Étude numérique d'une éolienne hybride asynchrone

Des turbines de formes différentes fonctionnent optimalement à des vitesses de rotations différentes. Par exemple, une turbine de type Savonius fonctionne optimalement quand elle tourne à peu près à la même vitesse que le vent qui l'entraîne, alors qu'une turbine de type Darrieus fonctionne optimalement quand elle tourne, en moyenne, 5 fois plus vite. Si ces deux turbines sont toutes deux simplement fixées à l'axe d'une éolienne et qu'elles tournent donc à la même vitesse angulaire il y aura des interférences entre les deux. La première étant ralentie par la seconde, et la seconde étant accélérée par la première. L'éolienne hybride asynchrone est une éolienne à axe vertical qui combine deux turbines concentriques qui ont chacune au moins deux pales: une turbine intérieure qui exploite la force de traînée du vent (type Savonius), et une turbine extérieure qui exploite la force de portance du vent (type Darrieus). Le concept de l'éolienne hybride asynchrone est que chaque turbine tourne à une vitesse angulaire différente de l'autre qui correspond à sa vitesse optimale, c'est-à-dire à la vitesse à laquelle elle a le meilleur rendement. Ceci est rendu possible par l'utilisation du train épicycloïdal qui est l'élément nouveau de la machine. Les différentes turbines ne sont pas directement liées à l'axe d'entraînement du générateur mais elles le sont par l'intermédiaire d'un train épicycloïdal. Chaque turbine est liée à l'engrenage périphérique (l'Anneau) d'un train épicycloïdal et tourne à une vitesse différente de l'autre selon le ratio de distribution des vitesses du train épicycloïdal auquel elle est liée. L'engrenage central (le Soleil) des trains épicycloïdaux est fixé à l'axe d'entraînement. Les axes des engrenages intermédiaires (les Planètes) des trains épicycloïdaux sont fixes. De cette manière, la turbine exploitant la force de portance tourne plus vite que celle exploitant la force de traînée, ce qui permet de réduire les interférences entre les rotors concentriques du modèle hybride Darrieus-Savonius. La finalité est d'essayer d'exploiter simultanément les forces de portance et de traînée du vent, pour profiter à la fois d'un couple élevé, donc d'une faible vitesse de démarrage, et d'un haut rendement. La présente étude évalue, par des simulations numériques, les performances de la turbine hybride asynchrone, en comparaison avec l'hybride Darrieus-Savonius conventionnelle. Nous avons conclu que l'on peut améliorer le rendement aérodynamique d'une éolienne hybride de 20% avec un fonctionnement asynchrone.

Abstract

Turbines of different shapes function optimally at different rotation speeds. For example, a Savonius type wind turbine functions optimally when it rotates at about the same speed than the wind that drags it, whereas the Darrieus type functions optimally when it rotates, in average, five times faster. If these two turbines are both simply fixed to the same rotating axis and thus rotate at the same angular speed there will be interferences between the two. The first being slowed down by the second, and the second being accelerated by the first. The asynchronous hybrid wind turbine is a vertical axis wind turbine that combines two concentric turbines of at least two blades each: An interior turbine that harnesses the drag force of the wind (Savonius type), and an exterior turbine that harnesses the lift force of the wind (Darrieus type). The concept of the asynchronous hybrid wind turbine is that each turbine rotates at a different angular speed corresponding to its optimal speed, that is to say the speed at which it has the best efficiency. This is enabled by the use of a planetary gear which is the new element of the machine. The different turbines are not directly linked to the shaft but they are threw a planetary gear. Each turbine is fixed to the Annulus of a planetary gear and rotates at an angular speed different than the other according to the speed ratio of the planetary gear to which it is fixed. The Sun gears of the planetary gears are fixed to the shaft. The rotating axes of the Planets are fixed. This way the lift-based turbine rotates faster than the drag-based turbine, which reduces interference between the concentric rotors of the Darrieus-Savonius hybrid. The purpose of this is to attempt to exploit simultaneously the lift and drag forces, in order to take advantage of both high torque, thus low starting speed, and high efficiency. This study evaluates, by numerical simulations, the performance of the hybrid asynchronous turbine compared to the conventional Darrieus-Savonius hybrid. We have concluded that we can increase the aerodynamic efficiency of a hybrid wind turbine by 20% with an asynchronous operating mode. We have also concluded that is no synergy between the concentric turbines, and mounting one rotor above the other, rather than one inside the other, is recommended.