FR2859247A1 - Wind turbine, has air passage reducing unit to reduce air passage through small opening until it is sealed, in case of useful wind, and to liberate opening fully, in case of high-powerful wind - Google Patents

Abstract

The turbine has a vertical axle (2) with a sleeve in which a coaxial shaft (6) is mounted. Two cups (7, 8) turn around the axle and form a frame that presents a large opening (15) for an air inlet, and a small opening (16) for an air outlet. An air passage reducing unit reduces air passage through the opening (16) until the opening is sealed, in case of useful wind, and unseals the opening (16) fully, in case of high-powerful wind.

Description

2859247 12859247 1

EOLIENNE A AXE VERTICAL, L'invention se rapporte au domaine technique des éoliennes.  The invention relates to the technical field of wind turbines.

La raréfaction annoncée des énergies fossiles a stimulé depuis ces vingt dernières années les recherches de moyens de convertir l'énergie éolienne en énergie mécanique, thermique ou électrique utilisable dans les activités humaines.  The announced scarcity of fossil fuels has stimulated, over the past twenty years, research into ways of converting wind energy into mechanical, thermal or electrical energy that can be used in human activities.

La grande majorité des éoliennes actuelles sont construites avec un rotor de type hélice, monté sur un arbre principal horizontal. De tels produits peuvent être trouvés sous les dénominations suivantes: Bonus 1MW, 1.3 MW et MMW, Cita CM CAP HORN, Dewind modèles D4, D6 ou D8, Enerco modèles E30, E40, E58, E66, Enronwind modèles 750i, Gamesa Eolica modèles G47, G52, G58, G66 et G80, Negmicon, Turbowinds T400-34, Vergnet, Vestas V47, V52, Windmaster WM28, WM43.  The vast majority of current wind turbines are built with a propeller-type rotor mounted on a horizontal main shaft. Such products can be found under the following denominations: 1MW Bonus, 1.3 MW and MMW, Cita CM CAP HORN, Dewind D4, D6 or D8 models, Enerco E30 models, E40, E58, E66, Enronwind 750i models, Gamesa Eolica G47 models , G52, G58, G66 and G80, Negmicon, Turbowinds T400-34, Vergnet, Vestas V47, V52, Windmaster WM28, WM43.

On connaît par ailleurs des aéromoteurs à axe vertical, ces produits 15 ayant faits pour la plupart l'objet de développements techniques plus anciens que ceux liés aux éoliennes à axe principal horizontal.  Vertical axis wind motors are also known, these products having for the most part been the subject of technical developments older than those connected with wind turbines with horizontal main axis.

Des exemples d'éoliennes à axe vertical peuvent être trouvés dans les documents suivants: BE-885 867 au nom de Leblanc, FR-368 392, FR-549 263, FR-2 218 778, WO 01/86140, WO 96/30647, EP-0 334 241, EP-0 336 268, brevets américains délivrés sous les numéros 303 585, 1 342 318, 1 364 681, 1 835 018 au nom de Darrieus, 3 930 750, 4 004 861, 4 015 911, 4 037 989, 4 052 134, 4 115 027, 4 177 014, 4 142 832, 4 209 281, 4 245 958, 4 365 935, 4 496 283, 4 534 703.  Examples of vertical axis wind turbines can be found in the following documents: BE-885 867 in the name of Leblanc, FR-368 392, FR-549 263, FR-2 218 778, WO 01/86140, WO 96/30647 , EP-0 334 241, EP-0 336 268, US Patents issued under numbers 303,585, 1,342,318, 1,364,681, 1,835,018 to Darrieus, 3,930,750, 4,004,861, 4,015,911, 4,037,989, 4,052,134, 4,115,027, 4,177,014, 4,142,832, 4,209,281, 4,245,958, 4,365,935, 4,496,283, 4,534,703.

Dans ces éoliennes à axe vertical, il est généralement possible d'éviter l'orientation de l'ensemble de la turbine par rapport à la direction du vent, et aussi de placer l'organe de transformation d'énergie, comme une génératrice d'électricité, en bout de l'axe vertical de la turbine, au niveau du sol.  In these vertical axis wind turbines, it is generally possible to avoid the orientation of the turbine assembly with respect to the wind direction, and also to place the energy transforming member, like a generator of electricity, at the end of the vertical axis of the turbine, at ground level.

Certains de ces modèles anciens d'éolienne à axe vertical sont dérivés du rotor de Savonius: rotors à traînée différentielle tels qu'anémomètres à coupelles.  Some of these older models of vertical axis wind turbines are derived from the Savonius rotor: differential drag rotors such as cup anemometers.

2859247 2 D'autres dérivent du rotor de Darrieus: rotors à circulation instationnaire, à variation cyclique de pas et aubes fixes, les aubages étant généralement biconvexes et symétriques, voir par exemple les produits dénommés Flowind.  2859247 2 Others derive from the Darrieus rotor: unsteady-flow rotors with cyclic variation of pitch and vanes, the vanes being generally biconvex and symmetrical, see for example the products called Flowind.

D'autres encore sont des machines à clapet ou ailes battantes.  Still others are flapper machines or swing wings.

On connaît également des rotors à circulation instationnaire, à variation cyclique de pas et aubes mobiles, dits Cyclogiro dans lesquels la variation cyclique du pas est commandée par une transmission mécanique ou électrique à partir d'un organe détecteur de la direction du vent.  Circumstantially unsteady flow cyclers with cyclic variation of pitch and moving blades, known as Cyclogiro, are also known in which the cyclic variation of the pitch is controlled by a mechanical or electrical transmission from a sensor member of the wind direction.

On connaît aussi des systèmes de turbine à axe vertical, à circulation instationnaire et à effet d'orientation cyclique des aubes du rotor, qui pivotent chacune selon un axe vertical sous l'action combinée du vent et des forces élastiques développées par des tendeurs en caoutchouc ou des contrepoids.  Also known are vertical axis turbine systems, with unsteady circulation and cyclic orientation of the rotor blades, which each rotate along a vertical axis under the combined action of wind and elastic forces developed by rubber tensioners or counterweights.

Les risques de rupture liées aux survitesses, lors de tempêtes ou de rafales, figurent parmi problèmes techniques les plus complexes à résoudre pour un bon fonctionnement des éoliennes.  The risks of failure due to overspeed, during storms or bursts, are among the most complex technical problems to solve for proper operation of wind turbines.

Dans les éoliennes actuelles, le contrôle de la puissance de sortie, en cas de rafales, est assuré par régulation passive ou régulation active (décrochage aérodynamique), certaines éoliennes anciennes comportant des ailerons ou volets identiques dans leur principe à ceux d'avions.  In today's wind turbines, the control of the output power, in the event of gusts, is ensured by passive regulation or active regulation (aerodynamic stall), some old wind turbines having fins or flaps identical in principle to those of aircraft.

La plupart des conceptions antérieures proposent le débrayage mécanique, en cas de survitesse. On peut se référer, par exemple, aux document FR555175.  Most previous designs offer mechanical release, in case of overspeed. For example, document FR555175 may be referred to.

Le document FR 2392250 décrit une turbine éolienne comprenant un axe vertical et pourvue d'une série de bras sur chacun desquels est articulée une pale, les pales pivotant entre une position verticale, en l'absence de vent, et une position horizontale lorsque le vent est fort.  The document FR 2392250 describes a wind turbine comprising a vertical axis and provided with a series of arms on each of which is articulated a blade, the blades pivoting between a vertical position, in the absence of wind, and a horizontal position when the wind is strong.

Dans certaines réalisations, la surface des pales est variable: WO 81/03204, WO 84/02163, EP-0 450 696, US 4 566 853, US 5 808 369.  In some embodiments, the surface of the blades is variable: WO 81/03204, WO 84/02163, EP-0 450 696, US 4,566,853, US 5,808,369.

2859247 3 L'invention vise à fournir une nouvelle structure d'éolienne à axe vertical comprenant des moyens de neutralisation plus efficace et plus rapide des effets d'un vent surpuissant, par rapport aux dispositifs connus antérieurement.  The object of the invention is to provide a new vertical axis wind turbine structure comprising means for more effective and faster neutralization of the effects of an overpowering wind, compared with previously known devices.

A cette fin, l'invention se rapporte, selon un premier aspect, à une éolienne à axe vertical comprenant au moins un godet tournant autour dudit axe, ce godet étant pourvu d'une grande ouverture d'entrée d'air, et d'une ouverture plus petite de sortie d'air, des moyens étant aptes à réduire la section de passage d'air au travers de l'ouverture de sortie, jusqu'à sensiblement obturer celle-ci, en cas de vent utile, et libérer totalement cette ouverture de sortie, en cas de vent surpuissant.  To this end, the invention relates, in a first aspect, to a vertical axis wind turbine comprising at least one bucket rotating about said axis, this bucket being provided with a large air inlet opening, and a smaller opening of the air outlet, means being able to reduce the air passage section through the outlet opening, to substantially close it, in case of useful wind, and completely release this exit opening, in case of overpowering wind.

Selon diverses réalisations, l'éolienne présente les caractéristiques suivantes, le cas échéant combinées: les moyens de réglage de section de passage d'air comprennent un corps interne au godet, ce corps coulissant suivant un plan incliné par rapport 15 à un plan perpendiculaire à l'axe vertical d rotation; le corps interne coulissant est sensiblement cylindrique; elle est pourvue de moyens mécaniques de commande du coulissement du corps interne au godet, ces moyens de commande étant aptes à assurer un mouvement synchrone de corps internes à au moins deux godets; elle est pourvue de deux godets sensiblement identiques montés solidaires d'un manchon externe de l'axe vertical, les moyens de commande comprenant un arbre coaxial interne audit manchon, cet arbre étant coulissant et tournant par rapport audit manchon, des moyens de liaison reliant mécaniquement le corps interne coulissant audit arbre; les moyens de liaison comprennent pour chaque godet une équerre externe et une équerre interne articulées autour d'un axe commun et reliées chacune à l'axe de coulissement du corps interne, l'équerre interne étant reliée à l'arbre par une cornière.  According to various embodiments, the wind turbine has the following characteristics, if any combined: the air passage section adjustment means comprise a body internal to the bucket, this body sliding along a plane inclined with respect to a plane perpendicular to the vertical axis of rotation; the inner sliding body is substantially cylindrical; it is provided with mechanical means for controlling the sliding of the body internal to the bucket, these control means being able to ensure a synchronous movement of internal bodies to at least two buckets; it is provided with two substantially identical buckets mounted integral with an outer sleeve of the vertical axis, the control means comprising a coaxial shaft internal to said sleeve, this shaft being slidable and rotating relative to said sleeve, connecting means connecting mechanically the internal body sliding to said shaft; the connecting means comprise for each bucket an outer bracket and an inner bracket hinged about a common axis and each connected to the sliding axis of the inner body, the inner bracket being connected to the shaft by an angle.

2859247 4 D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront plus complètement au cours de la description suivante de modes de réalisation, description qui va être effectuée en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est un schéma cinématique d'ensemble d'une éolienne selon l'invention; la figure 2 est une vue en perspective d'une éolienne selon un mode de réalisation; - la figure 3 est une vue en perspective de détail.  Other objects and advantages of the invention will become more fully apparent from the following description of embodiments, which description will be made with reference to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 is a general cinematic diagram of FIG. a wind turbine according to the invention; Figure 2 is a perspective view of a wind turbine according to one embodiment; - Figure 3 is a perspective view of detail.

L'éolienne 1 comprend un axe vertical 2 monté tournant par rapport à un support 3 fixé, par exemple par vissage, à une structure de génie civil tel que par exemple un socle béton 4. L'axe vertical 2 comprend un manchon externe 5 dans lequel est un arbre coaxial interne 6 est monté tournant, cet arbre interne 6 saillant au delà du bord supérieur du manchon externe 5, à l'opposé du socle 4.  The wind turbine 1 comprises a vertical axis 2 rotatably mounted relative to a support 3 fixed, for example by screwing, to a civil engineering structure such as for example a concrete base 4. The vertical axis 2 comprises an outer sleeve 5 in which is an internal coaxial shaft 6 is rotatably mounted, this internal shaft 6 protruding beyond the upper edge of the outer sleeve 5, opposite the base 4.

Dans la réalisation représentée, l'éolienne comprend deux godets 7,8 de section trapézoïdale. Ainsi que le comprendra l'homme du métier, l'éolienne peut comporter plus de deux godets, de préférence équidistants.  In the embodiment shown, the wind turbine comprises two buckets 7.8 of trapezoidal section. As will be understood by those skilled in the art, the wind turbine may comprise more than two buckets, preferably equidistant.

Comme représenté en figure 3, chaque godet peut être élaboré par mécanosoudure de tubes ou plats de section carrés ou rectangulaires 9, formant une armature 10 sur laquelle sont fixées des tôles supérieure 11, inférieure 12, et latérales 13,14.  As shown in FIG. 3, each bucket can be produced by mechanosoldering tubes or flat sections of square or rectangular cross-section 9, forming an armature 10 on which upper, 11, lower 12 and lateral 13,14 laminations are attached.

Cette armature capotée présente une grande ouverture sensiblement rectangulaire 15 d'entrée d'air, et une ouverture de section plus petite 16, de sortie d'air.  This covered armature has a large, substantially rectangular opening 15 of air inlet, and a smaller section opening 16, air outlet.

Un obturateur 18 est monté coulissant dans chacun des godets 7,8. Dans la réalisation représentée, cet obturateur 18 est sensiblement cylindrique et pourvu d'un axe central 19 saillant légèrement au delà des parois latérales 13,14 des godets 7,8, cet axe 19 traversant des lumières oblongues 20 ménagées dans ces parois latérales 13,14.  A shutter 18 is slidably mounted in each of the cups 7, 8. In the embodiment shown, this shutter 18 is substantially cylindrical and provided with a central axis 19 projecting slightly beyond the side walls 13,14 of the buckets 7,8, this axis 19 passing through oblong slots 20 formed in these side walls 13, 14.

2859247 5 Deux équerres internes 21, sensiblement parallèles entre elles, sont montées chacune articulée sur un godet 7,8. Chaque équerre interne 21 est reliée: en partie inférieure, à l'axe 19 de l'obturateur 18, cet axe 19 passant au travers d'une lumière oblongue 22 disposée à cette fin en partie inférieure de l'équerre 21; en partie supérieure, a une cornière 23 de liaison à l'arbre 6, par le biais d'une lumière oblongue 24.  Two internal brackets 21, substantially parallel to each other, are mounted each articulated on a bucket 7,8. Each inner bracket 21 is connected: in the lower part, to the axis 19 of the shutter 18, this axis 19 passing through an oblong slot 22 arranged for this purpose in the lower part of the bracket 21; in the upper part, has an angle 23 connecting to the shaft 6, through an oblong slot 24.

Deux équerres externes 25, sensiblement parallèles entre elles et 10 sensiblement parallèles aux équerres internes, sont montées chacune articulée sur un godet 7,8. Chaque équerre externe 25 est reliée: en partie inférieure, à l'axe 19 de l'obturateur 18, cet axe passant au travers d'une lumière oblongue 22 disposée à cette fin en partie inférieure de l'équerre 25; en partie supérieure, à un axe de rotation 26 commun à l'équerre interne 21, cet axe de rotation étant sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation principal de l'éolienne.  Two outer brackets 25, substantially parallel to each other and substantially parallel to the inner brackets, are each mounted to a bucket 7,8. Each outer bracket 25 is connected: in the lower part, to the axis 19 of the shutter 18, this axis passing through an oblong slot 22 disposed for this purpose in the lower part of the bracket 25; in the upper part, to an axis of rotation 26 common to the inner bracket 21, this axis of rotation being substantially perpendicular to the main axis of rotation of the wind turbine.

Les godets 7,8 sont montés solidaires du manchon externe 5 de l'axe de rotation principal 2, par l'intermédiaire de plats ou tubes radiaux 27,28.  The buckets 7,8 are mounted integral with the outer sleeve 5 of the main axis of rotation 2, via flat or radial tubes 27,28.

Le fonctionnement de l'éolienne 1 est le suivant.  The operation of the wind turbine 1 is as follows.

Lorsque les obturateurs sont dans la position de la figure 2, l'air passe au travers des godets sensiblement sans entraîner ceux ci en rotation, ou en les entraînant à faible vitesse, par léger venturi. Si l'arbre 6, tournant dans le manchon 2, est bloqué en translation verticale par rapport au manchon 2, les obturateurs 18 restent en position telle que représentée en figure 2.  When the shutters are in the position of Figure 2, the air passes through the buckets substantially without causing them in rotation, or by driving them at low speed, by light venturi. If the shaft 6, rotating in the sleeve 2, is locked in vertical translation relative to the sleeve 2, the shutters 18 remain in position as shown in FIG.

Si l'arbre 6 est laissé libre de se déplacer en translation par rapport au manchon, la force d'inertie d'entraînement peut provoquer le déplacement des obturateurs 18. Lorsque l'obturateur s'éloigne de l'ouverture d'entrée 15 pour aller vers la sortie 16, il est résulte une accélération de la rotation des godets 7,8 autour de l'axe 2, la prise au vent augmentant.  If the shaft 6 is left free to move in translation relative to the sleeve, the driving force of inertia can cause the displacement of the shutters 18. When the shutter moves away from the inlet opening 15 to go to the exit 16, it is an acceleration of the rotation of the buckets 7.8 around the axis 2, the wind gain increasing.

2859247 6 En cas de risque de vent surpuissant, la commande du mouvement de coulissement de l'arbre 6 provoque le retour des obturateurs en position telle que représentée en figure2, l'éolienne étant ainsi en rideau .  In the event of a risk of overpowering wind, the control of the sliding movement of the shaft 6 causes the shutters to return to the position as shown in FIG. 2, the wind turbine thus being in the form of a curtain.

Le contrôle du mouvement de coulissement de l'arbre 6 permet, le cas échéant, de réguler la vitesse de rotation des godets.  The control of the sliding movement of the shaft 6 makes it possible, if necessary, to regulate the speed of rotation of the buckets.

Il est entendu que la description qui vient d'être effectuée n'a pas de caractère limitatif mais uniquement des vertus d'exemple.  It is understood that the description which has just been made has no limiting character but only exemplary virtues.

Plusieurs variantes, non représentées, peuvent être mises en oeuvre, les caractéristiques de ces variantes pouvant être combinées.  Several variants, not shown, can be implemented, the characteristics of these variants can be combined.

Selon une première variante, les godets sont disposées suivants plusieurs plans transversaux, l'éolienne comprenant par exemple trois niveaux successifs de quatre godets, ces niveaux tournant synchrones ou non.  According to a first variant, the buckets are arranged following several transverse planes, the wind turbine comprising for example three successive levels of four buckets, these rotating levels synchronous or not.

Selon une deuxième variante, le mouvement des obturateurs est obtenu par de moyens hydrauliques ou pneumatiques montés directement sur chaque godet.  According to a second variant, the movement of the shutters is obtained by hydraulic or pneumatic means mounted directly on each bucket.

Claims (2)

7 REVENDICATIONS7 CLAIMS 1. Eolienne à axe vertical (2), caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un godet (7,8) tournant autour dudit axe (2), ce godet étant pourvu d'une grande ouverture (15) d'entrée d'air, et d'une ouverture plus petite (16) de sortie d'air, des moyens étant aptes à réduire la section de passage d'air au travers de l'ouverture de sortie (16), jusqu'à sensiblement obturer celle-ci, en cas de vent utile, et libérer totalement cette ouverture de sortie, en cas de vent surpuissant.  1. vertical axis wind turbine (2), characterized in that it comprises at least one bucket (7,8) rotating about said axis (2), this bucket being provided with a large opening (15) of the inlet air, and a smaller air outlet opening (16), means being adapted to reduce the air passage section through the outlet opening (16), to substantially close off the in case of useful wind, and completely release this exit opening, in case of overpowering wind. 2. Eolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de réglage de section de passage d'air comprennent un corps interne au godet (7,8), ce corps coulissant suivant un plan incliné par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe vertical de rotation (2).  2. Wind turbine according to claim 1, characterized in that the air passage section adjustment means comprise a body internal to the bucket (7,8), this body sliding in a plane inclined with respect to a plane perpendicular to the vertical axis of rotation (2). 3. Eolienne selon la revendication 2, caractérisée en ce que le corps interne coulissant est sensiblement cylindrique.  3. Wind turbine according to claim 2, characterized in that the inner sliding body is substantially cylindrical. 4. Eolienne selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce qu'elle est pourvue de moyens mécaniques de commande du coulissement du corps interne au godet (7,8), ces moyens de commande étant aptes à assurer un mouvement synchrone de corps internes à au moins deux godets (7,8).  4. Wind turbine according to claim 2 or 3, characterized in that it is provided with mechanical means for controlling the sliding of the body inside the bucket (7,8), these control means being able to ensure a synchronous movement of internal bodies. at least two cups (7,8). 5. Eolienne selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle est pourvue de deux godets sensiblement identiques montés solidaires d'un manchon externe (5) de l'axe vertical (2), les moyens de commande comprenant un arbre (6) coaxial interne audit manchon (5), cet arbre (6) étant coulissant et tournant par rapport audit manchon 5, des moyens de liaison (20-26) reliant mécaniquement le corps interne coulissant (18) audit arbre (6).  5. Wind turbine according to claim 4, characterized in that it is provided with two substantially identical buckets mounted integral with an outer sleeve (5) of the vertical axis (2), the control means comprising a shaft (6). coaxial internal said sleeve (5), this shaft (6) being slidable and rotatable relative to said sleeve 5, connecting means (20-26) mechanically connecting the inner sliding body (18) to said shaft (6). 2859247 8 6. Eolienne selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens de liaison comprennent pour chaque godet (7,8), une équerre externe (25) et une équerre interne (21) articulées autour d'un axe commun (26) et reliées chacune à l'axe de coulissement du corps interne (18), l'équerre interne (21) étant reliée à l'arbre (6) par une cornière (23).  6. Wind turbine according to claim 5, characterized in that the connecting means comprise for each bucket (7,8), an outer bracket (25) and an inner bracket (21) hinged about a common axis (26). ) and each connected to the axis of sliding of the inner body (18), the inner bracket (21) being connected to the shaft (6) by an angle (23).