FR2976980A1 - Wind control device i.e. wind gear box, for supplying wind to wind mill that is installed on e.g. car, for electric power supply, has rotor including guides and internal ducts for forming venturi to regulate velocity of air - Google Patents
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Abstract
Description
Domaine technique : La présente invention concerne l'utilisation du vent comme énergie motrice et pour la production d'électricité. Des moulins à vent aux éoliennes modernes, de nombreux progrès techniques ont été apportés, mais la technologie est limitée par la variabilité du vent en direction et en force. C'est cette variabilité que la présente invention ambitionne de maîtriser. Technical Field: The present invention relates to the use of wind as motive power and for the production of electricity. From windmills to modern wind turbines, many technical advances have been made, but the technology is limited by wind variability in direction and strength. It is this variability that the present invention aims to control.
Etat de la technique antérieure : De nombreux modèles d'éoliennes sont disponibles sur le marché. Pour la majorité, une hélice à axe horizontal est montée sur une nacelle orientée dans le sens du vent. Le flux d'air utile correspond au diamètre balayé par les pales qui le dévient dans le sens centrifuge provoquant une perte de rendement. Les éoliennes sont montées sur des mats de grande hauteur et l'ensemble, parfois gigantesque, est fragile et doit être mis en drapeau par vent fort. Les vitesses de rotation sont faibles, surtout en comparaison avec la vitesse de rotation du générateur électrique ; compte tenu de la taille, les vitesses en bout de pales sont cependant élevées. Certains modèles récents de petite taille sont carénés revendiquant le bénéfice de l'effet Venturi sans en avoir l'ensemble des caractéristiques ; d'autres ont un double rotor pour tirer bénéfice de la vitesse de vent résultante après passage dans le premier rotor. Les éoliennes à axe vertical sont indépendantes de la direction du vent, mais les pales doivent d'abord lutter contre le vent avant d'être propulsées par lui. Malgré un dessin de pale sophistiqué, une machine à 3 pales à 120°, la surface efficace n'est que la moitié de la surface brute d'une pale. Il est admis quel les éoliennes de type Darrieus sont pénalisées par leur démarrage difficile par vent faible et leur faible rendement, alors que les modèles type Savonius souffrent de leur poids. De nombreux brevets ont été déposés proposant des dispositifs imaginatifs et audacieux pour améliorer les techniques existantes. Le domaine des hautes vitesses pourtant développé dans les turbines aéronautiques n'a pas été considéré. State of the art: Many models of wind turbines are available on the market. For the majority, a horizontal axis propeller is mounted on a nacelle oriented in the direction of the wind. The useful air flow corresponds to the diameter swept by the blades which deflect it in the centrifugal direction causing a loss of efficiency. Wind turbines are mounted on high-altitude masts and the whole, sometimes gigantic, is fragile and must be flagged in strong winds. The rotational speeds are low, especially in comparison with the speed of rotation of the electric generator; given the size, the speeds at the end of the blades are however high. Some recent models of small size are faired claiming the benefit of the Venturi effect without having all the characteristics; others have a double rotor to take advantage of the resulting wind speed after passing through the first rotor. Vertical axis wind turbines are independent of the wind direction, but the blades must first fight against the wind before being propelled by it. Despite a sophisticated blade design, a 120 ° 3-blade machine, the effective surface is only half the gross area of a blade. It is accepted that the Darrieus type wind turbines are penalized by their difficult start in low wind and low efficiency, while the Savonius type models suffer from their weight. Numerous patents have been filed offering imaginative and audacious devices to improve existing techniques. The field of high speeds yet developed in aeronautical turbines was not considered.
Cette technologie souffre de quatre problèmes principaux : - La faiblesse des rendements, déjà limités par la loi de Betz à 59%, corrigé du rendement de l'hélice et des rendements mécaniques et électriques, ce qui ramènent le total à 35%. - Les nombreux compromis imposés aux concepteurs par la nature changeante du vent en direction et en force, son ralentissement au sol, l'influence des différents obstacles, l'encombrement et la différence de vitesse entre le vent et la génératrice. - La faiblesse du temps de fonctionnement, évident à tout observateur. Les modèles industriels actuels produisent entre 4 et 25 m/s de vent, avec un nominal à 12m/s et une mise à l'arrêt vers 50m/s. Or en Europe, les vitesses moyennes sont bien inférieures. La 2 statistique d'une station balnéaire du Languedoc montre que pendant 46% de l'année le vent est inférieur à 8,2 m/s. En conséquence, le temps de fonctionnement atteint à peine 15 à 200, alors que le stockage à grande échelle est impossible. - La taille et l'encombrement sont disproportionnés avec la puissance. Ce qu'on appelle le mini éolien fait déjà 1,5 m de diamètre sur un mat de 8m et la taille des engins destinés à la production de grosses puissances est rendue gigantesque par la mécanique des fluides. Pour l'exprimer simplement un vent de 10m/s transmet à une plaque d'un m2 une puissance théorique maximale d'environ 1 KW (en pratique 450Watts) et donc pour atteindre 1MW théoriques il faut une surface de 1000m2 soit un diamètre de 36m, que l'on va percher sur un mat de 80m. Autrement dit, pour 1MW avec 1m2 de surface, il faudrait une vitesse de vent de 100m/s, (360km/h) ou le tiers de la vitesse du son. Exposé de l'invention : Pour contrôler le vent, il faut le mettre en boîte et le canaliser; pour en tirer toute la puissance, il faut gérer son débit et sa vitesse. Atteindre ce but est possible en utilisant la mécanique des fluides, les technologies du nautisme et de l'aéronautique. Ces considérations ont entraîné la conception d'un dispositif caréné avec une ouverture à surface variable et un Venturi pour accélérer le vent. Ce dispositif théorique a débouché sur la présente invention concernant une machine faisant fonction de « boîte de vitesse à vent » qui capte le vent instantané en force et en direction et le restitue dans une direction, un débit et une vitesse sensiblement constants. La boite de vitesse à vent est particulièrement utile pour l'alimentation en vent d'une turbine éolienne destinée principalement mais pas exclusivement à la production d'électricité ou à défaut la force motrice. L'équipement correspondant à cette application est constitué de 6 parties complémentaires. Le schéma de fonctionnement est synthétisé dans la Figure 1, page 1/8 des dessins. 1. Une centrale composée d'une girouette et d'un anémomètre destinés à la mesure de la direction et de la vitesse du vent. Cet appareil, d'usage courant dans le domaine du nautisme, a pour rôle de fournir les informations nécessaires à la gestion du caisson décrit paragraphe 4 et des volets, diaphragmes, guides et secteurs le composant. 2. Un diaphragme ou des volets mobiles formant la face avant du caisson et destiné à réguler précisément le débit d'air admis. 3. Un by-pass destiné à conduire l'air vers la partie terminale du caisson sans passer dans la turbine éolienne. Ce by-pass est terminé par un étranglement destiné à accélérer la vitesse du vent pour former un flux rapide divergent autour de l'air sortant de l'éolienne ou de la turbine. Ce dispositif peut aussi permettre l'orientation automatique de l'ensemble dans le lit du vent. Le by-pass peut aussi être équipé de volets mobiles pour réguler débit et vitesse d'air ou fermer le conduit en cas de vent trop fort. 4. Un caisson statique ou mobile, qui forme aussi carénage de protection, a un rôle de « boîte de vitesse à vent » ; il peut être de forme de cylindre, de tube, de parallélépipède ou autre et est muni de plusieurs guides mobiles de forme adaptée destinés à former un canal de section constante ou variable conduisant le flux d'air vers la turbine ou l'éolienne objet du paragraphe 5 et ensuite vers la sortie. L'orientation du caisson dans le lit du vent est assurée par l'asservissement à la centrale du paragraphe 1, ou par le montage sur le caisson d'une dérive ou encore par l'effet du dispositif visé en 3. Le caisson est constitué de trois parties : 4-1 Dans la première partie et suivant la section des ouvertures et l'orientation des guides, la boîte à vent peut soit accélérer l'air admis par effet Venturi, soit le ralentir par sa forme divergente avant l'entrée de l'air dans l'éolienne. 4-2 La partie centrale est constituée du col de Venturi où est positionnée entièrement ou partiellement la turbine ou l'éolienne qui est conçue pour fonctionner avec un flux d'air à haute vitesse ; pour augmenter la vitesse, sa section est plusieurs fois inférieure à celle du diaphragme d'entrée quand il est totalement ouvert. Le col peut lui aussi être constitué par des parois ou guides mobiles dont en particulier l'axe central de la turbine. La paroi opposée mobile peut être formée par un ou plusieurs secteurs de même axe. La section de sortie est supérieure à celle du col, mais inférieure à celle du diaphragme grand ouvert. 4-3 La dernière partie présente d'autres ouvertures d'alimentation en air, de forme divergente ou non et de section et de longueur suffisante pour que la veine d'air à la sortie du dispositif retrouve les conditions de vitesse extérieure sans turbulence excessive. Ce dernier point essentiel au bon fonctionnement et à l'efficacité du Venturi, est assuré par un booster alimenté par le by-pass et constitué d'un étranglement conduisant, autour du flux d'air sortant de la turbine , une lame d'air dont la vitesse est intermédiaire entre la vitesse à l'extérieur et celle au col. Ce dispositif crée une dépression qui aspire l'air hors de la turbine et en augmente le rendement ; il permet aussi de réduire sensiblement la longueur du divergent de Venturi. 5. Une turbine/ éolienne à un ou plusieurs étages, à axe vertical ou horizontal dont la 30 conception est optimisée pour utilisation avec un vent sensiblement constant. Production et stockage de l'électricité produite ou le raccordement au réseau se traitent de la même manière pour les appareils construits suivant ce brevet que pour les machines existantes. Considérations techniques : La puissance fournie par l'air à une plaque qui lui est opposée est proportionnelle à la surface de 35 la plaque et au cube de la vitesse d'air. La vitesse du vent étant fixée, la gestion de la surface d'admission permet de gérer le débit entrant qui est proportionnel au produit de la vitesse par la surface (ou le carré du diamètre). Le débit étant constant dans une conduite, la surface offerte à l'écoulement d'air permet d'en gérer la vitesse. Le système Venturi avec une entrée convergente courte profilée, un col et un long divergent, est couramment utilisé pour augmenter la vitesse des fluides. Dans un montage typique, on observe : diamètre au col/diamètre d'entrée 13 0,6; angle du convergent 21°, angle du divergent 8°. Pour simplifier et pour un Venturi cylindrique, si le diamètre d'entrée est double de celui du col, la vitesse au col est 4 fois la vitesse du vent et la puissance 16 fois celle d'une éolienne de même diamètre, Si le convergent est court, le divergent est long de 3 à 7 fois le diamètre au col et son angle est 3 fois inférieur. Cette longueur, nécessaire pour que la veine d'air retrouve la vitesse du vent à l'extérieur sans turbulence excessive, est telle qu'aucun modèle actuel d'éolienne n'intègre ce dispositif, annulant par là l'effet Venturi revendiqué. Dans les turbines à gaz, compresseurs et turbines sont souvent à étages ; ce système peut aussi s'adapter au dispositif Venturi, permettant d'augmenter le rapport de vitesse. Au passage dans la turbine, le vent transfert une partie de son énergie cinétique au rotor ; la vitesse résiduelle peut être accélérée par un second Venturi qui cèdera une partie de son énergie cinétique dans un second étage de turbine. Simulation de fonctionnement d'une éolienne équipée de boîte de vitesse à vent de rapport 2. Pour cette simulation, on suppose une boîte à 3 positions : vitesse du vent doublée (X2), divisée par 2 (D2) ou simple guidage sans changement de vitesse (0). Vitesse Vent Eolienne classique boîte de vitesse Eolienne avec BV <2m/s 0 X 2 0 2 à 4 m/s 0 X2 50% 4 à 12m/s 50% X2 100% dès 6 m/s 12 à 24m/s 100% O 100% 24 à 48m/s 100% D2 100% 48 m/s à 96 m/s 0 D2 100% >96 m/s 0 fermé 0 Avec la répartition des vents de la station balnéaire citée plus haut (3% inférieur à 4,3m/s ; 51% de 4,3 à 8,1 m/s ; 36% de 8,1 à 12,5 m/s et 10% au dessus), on voit que la puissance nominale peut être délivrée dans 80% des cas quadruplant ainsi le temps de fonctionnement. This technology suffers from four main problems: - Low yields, already limited by Betz's law to 59%, corrected for propeller efficiency and mechanical and electrical efficiencies, bringing the total to 35%. - The numerous compromises imposed on the designers by the changing nature of the wind in direction and in force, its slowing down on the ground, the influence of the different obstacles, the congestion and the speed difference between the wind and the generator. - The weakness of the operating time, obvious to any observer. Current industrial models produce between 4 and 25 m / s of wind, with a nominal at 12m / s and a shutdown at around 50m / s. But in Europe, average speeds are much lower. The statistics of a seaside resort in Languedoc show that during 46% of the year the wind is less than 8.2 m / s. As a result, the operating time is barely 15 to 200, whereas large-scale storage is impossible. - Size and size are disproportionate to the power. The so-called mini wind turbine is already 1.5 m in diameter on a mat of 8m and the size of the gear for the production of big powers is made gigantic by the mechanics of the fluids. To express it simply a wind of 10m / s transmits to a plate of a m2 a theoretical maximum power of about 1 KW (in practice 450Watts) and therefore to reach 1MW theoretical it takes a surface of 1000m2 is a diameter of 36m , that we will perch on a mat of 80m. In other words, for 1MW with 1m2 of surface, it would require a wind speed of 100m / s, (360km / h) or a third of the speed of sound. DESCRIPTION OF THE INVENTION To control the wind, it must be boxed and channeled; to get all the power, you have to manage its flow and speed. Achieving this goal is possible by using fluid mechanics, boating technologies and aeronautics. These considerations led to the design of a ducted device with a variable surface opening and a Venturi to accelerate the wind. This theoretical device has led to the present invention concerning a machine acting as a "wind speed box" which captures the instantaneous wind force and direction and restores it in a direction, a flow rate and a substantially constant speed. The wind speed box is particularly useful for the wind power supply of a wind turbine intended mainly but not exclusively for the production of electricity or, failing that, the driving force. The equipment corresponding to this application consists of 6 complementary parts. The flow diagram is synthesized in Figure 1, page 1/8 of the drawings. 1. A power station consisting of a wind vane and an anemometer for measuring the direction and speed of the wind. This device, commonly used in the field of boating, has the role of providing the information necessary for the management of the box described in paragraph 4 and components, diaphragms, guides and sectors component. 2. A diaphragm or movable flaps forming the front face of the box and intended to precisely regulate the flow of air admitted. 3. A bypass intended to conduct the air towards the terminal part of the box without passing into the wind turbine. This bypass is terminated by a throttle for accelerating the wind speed to form a fast divergent flow around the air leaving the wind turbine or turbine. This device can also allow the automatic orientation of the assembly in the wind bed. The bypass can also be equipped with movable shutters to regulate flow and air velocity or to close the duct in case of too strong wind. 4. A static or mobile box, which also forms a protective fairing, has a role of "wind speed box"; it may be in the form of a cylinder, a tube, a parallelepiped or the like and is provided with a number of adapted shaped mobile guides intended to form a channel of constant or variable cross-section leading to the flow of air towards the turbine or wind turbine paragraph 5 and then to the exit. The orientation of the box in the wind bed is ensured by the control unit in paragraph 1, or by mounting on the box a drift or by the effect of the device referred to 3. The box is constituted of three parts: 4-1 In the first part and following the section of the openings and the orientation of the guides, the wind box can either accelerate the air admitted by Venturi effect, or slow it by its divergent shape before the entrance air in the wind turbine. 4-2 The central part consists of the Venturi Pass where the turbine or wind turbine is fully or partially positioned and designed to operate with a high-speed air flow; to increase the speed, its section is several times smaller than that of the input diaphragm when it is fully open. The neck can also be constituted by moving walls or guides including in particular the central axis of the turbine. The opposite mobile wall may be formed by one or more sectors of the same axis. The outlet section is larger than that of the neck, but smaller than that of the wide open diaphragm. 4-3 The last part presents other openings of air supply, of divergent shape or not and of section and of sufficient length so that the airstream at the exit of the device finds the conditions of external speed without excessive turbulence . This last essential point for the proper functioning and efficiency of the Venturi, is provided by a booster powered by the bypass and consisting of a throat leading, around the air flow exiting the turbine, an air gap whose speed is intermediate between the speed outside and that at the neck. This device creates a vacuum that draws air out of the turbine and increases its efficiency; it also significantly reduces the length of the Venturi divergent. 5. A single or multi-stage vertical or horizontal turbine / wind turbine whose design is optimized for use with a substantially constant wind. Production and storage of electricity produced or connection to the network are treated in the same way for devices built according to this patent as for existing machines. Technical Considerations: The power supplied by the air to a plate opposite to it is proportional to the area of the plate and to the cube of the air velocity. As the wind speed is fixed, the management of the intake surface makes it possible to manage the inflow which is proportional to the product of the velocity by the surface (or the square of the diameter). The flow being constant in a pipe, the surface offered to the flow of air makes it possible to manage the speed. The Venturi system with a streamlined short convergent inlet, a neck and a long diverging, is commonly used to increase fluid velocity. In a typical assembly, there is observed: diameter at the neck / inlet diameter 13 0.6; angle of convergence 21 °, angle of divergence 8 °. To simplify and for a cylindrical Venturi, if the inlet diameter is twice that of the neck, the velocity at the neck is 4 times the wind speed and the power 16 times that of a wind turbine of the same diameter, If the convergent is short, the divergent is 3 to 7 times the diameter of the neck and its angle is 3 times lower. This length, necessary for the vein of air to find the speed of the wind outside without excessive turbulence, is such that no current wind turbine model integrates this device, thereby canceling the claimed Venturi effect. In gas turbines, compressors and turbines are often multi-stage; this system can also adapt to the Venturi device, making it possible to increase the speed ratio. When passing through the turbine, the wind transfers some of its kinetic energy to the rotor; the residual velocity can be accelerated by a second Venturi which will yield part of its kinetic energy in a second turbine stage. Simulation of the operation of a wind turbine equipped with a wind speed gear box 2. For this simulation, we assume a 3-position gearbox: doubled wind speed (X2), divided by 2 (D2) or simple guidance without changing the gearbox. speed (0). Wind speed Wind turbine classic gearbox Wind turbine with BV <2m / s 0 X 2 0 2 to 4 m / s 0 X2 50% 4 to 12m / s 50% X2 100% from 6 m / s 12 to 24m / s 100% O 100% 24 to 48m / s 100% D2 100% 48m / s to 96m / s 0 D2 100%> 96m / s 0 closed 0 With the wind distribution of the seaside resort mentioned above (3% lower at 4.3m / s, 51% from 4.3 to 8.1m / s, 36% from 8.1 to 12.5m / s and 10% above), it can be seen that the nominal power can be delivered in 80% of cases quadrupling the operating time.
A titre d'exemple six modèles utilisant le principe de boîte de vitesse à vent sont décrits ci-dessous ; dans chacun des cas la centrale girouette anémomètre, disponible dans le commerce, n'est donc pas décrite. Il en est de même de l'asservissement des parties mobiles. D'autres modèles combinant ou améliorant ces modèles sont envisageables sur le même principe. Les six modèles proposés à l'appui de ce brevet font appel à des technologies connues et fiables ; leur coût de construction et d'entretien devrait être modéré. Ce coût étant amorti sur des durées de fonctionnement 4 fois supérieures, le prix du kWh électrique devrait être compétitif. La réduction de taille par rapport au gigantisme des modèles existants ainsi que la forte disponibilité permettent d'envisager de nombreuses applications industrielles : éoliennes domestiques individuelles ou collectives, petites éoliennes d'alimentation d'éclairage public, éoliennes nautiques, éoliennes pour véhicules automobiles ou trains et éoliennes de puissances pour site industriel ou alimentation du réseau électrique. Un premier modèle de réalisation comporte un stator fixe et des volets mobiles en périphérie ; il est décrit par la Fig 2 qui montre la circulation d'air dans une configuration courante. Fig4 et 5 montrent l'appareil vu en coupe diamétrale et de face. Le dispositif de principe objet du brevet peut être réalisé avec un stator cylindrique vertical fixe enserré dans deux plateaux circulaires horizontaux [42] réunis par des piliers fixés sur la circonférence qui servent d'axe de rotation [43] à des volets mobiles [44] à recouvrement (détail Fig 3). L'air est admis par ouverture des volets situés au vent. Cette ouverture est commandée par une centrale girouette anémomètre, de type classique. La girouette détermine les volets qui doivent être ouverts, en entrée et en sortie, et l'anémomètre commande le nombre de volets à ouvrir et leur angle en fonction de la vitesse du vent extérieur. Girouette et anémomètre ne sont pas représentés dans les dessins. Les volets d'entrée forment un canal convergent [45] vers la turbine. Le corps [51] de celle-ci forme la paroi intérieure du col de Venturi, alors que la paroi extérieure est constituée par un cylindre à secteur occultant [46] rotatif autour de l'axe de la turbine [53] mais indépendant d'elle; il est donc soit assujetti à une dérive d'éolienne surmontant le stator, non représentée, soit asservi à la centrale girouette anémomètre. Compte tenu de la stabilité du dispositif, un dessin à 16 volets réalisés par exemple en profilés aluminium ou fibre de verre semble bien adapté. Dans cette disposition, l'orifice ouvert du secteur rotatif est d'environ un demi-quadrant, alors que l'orifice de sortie est moitié plus petit. La circulation des veines d'air est matérialisée par les flèches. La génératrice électrique, non représentée est entraînée directement ou indirectement par l'axe de la turbine. Le nombre de pales [52] de la turbine et leur forme sont optimisés pour la plage de vitesse prévue pour l'éolienne par exemple entre 12 et 25m/s, pour un vent extérieur de 4 à 50 m/s. A la sortie de la turbine, l'air est canalisé dans le divergent [48] formé entre les volets dont la longueur est double de la largeur des ailettes de turbine. Pour améliorer l'efficacité de ce divergent, un dispositif booster le complète. Les volets ouverts à gauche et à droite forment un canal [33] avec la paroi extérieure du cylindre à secteurs occultant [46] et la paroi intérieure des volets fermés. Cet air est accéléré par l'étranglement [34] formé par les volets. Le pincement est calculé pour que la vitesse d'air soit sensiblement supérieure à celle de l'air sortant du divergent. La dépression ainsi créée améliore le rendement de la turbine. For example, six models using the windbox principle are described below; in each case, the wind vane, anemometer, available commercially, is not described. It is the same with the enslavement of moving parts. Other models combining or improving these models are conceivable on the same principle. The six models proposed in support of this patent make use of known and reliable technologies; their cost of construction and maintenance should be moderate. As this cost is amortized over 4 times longer operating times, the price per electric kWh should be competitive. The reduction in size compared to the gigantism of existing models as well as the high availability allow to consider many industrial applications: individual or collective domestic wind turbines, small wind turbines for public lighting supply, wind turbines, wind turbines for motor vehicles or trains and wind turbines for industrial sites or power supply. A first embodiment comprises a fixed stator and flaps movable periphery; it is described by Fig 2 which shows the flow of air in a current configuration. Fig4 and 5 show the device seen in diametrical section and face. The principle device object of the patent can be realized with a fixed vertical cylindrical stator sandwiched in two horizontal circular plates [42] joined by pillars fixed on the circumference which serve as axis of rotation [43] to movable flaps [44] overlap (detail Fig 3). Air is admitted by opening flaps upwind. This opening is controlled by a central wind vane anemometer, conventional type. The wind vane determines the flaps that must be open, at the entrance and exit, and the anemometer controls the number of flaps to open and their angle according to the speed of the outside wind. Wind vane and anemometer are not shown in the drawings. The inlet flaps form a convergent channel [45] towards the turbine. The body [51] of the latter forms the inner wall of the Venturi neck, while the outer wall is constituted by an occlusion sector cylinder [46] rotatable around the axis of the turbine [53] but independent of she; it is therefore either subject to a wind turbine drift surmounting the stator, not shown, or subject to the central wind vane anemometer. Given the stability of the device, a drawing with 16 flaps made for example of aluminum profiles or fiberglass seems well suited. In this arrangement, the open opening of the rotary sector is about half a quadrant, while the outlet orifice is half smaller. The circulation of the air veins is materialized by the arrows. The electric generator, not shown is driven directly or indirectly by the axis of the turbine. The number of blades [52] of the turbine and their shape are optimized for the speed range provided for the wind turbine for example between 12 and 25m / s, for an outside wind of 4 to 50 m / s. At the outlet of the turbine, the air is channeled into the divergent [48] formed between the flaps whose length is twice the width of the turbine blades. To improve the efficiency of this divergent, a device booster complete. The flaps open to the left and to the right form a channel [33] with the outer wall of the blackout sector cylinder [46] and the inner wall of the shutters closed. This air is accelerated by the constriction [34] formed by the shutters. The nip is calculated so that the air velocity is substantially greater than that of the air exiting the divergent. The depression thus created improves the efficiency of the turbine.
Les éléments rotatifs de ce modèle sont tous légers. La solidité et la stabilité sont assurées par les 2 plateaux et les 16 axes statiques. Cependant l'écoulement de l'air ne peut être optimisé compte tenu de la forme des volets en segment de cylindre et des renflements des axes. La forme cylindrique permet une grande variété de tailles et donc de puissance pour l'intégration à l'habitat individuel ou collectif sans nécessiter de mât. The rotating elements of this model are all light. Sturdiness and stability are ensured by the 2 trays and the 16 static axes. However, the flow of air can not be optimized given the shape of the cylinder segment flaps and the bulges of the axes. The cylindrical shape allows a wide variety of sizes and therefore power for integration into the individual or collective habitat without the need for a mast.
Un second modèle de réalisation correspond à une éolienne à axe horizontal Pouvant fonctionner avec des vents faibles, le modèle proposé Fig 6 et 7 peut être monté sur un mat à la façon traditionnelle ou installé en toiture. Le dispositif de boîte de vitesse à vent est adapté à une turbine éolienne [5], à un ou plusieurs étages, placée dans un cylindre horizontal [47] dont l'intérieur forme un canal Venturi. Les étages de turbine permettent de récupérer l'énergie cinétique résiduelle en sortie de l'étage précédent. Les derniers étages peuvent aussi être placés dans le divergent. Les pales [52] sont calculées en nombre et forme pour fonctionner dans un flux d'air canalisé et de vitesse relativement constante. Au vent de celui-ci et sur le même axe est placé un cône formant diaphragme [2] montré à secteurs [21] dans l'exemple; tout autre système assurant les mêmes fonctions pouvant le remplacer. Un convergent [41] accélère le vent à l'entrée du col, jusqu'à 4 fois la vitesse du vent, tandis que le divergent [48] dont la longueur est réduite à une fois le diamètre au col, n'assure ainsi qu'une réduction d'environ la moitié de la vitesse de sortie de turbine. Un dispositif type Venturi [3] est installé autour du divergent pour accompagner la décélération du flux d'air et améliorer la performance de la turbine. A second embodiment corresponds to a horizontal axis wind turbine can operate with low winds, the proposed model Fig 6 and 7 can be mounted on a mat in the traditional way or installed on the roof. The windbox device is adapted to a single or multi-stage wind turbine [5] placed in a horizontal cylinder [47] whose interior forms a Venturi channel. The turbine stages make it possible to recover the residual kinetic energy at the output of the preceding stage. The last floors can also be placed in the diverging. The blades [52] are calculated in number and form to operate in a flow of ducted air and relatively constant speed. To the wind of the latter and on the same axis is placed a cone forming a diaphragm [2] shown in sectors [21] in the example; any other system providing the same functions that can replace it. A convergent [41] accelerates the wind at the entrance of the neck, up to 4 times the wind speed, while the divergent [48] whose length is reduced to once the diameter at the neck, thus ensures that a reduction of about half the turbine output speed. A Venturi type device [3] is installed around the divergent to accompany the deceleration of the air flow and improve the performance of the turbine.
L'ensemble monté rotatif sur un axe est auto directionnel ; il est cependant plus simple d'assurer l'orientation par la centrale girouette anémomètre qui commande ouverture et fermeture des secteurs du diaphragme en fonction de la force du vent. Ce modèle correspond, avec un encombrement réduit, à toutes les applications des éoliennes actuelles. Un troisième modèle de réalisation avec une éolienne à axe vertical auto directionnelle Le modèle décrit par les Fig 8, 9 et 11 est surmonté d'une girouette [11] solidaire du carénage, orientant l'ensemble dans le lit du vent. Les volets d'admission [22] sont rotatifs sur un axe vertical. Sur la figure 8 un des volets est représenté fermé et deux 100% ouverts. En cas de vent excessif, les quatre volets sont fermés protégeant ainsi la turbine avec le carénage [4]. Les guides [44] sont fixes et solidaires du carénage. La figure 8 montre la circulation des filets d'air. La turbine, dont les pales [52] sont en nombre et en forme verticale adaptée, tourne autour de l'axe [53]. La section comprise entre le corps de turbine et le carénage définit un col de Venturi de surface 4 fois inférieure à la section d'admission maximale et deux fois inférieure à la section d'entrée dans le divergent [48] ; ces valeurs ne sont données qu'à titre d'exemple, d'autres configurations pouvant être mieux adaptées au but poursuivi. Avec un seul volet ouvert à 50% par vent fort, la vitesse du vent sera réduite d'environ 50% avec 2 volets ouverts et par vent V, la vitesse au col sera multipliée par 1,4. Par vent faible, tous volets grands ouverts, la vitesse au col devrait être environ 2V et 1,4V en sortie de turbine. Le profil du booster [3] a été dessiné de manière à multiplier la vitesse du vent par 2 ; il produit ainsi une lame d'air rapide autour du flux sortant du divergent [48] qui par effet de dépression assure le bon rendement du système aéraulique. La puissance électrique attendue de ce modèle est de l'ordre du kW, La figure 10 montre une variante à deux rotors, le second étant alimenté par un conduit convergent à la sortie de la première turbine par la fermeture du volet . Ce modèle rudimentaire, qui a la forme d'une grosse boîte (par exemple 50x65x70cm, soit la dimension d'un radar), est adapté par exemple à un usage nautique. Le carénage de la turbine permet un positionnement en tête de mât surmontée d'un anémomètre et d'une girouette ou sur la partie avant du mât à une hauteur où il ne gêne pas les manoeuvres et où le vent est déjà accéléré entre génois et grand voile. Un quatrième modèle de réalisation comporte une éolienne verticale à évacuation horizontale Une turbine à axe vertical est placée dans un carénage formant Venturi. Les dessins 12,13 et 14 montrent une version préférée de ce modèle. Le dessin circulaire permet à l'éolienne de fonctionner quelle que soit la direction du vent. Un cylindre vertical coulissant [22] muni d'une bavette forme convergent avec le chapeau [42] et permet de régler le débit d'air admis en fonction de la force du vent par un asservissement adéquate mécanique, électrique ou autre. Des guides verticaux [44] au nombre de huit dans l'exemple, solidaires du corps [4] permettent de canaliser le flux d'air dans 3 à 4 secteurs suivant l'incidence du vent. La surface d'admission est fonction de la hauteur entre chapeau et coulissant, du diamètre du chapeau [42], du coefficient d'ouverture du cylindre coulissant et de l'incidence du vent. La surface d'entrée au col de Venturi annulaire [47] est proportionnelle à la différence des carrés des diamètres interne et externe ; dans l'exemple elle est 4 fois inférieure à la valeur d'entrée maximale. En conséquence la vitesse au col est 4 fois supérieure à la vitesse du vent extérieur aux pertes de charge près. La turbine, dont le moyeu [53] est solidaire de l'axe qui entraîne la génératrice électrique, est pourvue d'environ 16 pales [52] inclinées à environ 45° ; elle est placée dans le col de Venturi cylindrique et montrée ici à deux étages à sens de rotation opposés. La section dans le col est constante, mais augmente progressivement dans le divergent [48]. L'air déjà ralenti par le transfert d'énergie à la turbine se trouve à une vitesse double du vent. Un dispositif [35] de type Venturi circulaire est placé à la base de l'ensemble ; il est lui aussi découpé en secteurs par des parois verticales [32] au nombre de huit et dont les positions correspondent aux 8 parois verticales [44]. Son ouverture est dimensionnée de façon à admettre un débit d'air comparable à celui traversant la turbine et qui après accélération dans le convergent multiplie par 4 la vitesse d'air; la dépression ainsi créée assure l'évacuation du flux d'air par le divergent [35]. Le modèle présenté, qui devrait fournir une puissance théorique de 500W pour un vent de 5m/s, a un encombrement de 70x80 cm et pourrait être installé en haut d'un mât pour l'alimentation d'un lampadaire d'éclairage public, chaque lampadaire devenant indépendant, ou d'un voilier. Un cinquième modèle de réalisation concerne un groupe d'éoliennes verticales de puissance. The assembly mounted rotatable on an axis is self directional; it is however easier to provide orientation by the wind vane anemometer which controls opening and closing of the sectors of the diaphragm according to the force of the wind. This model corresponds, with a small footprint, to all current wind turbine applications. A third embodiment with a self-directional vertical axis wind turbine The model described by Figs 8, 9 and 11 is surmounted by a wind vane [11] integral with the fairing, orienting the assembly in the wind bed. The intake flaps [22] are rotatable on a vertical axis. In Figure 8 one of the shutters is shown closed and two 100% open. In case of excessive wind, the four flaps are closed thus protecting the turbine with the fairing [4]. The guides [44] are fixed and integral with the fairing. Figure 8 shows the flow of air streams. The turbine, whose blades [52] are in number and adapted vertical shape, rotates about the axis [53]. The section between the turbine body and the fairing defines a surface venturi neck 4 times smaller than the maximum inlet section and twice as small as the inlet section in the divergent [48]; these values are given by way of example, other configurations may be better adapted to the goal pursued. With only one flap open at 50% in strong winds, the wind speed will be reduced by about 50% with 2 flaps open and wind V, the speed at the neck will be multiplied by 1.4. In light winds, all flaps wide open, the speed at the neck should be about 2V and 1.4V at the turbine outlet. The profile of the booster [3] has been designed to multiply the wind speed by 2; it thus produces a rapid air gap around the flow coming out of the divergent [48] which by the effect of depression ensures the good performance of the ventilation system. The expected electric power of this model is of the order of kW. FIG. 10 shows a variant with two rotors, the second being fed by a convergent duct at the outlet of the first turbine by closing the flap. This rudimentary model, which has the shape of a big box (for example 50x65x70cm, the size of a radar), is suitable for example for nautical use. The fairing of the turbine allows positioning at the masthead surmounted by an anemometer and a wind vane or on the front part of the mast at a height where it does not interfere with the maneuvers and where the wind is already accelerated between genoa and large sail. A fourth embodiment comprises a horizontal vertical discharge turbine A vertical axis turbine is placed in a Venturi fairing. Drawings 12,13 and 14 show a preferred version of this model. The circular design allows the wind turbine to operate regardless of the direction of the wind. A vertical sliding cylinder [22] equipped with a flap forms converge with the cap [42] and makes it possible to regulate the intake air flow as a function of the wind force by adequate mechanical, electrical or other servocontrol. Vertical guides [44] eight in number in the example, integral with the body [4] can channel the flow of air in 3 to 4 sectors according to the incidence of wind. The intake surface is a function of the height between the bonnet and the sliding, the diameter of the bonnet [42], the coefficient of opening of the sliding cylinder and the incidence of wind. The inlet area at the annular Venturi neck [47] is proportional to the difference in squares of the inner and outer diameters; in the example it is 4 times smaller than the maximum input value. As a result, the speed at the pass is 4 times higher than the wind speed outside the pressure drops. The turbine, whose hub [53] is integral with the axis which drives the electric generator, is provided with about 16 blades [52] inclined at about 45 °; it is placed in the cylindrical Venturi neck and shown here in two opposite stages of rotation. The section in the neck is constant, but gradually increases in the divergent [48]. The air already slowed down by energy transfer to the turbine is at a double wind speed. A device [35] of circular Venturi type is placed at the base of the assembly; it is also cut into sectors by vertical walls [32] eight in number and whose positions correspond to the 8 vertical walls [44]. Its opening is dimensioned so as to admit an air flow comparable to that through the turbine and which after acceleration in the convergent multiplies by 4 the air velocity; the depression thus created ensures the evacuation of the air flow by the divergent [35]. The model presented, which should provide a theoretical power of 500W for a wind of 5m / s, has a footprint of 70x80 cm and could be installed at the top of a mast for the supply of a street lamp, each lamppost becoming independent, or sailboat. A fifth embodiment relates to a group of vertical wind turbines.
Pour fournir des puissances électriques de 100KW à iMW, les vitesses d'air doivent atteindre 50 à 100m/s sur une plaque de lm'. Ces vitesses, courantes dans les turbines à gaz, sont mal connues dans le domaine des éoliennes. La dépression qui accompagne l'augmentation d'énergie cinétique est très importante et nécessite une construction étanche et résistante. Le modèle proposé est une application du présent brevet au domaine des éoliennes de puissance. Seuls des essais en soufflerie permettraient la validation du modèle. Les figures 15 et 16 décrivent le dispositif. L'ensemble est monté sur une base circulaire [42] qui porte en périphérie des volets [22] rotatifs autour d'un arbre et commandés par les indications d'une centrale girouette anémomètre. Huit turbines verticales [5] sont montées à 45° les unes des autres ; cet ensemble est fixe et est complété au sommet et à la base par un ensemble convergent divergent [3] destiné à l'évacuation finale de l'air ayant traversé le dispositif. Quelle que soit l'incidence du vent, les volets permettent toujours d'admettre un flux d'air dans une section dont la surface varie de 0 zéro à 4 fois supérieure à la section des turbines [5] du premier étage balayée par les ailettes. Dans chacune des 4 turbines, le vent a été accéléré 4 fois. L'air est alors dirigé par le canal [5] vers la turbine centrale [54] qui forme le deuxième étage. Celle-ci a les mêmes dimensions que les turbines [5] mais ses ailettes sont hélicoïdales afin de conduire l'air verticalement vers le haut et vers le bas. Les sections sont calculées pour que la vitesse d'air soit à nouveau théoriquement quadruplée provoquant une forte dépression. L'air est alors admis dans les turbines de décélération [55] situées dans un canal divergent, puis expulsé vers le Venturi [3] formé entre deux disques partiellement reliés par des supports verticaux canalisant l'air. L'air admis dans le Venturi voit sa vitesse augmentée à une valeur supérieure à la vitesse résultante en sortie des turbines [55]. Le rapport puissance électrique par rapport au volume occupé est tel qu'un cube de 10m de côté a une puissance théorique de l'ordre d'1MW, ce qui correspond aux besoins industriels. La possibilité de construire des équipements compacts délivrant une puissance moyenne et à moindre coûte ouvre la perspective d'une installation sur socle ou en haut de poteau et l'intégration dans un réseau de distribution électrique pour fournir localement au réseau d'électricité des appoints substantiels au même titre qu'un transformateur. La généralisation du système pourrait changer l'arborescence des réseaux actuels en réseaux cellulaires sur le modèle des réseaux de téléphone mobile en augmentant la fiabilité et réduisant les pertes en ligne. To provide electrical power from 100kW to iMW, the air velocities must reach 50 to 100m / s on a plate of lm '. These speeds, common in gas turbines, are poorly known in the field of wind turbines. The depression that accompanies the increase in kinetic energy is very important and requires a tight and resistant construction. The proposed model is an application of this patent to the field of power wind turbines. Only wind tunnel tests would allow the validation of the model. Figures 15 and 16 describe the device. The assembly is mounted on a circular base [42] which carries at the periphery of flaps [22] rotating around a shaft and controlled by the indications of a central vane anemometer. Eight vertical turbines [5] are mounted at 45 ° from each other; this assembly is fixed and is completed at the top and at the base by a convergent divergent assembly [3] intended for the final evacuation of the air having passed through the device. Whatever the incidence of the wind, the flaps always allow to admit a flow of air in a section whose surface varies from 0 zero to 4 times greater than the section of the turbines [5] of the first stage swept by the fins . In each of the 4 turbines, the wind was accelerated 4 times. The air is then directed by the channel [5] to the central turbine [54] which forms the second stage. It has the same dimensions as the turbines [5] but its fins are helical to drive the air vertically upwards and downwards. The sections are calculated so that the air velocity is again theoretically quadrupled causing a strong depression. The air is then admitted into the deceleration turbines [55] located in a divergent channel, then expelled towards the Venturi [3] formed between two disks partially connected by vertical supports channeling the air. The air admitted into the Venturi increases its speed to a value greater than the resulting turbine output speed [55]. The electrical power ratio with respect to the occupied volume is such that a cube of 10m side has a theoretical power of the order of 1MW, which corresponds to the industrial needs. The possibility of building compact equipment delivering average power and at a lower cost opens the prospect of installation on a pedestal or at the top of a pole and integration into an electricity distribution network to provide substantial additional power to the electricity grid locally. just like a transformer. The generalization of the system could change the tree structure of current networks into cellular networks on the model of mobile phone networks by increasing reliability and reducing online losses.
Un sixième modèle de réalisation concerne l'application du brevet aux moyens de transport, Pour les véhicules automobiles, leur vitesse équivaut à une vitesse d'air élevée qui est stable en direction, souvent déjà capté pour la ventilation, et la vitesse est affichée. Pour une automobile roulant à 50km/h (14m/s), une turbine avec des pales de 20cmx25cm fournirait une puissance théorique de plus de 150 Watts équivalente à celle d'un alternateur. A 130km/h (36m/s) la puissance théorique atteint 2800 Watts. Une boîte de vitesse à vent avec bouche d'aération de section double multiplie ces puissances par 8 ; cet apport d'énergie peut réduire la consommation ou recharger le stock. L'ensemble peut être placé devant le radiateur ou dans le toit et avec deux turbines verticales (hauteur 25, diamètre 40) placées côte à côte mesurerait 1m de long. Pour les chemins de fer, la vitesse des TGV de 180 à 360km/h (50 à 100m/s) permet d'envisager avec une entrée d'air de taille compatible (50x280) une puissance de 500kW qui viendrait en déduction de la puissance électrique appelée de 6400 à 8800kW des trains actuels. 25 30 35 A sixth embodiment relates to the application of the patent to the means of transport, for motor vehicles, their speed is equivalent to a high air speed which is stable in the direction, often already captured for ventilation, and the speed is displayed. For a car traveling at 50km / h (14m / s), a turbine with blades of 20cmx25cm would provide a theoretical power of more than 150 Watts equivalent to that of an alternator. At 130km / h (36m / s) the theoretical power reaches 2800 Watts. A wind speed box with a dual section vent multiplies these powers by 8; this energy supply can reduce consumption or recharge the stock. The set can be placed in front of the radiator or in the roof and with two vertical turbines (height 25, diameter 40) placed side by side would measure 1m long. For the railways, the speed of the TGV from 180 to 360km / h (50 to 100m / s) makes it possible to envisage with an air intake of compatible size (50x280) a power of 500kW which would be deducted from the power called electrical from 6400 to 8800kW of current trains. 25 30 35
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