanical axis of the wind turbine can be.

utilisée immédiatement en tout ou en partie et l'excédent éventuel stocké dans une batterie par l'intermédiaire d'un chargeur régulateur, comme il est connu.used immediately in whole or in part and any excess stored in a battery by means of a regulator charger, as is known.

Dans le but de capter le maximum d'énergie, on cherche à faire fonctionner les éoliennes le plus souvent possible, y compris en régime nocturne,surtout si,comme dans maints endroits isolés, aucune autre forme d'énergie n'est disponible ou ne ltest qu'à un prix dissuasif. In order to capture the maximum energy, we try to run the wind turbines as often as possible, including at night, especially if, as in many isolated places, no other form of energy is available or does not It is only at a dissuasive price.

Par ailleurs, en l'absence de vent ou par vent très violent mettant automatiquement l'éolienne en panne, on peut se trouver privé de la quantité d'énergie disponible momentanément nécessaire. Aussi, a-t-on cherché à adjoindre au dispositif de stockage, lorsqu'il existe, d'autres sources d'alimentation. In addition, in the absence of wind or very strong wind automatically putting the wind turbine down, we can be deprived of the amount of energy available momentarily necessary. Also, we tried to add to the storage device, when it exists, other power sources.

On a ainsi proposé de disposer sur le pylône support de l'éolienne des cellules photovoltaïques. Celles-ci cependant ont nécessairement une orientation fixe, à moins d'adjoindre des dispositifs fort coOteux et peu fiables pour suivre le soleil dans sa course diurne et cette solution se révèle donc tout-à-fait insatisfaisante.  It has thus been proposed to have photovoltaic cells on the wind turbine support pylon. However, these necessarily have a fixed orientation, unless there are very expensive and unreliable devices to follow the sun in its daytime course and this solution therefore proves to be entirely unsatisfactory.

Partant du fait que les éoliennes présentent des surfaces tournantes, pales, aubes, ou autres, exposées en gêné ral en plein air, et dans des sites suffisamment dégagés et non ombragés, car souvent en élévation par rapport à ltenvi- ronnement, et que ces surfaces sont donc de -jour périodiquement exposées au rayonnement solaire et à tour de rôle, une surface venant en exposition quand la précédente cesse de l'être, l'invention propose d'équiper ces surfaces tournantes elles-mêmes de cellules photovoltaïques convertissant l'énergie photonique solaire en énergie électrique. Based on the fact that wind turbines have rotating surfaces, blades, blades, or other, exposed in general awkward outdoors, and in sufficiently clear and unshaded sites, because often in elevation relative to the environment, and that these surfaces are therefore periodically exposed to solar radiation and in turn, a surface coming into exposure when the previous one ceases to be, the invention proposes to equip these rotating surfaces themselves with photovoltaic cells converting the solar photonic energy into electrical energy.

Les récents progrès réalisés dans la technologie des semi-conducteurs permet d'équiper les surfaces tournantes sans accroissement notable de masse et d'obtenir un compromis entre l'énergie électrique recueillie et son prix de revient rendant cette solution très compétitive par rapport à d'autres sources d'énergie disponibles sur le site. The recent progress made in semiconductor technology makes it possible to equip rotating surfaces without significant increase in mass and to obtain a compromise between the electrical energy collected and its cost price making this solution very competitive compared to other energy sources available on site.

L'invention dont les caractéristiques font l'objet des revendications sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit et pour l'intelligence de laquelle on se reportera aux dessins dont
La figure 1 montre en perspective l'ensemble du rotor d'une éolienne en position de fonctionnement par vent faible, donc tournant à faible-vitesse et à laquelle est appliquée l'invention,
La figure 2 est une vue analogue mais en position de vent fort, la vitesse étant au voisinage de son maximum et les aubes étant en position de fermeture presque complète
La figure 3 illustre une disposition de cellules réceptrices adaptée à la géométrie des aubes pour obtenir une plus grande surface active,,
Les figures 4 et 5 montrent une autre disposition des cellules réceptrices,
La figure 6 représente un rotor en position fermée où la disposition des cellules s'apparente à la précédente,
La figure 7 montre une aube vue de l'intérieur mettant en évidence une possibilité de connexion électrique,
La figure 8 représente un collecteur tournant pouvant être utilisé en relation avec les modes d'exécution précédents,
et la figure 9, un autre collecteur tournant pouvant
être utilisé avec une éolienne à axe horizontal.The invention, the features of which are the subject of the claims, will be better understood in the light of the following description and for the understanding of which reference will be made to the drawings,
FIG. 1 shows in perspective the whole rotor of a wind turbine in the operating position in light wind, therefore rotating at low speed and to which the invention is applied,
Figure 2 is a similar view but in the strong wind position, the speed being in the vicinity of its maximum and the blades being in the almost complete closed position.
FIG. 3 illustrates an arrangement of receiving cells adapted to the geometry of the blades to obtain a larger active surface,
FIGS. 4 and 5 show another arrangement of the receptor cells,
FIG. 6 represents a rotor in the closed position where the arrangement of the cells is similar to the previous one,
FIG. 7 shows a blade seen from the inside, showing a possibility of electrical connection,
FIG. 8 represents a rotary collector which can be used in relation to the previous embodiments,
and FIG. 9, another rotating collector which can
be used with a horizontal axis wind turbine.

L'invention peut s'appliquer à toute éolienne de type classique ou auto-régulée en vitesse, des cellules photovol -
talques étant disposées sur les faces extérieures, soit sur I 'extrados, des surfaces tournantes appelées plus généralement aubes dans ce qui suit. L'énergie fournie par l'éolienne ainsi équipée sera donc double en régime diurne : énergie mécanique primaire habituelle et énergie électrique, le tout avec transformation et/ou accumulation éventuelle.The invention can be applied to any wind turbine of conventional type or self-regulated in speed, photovoltaic cells -
talques being arranged on the external faces, ie on the upper surface, rotating surfaces more generally called blades in what follows. The energy supplied by the wind turbine thus equipped will therefore be double in daytime mode: usual primary mechanical energy and electrical energy, all with possible transformation and / or accumulation.

L'énergie électrique photovoltaïque recueillie sera maximale lorsque les aubes présenteront une surface maximale pour une puissance spécifique donnée. L'éolienne décrite dans le brevet FR 79 32 126 présente cette caractéristique, ce qui la rend particulièrement bien adaptée à une mise en oeuvre de l'invention, aussi référence est-elle faite dans ce qui suit à ce type d'éolienne. The photovoltaic electric energy collected will be maximum when the blades have a maximum surface for a given specific power. The wind turbine described in patent FR 79 32 126 has this characteristic, which makes it particularly well suited to an implementation of the invention, so reference is made in the following to this type of wind turbine.

L'implantation des cellules photovoltaïques sur l'extrados des aubes dépend des caractéristiques géométriques de ces aubes et de celles des cellules. Un dessin judicieux des surfaces de captage photonique sur chaque cellule élémentaire permet de concilier le rendement électrique et le rendement aéroaique. Pour réduire les pertes par frottement de l'air, on peut notamment utiliser avantageusement des cellules sur support souple, ce qui permet d'épouser exactement les formes profilées de l'extrados des aubes. The location of the photovoltaic cells on the upper surface of the blades depends on the geometric characteristics of these blades and those of the cells. A judicious drawing of the photon capture surfaces on each elementary cell makes it possible to reconcile the electrical efficiency and the aeronautical efficiency. In order to reduce the losses by friction of the air, it is in particular advantageous to use cells on flexible support, which allows to exactly match the profiled shapes of the upper surface of the blades.

Par ailleurs, le courant électrique fourni est collecté au moyen d'un contact tournant, de préférence au mercure ce qui permet un frottement faible et l'utilisation avec des éoliennes à axe vertical aussi bien qu'horizontal. Furthermore, the electric current supplied is collected by means of a rotating contact, preferably with mercury, which allows low friction and the use with wind turbines with vertical as well as horizontal axis.

Comme déjà dit, référence est faite pour exposer l'invention à une éolienne telle que celle qui fait ltobjet du brevet FR 79 32 126 et auquel on se reportera avantageusement pour tout détail n'appartenant pas spécifiquement à la présente invention. As already said, reference is made to expose the invention to a wind turbine such as that which is the subject of patent FR 79 32 126 and to which one will advantageously refer for any detail not belonging specifically to the present invention.

Cette éolienne,comme représentée schématiquement à la figure l,comporte quatre aubes 1 montées chacune à rotation autour d'un axe de pivotement 2 solidaire d'une noix centrale3 elle-méme pivotante autour de l'axe général 4 de rotation de l'éolienne. Des cellules photovoltaiques 5 sont fixées de façon; perrisanente et par tout moyen approprié sur la surface extérieure, donc l'extrados des aubes 1. Le nombre, les dimensions et la distribution de ces cellules 5 dépendeot de la géométrie des aubes 1 et des cellules 5. L'implantation se fait en sorte que le nombre de cellules installées reste compatible avec les caractéristiques électriques finales souhaitées pour l'installation. Un rendement électrique maximal peut, de façon connue, être obtenu par des connexions mixtes en série et en parallèle. This wind turbine, as shown diagrammatically in FIG. 1, comprises four blades 1 each mounted for rotation about a pivot axis 2 secured to a central nut 3 itself pivoting around the general axis 4 of rotation of the wind turbine . Photovoltaic cells 5 are fixed so; perrisanente and by any appropriate means on the external surface, therefore the upper surface of the blades 1. The number, the dimensions and the distribution of these cells 5 depend on the geometry of the blades 1 and of the cells 5. The implantation is done so that the number of cells installed remains compatible with the final electrical characteristics desired for the installation. Maximum electrical efficiency can, in known manner, be obtained by mixed connections in series and in parallel.

Sur la figure 2, du fait d'un vent plus fort, le dispositif d'autorégulation comprenant une noix de compensation 6 et des ressorts de tarage (figure 7) a fait se refermer les aubes 1, donnant au rotor une forme extérieure pratiquement cylindrique. On voit que la surface utile de réception du rayonnement solaire est rectangulaire, de longueur et largeur égales respectivement au diamètre et à la hauteur du rotor
Le rayonnement solaire S frappe ce rectangle selon une inclinaison variant entre l'inclinaison m de l'horizon géographique en début et fin de journée et l'inclinaison M quand le soleil culmine à midi. Sauf si le soleil est occulté par des nuages, on a donc à toute heure du jour captage de rayonnement solaire dont l'efficacité dépend évidemment de l'inclinaison momentanée de ce rayonnement par rapport aux aubes 1.In FIG. 2, due to a stronger wind, the self-regulating device comprising a compensating nut 6 and calibration springs (FIG. 7) caused the blades 1 to close, giving the rotor a practically cylindrical external shape. . It can be seen that the useful surface for receiving solar radiation is rectangular, of length and width equal respectively to the diameter and to the height of the rotor.
The solar radiation S strikes this rectangle at an inclination varying between the inclination m of the geographic horizon at the start and end of the day and the inclination M when the sun peaks at noon. Unless the sun is obscured by clouds, we therefore collect solar radiation at all hours of the day, the efficiency of which obviously depends on the momentary inclination of this radiation relative to the blades 1.

Les cellules photovoltaïques 5 aux figures 1 et 2 sont de forme classique circulaire. A la figure 3, les cellules élémentaires 8 ont un contour rectangulaire, ce qui permet un rendement de surface bien supérieur, puisque les zones inactives de l'extrados des aubes 1 sont ainsi réduites au minimum. The photovoltaic cells 5 in Figures 1 and 2 are of conventional circular shape. In FIG. 3, the elementary cells 8 have a rectangular contour, which allows a much higher surface yield, since the inactive zones of the upper surface of the blades 1 are thus reduced to a minimum.

Les figures 4 et 5 illustrent un autre mode d'implantation des cellules photovoltaïques elémentaires 9. Celles-ci sont portées par des segments de cônes 10 dont l'angle au sommet peut être choisi en fonction de la latitude du site d'exploitation. Figures 4 and 5 illustrate another mode of implantation of elementary photovoltaic cells 9. These are carried by segments of cones 10 whose angle at the top can be chosen as a function of the latitude of the operating site.

Cette disposition peut cependant être génératrice de remous d'air sur l'extrados des aubes 1 du fait des protubérances que représentent les segments des cônes 10 porteurs des cellules 9. Cet inconvénient est supprimé par la disposi tion illustrée par la figure 6 où les cellules élémentairesil sont disposées sur un tronc de cône unique résultant de la géométrie même des aubes.L'angle au sommet de ce cône peut être choisi comme dans le cas précédent. This arrangement can however generate air eddies on the upper surface of the vanes 1 due to the protuberances represented by the segments of the cones 10 carrying the cells 9. This drawback is eliminated by the arrangement illustrated in FIG. 6 where the cells they are arranged on a single truncated cone resulting from the geometry of the blades. The angle at the top of this cone can be chosen as in the previous case.

La figure 7 montre une aube 1 vue de l'intérieur. On voit l'axe de pivotement 2 maintenu sur la noix centrale 3, la noix de régulation 6 et les ressorts de tarage 7 permettant l'autorégulation. Les cellules élémentaires sont connectées entre elles par leurs poles positifs 12 et négatifs 13 en série et en parallèle, les groupements étant réalisés par tous moyens appropriés connus et compatibles avec les conditions climatiques et mécaniques pour assurer une bonne fiabilité. Les circuits de polarité positive et négative arrivent respectivement sur l'intrados en 14 et 15 où un départ est réalisé par un cordon bifilaire 16,de préférence enroulé en hélice autour de l'axe de pivotement 2. Cette disposition assure une certaine liberté de débattement au cordon 16 qui n'est ainsi pas affecté défavorablement lors des changements d'incidence de l'aube par rapport au vent.Le cordon 16 est acheminé ensuite vers l'axe général 4 du rotor au moyen d'un support radial 17 qui en outre le protège. L'axe 4 du rotor peut être creux et les cordons 16 sont alors avantageusement introduits à l'intérieur pour une meilleure protection. Si cet axe est plein, les cordons 16 seront conduits le long d'une de ses génératrices. Figure 7 shows a blade 1 seen from the inside. We see the pivot axis 2 held on the central nut 3, the regulating nut 6 and the calibration springs 7 allowing self-regulation. The elementary cells are connected to each other by their positive 12 and negative 13 poles in series and in parallel, the groupings being produced by any suitable means known and compatible with climatic and mechanical conditions to ensure good reliability. The circuits of positive and negative polarity arrive respectively on the lower surface at 14 and 15 where a start is made by a two-wire cord 16, preferably wound in a helix around the pivot axis 2. This arrangement ensures a certain freedom of movement to the cord 16 which is thus not adversely affected during changes in the incidence of the blade relative to the wind. The cord 16 is then routed to the general axis 4 of the rotor by means of a radial support 17 which besides protects it. The axis 4 of the rotor may be hollow and the cords 16 are then advantageously introduced inside for better protection. If this axis is full, the cords 16 will be conducted along one of its generatrices.

La figure 8 montre en coupe partielle un dispositif de captage de l'énergie électrique produite par les cellules photovoltaïques et acheminée par les cordons 16 précédents. FIG. 8 shows in partial section a device for capturing the electrical energy produced by the photovoltaic cells and conveyed by the preceding cords 16.

L'axe 4 du rotor supposé creux contient les câbles d'arrivée 17 prolongeant les cordons 16, un câble 17 étant donc neces- saire pour chaque aube 1. Les câbles 17 sortant de l'axe 4 par des traversées 18 contiennent les conducteurs positifs 19 et négatifs 20 dont les extrémités sont soudées sur des collecteurs 21 et 22 respectivement. Ces collecteurs 21, 22 sont constitués, par exemple, par des portions de cylindres en acier iroxydable maintenus en place par une pièce cylindrique isolante 23 fermement solidaire de l'axe du rotor 4. Une seconde pièce isolante 24 soiidaire du support fixe 25 de l'éolienne présente deux cavités annulaires 39, 40 emplies de mercure et dans lesquelles plongent les collecteurs 21 et 22. Deux conducteurs 26, 27 associés aux cavités 39, 40 permettent l'acheminement du courant vers l'utilisation à travers le support 25.On a ainsi réalisé une connexion tournante à très faibles pertes.The axis 4 of the supposedly hollow rotor contains the incoming cables 17 extending the cords 16, a cable 17 is therefore necessary for each blade 1. The cables 17 leaving the axis 4 via bushings 18 contain the positive conductors 19 and negatives 20, the ends of which are welded to collectors 21 and 22 respectively. These collectors 21, 22 are constituted, for example, by portions of stainless steel cylinders held in place by an insulating cylindrical piece 23 firmly secured to the axis of the rotor 4. A second insulating piece 24 is fixed to the fixed support 25 of the wind turbine has two annular cavities 39, 40 filled with mercury and into which the collectors 21 and 22 are immersed. Two conductors 26, 27 associated with the cavities 39, 40 allow the current to be routed to use through the support 25. has thus produced a rotating connection with very low losses.

Avantageusement, la pièce isolante 23 sera réalisée en matière transparente pour pouvoir contrôler le niveau de mercure des cavités 39 et 40. Un capot métallique 28, fixé sur l'axe 4 protège l'ensemble collecteur des agents atmosphériques, le jeu entre le capot 28 et le support 25 est ramené au minimum pour réduire l'évaporation du mercure,et ceux-ci présentent en outre deux lèvres pendantes 29, 30 destinées à s'opposer aux remontées d'eau dans le dispositif collecteur.  Advantageously, the insulating part 23 will be made of transparent material in order to be able to control the level of mercury in the cavities 39 and 40. A metal cover 28, fixed on the axis 4 protects the manifold assembly from atmospheric agents, the clearance between the cover 28 and the support 25 is reduced to the minimum to reduce the evaporation of the mercury, and these also have two hanging lips 29, 30 intended to oppose the upwelling of water in the collecting device.

Une réalisation analogue pour une éolienne à axe horizontal est illustrée à la figure 9. La pièce isolante 31 tournant avec l'axe 4 reçoit deux disques métalliques 32, 33 assurant les contacts tournants avec le mercure des cavités 34 et 35. Les conducteurs d'arrivée 19 et 20 sont ainsi connectés en permanence avec les conducteurs de départ vers l'utilisation 36 et 37. La pièce isolante 38 sera de préférence en matière transparente pour le contrôle du niveau de mercure.  A similar embodiment for a wind turbine with a horizontal axis is illustrated in FIG. 9. The insulating part 31 rotating with the axis 4 receives two metal discs 32, 33 ensuring the rotating contacts with the mercury of the cavities 34 and 35. The conductors of arrival 19 and 20 are thus permanently connected with the outgoing conductors to use 36 and 37. The insulating part 38 is preferably made of transparent material for controlling the level of mercury.

Claims (5)

F?EVEDIÎCAI0NSF? EVEDIÎCAI0NS 1.- Eolienne comportant des surfaces ou aubes (1) tournant autour d'un axe (4) , caractérisée par le fait que les aubes (1) sont porteuses sur leur extrados de cellules photovoltaïques (5, 8, 9, 11) destinées en régime diurne à transformer le rayonnement solaire (S) reçu en énergie électrique. 1.- Wind turbine comprising surfaces or blades (1) rotating around an axis (4), characterized in that the blades (1) are carriers on their upper surface of photovoltaic cells (5, 8, 9, 11) intended in daytime mode to transform the solar radiation (S) received into electrical energy. 2.- Eolienne selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les cellules (1, 8,9,11) sont réalisées sur un support souple leur permettant d'épouser les formes de l'extrados des aubes (1). 2.- Wind turbine according to claim 1, characterized in that the cells (1, 8,9,11) are made on a flexible support allowing them to match the shapes of the upper surface of the blades (1). 3.- Eolienne selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée par le fait que les cellules photovoltalques (9) sont disposées sur des surfaces tronconiques coaxiales à l'axe (4) de l'éolienne, de manière à présenter une inclinaison favorable au rayonnement solaire. 3.- Wind turbine according to claim 1 or claim 2, characterized in that the photovoltaic cells (9) are arranged on frustoconical surfaces coaxial with the axis (4) of the wind turbine, so as to have a favorable inclination to solar radiation. 4.- Eolienne selon la revendication 3, caractérisée par le fait que les cellules photovoltaïques (11) sont disposées sur une seule surface conique constituée par 1'extrados des aubes (1). 4. Wind turbine according to claim 3, characterized in that the photovoltaic cells (11) are arranged on a single conical surface constituted by the upper surface of the blades (1). 5.- Eolienne selon l'un quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que les cellules (5,8,9,11) de chaque aube (1) sont connectées en série et en parallèle et que l'énergie électrique produite est transmise vers l'utilisation par un collecteur à contacts tournants (21,22, 32,33) à bains de mercure (39,40,34,35).  5.- Wind turbine according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the cells (5,8,9,11) of each blade (1) are connected in series and in parallel and that the electrical energy produced is transmitted to use by a collector with rotating contacts (21,22, 32,33) in mercury baths (39,40,34,35).