BE1016725A6

BE1016725A6 - Hydro-electric power station for use in small waterfall, has floats placed in tank fed with water for producing thrust on crankshaft at each rise of floats, for restoring or converting initial mechanical movement of corresponding float

Info

Publication number: BE1016725A6
Application number: BE2005/0394A
Authority: BE
Original assignee: Warnier Philippe
Priority date: 2005-08-17
Filing date: 2005-08-17
Publication date: 2007-05-08

Abstract

The station has floats (F1 - F3) moved to rotate a crankshaft (V). Valves feed and evacuate water from tanks having the floats to produce a rotating driving power at each movement of the floats. Each float is placed in the tank, fed with water, for producing a thrust on the crankshaft or on a mechanical device, at each rise of the floats, for restoring or converting an initial mechanical movement of the corresponding float. The tanks` water evacuation makes the floats to come down for producing a traction on the crankshaft or the device for restoring or converting the initial movement.

Description

       

  CENTRALE HYDRAULIQUE

  
La présente invention a pour objet de présenter une centrale hydraulique convertissant les mouvements linéaires alternatifs d'au moins deux flotteurs en mouvements exploitant le potentiel du mouvement initial de manière à le convertir sous forme de différentes énergies utilisables et domestiquées : électrique, mécanique, thermique, pneumatique et hydraulique. Les moyens revendiqués pour atteindre ces objectifs sont l'association de différents mécanismes, différents dispositifs électrotechniques, mécaniques ou mixte et une unité de gestion pour asservir les événements qui apparaissent séquentiellement.

  
Les flotteurs sont couramment exploités de nos jours mais il n'y a pas encore de centrale hydraulique qui utilise au moins deux flotteurs placés au pied d'une faible chute d'eau pour produire de l'énergie. Ce type de centrale est placée en aval d'une faible chute naturelle ou artificielle et peut éventuellement servir de barrage de faible hauteur pour exploiter l'énergie dégagée par la chute au travers d'une centrale hydraulique.

  
Le présent brevet revendique l'utilisation d'au moins deux flotteurs et les moyens à mettre en &#65533;uvre pour une exploitation optimale de l'énergie dégagée par les flotteurs dont le principe de fonctionnement est représenté à la (figure 1). Pour faciliter l'écriture, considérons que la mention
(Charge) couvre tous les éléments mis en &#65533;uvre depuis le point de fixation sur le flotteur jusqu'aux points d'exploitations utilisateurs. Les (figure 1) et (figure 6) montrent des exemples de réalisation ainsi que les différents constituants du dispositif général utilisant le principe des flotteurs. 

  
Description de la centrale hydraulique

  
La (figure 1) montre un exemple de réalisation d'une centrale hydraulique et servira de base pour détaillé le principe sur lequel se basent les revendications.

  
L'ensemble de la centrale est placée au pied d'une chute naturelle ou artificielle. La plaque (Ba) joue le rôle de retenir les eaux en amont de la centrale pour maintenir une hauteur manométrique constante. La forme de
(Ba) permet de guider les eaux et les débris de manière à limiter les risques

  
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respectivement sur les manchettes facultatives (Al), (A2) et (A3). Les manchettes (Al), (A2) et (A3) reposent quant à elles respectivement sur les chenaux (CI), (C2) et (C3). Sur la partie supérieure des chenaux, une ouverture a été opérée pour permettre à l'eau, par l'intermédiaire des manchettes, d'alimenter ou bien de vider les bassins par le bas de ceux-ci. Les chenaux sont superposés et isolés l'un par rapport à l'autre. Le chenal
(Cl) sera aux dessus de (C2) étant lui-même au dessus de (C3). Cette répartition permet de compenser les différences de hauteur manométrique

  
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colonne d'eau inférieure à (B2) et (B3) mais est alimenté par un chenal plus court que (B2) et (B3). Au niveau de la vidange des bassins, l'écoulement sera similaire d'un bassin à l'autre pour autant que la sortie de (C3) se trouve au dessus du niveau d'eau résiduel du cours d'eau ce qui justifie les supports
(S) pour surélever par rapport à (Fo) l'ensemble de la centrale à la hauteur garantissant le bon fonctionnement des rejets d'eau. On place dans chaque

  
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densité de ceux-ci dépend du mode de fonctionnement. Ils auront une faible densité si l'on ne considère que la puissance exploitée lorsque le flotteur monte sous la poussée d'Archimède au remplissage des bassins. Si l'on désire exploiter aussi les forces transmises par les poids des flotteurs lorsqu'on vide les bassins, on lestera les flotteurs à la densité souhaitée sans dépasser la densité de l'eau. Chaque flotteur est couplé à une charge mécanique soit directement dans le cas d'une pompe ou compresseur à piston par exemple ou à un vilebrequin (V) comme représenté à la (figure 1) par l'intermédiaire des bielles (Bil), (Bi2) et (Bi3). Chaque embiellage sera déphasé, dans ce cas, de 120[deg.] par rapport aux autres. L'avantage d'avoir au moins trois flotteurs est d'éviter le cas du point d'équilibre qui risque de ne pas permettre la rotation du vilebrequin.

   La bielle (Bil) permet le couplage en ( 1 ) du vilebrequin (V) au flotteur (FI) au niveau de l'axe repéré (4) sur la figure 1. La bielle (Bi2) permet le couplage en (2) du vilebrequin (V) au flotteur (F2) au niveau de l'axe repéré (5) sur la figure 1. La bielle (Bi3) permet le couplage en (3) du vilebrequin (V) au flotteur (F3) au niveau de l'axe repéré (6) sur la figure 1. Les manchettes (Al), (A2) et (A3) assurent aussi un rôle d'alignement en hauteur des bassins respectifs de manière à conférer à chaque flotteur une course compatible avec le vilebrequin et les niveaux de remplissage minimum et maximum des bassins correspondants. Il faudra soigner l'étanchéité des cloisons et des vannes.

  
La (figure 2) montre les déphasages des bielles tandis que la (figure 5) montre les constituants d'une bielle. L'anneau (El) de la (figure 5) se monte sur le vilebrequin (V) aux points repérés (1), (2) et (3) de la (figure 1). L'anneau (E2) de la figure 5 se monte sur le vilebrequin (V) aux points repérés (1), (2) et (3) de la figure 1. L'enveloppe (Bu) se fixe à (El) ou (E2) et permet aux tringles (T2) ou (Tl) de coulisser à l'intérieur. Le ressort de compensation (Rc) permet de récupérer les erreurs d'ajustage ou de synchronisation des flotteurs pour éviter à ceux-ci d'effectuer des contraintes mécaniques tels qu'ils puissent déformer ou casser le vilebrequin (V) ou le flotteur correspondant.

   Dans le cas d'une exploitation de la force d'Archimède uniquement, à la montée seule, il n'est pas nécessaire de fixer le ressort (RC) puisqu'il ne travaille qu'à la compression, dans le cas où l'on exploite les efforts des flotteurs à la montée et à la descente, le ressort (Rc) devra être fixé tant à (Tl) qu'à (T2). Le guide (Bu) sera dimensionner pour ne pas autoriser de flexion de l'ensemble de la bielle par rapport à son axe et aura une longueur telle qu'il n'empêchera pas la course de compression du ressort (RC).

  
La montée et la descente des flotteur s'effectue au moyen des vannes papillon (VI), (V2) et (V3) sur la (figure 1). La (figure 6) montre une autre réalisation à partir de vannes guillotines (Via), (Vlb), (V2a), (V2b), (V3a) et (V3b). Le montage de la (figure 6) permet l'utilisation d'un automate programmable pour gérer les séquences des mouvements ce qui offre trois avantages principaux. Le premier est de gérer automatiquement le démarrage de la centrale, le second d'économiser de l'eau à chaque inversion de sens d'un flotteur et le troisième de permettre l'adaptation des séquences en fonction du débit d'eau disponible. La (figure 1) montre que la position de (VI) et (V3) permettent la vidange des bassins respectifs tandis que (V2) permet l'alimentation du bassin (B2).

   Durant une phase de remplissage, la vanne d'alimentation doit être ouverte et la vanne de vidange doit être fermée. En fonction des courses, du nombre et des dimensions des constituants de la centrale, on optera pour une seule vanne par bassin comme à la (figure 1) ou bien deux vannes comme à la (figure 6). La (figure 4) montre le principe des vannes (VI), (V2) et (V3).

  
La (figure 3) montre l'agencement de trois flotteurs en série et de deux groupes de trois flotteurs en parallèle permettant l'exploitation de deux vilebrequins pour entraîner un générateur type Warnier basé sur la vitesse différentielle de l'induit par rapport à l'inducteur, ou bien pour une exploitation sur des charges indépendantes ou mixtes, comme des pompes ou compresseurs à piston plus un embiellage pour entraîner une machine tournante.

  
Les cames repérées (Cal), (Ca2) et (Ca3) permettent la commande des vannes papillons respectives soit directement à partir de tringles (Tl), (T2) et (T3) ou par l'intermédiaire de composants électrotechniques tels que des vérins électropneumatiques. Dans le cas de tringles, les ressorts (RI), (R2) et
(R3) jouent le rôle de rappel des tringles lorsque les cames correspondantes n'effectuent pas de pression sur celles-ci. La position de repos des vannes libère l'alimentation en eau des bassins. L'avantage de la vanne papillon est de pouvoir nettoyer les sédiments dans le fond des chenaux à chaque cycle au moment où les vannes sont partiellement ouvertes ou fermées.

  
Les bassins ont une forme cylindrique pour favoriser l'écoulement de l'eau de rejet des bassins, les manchettes peuvent avoir une forme trapézoïdale pour limier les pertes de charge entre les vannes et le bas des bassins mais toute autre forme fait l'objet d'une revendication dans le présent brevet. On notera que les tringles ne seront pas nécessairement utilisées dans le cas d'un automatisme électrotechnique. Par contre les cames actionneront les détecteurs de positions de manière à renseigner l'unité de contrôle de toutes les positions des pièces mobiles de la centrale. En variante, toutes les positions peuvent être renseignées de façon analogique ce qui permet à des vannes modulantes d'optimaliser la consommation d'eau et donc le rendement de la centrale. 

  
Revendications

  
Il existe de nos jours différentes techniques pour produire une force motrice à partir d'une chute ou d'un courant d'eau. Actuellement, il n'existe pas de centrale hydraulique produisant une force mécanique à partir d' au moins deux flotteurs placés au pied d'une chute d'eau.

  
1) Le présent brevet revendique une centrale hydraulique caractérisée en ce

  
qu'elle se compose d'au moins deux flotteurs entraînant à chaque mouvement des flotteurs la rotation d'un ou plusieurs vilebrequins sur lequel on couple un dispositif de commande des vannes alimentant et vidant l'eau des bassins contenant les flotteurs de manière à produire une force motrice rotatoire à chaque mouvement des dits flotteurs.



  HYDRAULIC CENTRAL

  
The object of the present invention is to present a hydraulic power station converting the linear AC movements of at least two floats into movements exploiting the potential of the initial movement so as to convert it into the form of various usable and domesticated energies: electrical, mechanical, thermal, pneumatic and hydraulic. The means claimed to achieve these objectives are the combination of different mechanisms, different electrotechnical devices, mechanical or mixed and a management unit to enslave the events that appear sequentially.

  
Floats are commonly used nowadays, but there is not yet a hydraulic power plant that uses at least two floats placed at the foot of a small waterfall to produce energy. This type of plant is placed downstream of a small natural or artificial fall and can possibly be used as a low dam to exploit the energy released by the fall through a hydraulic power plant.

  
This patent claims the use of at least two floats and the means to be implemented for optimum exploitation of the energy released by the floats whose operating principle is shown in (Figure 1). To facilitate writing, consider that the reference
(Load) covers all the elements implemented from the point of attachment on the float to the user operating points. (Figure 1) and (Figure 6) show examples of embodiments and the various components of the general device using the principle of floats.

  
Description of the hydraulic power station

  
The (Figure 1) shows an embodiment of a hydraulic power plant and will serve as a basis for detailed the principle on which the claims are based.

  
The entire plant is placed at the foot of a natural or artificial fall. The plate (Ba) plays the role of holding water upstream of the plant to maintain a constant head. The form of
(Ba) helps guide water and debris to minimize risks

  
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respectively on the optional headlines (A1), (A2) and (A3). The cuffs (A1), (A2) and (A3) are respectively based on the channels (CI), (C2) and (C3). On the upper part of the channels, an opening has been made to allow the water, through the cuffs, to feed or empty the basins from the bottom thereof. The channels are superimposed and isolated from each other. The channel
(Cl) will be above (C2) being itself above (C3). This distribution makes it possible to compensate for manometric height differences

  
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water column less than (B2) and (B3) but is fed by a channel shorter than (B2) and (B3). At the level of the emptying of the basins, the flow will be similar from one basin to another as long as the outlet of (C3) is above the residual water level of the watercourse, which justifies the supports
(S) to raise relative to (Fo) the entire plant to the height ensuring the proper operation of water discharges. We place in each

  
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density of these depends on the mode of operation. They will have a low density if one considers only the power exploited when the float rises under the pressure of Archimedes to the filling of the basins. If it is desired to exploit also the forces transmitted by the weight of the floats when emptying the basins, the floats will be flushed to the desired density without exceeding the density of the water. Each float is coupled to a mechanical load either directly in the case of a pump or piston compressor for example or to a crankshaft (V) as shown in (Figure 1) via the connecting rods (Bil), (Bi2 ) and (Bi3). Each linkage will be out of phase, in this case, by 120 [deg.] Compared to the others. The advantage of having at least three floats is to avoid the case of the equilibrium point which may not allow the rotation of the crankshaft.

   The connecting rod (Bil) allows the coupling (1) of the crankshaft (V) to the float (FI) at the axis marked (4) in Figure 1. The connecting rod (Bi2) allows the coupling in (2) of the crankshaft (V) to the float (F2) at the axis marked (5) in Figure 1. The connecting rod (Bi3) allows the coupling (3) of the crankshaft (V) to the float (F3) at the level of the pin (6) in Figure 1. The cuffs (Al), (A2) and (A3) also provide a height alignment role of the respective basins so as to give each float a race compatible with the crankshaft and the minimum and maximum filling levels of the corresponding basins. It will be necessary to cure the watertightness of the partitions and the valves.

  
The (Figure 2) shows the phase shifts of the rods while (Figure 5) shows the constituents of a connecting rod. The ring (El) of the (Figure 5) is mounted on the crankshaft (V) at the points marked (1), (2) and (3) of (Figure 1). The ring (E2) of Figure 5 is mounted on the crankshaft (V) at the points marked (1), (2) and (3) of Figure 1. The envelope (Bu) is fixed at (El) or (E2) and allows the rods (T2) or (Tl) to slide inside. The compensation spring (Rc) makes it possible to recover the errors of adjustment or synchronization of the floats to prevent them from carrying out mechanical stresses such that they can deform or break the crankshaft (V) or the corresponding float.

   In the case of an exploitation of the force of Archimedes only, to the rise alone, it is not necessary to fix the spring (RC) since it works only with the compression, in the case where the we use the efforts of the floats to the rise and the descent, the spring (Rc) will have to be fixed at (Tl) as at (T2). The guide (Bu) will be sized so as not to allow bending of the assembly of the rod relative to its axis and will be of such a length that it will not prevent the compression stroke of the spring (RC).

  
The float is raised and lowered by means of butterfly valves (VI), (V2) and (V3) on (Figure 1). (Figure 6) shows another embodiment from guillotine valves (Via), (Vlb), (V2a), (V2b), (V3a) and (V3b). Mounting the (Figure 6) allows the use of a programmable controller to manage sequences of movements which offers three main advantages. The first is to automatically manage the startup of the plant, the second to save water with each reversal of direction of a float and the third to allow the adaptation of sequences according to the available water flow. The (Figure 1) shows that the position of (VI) and (V3) allow the emptying of the respective basins while (V2) allows feeding of the basin (B2).

   During a filling phase, the supply valve must be open and the drain valve must be closed. Depending on the races, the number and the dimensions of the constituents of the plant, one will opt for a single valve per basin as in (Figure 1) or two valves as in (Figure 6). The (Figure 4) shows the principle of the valves (VI), (V2) and (V3).

  
(Figure 3) shows the arrangement of three floats in series and two groups of three parallel floats allowing the exploitation of two crankshafts to drive a Warnier type generator based on the differential speed of the armature relative to the inductor, or for operation on independent or mixed loads, such as piston pumps or compressors plus a crankshaft for driving a rotating machine.

  
The cams marked (Cal), (Ca2) and (Ca3) allow the control of the respective butterfly valves either directly from rods (Tl), (T2) and (T3) or via electrotechnical components such as cylinders electro. In the case of rods, the springs (RI), (R2) and
(R3) act as a reminder of the rods when the corresponding cams do not put pressure on them. The rest position of the valves releases the water supply to the basins. The advantage of the butterfly valve is to be able to clean the sediments in the bottom of the channels at each cycle when the valves are partially open or closed.

  
The basins have a cylindrical shape to favor the flow of the water of rejection of the basins, the cuffs can have a trapezoidal shape to eliminate the pressure losses between the valves and the bottom of the basins but any other form is the object of a claim in this patent. Note that the rods will not necessarily be used in the case of electrotechnical automation. On the other hand, the cams will activate the position detectors so as to inform the control unit of all the positions of the moving parts of the central unit. As a variant, all the positions can be indicated analogically, which allows modulating valves to optimize the water consumption and therefore the efficiency of the plant.

  
claims

  
There are nowadays different techniques to produce a driving force from a fall or a current of water. Currently, there is no hydraulic power plant producing a mechanical force from at least two floats placed at the foot of a waterfall.

  
1) This patent claims a hydraulic power plant characterized in that

  
it consists of at least two floats causing each movement of the floats the rotation of one or more crankshafts on which is coupled a control device of the valves supplying and emptying the water of the basins containing the floats so as to produce a rotary driving force with each movement of said floats.

Claims

2) Hydraulic power plant according to the preceding claim, characterized in

each float is arranged in a tank whose water supply causes the corresponding float to rise, thus producing a thrust on the crankshaft or any other mechanical device for each return cycle of the floats to restore or convert the initial mechanical movement of the corresponding float. and conversely, the draining of the pool water causes the associated floats to descend, thereby producing traction on the crankshaft or any other mechanical device for restoring or converting the initial mechanical movement of the corresponding float.

3) hydraulic power plant, according to at least one of the preceding claims,

characterized by the fact that the floats can be weighted, which corresponds to modifying the density of the floats, to produce a mechanical force by gravity when the floats are subjected to the descent.

4) Hydraulic power plant, according to at least one of the preceding claims,

characterized in that the basins can be placed in line parallel to the line formed by the dam of the plant, in series or by serial linking association and in parallel thus allowing a grouped or separate operation for different applications. 5) Hydraulic plant, according to at least one of the preceding claims,

characterized by the fact that the basins are individually fed by pipes whose dimensions associated with the head and the water flow rate determine the maximum float rise speed; these pipes are superimposed in a number of layers equal to the number of groups of basins put in series ci which allows alternatively to place one or more floats on the same channel.

6) Hydraulic unit, according to at least one of the preceding claims,

characterized by the fact that each basin is supplied with water by its bottom so as to limit frictional stresses of the float on the associated pond walls.

7) Hydraulic power plant, according to at least one of the preceding claims,

characterized in that each layer supplies water to a basin or a pool group through an opening cut in the upper part of the layer in line with each corresponding basin.

8) Hydraulic power plant, according to at least one of the preceding claims,

characterized by the fact that a valve device allows the water supply of each basin or each group of basins by means of a mechanical system or an electrotechnical device allowing the opening and closing of the water valves. isolation, in the same way another similar device allows the emptying of basins.

9) Hydraulic power plant, according to at least one of the preceding claims,

characterized by the fact that the mechanical or electrotechnical management of the openings and the closures of the valves allows the synchronization of the movements of the floats so as to exploit them, by analogy, in the same way as the camshaft and the valves of a conventional heat engine. 10) hydraulic power plant, according to at least one of the preceding claims,

characterized by the fact that the crankshaft or any other mechanical device for restoring or converting the initial mechanical movement of the float allows the coupling to an electric generator, a piston pump device or any other rotary or linear mechanical load.

11) Hydraulic power plant, according to at least one of the preceding claims,

characterized by the fact that the number of floats must be greater than or equal to two and that the use of at least three floats out of phase with respect to one another in a judicious manner makes it possible to guarantee the rotation of the crankshaft whatever its position and speed.

12) Hydraulic power plant, according to at least one of the preceding claims,

characterized by the fact that the energy produced by the floats can be exploited through one or more crankshaft (s) but also by association or single use of other components to produce other types of energies, for example adding one or more floats to drive a pump, compressor, etc. system.

13) Hydraulic power plant, according to at least one of the preceding claims,

characterized by the fact that if multiple rows of two are placed in parallel, each unit of two adjacent rows can slave a generator Warnier type, generator exploiting the differential speed of the armature with respect to the inductor, in order to limit or eliminate the presence of a speed multiplier but also not to be obliged to synchronize the two crankshafts if they turn at different speeds and thus alternatively we can couple to the generator as many crankshafts as There are no rotors on the Warnier type generator.

14) Hydraulic power plant, according to at least one of the preceding claims,

characterized in that all the information can be informed to the automation by analog signals allowing the control unit to optimize the water consumption and thus the efficiency of the plant by a proper management of the analog actuators. <EMI ID = 4.1>

15) Hydraulic power plant, according to at least one of the preceding claims,

characterized in that the application can be used to provide a brand image, to promote or to advertise a product without necessarily exploiting the power supplied by the power plant, the assembly serving as a model, power plant miniature, didactic tool or any other commercial uses and this claim extends to the reproduction on paper, three-dimensional reproduction and any audiovisual support.