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WO2012001320A1 - Eolienne verticale a winglets - Google Patents

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Publication number
WO2012001320A1
WO2012001320A1 PCT/FR2011/051538 FR2011051538W WO2012001320A1 WO 2012001320 A1 WO2012001320 A1 WO 2012001320A1 FR 2011051538 W FR2011051538 W FR 2011051538W WO 2012001320 A1 WO2012001320 A1 WO 2012001320A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
deflector
blade
degrees
rotor
rope
Prior art date
Application number
PCT/FR2011/051538
Other languages
English (en)
Inventor
Daniel Yves Henri Emile Heulot
Original Assignee
Okwind
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Okwind filed Critical Okwind
Publication of WO2012001320A1 publication Critical patent/WO2012001320A1/fr

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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D3/00—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor 
    • F03D3/06—Rotors
    • F03D3/061—Rotors characterised by their aerodynamic shape, e.g. aerofoil profiles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/20—Rotors
    • F05B2240/21—Rotors for wind turbines
    • F05B2240/211—Rotors for wind turbines with vertical axis
    • F05B2240/214—Rotors for wind turbines with vertical axis of the Musgrove or "H"-type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05B2240/30—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Definitions

  • the present invention relates to the general field of devices for collecting the energy of a fluid stream which comprise a rotor driven by said fluid stream and whose axis of rotation is intended to be arranged transversely with respect to the direction incident fluid.
  • the subject of the present invention is in particular a device for collecting the energy of a fluid stream comprising a rotor whose axis of rotation ( ⁇ - ⁇ ') is intended to be arranged transversely with respect to the direction of said current of fluid, said rotor being provided with at least one blade allowing the flow of fluid to cause it to rotate.
  • vertical axis turbines of the Darrieus type comprising a plurality of vertical blades, generally parallel to the axis of rotation, which are assembled to form a kind of drum and arranged so as to be propelled by the phenomenon of lift resulting from the flow of wind relative to their surface.
  • the objects assigned to the present invention therefore aim at remedying these drawbacks and at proposing a new device for collecting the energy of a fluid stream that can be effectively rotated by a fluid stream, in particular a gaseous stream, of low speed.
  • Another object assigned to the invention is to propose a new device for capturing the energy of a fluid stream whose efficiency is optimized. Another object assigned to the invention is to propose a new device for capturing the energy of a fluid stream whose operation generates little, if any, nuisance, especially visual or sound. Finally, another object assigned to the invention is to propose a new type of wind turbine for "small wind", particularly suitable for low-power energy production and installation on public buildings, commercial premises or the homes of individuals.
  • a device for collecting the energy of a fluid stream comprising a rotor whose axis of rotation ( ⁇ - ⁇ ') is intended to be arranged substantially transversely to the direction of said fluid stream, said rotor being provided with at least one blade allowing the flow of fluid to drive it to rotate, said device being characterized in that said blade comprises at least a first transverse deflector inclined which is arranged so that the rope of said first deflector, which connects the leading edge of said deflector to its trailing edge, forms, with the rope of the blade and in projection in the cord plane of said blade, a non-zero angle of attack.
  • FIG. 1 A is a perspective view of a device according to the invention.
  • FIGS. 1B and 1C show the device of FIG. 1A, in a top projection view and a side projection view.
  • FIG. 2A illustrates, in a perspective view, an embodiment of blade provided with inclined transverse deflectors, as implemented within the device of Figures 1A to 1C.
  • FIGS. 2B, 2C and 2D illustrate the blade shown in Figure 2A in side views (intrados), front (leading edge), and from above.
  • FIGS. 3A, 3B, 3C and 3D represent, in perspective views, a sagittal section, a top projection and a frontal section, a deflector variant; according to the invention, as implemented in particular on the pay and the device of the preceding figures.
  • FIG. 6 illustrates, in a side view, an alternative embodiment of the device according to the invention differs in particular from that illustrated in Figure 1 B by the implementation of a fourth embodiment of deflector.
  • the present invention generally relates to a device 1 for capturing the energy of a fluid stream F.
  • the device 1 comprises a rotor 2 provided with at least one blade 3 allowing the fluid stream F to drive it to rotate about an axis of rotation ( ⁇ - ⁇ ').
  • the axis of rotation ( ⁇ - ⁇ ') of the rotor 2 is intended to be disposed substantially transversely with respect to the direction of the fluid flow F, that is to say designed to be disposed of so that said fluid stream F approaches the device 1 laterally, in a direction which is not collinear with the axis of rotation ( ⁇ - ⁇ '), and which is on the contrary, particularly preferably, substantially perpendicular to said axis of rotation.
  • the device 1 can thus constitute a wind turbine or a vertical axis turbine, and particularly preferably a Darrieus type wind turbine, propelled essentially by lift phenomenon resulting from the circulation of fluid on both sides of the blade. 3, and more particularly "relative incident wind” V
  • the device 1 will be likened to a vertical axis wind turbine.
  • said device 1 can be adapted to fluids of different natures, such as air (wind), liquid water (stream, marine currents) or any gas such as steam. water.
  • fluid stream F can indifferently be natural or artificially generated by any means.
  • the device 1 is therefore in the form of a rotating machine, of the turbine type, the rotor 2 of which is capable of converting the kinetic energy of the fluid stream F into a rotational speed movement ⁇ around the rotor. rotation axis (ZZ).
  • the rotor 2 can be rotatably mounted and guided on a stator 4, which can advantageously comprise a base 5 provided with fixing means intended to secure the device 1 to any implantation site, forming a reference system, such as the ground, a building, a roof, a mast, a vehicle, etc.
  • a stator 4 can advantageously comprise a base 5 provided with fixing means intended to secure the device 1 to any implantation site, forming a reference system, such as the ground, a building, a roof, a mast, a vehicle, etc.
  • the device 1 comprises a plurality of blades 3, preferably identical to each other and regularly distributed around the axis of rotation (ZZ), the rotor 2 thus having substantially a structural invariance by rotation of order n, n being the number of blades 3.
  • Each blade has a leading edge 3A at which it slices the air when it is rotating, as well as a trailing edge 3F.
  • the leading edges 3A and 3F of leakage are connected to each other by side faces, preferably solid, profiled and substantially smooth, forming a 3I intrados and an extrados 3E.
  • rope C3 of the blade 3 is the right segment which joins the leading edge 3A to the trailing edge 3F, and the term “rope surface”, or “rope plane”, the average generating surface of the blade 3 which corresponds to the succession of blade ropes C3.
  • the profile of the blade 3 may be subject to variations without departing from the scope of the invention.
  • the intrados 31 and the extrados 3E of the blade 3 will be substantially convex and symmetrical with respect to the chord plane P C 3.
  • the blade or blades 3 have a curved Pc3 rope surface, said blades having for example an outer bulge in their central portion while their lower ends 6 and upper 7 are closer to the axis of rotation ( ⁇ - ⁇ ') as said central portion.
  • rope surfaces P C blades 3 may be more or less twisted.
  • the blades 3 extend substantially rectilinear and parallel to the axis of rotation ( ⁇ - ⁇ '), according to a plane of rectilinear rope in its two dimensions extension, as is illustrated for example in Figures 1A, 1C, 2A or 6.
  • their intrados 31 is oriented substantially towards said axis
  • their upper face 3E is oriented to the opposite, to outside, and points towards the region of the space located (radially) beyond the scanning path 8 traversed by said blades 3.
  • chord plane Pc3 of each of the blades 3 will be substantially tangent to said scanning path 8, which preferably corresponds, as illustrated in FIG. 1B, to a substantially circular trajectory.
  • the chord plane P C 3 thereof being able to form, in projection in a base plane ⁇ substantially normal to the axis of rotation ( ⁇ - ⁇ '), a non-zero angle with respect to the tangent to the scanning path 8.
  • the orientation of the blades 3 with respect to the axis, the rotor and the scanning path will be such that, when the rotor is moving, the leading edge 3A is substantially upstream, so as to be able to split the air and allow the relative wind to be distributed on both sides of the chord plane P C 3 and flowing from said leading edge 3A to the trailing edge 3F simultaneously on the upper surface 3E and the lower surface 31.
  • the blades will preferably be elongated, that is to say preferably have a height, measured along the axis of rotation ( ⁇ - ⁇ '), greater than their other dimensions. They will also preferably be substantially flattened to facilitate the flow of the fluid around them, and may for this purpose have a width, measured between their leading edge 3A and their trailing edge 3B, and more particularly a length of I_c3 rope, greater or more than several times, at their maximum thickness E3, measured laterally between their extrados 3E and their intrados 31.
  • the blades 3 may advantageously be connected to the hub 10 of the rotor 2 by means of one, and preferably of, several rigid arms 11.
  • Said arms 11 will maintain the rigid and substantially invariant in a fixed position, each blade relative to the hub 10 and relative to the other blades.
  • each blade will preferably be provided, on its intrados 3I, for example substantially at the first third and second third of its height h, fixing means 12 comprising for example a flat or an impression 13 in or on which the external radial edge of the arm 11 can be fitted and fixed, for example by screwing, preferably substantially perpendicular to the plane of rope Pc3 of the blade.
  • the arms 1 will be in the form of substantially rectilinear plates and normal rotation axis ( ⁇ - ⁇ ').
  • leading and trailing edges of said arms may be profiled to improve the overall efficiency of the device 1.
  • the blade or blades 3 comprise at least a first inclined transverse deflector, which is arranged such that the rope C 2 o of said first deflector 20, which connects the leading edge 20A of said first deflector 20 to its trailing edge 20B, forms, with the rope C 3 of the blade 3, and in projection in the cord plane P C 3 of said pay 3, a non-zero angle of attack ⁇ .
  • the deflector 20 has an angle of attack, or "angle of incidence”, or "pitch angle" ⁇ non-zero.
  • said deflector is thus inclined, in the direction of circulation of the fluid around the blade 3, so that its rope C20 and more generally its mean P C 2o chord plane, extend generally between the edge 20A attack of said deflector and its trailing edge 20F, non-normal way, that is to say non-perpendicular to the edge of the leading edge 3A of the blade 3, and / or non-normal to the edge of the trailing edge 3F of said blade 3.
  • this inclination of the deflector 20 may advantageously result in a protruding bevel arrangement of the chord plane Pc2o of said deflector 20 relative to a base plane normal to the axis of rotation ( ⁇ - ⁇ '), substantially to the right of the blade 3 and along the rope thereof, and more particularly at the tangent of the tangent to the scan path 8.
  • the invention thus also relates as such to a device 1 comprising at least one blade 3 provided with at least one inclined first deflector 20, including the rope 20, which joins the leading edge 20A of said deflector 20 to its edge.
  • 20F leakage by the shortest path, and preferably whose chord plane 20 as a whole, present (nt) globally, in projection in the cord plane Pc3 of the blade 3, and with respect to a normal basic plane to the axis of rotation ( ⁇ - ⁇ '), such as for example the plane normal to the axis of rotation which contains the point of junction between the leading edge 3A of said blade and the deflector 20, an angle d ⁇ non-zero attack.
  • the blade 3 preferably comprises a second inclined transverse deflector 21, remote from the first deflector 20, and oriented in a convergent manner with the latter, as illustrated in particular in FIGS. 1A, 1C, 2A, 2B and 6 .
  • chord planes Pc2o, Pc 2 i of the first and second deflectors 20, 21 are not parallel, but instead intersecting, so as to delimit between them a section of blades forming a kind of guide or convergent duct, non-zero angular aperture.
  • the characteristics of the second deflector can be deduced from those of the first deflector mutatis mutandis.
  • the first and / or the second deflector 20, 21 is folded so as to converge, since its trailing edge 20F which points towards the end 6 of the blade 3 which is closest to it, to its edge 20A which is closer to the opposite end 7 of the same blade 3.
  • the angle of attack ⁇ preferably forms a positive penetration angle conferring the deflector a character " diving "in the direction of movement of the blade.
  • first and the second deflectors can thus converge towards one another from the trailing edge 3F towards the leading edge 3A of the blade 3, that is to say be arranged one towards the other so as to form a narrowing of the bearing surface of the blade, the leading edge of the blade section between said baffles 20, 21 being shorter than the trailing edge of this blade. same section of blade 3.
  • the inclination, and more particularly the convergence of the first and second deflectors 20, 21 makes it possible to increase the projected surface of the blade 3 in a plane substantially normal to its rope C3, that is to say say to offer a better wind catch when the incident fluid stream reaches said blade 3 by its trailing edge 3F.
  • the arrangement according to the invention makes it possible to significantly reduce the speed of fluid current required for starting the device 1, conferring to the blades 3 an additional thrust surface at the intrados 20I, 211 of the first and second deflectors.
  • the rotor 2 can advantageously be propelled, at least in part, by the kinetic pressure of the fluid stream on the additional thrust surfaces thus created by the baffles.
  • the lift phenomenon becomes preponderant and allows it to accelerate significantly, until reaching speeds of the order of 120 rpm, 400 rpm on the model tested which included three blades arranged at 120 degrees, for a span (overall diameter) of about 2 m and an overall height H of about 1.5 m, which resulted in an electric generator of 1000 W (nominal power).
  • the device 1 according to the invention is therefore advantageously capable of starting autonomously, for relatively low incident fluid current speeds, and in particular for wind speeds of the order of 7 m / s on the model of wind turbine tested, while the same model devoid of deflectors according to the invention so far started only under a wind of 9 m / s (see Table 1 below).
  • the first deflector 20 is fixed substantially to an end 6 of the blade 3, which corresponds to the lower end, the closest to the reference frame, in FIGS. 1A, 1C and 6.
  • the second deflector 21 may be fixed substantially to the other end of the blade 3, here the opposite upper end 7.
  • the first and / or the second deflector 20, 21 can thus be arranged in the manner of wings, or "winglets”, located on either side of the pay 3, at the level of the songs of this last, so border and laterally delineate the intrados 3I and the extrados 3E.
  • the deflector (s) 20, 21 will preferably form terminal fins that cap substantially transversely edges of the blades 3, preferably such that the rotor 2 has a arrangement substantially symmetrical with respect to its median plane, normal to the axis of rotation ( ⁇ - ⁇ ') and cutting the blades 3 at mid-height.
  • the deflectors 20 are directly contiguous to the end of the blade 3, and advantageously carried exclusively by the latter, at a distance from the hub 10 and the arms 11, which gives such lightweight, robustness and simplicity to the rotor structure 2.
  • the angle of attack ⁇ is substantially between 2 degrees and 20 degrees, preferably between 5 degrees and 15 degrees, particularly preferably between 7 degrees and 12 degrees, or even substantially equal to 8 degrees, 9 degrees or 10 degrees.
  • this inclination is likely to be optimized by means of test campaigns, depending in particular on the nature of the fluid stream and the dimensions of the device 1.
  • the inventors have found that the use of a non-zero angle of attack at the level of the baffles also makes it possible to improve the power efficiency of the device 1, and more particularly of a wind turbine of the type Darrieus, of the order of 15% for an angle of attack ⁇ of the order of 10 degrees.
  • the first and / or the second deflector 20, 21 overflow both the upper surface 3E and the lower surface 31 of the blade 3.
  • each deflector 20, 21 preferably projects in two opposite directions, on either side of the chord plane Pc3 of the blade 3.
  • first and / or the second deflector 20, 21 preferably project upstream of the leading edge 3A of the blade and / or downstream of the trailing edge 3F of said blade 3.
  • first and / or the second deflector 20, 21 may protrude in the manner of a wide-brimmed hat substantially in all directions transverse to the average generative line of the blade 3, and overhang the surfaces of said blade in all directions.
  • the deflectors 20, 21 may thus form a kind of profiled collar at the end of the blades 3, the lateral and / or frontal strips visible from the intrados 20I, 211 of each deflector 20, 21, which are located on the side and else of the blade 3, thus creating, as previously mentioned, additional thrust surfaces facilitating the automatic start of the rotor 2.
  • first and / or the second deflector 20, 21 are preferably substantially centered on the rope C3 of the blade 3.
  • the lateral portions of the deflector 20 preferably protrude substantially on an equal distance with respect to the intrados and the extrados of the blade respectively, and / or the frontal or caudal portions of said deflector 20 preferably project substantially at an equal distance from the leading edge 3A and the trailing edge 3F of said blade 3.
  • first and / or the second deflector 20, 21 preferably have, laterally, in their chord plane P C2 0, Pc 2 i > a substantially symmetrical profile, as illustrated in FIGS. 3C, 4C, and 5C.
  • the deflector 20, 21 may have a substantially symmetrical structure, whose sagittal plane P s , substantially perpendicular to the chord plane Pc2o, Pc 2 i of said deflector, substantially coincides with the chord plane P C3 of the blade 3, said sagittal plane thus preferably being substantially vertical and tangential to the scanning path 8, as illustrated in particular in FIGS. 1B or 2A.
  • each blade 3 as a whole, including the deflectors 20, 21, may be symmetrical with respect to the chord plane P C 3.
  • first and / or the second baffle preferably laterally, in their chord plane Pc 20 , Pc 2 i > a profile which is widened in its upstream portion, that is to say in the vicinity of the edge d 20A attack, 21 A, and tapering towards the trailing edge 20F, 21 F as shown in particular in Figures 1A, 1B, 2B, 3C, 4C or 5C.
  • baffles will preferably have a rope length L C 2o substantially greater than their width l 2 >> itself substantially greater, or even several times greater than their maximum thickness E MAX -
  • the lower surface 20I of the first deflector 20 and / or the lower surface 211 of the second deflector 21 is substantially plane.
  • Such an arrangement allows in particular to simplify the manufacture or the introduction of the baffles 20, 21 of the blades 3, their respective intrados thus being substantially coincident with their rope plans Pc2o and P C 21 respective.
  • first and / or second deflector 20, 21 it is conceivable for the first and / or second deflector 20, 21 to be formed by a plate whose intrados 201 and extrados 20E are both substantially planar, and preferably parallel such that said baffle has a constant thickness.
  • the deflector 20, 21 preferably has a substantially rounded bead at its leading edge, then generally tapers towards its trailing edge 20F, 21F, according to a profile of preferably continuously curved.
  • the extrados 20E, 21E of the deflector (s) 20, 21 may have a generally round bow shape, rounded and curved at the same time, in the sagittal plane P s , between the leading edge 20A, 21A and the trailing edge 20F, 2F, as illustrated for example on the sagittal sections of FIGS.
  • the crown of the extrados 20E, 21 E, and more particularly its double curvature bow gives the deflector 20, 21, side or "leans" the latter, good aerodynamic properties. Indeed, such a shape minimizes its resistance to penetration and advancement, because it limits the coefficient of drag of the deflector 20, 21 vis-à-vis the relative wind ⁇ ⁇ flowing from the edge of 20A attack towards the trailing edge 20B of said deflector when the rotor 2 rotates.
  • the deflector (s) 20, 21 will preferably be arranged, shaped and oriented so that they have a drag coefficient (Cx) "in the bow", which applies in the direction of relative wind flow ⁇ ⁇ (or relative incident wind V
  • Cx drag coefficient
  • the engine torque associated with the driving thrust effect resulting from the drag generated by the incident wind F blowing "on the stern" on the lower surface is favored. that the resisting torque resulting from the drag generated by the relative wind, of the moderate rest, which flows from the "bow" towards the "stern” is minimized.
  • Such an arrangement of the deflectors which have a low Cx in the direction of travel and a higher Cx in the opposite direction, improves the efficiency of the wind turbine at startup, which can occur by particularly low wind F, without to disturb or significantly reduce the steady state performance, when the relative wind becomes predominant.
  • the transverse section of the deflector 20, 21 may have a profile reminiscent of a flattened drop of water, and whose maximum thickness Emax is such that, given the value of the angle of attack ⁇ , the deflector 20, 21, and more particularly its extrados 20E, 21 E is entirely contained inside the rotor 2, that is to say located in the side of the blade 3 and the rotor 2 relative to a base plane ⁇ substantially normal to the axis of rotation ( ⁇ - ⁇ ') and tangent to the trailing edge 20F, 21 F of said deflector, as shown on Figure 1C.
  • each deflector moves substantially in the wake of the deflector in front of it, the attack of the deflector "follower” being somehow “safe” from the trailing edge the deflector which precedes it, and thus tends to "open the road”.
  • such an arrangement is capable of conferring on the blades 3 an excellent ability to penetrate into the fluid and to limit their drag, especially when the rotor reaches high speeds.
  • the roll angle ⁇ of the first deflector 20 and / or the second deflector, considered around the rope C20, C21 of said deflector 20, 21 which is located in the Pc3 chord plane of the blade 3, is substantially between -5 degrees and +5 degrees and is preferably substantially zero.
  • the deflectors 20, 21 have a plate whose angle of attack ⁇ (that is to say, pitching) is not zero, they are instead arranged preferably so as not to they are tilted in a centrifugal direction towards the outside of the rotor or on the contrary inclined in a centripetal direction towards the axis and the center of the rotor from the blade 3.
  • chord planes of the deflectors are preferably generated on the one hand by a C20, C21 chord deflector which is not only located in the plane of rope P C 3 of the blade 3 but also inclined (here relative to the horizontal) an angle of attack ⁇ , and secondly by a line substantially normal to the axis of rotation, that is to say substantially radial and in this case parallel to the horizontal plane.
  • each deflector preferably extends in majority or even entirely outside the volume containing the rotor and delimited by the two normal planes to rotation axis and each passing through an end 6, 7 of the blade, at the junction the leading edge 3A of said blade 3 with said deflector.
  • FIGS. 1A, 1 B, 1C for a vertical axis wind turbine of the Darrieus type.
  • the speed of the incident fluid is zero and the rotor 2 is stationary, or even blocked by any brake.
  • the fluid stream is captured by the deflectors 20, 21 and deflected by them to the median plane of the rotor 2.
  • the fluid stream thus exerts on the projecting portions of the intrados 20I, 211 of said deflectors 20, 21, on a surface substantially equivalent to their projection in an incidence plane substantially normal to the direction of the incident fluid, a substantially orthoradial thrust component. which generates a torque contributing, or even sufficient, to the start of the rotor.
  • Said incident relative wind flows from the leading edge 3A towards the trailing edge 3F of the blades 3, while flowing simultaneously on the lower surface 31 and the upper surface 3E, and in particular partly along the zones bordered for the one through the lower surface 31 of the blade and the first portion (radially internal) of the lower surface 201 of the deflector 20, and for the other by the upper surface 3E of the blade and the second portion (radially outer) of the lower surface 201 of the deflector.
  • These flows create a lift force P which is exerted especially on the blade located in the wind, that is to say in the south in Figure 1B, and on the blade located downwind, that is to say say north in Figure 1 B,
  • These lift forces gradually accelerate the rotor 2, until the latter reaches its maximum speed, especially given the load.
  • the device according to the invention makes it possible not only to obtain a low speed start of incident wind, but also to improve the power output at constant wind speed, and particularly to low wind speed, especially when the rotor is launched in steady state.
  • the device 1 thus obtained has a good power density, insofar as it has a relatively light structure, discrete and compact.
  • the blades 3, the arms 11 and the deflectors, in particular can be made of composite material.
  • the device 1 generates almost no noise, its operation is particularly quiet.
  • said device is particularly well suited for use in "small éoiien" in the vicinity of commercial or residential premises.
  • the implementation of the invention is however not limited to such a scale of realization and could perfectly be envisaged for large devices intended for a truly industrial production of energy, including electrical energy , for example within wind farms.
  • the present invention finds particular application in the design of wind turbines and the exploitation of wind energy.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif (1) de captage de l'énergie d'un courant de fluide (F) comprenant un rotor (2) dont l'axe de rotation (Ζ-Ζ') est destiné à être disposé sensiblement transversalement par rapport à la direction dudit courant de fluide, ledit rotor (2) étant pourvu d'au moins une pale (3) permettant au courant de fluide (F) de l'entraîner à rotation, le dispositif étant caractérisé en ce que ladite pale (3) comprend au moins un premier déflecteur (20) transverse incliné, qui est agencé de telle sorte que la corde (C20) dudit premier déflecteur (20), qui relie le bord d'attaque (20A) dudit déflecteur (20) à son bord de fuite (20F), forme, avec la corde (C3) de la pale (3) et en projection dans le plan de corde (Pc3) de ladite pale (3), un angle d'attaque (φ) non nul. Eoliennes à axe vertical.

Description

EOLIENNE VERTICALE A WINGLETS
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte au domaine général des dispositifs de captage de l'énergie d'un courant de fluide qui comprennent un rotor entraîné par ledit courant de fluide et dont l'axe de rotation est destiné à être disposé transversalement par rapport à la direction du fluide incident.
Elle concerne notamment plus particulièrement les turbines dites « à axe vertical », du genre éoliennes ou hydroliennes.
La présente invention a notamment pour objet un dispositif de captage de l'énergie d'un courant de fluide comprenant un rotor dont l'axe de rotation (Ζ-Ζ') est destiné à être disposé transversalement par rapport à la direction dudit courant de fluide, ledit rotor étant pourvu d'au moins une pale permettant au courant de fluide de l'entraîner à rotation.
TECHNIQUE ANTÉRIEURE II est connu d'utiliser des machines tournantes, du genre turbines, afin de convertir en énergie mécanique et/ou électrique l'énergie d'un fluide en mouvement, tel que l'eau, l'air ou la vapeur.
En particulier, on connaît des éoliennes à axe vertical de type Darrieus, comprenant une pluralité de pales verticales, généralement parallèles à l'axe de rotation, qui sont assemblées pour former une sorte de tambour et agencées de sorte à être propulsées par le phénomène de portance résultant de l'écoulement du vent relatif à leur surface.
Bien qu'elles procurent des avantages indéniables en matière de production d'énergie, et plus particulièrement d'exploitation d'énergie renouvelable, au moyen d'une structure qui peut être relativement compacte et qui produit relativement peu de nuisances sonores, de telles éoliennes à axe vertical souffrent toutefois de certains inconvénients. L'un de ces inconvénients tient à ce que de telles éoliennes nécessitent généralement des vents de vitesses relativement importantes, voire une assistance mécanique, pour pouvoir démarrer, ce qui limite bien entendu leur plage d'utilisation et impose leur implantation sur des sites suffisamment ventés. En outre, le rendement de telles éoliennes est généralement modéré, voire assez faible aux basses vitesses de vent.
De telles limites de productivité constituent bien entendu un obstacle à la généralisation de l'utilisation de telles éoliennes, en particulier pour réaliser des installations de « petit éolien », c'est-à-dire dont les dimensions et la puissance sont adaptées à une implantation sur des bâtiments commerciaux ou d'habitation, notamment dans un environnement urbain ou péri-urbain.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Les objets assignés à la présente invention visent par conséquent à remédier à ces inconvénients et à proposer un nouveau dispositif de captage de l'énergie d'un courant de fluide apte à être entraîné efficacement à rotation par un courant de fluide, notamment gazeux, de faible vitesse.
Un autre objet assigné à l'invention vise à proposer un nouveau dispositif de captage de l'énergie d'un courant de fluide dont la structure soit particulièrement simple, compacte, et peu onéreuse à fabriquer. Un autre objet assigné à l'invention vise à proposer un nouveau dispositif de captage de l'énergie d'un courant de fluide particulièrement robuste et polyvalent, qui présente une large plage de fonctionnement.
Un autre objet assigné à l'invention vise à proposer un nouveau dispositif de captage de l'énergie d'un courant de fluide dont le rendement soit optimisé. Un autre objet assigné à l'invention vise à proposer un nouveau dispositif de captage de l'énergie d'un courant de fluide dont le fonctionnement génère peu, sinon pas, de nuisances, notamment visuelles ou sonores. Enfin, un autre objet assigné à l'invention vise à proposer un nouveau type d'éolienne destinée au « petit éolien », particulièrement adaptée à une production d'énergie de faible puissance et à une installation sur les bâtiments publics, les locaux commerciaux ou les habitations des particuliers. Les objets assignés à l'invention sont atteints à l'aide d'un dispositif de captage de l'énergie d'un courant de fluide, comprenant un rotor dont l'axe de rotation (Ζ-Ζ') est destiné à être disposé sensiblement transversalement par rapport à la direction dudit courant de fluide, ledit rotor étant pourvu d'au moins une pale permettant au courant de fluide de l'entraîner à rotation, ledit dispositif étant caractérisé en ce que ladite pale comprend au moins un premier déflecteur transverse incliné qui est agencé de telle sorte que la corde dudit premier déflecteur, qui relie le bord d'attaque dudit déflecteur à son bord de fuite, forme, avec la corde de la pale et en projection dans le plan de corde de ladite pale, un angle d'attaque non nul.
DESCRIPTIF SOMMAIRE DES DESSINS D'autres objets, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus en détails à la lecture de la description qui suit, ainsi qu'à l'aide des figures annexées, fournies à titre purement illustratif et non limitatif, parmi lesquelles :
- La figure 1 A représente une vue en perspective d'un dispositif conforme à l'invention.
- Les figures 1 B et 1C représentent le dispositif de la figure 1A, selon une vue en projection du dessus et une vue en projection latérale.
- La figure 2A illustre, selon une vue en perspective, une variante de réalisation de pale pourvue de déflecteurs transverses inclinés, telle que mise en œuvre au sein du dispositif des figures 1 A à 1 C.
- Les figures 2B, 2C et 2D illustrent la pale représentée sur la figure 2A selon des vues de côté (intrados), de face (bord d'attaque), et de dessus.
- Les figures 3A, 3B, 3C et 3D représentent, selon des vues en perspectives, en coupe sagittale, en projection de dessus et en coupe frontale, une variante de déflecteur conforme à l'invention, tel que mis en œuvre notamment sur la paie et le dispositif des figures précédentes.
- Les figures 4A, 4B et 4C, respectivement 5A, 5B et 5C représentent, selon des vues en perspective, en coupe sagittale et de dessus respectivement, une seconde et une troisième variante de réalisation de déflecteurs conformes à l'invention.
- La figure 6 illustre, selon une vue de côté, une variante de réalisation de dispositif conforme à l'invention qui diffère notamment de celle illustrée sur la figure 1 B par la mise en œuvre d'une quatrième variante de déflecteur.
MEILLEURE MANIERE DE RÉALISER L'INVENTION La présente invention concerne de manière générale un dispositif 1 de captage de l'énergie d'un courant de fluide F.
A cet effet, le dispositif 1 comprend un rotor 2 pourvu d'au moins une pale 3 permettant au courant de fluide F de l'entraîner à rotation autour d'un axe de rotation (Ζ-Ζ').
Selon l'invention, l'axe de rotation (Ζ-Ζ') du rotor 2 est destiné à être disposé sensiblement transversalement par rapport à la direction du courant de fluide F, c'est-à- dire conçu pour être disposé de telle sorte que ledit courant de fluide F aborde le dispositif 1 latéralement, selon une direction qui n'est pas colinéaire à l'axe de rotation (Ζ-Ζ'), et qui est au contraire, de façon particulièrement préférentielle, sensiblement perpendiculaire audit axe de rotation. Plus particulièrement, le dispositif 1 pourra ainsi constituer une éolienne ou une hydrolienne à axe vertical, et de façon particulièrement préférentielle une éolienne de type Darrieus, propulsée essentiellement par phénomène de portance résultant de la circulation du fluide de part et d'autres de la pale 3, et plus particulièrement du « vent incident relatif » V|R résultant de la combinaison (vectorielle) du vent incident F d'une part et du vent relatif νω lié au mouvement de rotation de la pale.
Dans ce qui suit, par simple commodité de description, le dispositif 1 sera assimilé à une éolienne à axe vertical. Bien entendu, ledit dispositif 1 pourra être adapté à des fluides de différentes natures, tels que l'air (vent), l'eau liquide (cours d'eau, courants marins) ou encore un gaz quelconque tel que de la vapeur d'eau.
Par ailleurs, le courant de fluide F peut indifféremment être naturel ou généré artificiellement par un moyen quelconque.
Globalement, le dispositif 1 se présente donc sous la forme d'une machine tournante, du genre turbine, dont le rotor 2 est apte à convertir l'énergie cinétique du courant de fluides F en un mouvement de rotation de vitesse ω autour de l'axe de rotation (Z-Z).
Avantageusement, le rotor 2 peut être monté et guidé à rotation sur un stator 4, lequel peut avantageusement comporter une embase 5 pourvue de moyens de fixation destinés à arrimer le dispositif 1 à un site d'implantation quelconque, formant un référentiel, tel que le sol, un bâtiment, une toiture, un mât, un véhicule, etc.
De préférence, le dispositif 1 comporte une pluralité de pales 3, préférentiellement identiques les unes aux autres et réparties régulièrement autour de l'axe de rotation (Z-Z), le rotor 2 présentant ainsi sensiblement une invariance structurelle par rotation d'ordre n, n étant le nombre de pales 3.
Chaque pale présente un bord d'attaque 3A au niveau duquel elle fend l'air lorsqu'elle est en rotation, ainsi qu'un bord de fuite 3F. Les bords d'attaque 3A et de fuite 3F sont reliés l'un à l'autre par des faces latérales, de préférence pleines, profilées et sensiblement lisses, formant un intrados 3I et un extrados 3E.
On désigne par « corde » C3 de la pale 3 le segment de droite qui joint le bord d'attaque 3A au bord de fuite 3F, et par « surface de corde », ou « plan de corde Ρ∞ » la surface moyenne génératrice de la pale 3 qui correspond à la succession des cordes de pale C3. Bien entendu, le profil de la pale 3 pourra faire l'objet de variations sans sortir du cadre de l'invention. Toutefois, selon une variante de réalisation préférentielle particulièrement simple, l'intrados 31 et l'extrados 3E de la pale 3 seront sensiblement convexes, et symétriques par rapport au plan de corde PC3.
Selon des variantes de réalisation non représentées, il est possible que la ou les pales 3 présentent une surface de corde Pc3 incurvée, lesdites pales possédant par exemple un bombé externe dans leur portion centrale tandis que leurs extrémités inférieures 6 et supérieures 7 sont plus proches de l'axe de rotation (Ζ-Ζ') que ladite portion centrale.
De même, lesdites surfaces de corde des pales PC3 pourront être plus ou moins vrillées.
Toutefois, selon une variante de réalisation particulièrement simple et peu onéreuse à fabriquer, les pales 3 s'étendront de façon sensiblement rectiligne et parallèle à l'axe de rotation (Ζ-Ζ'), selon un plan de corde rectiligne dans ses deux dimensions d'extension, tel que cela est par exemple illustré sur les figures 1 A, 1 C, 2A ou 6. De préférence, leur intrados 31 est orienté sensiblement vers ledit axe, tandis que leur extrados 3E est orienté à l'opposé, vers l'extérieur, et pointe vers la région de l'espace située (radialement) au-delà du chemin de balayage 8 parcouru par lesdites pales 3.
De façon particulièrement préférentielle, le plan de corde Pc3 de chacune des pales 3 sera sensiblement tangent audit chemin de balayage 8, lequel correspond de préférence, tel que cela est illustré sur la figure 1 B, à une trajectoire sensiblement circulaire.
Bien entendu, il n'est pas exclu d'opter pour un autre réglage azimutal des pales 3, le plan de corde PC3 de celles-ci pouvant former, en projection dans un plan de base π sensiblement normal à l'axe de rotation (Ζ-Ζ'), un angle non nul par rapport à la tangente au chemin de balayage 8. Avantageusement, l'orientation des pale 3 par rapport à l'axe, au rotor et au chemin de balayage sera toutefois telle que, lorsque le rotor est en mouvement, le bord d'attaque 3A se trouve sensiblement en amont, de sorte à pouvoir fendre l'air et permettre au vent relatif de se répartir de part et d'autre du plan de corde PC3 et de s'écouler depuis ledit bord d'attaque 3A jusqu'au bord de fuite 3F simultanément sur l'extrados 3E et l'intrados 31.
Par ailleurs, les pales seront de préférence allongées, c'est-à-dire présenteront de préférence une hauteur, mesurée selon l'axe de rotation (Ζ-Ζ'), plus importante que leurs autres dimensions. Elles seront en outre de préférence sensiblement aplaties pour faciliter l'écoulement du fluide autour d'elles, et pourront présenter à cet effet une largeur, mesurée entre leur bord d'attaque 3A et leur bord de fuite 3B, et plus particulièrement une longueur de corde I_c3, supérieure, voire plusieurs fois supérieure, à leur épaisseur E3 maximale, mesurée latéralement entre leur extrados 3E et leur intrados 31.
De préférence, tel que cela est illustré notamment sur les figures 1A à 1 C, les pales 3 pourront avantageusement être reliées au moyeu 10 du rotor 2 au moyen d'un, et de préférence de plusieurs, bras 11 rigides.
Lesdits bras 11 assureront le maintien rigide et sensiblement invariant, en position fixe, de chaque pale par rapport au moyeu 10 et par rapport aux autres pales.
A cet effet, chaque pale sera de préférence pourvue, sur son intrados 3I, par exemple sensiblement au premier tiers et au second tiers de sa hauteur h, de moyens de fixation 12 comprenant par exemple un méplat ou une empreinte 13 dans ou sur lequel le chant radial externe du bras 11 peut être emboîté et fixé, par exemple par vissage, de préférence de manière sensiblement perpendiculaire au plan de corde Pc3 de la pale.
De façon préférentielle, les bras 1 se présenteront sous la forme de plaques sensiblement rectilignes et normales à Taxe de rotation (Ζ-Ζ').
Bien entendu, les bords d'attaque et de fuite desdits bras pourront être profilés pour améliorer le rendement global du dispositif 1.
Selon une caractéristique importante de l'invention, tel que cela est illustré notamment sur les figures 1A, 1 C, 2B et 6, la ou les pales 3 comprennent au moins un premier déflecteur 20 transverse incliné, qui est agencé de telle sorte que la corde C2o dudit premier déflecteur 20, qui relie le bord d'attaque 20A dudit premier déflecteur 20 à son bord de fuite 20B, forme, avec la corde C3 de la pale 3, et en projection dans le plan de corde PC3 de ladite paie 3, un angle d'attaque φ non nul. Ainsi, le déflecteur 20 présente un angle d'attaque, ou « angle d'incidence », ou « angle de tangage » φ non nul.
De préférence, ledit déflecteur est ainsi incliné, dans le sens de circulation du fluide autour de la pale 3, de telle sorte que sa corde C20 et plus globalement son plan de corde PC2o moyen, s'étendent globalement, entre le bord d'attaque 20A dudit déflecteur et son bord de fuite 20F, de façon non normale, c'est-à-dire non perpendiculaire, à l'arête du bord d'attaque 3A de la pale 3, et/ou de façon non normale à l'arête du bord de fuite 3F de ladite pale 3.
En particulier, lorsque la section transverse S3 des pales 3, perpendiculaire à leur plan de corde Pc3, et contenant la corde C3 qui joint le bord d'attaque 3A au bord de fuite 3F selon la plus courte distance, est également sensiblement normale à l'axe de rotation (Ζ-Ζ'), c'est-à-dire sensiblement contenue dans un plan horizontal sur les figures 1A, 1 C et 6, ou bien encore, de manière indépendante de la configuration des pales elles-mêmes, cette inclinaison du déflecteur 20 peut avantageusement se traduire par une disposition en biseau saillant du plan de corde Pc2o dudit déflecteur 20 par rapport à un plan de base normal à l'axe de rotation (Ζ-Ζ'), sensiblement au droit de la pale 3 et le long de la corde de celle-ci, et plus particulièrement à l'aplomb de la tangente au chemin de balayage 8.
L'invention concerne donc également en tant que tel un dispositif 1 comprenant au moins une pale 3 pourvue d'au moins un premier déflecteur 20 incliné, dont la corde 20, qui joint le bord d'attaque 20A dudit déflecteur 20 à son bord de fuite 20F par le chemin le plus court, et de préférence dont le plan de corde 20 dans son ensemble, présente(nt) globalement, en projection dans le plan de corde Pc3 de la pale 3, et par rapport à un plan de base normal à l'axe de rotation (Ζ-Ζ'), tel que par exemple le plan normal à l'axe de rotation qui contient le point de jonction entre le bord d'attaque 3A de ladite pale et le déflecteur 20, un angle d'attaque φ non nul. De surcroît, la pale 3 comporte de préférence un second déflecteur 21 transverse incliné, distant du premier déflecteur 20, et orienté de manière convergente avec ce dernier, tel que cela est illustré notamment sur les figures 1A, 1 C, 2A, 2B et 6.
En d'autres termes, les plans de corde Pc2o, Pc2i respectifs des premier et second déflecteurs 20, 21 ne sont pas parallèles, mais au contraire sécants, de sorte à délimiter entre eux un tronçon de pales formant une sorte de guide ou de conduit convergent, d'ouverture angulaire non nulle.
Bien entendu, les caractéristiques du second déflecteur pourront se déduire de celles du premier déflecteur mutatis mutandis. De préférence, le premier et/ou le second déflecteur 20, 21 est rabattu de sorte à converger, depuis son bord de fuite 20F qui pointe vers l'extrémité 6 de la pale 3 qui lui est la plus proche, jusqu'à son bord d'attaque 20A qui est quant à lui plus proche de l'extrémité opposée 7 de la même pale 3. En d'autres termes, l'angle d'attaque φ forme de préférence un angle de pénétration positif conférant au déflecteur un caractère « plongeant » dans le sens de déplacement de la pale.
Plus particulièrement, le premier et le second déflecteur peuvent ainsi converger l'un vers l'autre depuis le bord de fuite 3F en direction du bord d'attaque 3A de la pale 3, c'est-à-dire être agencés l'un en vis-à-vis de l'autre de sorte à former un rétrécissement de la surface porteuse de la pale, le bord d'attaque du tronçon de pale compris entre lesdits déflecteurs 20, 21 étant plus court que le bord de fuite de ce même tronçon de pale 3.
De façon particulièrement avantageuse, l'inclinaison, et plus particulièrement la convergence du premier et du second déflecteur 20, 21 permet d'augmenter la surface projetée de la pale 3 dans un plan sensiblement normal à sa corde C3, c'est-à-dire d'offrir une meilleure prise au vent lorsque le courant de fluide incident atteint ladite pale 3 par son bord de fuite 3F.
En d'autres termes, l'agencement conforme à l'invention permet de réduire significativement la vitesse de courant de fluide nécessaire au démarrage du dispositif 1 , en conférant aux pales 3 une surface de poussée additionnelle au niveau des intrados 20I, 211 des premier et second déflecteurs.
Ainsi, au démarrage, lorsque la vitesse de rotation ω du rotor 2 est faible, voire sensiblement nulle, c'est-à-dire que l'effet de portance est faible, le rotor 2 peut avantageusement être propulsé, au moins en partie, par la pression cinétique du courant de fluide sur les surfaces de poussée additionnelles ainsi créées par les déflecteurs.
A ce titre, il est remarquable que la surface projetée utile de ces surfaces de poussée additionnelles est sensiblement égale au produit de la surface apparente des intrados 20I, 211 des déflecteurs 20, 21 , multipliée par le sinus de l'angle d'attaque φ.
Une fois le rotor 2 animé d'une vitesse de rotation suffisante, le phénomène de portance devient prépondérant et lui permet d'accélérer significativement, jusqu'à atteindre des vitesses de l'ordre de 120 tr/min, à 400 tr/min sur le modèle testé qui comprenait trois pales agencées à 120 degrés, pour une envergure (diamètre hors- tout) d'environ 2 m et une hauteur hors-tout H d'environ 1 ,5 m, et qui entraînait une génératrice électrique de 1000 W (puissance nominale).
Le dispositif 1 conforme à l'invention est donc avantageusement capable de démarrer de façon autonome, pour des vitesses de courant de fluide incident relativement faibles, et notamment pour des vitesses de vents de l'ordre de 7 m/s sur le modèle d'éolienne testé, alors qu'un même modèle dépourvu de déflecteurs conformes à l'invention ne démarrait jusqu'à présent que sous un vent de 9 m/s (cf. tableau 1 ci- après).
De façon préférentielle, le premier déflecteur 20 est fixé sensiblement à une extrémité 6 de la pale 3, qui correspond à l'extrémité inférieure, la plus proche du référentiel, sur les figures 1 A, 1 C et 6.
De même, le second déflecteur 21 peut être fixé sensiblement à l'autre extrémité de la pale 3, ici l'extrémité supérieure 7 opposée. De façon particulièrement avantageuse, le premier et/ou le second déflecteur 20, 21 peuvent ainsi être agencés à la manière d'ailerettes, ou « winglets », situées de part et d'autre de la paie 3, au niveau des chants de cette dernière, de sorte à border et délimiter latéralement l'intrados 3I et l'extrados 3E. De manière surprenante, il a en effet été constaté qu'un tel agencement permet au déflecteur non seulement d'améliorer les performances du dispositif 1 en matière de démarrage, mais en outre d'améliorer le rendement dudit dispositif une fois le rotor 2 entraîné à rotation.
Ainsi, il semblerait que non seulement la présence de déflecteurs 20, 21 inclinés conformes à l'invention ne génère pas de traînée perturbatrice additionnelle susceptible de dégrader le rendement, par rapport à l'utilisation possible de déflecteurs « à plat », c'est-à-dire horizontaux, mais au contraire contribue à améliorer les performances absolues du dispositif 1 , c'est-à-dire la puissance captée et restituée pour une vitesse de vent incident donné. Ainsi, tel que cela est illustré sur les figures, le ou les déflecteur(s) 20, 21 formeront de préférence des ailerons terminaux venant coiffer de manière sensiblement transverse des chants des pales 3, de préférence de telle sorte que le rotor 2 présente un agencement sensiblement symétrique par rapport à son plan médian, normal à l'axe de rotation (Ζ-Ζ') et coupant les pales 3 à mi-hauteur. De préférence, les déflecteurs 20 sont directement accolés à l'extrémité de la pale 3, et avantageusement portés exclusivement par cette dernière, à distance du moyeu 10 et des bras 11 , ce qui confère notamment légèreté, robustesse et simplicité à la structure du rotor 2.
De préférence, i'angle d'attaque φ est sensiblement compris entre 2 degrés et 20 degrés, de préférence entre 5 degrés et 15 degrés, de façon particulièrement préférentielle entre 7 degrés et 12 degrés, voire sensiblement égal à 8 degrés, 9 degrés ou 10 degrés. Bien entendu, cette inclinaison est susceptible d'être optimisée au moyen de campagnes d'essais, en fonction notamment de la nature du courant de fluide et des dimensions du dispositif 1.
A titre d'exemple, les inventeurs ont constaté que la mise en oeuvre d'un angle d'attaque non nul au niveau des déflecteurs permettait également d'améliorer le rendement en puissance du dispositif 1 , et plus particulièrement d'une éolienne de type Darrieus, de l'ordre de 15 % pour un angle d'attaque φ de l'ordre de 10 degrés.
De préférence, tel que cela est illustré sur les figures, le premier et/ou le second déflecteur 20, 21 débordent à la fois de l'extrados 3E et de l'intrados 3l de (a pale 3. En d'autres termes, chaque déflecteur 20, 21 fait de préférence saillie dans deux directions opposées, de part et d'autre du plan de corde Pc3 de la pale 3.
De même, le premier et/ou le second déflecteur 20, 21 font de préférence saillie en amont du bord d'attaque 3A de la pale et/ou en aval du bord de fuite 3F de ladite pale 3. De façon préférentielle, le premier et/ou le second déflecteur 20, 21 peuvent déborder à la manière d'un chapeau à larges bords sensiblement dans toutes les directions transverses à la ligne moyenne génératrice de la pale 3, et surplomber les surfaces de ladite pale dans toutes les directions.
Avantageusement, les déflecteurs 20, 21 peuvent ainsi former une sorte de collerette profilée en bout des pales 3, les bandes latérales et/ou frontales visibles de l'intrados 20I, 211 de chaque déflecteur 20, 21 , qui se trouvent situées de part et d'autre de la pale 3, créant ainsi, tel que cela a été mentionné précédemment, des surfaces de poussée additionnelles facilitant le démarrage automatique du rotor 2.
En outre, le premier et/ou le second déflecteur 20, 21 sont de préférence sensiblement centrés sur la corde C3 de la pale 3.
En d'autres termes, les portions latérales du déflecteur 20 font de préférence saillie sensiblement sur une égale distance par rapport à l'intrados et à l'extrados de la pale respectivement, et/ou les portions frontales ou caudales dudit déflecteur 20 font de préférence saillie sensiblement sur une égale distance par rapport au bord d'attaque 3A et au bord de fuite 3F de ladite pale 3.
Par ailleurs, le premier et/ou le second déflecteur 20, 21 présentent de préférence latéralement, dans leur plan de corde PC20, Pc2i> un profil sensiblement symétrique, tel que cela est illustré sur les figures 3C, 4C, et 5C.
De façon particulièrement préférentielle, le déflecteur 20, 21 pourra présenter une structure sensiblement symétrique, dont le plan sagittal Ps, sensiblement perpendiculaire au plan de corde Pc2o, Pc2i dudit déflecteur, coïncide sensiblement avec le plan de corde PC3 de la pale 3, ledit plan sagittal étant ainsi de préférence sensiblement vertical et tangent au chemin de balayage 8, tel que cela est illustré notamment sur les figures 1 B ou 2A.
Plus globalement, il est remarquable que chaque pale 3 dans son ensemble, y compris les déflecteurs 20, 21 , pourront présenter une symétrie par rapport au plan de corde PC3.
Par ailleurs, le premier et/ou le second déflecteur présentent de préférence latéralement, dans leur plan de corde Pc20, Pc2i> un profil qui est élargi dans sa portion amont, c'est-à-dire au voisinage du bord d'attaque 20A, 21 A, et qui va en s'amincissant en direction du bord de fuite 20F, 21 F tel que cela est illustré notamment sur les figures 1 A, 1 B, 2B, 3C, 4C ou 5C.
Les déflecteurs posséderont préférentiellement une longueur de corde LC2o sensiblement supérieure à leur largeur l2o> elle-même sensiblement supérieure, voire plusieurs fois supérieure à leur épaisseur maximale EMAX-
De préférence, l'intrados 20I du premier déflecteur 20 et/ou l'intrados 211 du second déflecteur 21 est sensiblement plan. Une telle disposition permet notamment de simplifier la fabrication voire la mise en place des déflecteurs 20, 21 sur les pales 3, leur intrados respectif étant ainsi sensiblement confondu avec leur plans de corde Pc2o et PC21 respectif.
Bien entendu, il n'est nullement exclu de conférer au contraire aux intrados desdits déflecteurs, qui se font face de part et d'autre de la pale 3, un profil incurvé et notamment bombé, voire présentant une succession de tronçons concaves puis convexes, un éventuel bombé des intrados 20I, 211 étant toutefois de préférence moins marqué, par rapport à la corde C20, C21, que celui de l'extrados 20E, 21 E.
Par ailleurs, selon une variante de réalisation illustrée sur la figure 6, il est envisageable que le premier et/ou le second déflecteur 20,21 soit formé par une plaque dont l'intrados 201 et l'extrados 20E sont tous deux sensiblement plans, et de préférence parallèles de telle sorte que ledit déflecteur présente une épaisseur constante.
Bien entendu, une telle variante de réalisation simplifie considérablement la fabrication des déflecteurs et par conséquent réduit sensiblement leur coût de revient. Néanmoins, il a été observé par les inventeurs qu'il est généralement préférable, d'un point de vue aérodynamique, que l'extrados 20E du premier déflecteur 20 et/ou l'extrados 21 E du second déflecteur 21 soit bombé de sorte à présenter un renflement 22 vers son bord d'attaque.
Ainsi, en d'autres termes, le déflecteur 20, 21 présente de préférence un bourrelet sensiblement arrondi au niveau de son bord d'attaque, puis va globalement en s'affinant vers son bord de fuite 20F, 21 F, selon un profil de préférence continûment incurvé.
Bien entendu, de nombreux profils d'extrados 20E, 21 E sont envisageables sans sortir du cadre de l'invention, lesdits profils étant plus ou moins prononcés, et pouvant notamment comprendre une ou plusieurs ondulations convexes, ainsi qu'une ou plusieurs portions concaves, tels que cela est illustré sur les figures 3B, 4B et 5B, Avantageusement, (e ou les extrados 20E, 21 E du ou des déflecteurs 20, 21 pourront présenter globalement une forme d'étrave, arrondie et bombée à la fois longitudinalement, dans le plan sagittal Ps, entre le bord d'attaque 20A, 21 A et le bord de fuite 20F, 2 F, tel que cela est illustré par exemple sur les coupes sagittales des figures 3B, 4B et 5B, et transversalement, depuis le bord radialement interne du déflecteur vers le bord radialement externe de celui-ci, tel que cela est notamment visible sur les figures C, 3A, 4A, 5A, ou bien encore sur la figure 3C qui représente la section coupée du déflecteur 20 dans un plan frontal PF (ou « plan coronai ») qui est en l'espèce porté par une direction radiale vis-à-vis de l'axe de rotation (Ζ-Ζ'), et perpendiculaire au plan de corde dudit déflecteur (et par conséquent penché ici par rapport à la direction verticale de l'axe de rotation d'une valeur égale à celle de l'angle d'attaque).
Avantageusement, le bombé de l'extrados 20E, 21 E, et plus particulièrement sa double courbure en étrave, confère au déflecteur 20, 21 , du côté ou "penche" ce dernier, de bonnes propriétés aérodynamiques. En effet, une telle forme minimise sa résistance à la pénétration et à l'avancement, du fait qu'elle limite le coefficient de traînée du déflecteur 20, 21 vis-à-vis du vent relatif νω qui circule depuis le bord d'attaque 20A vers le bord de fuite 20B dudit déflecteur lorsque le rotor 2 tourne.
A ce titre, il est remarquable que, plus généralement, le ou les déflecteurs 20, 21 seront de préférence agencés, formés et orientés de telle sorte qu'ils présentent un coefficient de traînée (Cx) « en proue », qui s'applique dans le sens d'écoulement du vent relatif νω (ou du vent incident relatif V|R) lorsque celui-ci rencontre l'extrados 20E et circule du bord d'attaque 20A vers le bord de fuite 20F, qui est inférieur au coefficient de traînée « en poupe », qui s'applique dans le sens d'écoulement du vent incident F lorsque celui-ci rencontre l'intrados 20I et circule dans le sens opposé, du bord de fuite 20F vers le bord d'attaque 20A.
Ainsi, pour les faibles vitesses de rotation, et en particulier lors du démarrage, on favorise le couple moteur associé à l'effet de poussée motrice résultant de la traînée générée par le vent incident F soufflant « en poupe » sur l'intrados, tandis qu'on minimise le couple résistant résultant de la traînée générée par le vent relatif, du reste modéré, qui s'écoule depuis la « proue » vers la « poupe ». Un tel agencement des déflecteurs, qui présentent un faible Cx dans le sens d'avancement et un Cx plus élevé dans le sens opposé, améliore l'efficacité de l'éolienne au démarrage, qui peut se produire par vent incident F particulièrement faible, sans pour autant perturber ou amoindrir significativement le rendement en régime établi, lorsque le vent relatif devient prépondérant.
A ce titre, bien que la forme et l'ampleur du bombé de l'extrados 20E, 21 E puissent faire l'objet de variantes, il a été observé qu'il peut être préférable de ne pas accentuer exagérément la hauteur de ce dernier, une éoiienne équipée de déflecteurs présentant un profil très marqué en « aileron de requin », tel que celui représenté sur les figures 4A et 4B, ayant tendance a être, à paramètres constants par ailleurs, moins performante, en régime établi, qu'une éoiienne équipée de profils moins rebondis, tels que ceux représentés sur les figures 3A, 3B ou 5A, 5B.
Selon une variante de réalisation, correspondant notamment aux figures 1A, 1C, 3A et 3C, la section transverse du déflecteur 20, 21 peut présenter un profil qui rappelle une goutte d'eau aplatie, et dont l'épaisseur maximale Emax est telle que, compte-tenu de la valeur de l'angle d'attaque φ, le déflecteur 20, 21 , et plus particulièrement son extrados 20E, 21 E est entièrement contenu à l'intérieur du rotor 2, c'est-à-dire situé du côté de la pale 3 et du rotor 2 par rapport à un plan de base π sensiblement normal à l'axe de rotation (Ζ-Ζ') et tangent au bord de fuite 20F, 21 F dudit déflecteur, tel que cela est illustré sur la figure 1 C.
En d'autres termes, le bord d'attaque 20A de chaque déflecteur se déplace sensiblement dans le sillage du déflecteur qui le précède, le d'attaque du déflecteur « suiveur » étant en quelque sorte « à l'abri » du bord de fuite du déflecteur qui le précède, et qui tend ainsi à lui « ouvrir la route ». Avantageusement, un tel agencement est susceptible de conférer aux pales 3 une excellente capacité de pénétration dans le fluide et de limiter leur traînée, notamment lorsque le rotor atteint des vitesses importantes.
Par ailleurs, l'angle de roulis Θ du premier déflecteur 20 et/ou du second déflecteur, considéré autour de la corde C20, C21 dudit déflecteur 20, 21 qui est située dans le plan de corde Pc3 de la pale 3, est sensiblement compris entre - 5 degrés et + 5 degrés et est de préférence sensiblement nul.
En d'autres termes, si les déflecteurs 20, 21 présentent une assiette dont l'angle d'attaque φ (c'est-à-dire de tangage) est non nul, ils sont en revanche agencés de préférence de sorte à ne pas être basculés en dévers selon une direction centrifuge vers l'extérieur du rotor ou au contraire inclinés selon une direction centripète vers l'axe et le centre du rotor à partir de la pale 3.
A ce titre, au sein d'une éolienne de type Darrieus en H telle que celle représentée sur les figures 1A, 1C ou 6, les plans de corde des déflecteurs se trouvent de préférence générés d'une part par une corde C20, C21 de déflecteur qui est non seulement située dans le plan de corde PC3 de la pale 3 mais également inclinée (ici par rapport à l'horizontale) d'un angle d'attaque φ, et d'autre part par une droite sensiblement normale à l'axe de rotation, c'est-à-dire sensiblement radiale et en l'occurrence parallèle au plan horizontal. Ainsi, chaque déflecteur s'étend de préférence en majorité voire en totalité en dehors du volume contenant le rotor et délimité par les deux plan normaux à Taxe de rotation et passant chacun par une extrémité 6, 7 de la pale, au niveau de la jonction du bord d'attaque 3A de ladite pale 3 avec ledit déflecteur.
A titre indicatif, des essais ont été réalisés sur une éolienne à trois pales du type représenté sur la figure 1 A et qui présentait les caractéristiques suivantes :
- Hauteur moyenne de pale h = 1 ,37 m
- Hauteur hors-tout : H = 1 ,483 m
- Diamètre balayé par le plan de corde des pales (diamètre du chemin de balayage 8) : D = 2,030 m
- Longueur de corde de pale : LC3 = 0,35 m
- Epaisseur de pale : E3 = 47 mm
- Largeur de déflecteur (du type des figures 3A-3C) : 120 = 222 mm
- Longueur de corde de déflecteur : LC2o = 576 mm - Epaisseur de déflecteur : Emax = 46 mm
- Charge : génératrice de 1000 W (puissance nominale), 800 W maximum, entraînement direct, sans réducteur ni multiplicateur.
Les résultats obtenus au cours des tests ont été consignés dans le Tableau 1 dessous :
Figure imgf000020_0001
Tableau 1
Outre l'influence des déflecteurs, et plus particulièrement de leur inclinaison, sur les capacités de démarrage de l'éolienne, il a été constaté que, en régime établi, en l'espèce pour une vitesse de vent incident de 9,3 m/s, l'utilisation de déflecteurs en « goutte d'eau aplatie » selon les figures 3A, 3B, 3C, 3D procurait une amélioration de puissance de l'ordre de 7 % par rapport à l'utilisation de déflecteurs plans (figure 6), alors que, en revanche, l'utilisation de déflecteurs en « aileron de requin » selon les figures 4A, 4B et 4C pouvait occasionner une dégradation de puissance pouvant atteindre 7,4% par rapport à celle atteinte avec lesdits déflecteurs plans.
Le fonctionnement d'une variante de réalisation préférentielle de l'invention va maintenant être décrit en référence aux figures 1A, 1 B, 1C, pour une éolienne à axe vertical de type Darrieus.
Initialement, la vitesse du fluide incident est nulle et le rotor 2 est immobile, voire bloqué par un frein quelconque.
Lorsque le vent se lève, un courant de fluide incident vient percuter le rotor 2 et circuler notamment le long des pales 3. Ce faisant, le fluide incident, qui aborde l'éolienne selon une direction Sud-Nord, s'écoule notamment depuis le bord de fuite 3F vers le bord d'attaque 3A de la pale 3 qui est située dans la partie « ouest » et notamment dans le quadrant « sud-ouest » sur la figure B.
Simultanément le courant de fluide est capté par les déflecteurs 20, 21 et dévié par ces derniers vers le plan médian du rotor 2.
Le courant de fluide exerce ainsi sur les parties saillantes des intrados 20I, 211 desdits déflecteurs 20, 21 , sur une surface sensiblement équivalente à leur projection dans un plan d'incidence sensiblement normal à la direction du fluide incident, une composante de poussée sensiblement orthoradiale qui génère un couple contribuant, voire suffisant, au démarrage du rotor.
Lorsque le rotor 2 entre en mouvement, c'est-à-dire amorce sa rotation ω autour de l'axe (Ζ-Ζ'), les pales fendent l'air de telle sorte qu'un vent relatif Vw, et par conséquent un vent relatif incident V]R, apparaît et croît progressivement.
Ledit vent relatif incident circule depuis le bord d'attaque 3A vers le bord de fuite 3F des pales 3, en s'écoulant simultanément sur l'intrados 31 et l'extrados 3E, et notamment en partie le long des zones bordées pour l'une par l'intrados 31 de la pale et la première portion (radialement interne) de l'intrados 201 du déflecteur 20, et pour l'autre par l'extrados 3E de la pale et la seconde portion (radialement externe) de l'intrados 201 du déflecteur. Ces écoulements créent une force de portance P qui s'exerce notamment sur la pale située au vent, c'est-à-dire au sud sur la figure 1B, ainsi que sur la pale située sous le vent, c'est-à-dire au nord sur la figure 1 B, Ces forces de portance accélèrent progressivement le rotor 2, jusqu'à ce que ce dernier atteigne sa vitesse maximale, compte tenu notamment de la charge.
De façon particulièrement avantageuse, il a été observé que le dispositif conforme à l'invention permet d'obtenir non seulement un démarrage à basse vitesse de vent incident, mais également d'améliorer le rendement en puissance à vitesse de vent constante, et notamment à faible vitesse de vent, en particulier lorsque le rotor est lancé en régime permanent.
En outre, le dispositif 1 ainsi obtenu présente une bonne densité de puissance, dans la mesure où il possède une structure relativement légère, discrète et compacte. A ce titre, il est remarquable que les pales 3, les bras 11 et les déflecteurs, notamment, peuvent être réalisés en matériau composite.
De surcroît, le dispositif 1 ne génère quasiment aucune nuisance sonore, son fonctionnement étant particulièrement silencieux.
Par conséquent, ledit dispositif est particulièrement bien adapté à une utilisation en « petit éoiien » au voisinage de locaux commerciaux ou d'habitation. Bien entendu, la mise en œuvre de l'invention n'est toutefois nullement limitée à une telle échelle de réalisation et pourrait parfaitement être envisagée pour des dispositifs de grande taille destinés à une production véritablement industrielle d'énergie, et notamment d'énergie électrique, par exemple au sein de champs d'éoliennes.
POSSIBILITÉ D'APPLICATION INDUSTRIELLE La présente invention trouve notamment son application dans la conception d'éoliennes et l'exploitation de l'énergie éolienne.

Claims

REVENDICATIONS
- Dispositif (1) de captage de l'énergie d'un courant de fluide (F) comprenant un rotor (2) dont l'axe de rotation (Ζ-Ζ') est destiné à être disposé sensiblement transversalement par rapport à la direction dudit courant de fluide, ledit rotor (2) étant pourvu d'au moins une paie (3) permettant au courant de fluide (F) de l'entraîner à rotation, le dispositif étant caractérisé en ce que ladite pale (3) comprend au moins un premier déflecteur (20) transverse incliné, qui est agencé de telle sorte que la corde (C20) dudit premier déflecteur (20), qui relie le bord d'attaque (20A) dudit déflecteur (20) à son bord de fuite (20F), forme, avec la corde (C3) de la pale (3) et en projection dans le plan de corde (PC3) de ladite pale (3), un angle d'attaque (φ) non nul. - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la pale (3) comporte un second déflecteur (21 ) transverse incliné, distant du premier déflecteur (20) et orienté de manière convergente avec ce dernier. - Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que le premier et le second déflecteur (20, 21) convergent depuis le bord de fuite (3F) en direction du bord d'attaque (3A) de la pale (3). - Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le premier et/ou le second déflecteur (20, 21 ) sont fixés chacun sensiblement à une extrémité (6, 7) de la pale (3). - Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'angle d'attaque (<p) est sensiblement compris entre 2 degrés et 20 degrés, de préférence entre 5 degrés et 5 degrés, et de façon particulièrement préférentielle entre 7 degrés et 12 degrés, voire sensiblement égal à 8 degrés, 9 degrés ou 10 degrés. - Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ie premier et/ou le second déflecteur (20, 21) déborde à la fois de l'extrados (3E) et de l'intrados (31) de la pale (3). - Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le premier et/ou le second déflecteur (20, 21 ) fait saillie en amont du bord d'attaque (3A) de la pale et/ou en aval du bord de fuite (3F) de ladite pale (3). - Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le premier et/ou le second déflecteur (20, 21 ) est sensiblement centré sur la corde (C3) de la pale (3). - Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le premier et/ou le second déflecteur (20, 21) présente latéralement, dans son plan de corde (Pc20, Pc2i), un profil sensiblement symétrique. - Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le premier et/ou le second déflecteur (20, 21 ) présente latéralement, dans son plan de corde (Pc2o, Pc2i), un profil qui est élargi dans sa portion amont et va en s'amincissant en direction du bord de fuite (20F, 21 F). - Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'intrados (20I) du premier déflecteur et/ou celui (211) du second déflecteur est sensiblement plan. - Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'extrados (20E) du premier déflecteur et/ou celui (21 E) du second déflecteur est bombé de sorte à présenter un renflement vers son bord d'attaque (20A, 21 A). - Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'angle de roulis (Θ) du premier et/ou du second déflecteur (20, 21 ) autour de sa corde (C20, C21 ) située dans le plan de corde (PC3) de la pale est sensiblement compris entre -5 degrés et +5 degrés, et de préférence sensiblement nul. - Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il constitue une éolienne à axe vertical de type Darrieus.
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