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Twistower ou Tour Tornade de F. HAGG

La Twistower ou Tour Tornade est une tour ultralégère flottante et en rotation qui peut être comparée aux tours solaires a courant d’air ascendant. En principe, la tour est un vortex stable liée par un cylindre creux à mince paroi en rotation.

Par: F. Hagg | 22-sept-2009
http://www.greenidealive.org/110599/476/twistower.html


Figure 1 : Twistower comparée à une tour solaire à courant d’air ascendant de 1000 m de haut de 200 MW

Un exemple d'un vortex stable est la traînée générée par une extrémité de l'aile d'avion ou rabat. Ce vortex soutient plus de 10,000-50,000 fois le diamètre du vortex (voir figure 2). Normalement, un tourbillon soutient de 10 à 50 fois le diamètre.


Figure 2 : traînée générée par un vortex de bout d'aile d’avion

Une traînée de condensation est stable parce que les gouttelettes se condensent dans le cœur du vortex. Les gouttelettes déménagement vers le bord extérieur, laissant dans le cœur du vortex la chaleur latente. Cette chaleur génère une inversion de température au niveau du cœur du vortex, qui en raison de la force centrifuge, évite le mélange de l'air de faible densité avec l'air ambiant de forte densité. Cette limite d'inversion rend très stable le tourbillon.

Un cylindre à paroi mince est plus fort que l'inversion de température et générera des tourbillons plus stables. Si l'air dans la bouteille est chaud, le vortex sera encore plus stable. Si une tour tournante à parois minces comme les Twistower ou Tours Tornade est utilisée pour une tour solaire elle va générer un vortex stable avec des pertes de faible débit.

Exploitation de la tour solaire
Une tour solaire fait remonter par effet cheminée de l’air chauffé au soleil. L'énergie cinétique du mouvement de l’air est transformée en électricité par des turbines à la base de la tour.

La tour flottera si elle est plus légère que la force de levage de l'air chaud de faible densité et la force de traînée de l'écoulement d’air dans la tour. Plus de légèreté peut être obtenue par des anneaux gonflables emplis d'hélium ou d'hydrogène.

Une autre idée a exploiter avec une tour à paroi mince est la tour solaire dénommée « greentower » en Namibie. Une idée pour appliquer un vortex est le AVE (atmospheric vortex engine). Le problème d’une tour à paroi mince qui ne tourne pas est la sous pression, qui fera imploser le cylindre. Le problème d'un vortex non lié est la stabilité et le petit diamètre du noyau. Les deux problèmes ne sont pas présents dans le Twistower, où la pression intérieure sur le mur est en équilibre avec la pression extérieure sur le mur et où le diamètre de base est automatiquement le diamètre du mur. En raison de la faible charge, la paroi peut être mince, si le matériau utilisé est solide et léger comme pour la fibre de carbone par exemple.

En principe, chaque partie individuelle du mur sera en équilibre avec les forces exercées par l’air, bien que les charges sur le mur soient petites. Le tourbillon est généré par une grille à palettes au bas de la tour. L'énergie cinétique est transformée par les éoliennes, réparties autour de l'entrée de la tour.





Figure 3 : Tour Tornade ou Twistower : le détail des éoliennes, du sommet de la tour et de la grille à palettes.

Si il ya du vent de la tour sera incliné par la force du vent. L'angle d'inclinaison dépend des forces verticale et horizontale agissant sur la tour et les côtes gonflables remplis de gaz légers.

La force verticale est due à la densité de l'air chaud en rotation, la partie verticale de la force est due aux côtes gonflables remplis d'un gaz léger, au poids de la tour, et à la trainée interne à la tour :
Fv = (π/4)d²hg[(ρo – ρi) cos φ+0.5 Ca ρo /(gh) (D/d)² vw²sin φ cos φ -4 t/d ρw+ρi sin φ λ/(gd) vt²]

La force horizontale est due au glissement du vent sur la tour et sur les côtes gonflables:
Fh = 0.5 ρo vw² (Cd h d sin φ + Ca (π/4)D² cos² φ)

L'inclinaison résultante pour la tour est :
φ = arctan (Fa /Fh)

Parce que la tour ne peut pas soutenir les moments de flexion elle est libre de bouger latéralement, st seulement des forces axiales positives seront prises en charge, de sorte que le stress sur le mur très fin de la tour est le suivant :
σ = (Fv² + Fh²)½/(πdt)

Pour offrir une liberté latérale, la tour repose à sa base sur une charnière mobile, tandis que la connexion avec la base est assurée par un joint rotatif en forme de labyrinthe (brosse).





Figure 4: Fonctionnement du coude à la base de la tour

Pour une tour d’un diamètre de 60 m, de 1000 m de hauteur avec une paroi « feuille » de 0,4 mm, l'angle d'inclinaison et le stress sur la feuille est donné pour des vitesses du vent différentes dans la figure 5 ci-dessous.
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Figure 5: inclinaison de la tour, stress et forces en fonction de la vitesse du vent environnant

Avec des vitesses de vent normales jusqu'à 5 m/s, l'inclinaison de la tour est entre 65° et 80°, ce qui est faisable. Avec des vitesses de vent hautes de l’ordre de 22 m/s, l'inclinaison de la tour est 30° et pour les courtes périodes de temps où cela se produira, c'est faisable. Même avec des vents extrêmes la tour ne touche pas le sol (φ> 18°).
Pour toutes les conditions le stress subi par le mur feuille est soutenable (σ inférieur à 100 MPa) si la mince paroi est renforcée avec des fibres à haute tension. Bien sûr, si les conditions météorologiques extrêmes sont prévues la tour peut être déployée.





Figure 6: fonctionnement de la Tour Tornade à une vitesse du vent ambiant de 15 m/s


Avantages
La tour sera très bon marché et est facile à construire et à entretenir. Cela peut être comparé avec l'érection de ballons à air chaud ou Zeppelins.
La masse de la tour est de seulement 180 tonnes, ce qui est des ordres de magnitude en dessous de la masse des tours solaires classiques en béton de 60 m de diamètre de de 1000 m de hauteur (estimation: 500 000 tonnes). Le coût est estimé à 20 M€ ce qui est aussi moins cher que pour une tour classique (estimation de 300 M€).

Pour une tour solaire de 200 MW, cela ne représente que 0,1 €/W et c’est très faisable.
Dans le cas des tours solaires conventionnelles à courant d’air ascendant produit grâce à une serre gigantesque, le coût de l'électricité produite est estimée à 3 - 6 centimes d’€/kWh. Le coût estimé avec une tour solaire humide associée à un étang solaire est de 1,5 - 3 ct d’€/kWh.
L'efficacité d'une tour à courant d’air ascendant est proportionnelle à la hauteur de la colonne d’air montante, qui est la hauteur de la tour pour les tours conventionnelles. Parce que pour la Twistower le tourbillon stable ira bien au dessus, la hauteur de la colonne air montante sera beaucoup plus élevée et devrait être supérieure au double de la hauteur de la tour. Cela rendra l'efficacité du Twistower beaucoup plus élevée que pour une tour classique.


Points critiques, et solutions envisagées• La pluie et la glace vont augmenter la masse de la tour, qui pourrait descendre vers le sol ;
• Les oiseaux risquent de nuire à la tour ;
• L’aéro-instabilité élastique serait susceptible d'endommager le tour et les turbines.

Pour éviter les dépôts de glace, il est préférable de placer les turbines dans des localisations où il n’y a pas de glace. Toutefois, si cela se produit occasionnellement à des niveaux plus élevés, quand la tour va descendre la glace va fondre et la tour de nouveau se relever après la fusion de la glace.
Pour éviter le dépôt de la pluie le mur doit être hydrophobe, ainsi la force centrifuge de la tour en rotation chassera l’eau de la pluie.

Les oiseaux seront chassés par le bruit. On s'attend à ce que la tour tournante transmettra localement un bruit suffisant pour avertir les oiseaux. Cependant, si une collision se produisait, le double mur fin de la tour freinerait la collision. Du fait que la pression interne est en équilibre avec la pression extérieure un petit trou n'est pas un problème et quasiment aucune fuite d'air chaud ne se produira.

En raison de la faible rigidité et du fort amortissement aérodynamique d'une paroi mince il n’est pas attendu d'instabilité élastique ou aérodynamique.
Avant et pendant des phénomènes climatiques extrêmes avec de forts gradients de vitesse du vent (turbulences) comme les orages, la tour doit être déployée.


Conclusions
La Twistower ou Tour Tornade est une tour très bon marché, qui peut générer avec haute efficacité le transfert d'énergie cinétique par un flux d'air. Parce que traditionnellement, la cheminée est un élément coûteux des tours solaires à courant d’air ascendant, le concept de la Twistower en diminuera considérablement le coût.
D'autres applications comme des cheminées bon marché ou des tours de refroidissement pourraient également être possibles.


Texte de F. Hagg | 22-sept-2009 / Traduit par RdeR
http://www.greenidealive.org/110599/476/twistower.html
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