BE1017920A3

BE1017920A3 - Machine hydroelectrique flottante.

Info

Publication number: BE1017920A3
Application number: BE2008/0004A
Authority: BE
Inventors: Jean Rutten
Original assignee: Rutten S A
Priority date: 2008-01-02
Filing date: 2008-01-02
Publication date: 2009-11-03

Abstract

La pr'sente invention se rapporte . une machine hydro'lectrique comprenant au moins un rotor (1) muni d'un axe (2) et d'une pluralit' d'aubages (3) ayant un profil "d'aile d'avion" ou a'rodynamique, c'est-.-dire de type Darrieus, coupl' . un multiplicateur (7) et reli' . un alternateur (8) pour transformer l''nergie m'canique d'un flux d'eau en 'nergie 'lectrique, caract'ris'e en ce que l'axe (2) du rotor (1) est horizontal et coopSre avec des paliers (5) solidaires d'une structure flottante (4) apte . ^tre amarr'e en fonctionnement.

Description

MACHINE HYDROELECTRIQUE FLOTTANTE

Objet de l'invention [0001] La présente invention se rapporte à un hydrogénérateur flottant, encore appelé hydraulienne, capable de développer de fortes puissances, typiquement supérieures à 100-200 w et destiné à être amarré dans le courant d'une rivière ou d'un fleuve dont le courant et le tirant d'eau sont suffisants ou encore au bord de mer, pour profiter de l'énergie des marées ou des houles par exemple.

[0002] La technologie de l' hydraulienne s'inscrit en particulier dans un cadre de développement économique de pays en voie de développement possédant, d'une part un réseau hydroélectrique important et techniquement intéressant et d'autre part un contexte énergétique approprié, comme le besoin en électrification rurale décentralisée de villages disséminés sur un vaste territoire (comme par exemple en République Démocratique du Congo) . A cet égard, la technologie précitée est fiable, facilement gérable localement et permet de satisfaire les besoins domestiques élémentaires en électricité d'une population rurale.

Arrière-plan technologique et état de la technique

[0003] Dès 1925, l'ingénieur français Darrieus déposait un brevet concernant un rotor d'éolienne à axe vertical (voir par exemple FR-A-604 390) . [0004] L'éolienne de Darrieus est composée de n aubages (n entier) avec un minimum de 2 aubages, ayant un profil symétrique aérodynamique. Ce profil est semblable aux profils NACA répertoriés, universellement connus et utilisés de nos jours.

[0005] Les particularités des rotors éoliens de type Darrieus peuvent être résumées comme suit :

- ils présentent des couples moteurs quasi sur toute la circonférence du rotor (360[deg.]), quelle que soit la direction du vent ; ils ont un seul sens de rotation et présentent la particularité de ne pouvoir démarrer seuls ; leur axe est toujours vertical. [0006] Pour atteindre des incidences de vitesses intéressantes, c'est-à-dire productifs de couple moteur, il faut que le rotor Darrieus atteigne une vitesse appréciable. Le rotor Darrieus a la réputation de tourner très vite (par exemple 80 tours/minute pour un diamètre de 8 mètres), ce qui permet de réduire le couple. [0007] Le rendement de ces machines, ayant surtout connu du succès au Canada, est cependant plus faible (de quelques %) que celui des éoliennes tripales à axe horizontal fabriquées massivement de nos jours. [0008] Les défauts majeurs de ces rotors sont donc :

- une grande fragilité de construction en général, ou la présence de haubans perturbateurs de flux, ce qui dégrade le rendement ;

- l'absence de démarrage automatique ; un rendement de quelques pour cent en dessous des rotors tripales.

[0009] Ces défauts ont ainsi conduit les constructeurs à abandonner les projets d' éoliennes Darrieus à axe vertical au profit des éoliennes tripales classiques. [0010] Des turbines éoliennes de type Darrieus ont fait l'objet récemment de (demandes de) brevet (s), comme par exemple WO-A-01/23758 ou US 6,364,609 Bl. [0011] En hydraulique, quelques tentatives de rotors verticaux Darrieus posés dans une rivière ont également été testées il y a une dizaine d'années. Ces rotors Darrieus ne dépassaient pas 6 mètres de diamètre pour 3 mètres de tirant d'eau. De plus, le rotor était en porte-à-faux dans le flux d'eau, comme c'est le cas par exemple dans le cas de rotors verticaux propulseurs de remorqueurs de manoeuvre dans les ports .

[0012] Les rotors hydrauliques ont gardé les défauts majeurs des rotors éoliens Darrieus, à savoir la fragilité de construction empêchant d'atteindre et de dépasser des puissances de 100 kW. De plus, le rotor d'axe vertical exige comme attendu un démarreur électrique, du fait que ces rotors ne démarrent jamais seuls.

[0013] La demande de brevet CA-A-2 532 734, de Peter A. Stabins, divulgue un système de turbine hydro- et maréemotrice, comprenant des sections multiples de turbines de type Darrieus, connectées en série le long d'un seul axe horizontal. Les aubages Darrieus sont allongés, rectangulaires, perpendiculaires au flux et ont une section profilée en aile d'avion. Les aubages de chaque section Darrieus sont décalés par rapport aux aubages des autres sections, ce qui permet de réduire la pulsation de couple typique d'une turbine Darrieus tout en conservant la simplicité des aubes Darrieus droites ainsi que le possibilité de générer de la puissance à partir de différentes directions de flux et une vitesse de rotation élevée. Un tel système est utilisé dans les flux bidirectionnels des zones de marées ou fournis par une ou plusieurs canalisations de flux.

Dans ce cas-ci, la turbine est complètement immergée dans le flux. [0014] Une autre demande très récente, du même demandeur, décrit une même configuration de turbine Darrieus mais avec la particularité que la turbine est surélevée de manière telle qu'une partie supérieure, où les aubes sont en mouvement directement opposé au courant, se trouve dans l'air, au-dessus du niveau d'eau. Ce type de configuration a l'avantage de permettre le démarrage automatique de la turbine.

[0015] Dans les deux cas précités, la turbine est ancrée dans le sol au moyen de supports de l'axe horizontal .

Buts de 1 ' invention

[0016] L'invention a pour but de fournir un hydrogénérateur flottant qui permette de s'affranchir des inconvénients de l'état de la technique.

[0017] En particulier, l'invention a pour but de fournir un hydrogénérateur flottant configuré pour fournir une protection adaptée contre les déchets charriés par le courant comme par exemple des troncs d'arbre.

[0018] L'invention a encore pour but de fournir une solution permettant de maintenir le multiplicateur et l'alternateur de la machine hors du courant d'eau.

Résumé de 1 ' invention

[0019] La présente invention se rapporte à une machine hydroélectrique comprenant au moins un rotor muni d'un axe et d'une pluralité d' aubages ayant un profil d'aile d'avion ou aérodynamique, c'est-à-dire un rotor de type Darrieus, couplé à un multiplicateur et relié à un alternateur pour transformer l'énergie mécanique d'un flux d'eau en énergie électrique, caractérisée en ce que l'axe du rotor est horizontal et coopère avec des paliers solidaires d'une structure flottante apte à être amarrée en fonctionnement. Cette configuration de type Darrieus à axe horizontal présente l'avantage important de pouvoir maintenir le rotor de manière stable, isostatique sur deux appuis et élimine le porte-à-faux des machines Darrieus à axe vertical.

[0020] Des formes d'exécution particulières de l'invention comprennent en outre les caractéristiques techniques suivantes, prises individuellement ou selon une combinaison quelconque : - ladite machine est configurée pour, que ledit axe, positionné en fonctionnement perpendiculairement au flux d'eau, soit maintenu hors de l'eau ;

- en coupe longitudinale, les aubages sont paraboliques, rectilignes ou à ligne trapézoïdale ; - les aubages sont essentiellement parallèles à l'axe et disposés sur un cylindre virtuel de rayon donné, et de préférence identique pour tous les aubages ;

- dans le cas où tous les aubages sont équidistants de l'axe, l'angle formé, dans un plan perpendiculaire à l'axe, par ce dernier avec les deux points d'intersection dudit cylindre virtuel avec la surface de l'eau est compris entre 120[deg.] et 170[deg.] ;

- les profils des aubages sont biconvexes symétriques ;

- les profils des aubages sont des profils selon la nomenclature NACA à 4 chiffres qui décrivent la géométrie du profil. Ceux-ci utilisent la longueur de la corde de l'aile comme unité ; la corde est le segment de droite qui joint le bord d'attaque au bord de fuite. Le premier chiffre donne la cambrure du profil en pourcentage de la longueur de la corde. Le second chiffre donne la position de la cambrure maximale en dixièmes de la corde. Les deux derniers chiffres donnent l'épaisseur maximale du profil en pourcentage de la corde ;

- la machine comprend entre 2 et 12 aubages répartis régulièrement autour de l'axe du rotor ; - la structure flottante comprend au moins deux flotteurs reliés à un câble d'amarrage ;

- la machine comporte plusieurs rotors, disposés en ligne et d'axe commun, les aubages d'un rotor quelconque étant décalés d'un angle déterminé, éventuellement variable, par rapport aux aubages du rotor précédent ou suivant.

Brève description des figures

[0021] La figure 1 représente une vue en coupe axiale d'une première forme d'exécution préférée de machine hydroélectrique selon la présente invention, comprenant 3 aubages paraboliques.

[0022] La figure 2 représente une vue en perspective de la machine hydroélectrique de la figure 1. [0023] La figure 3 représente une vue en coupe d'une deuxième forme d'exécution préférée de machine hydroélectrique selon la présente invention, comprenant 4 aubages aérodynamiques, symétriques, droits et équidistants de l'axe ([delta] : angle au centre formé par la surface de l'eau avec le cercle d' aubages ; [omega] : vitesse angulaire de la machine ; V : vitesse du flux) .

Description détaillée de l'invention

[0024] La machine 1 selon une forme d'exécution exemplative de l'invention, est représentée en coupe sur la figure 1 et en perspective sur la figure 2. Le rotor présente dans ce cas-ci un axe horizontal 2 et trois aubages 3, de section longitudinale parabolique. La machine 1 est flottante, en ce sens que l'axe 2 du rotor est posé sur des paliers 5 solidaires des flotteurs 4. L'axe 2 est prolongé par un multiplicateur mécanique 7 et un alternateur 8. On notera que la machine 1 présente un rotor totalement différent des rotors hydrauliques Darrieus selon l'état de la technique connu. Non seulement il possède un axe 2 horizontal mais en outre la machine est configurée pour ne présenter qu'une fraction d'arc de cercle mouillé, de sorte que l'axe (ou l'arbre) 2 soit maintenu au-dessus de la surface de l'eau 10.

Selon l'invention, cette fraction d'arc de cercle mouillé est donc toujours en dessous de 180[deg.] (160[deg.] par exemple) . Pratiquement, cette caractéristique est obtenue en rehaussant suffisamment les paliers 5 par rapports à la surface supérieure des flotteurs 4. [0025] Les aubages 3 productifs de couple ont une forme parabolique sur les figures 1 et 2. D'autres formes possibles seront imaginées sans peine par l'homme de métier, telles que des aubages rectilignes, comme sur la figure 3, ou selon une ligne trapézoïdale. [0026] La Demanderesse a calculé que la disposition horizontale de l'axe 2 permet une réduction drastique du couple de la machine (de deux à trois fois typiquement) , à puissance égale et pour la même surface portante, par rapport à une machine Darrieus à axe vertical, selon l'état de la technique.

Ceci permet de réaliser des multiplicateurs plus légers. Cette caractéristique permet en outre d'avoir constamment le multiplicateur et l'alternateur hors du flux.

[0027] De plus, la machine est flottante et suit le cours de la rivière ou, en mer, des marées, des houles, etc., quelles que soient les variations du niveau d'eau. La machine est alors amarrée par câble 6 à la terre ferme (berge, etc. ) .

[0028] Afin d'augmenter la régularité du couple, on peut avantageusement augmenter le nombre de modules-rotors, chaque module-rotor étant décalé du précédent d'un angle déterminé, adéquatement choisi (non représenté) . [0029] Outre les avantages précités, la machine flottante selon l'invention a un avantage déterminant par rapport à la présence de déchets flottants (par ex. troncs d'arbre) . Dans le cas d'un rotor Darrieus hydraulique à axe vertical ou horizontal, immergé totalement ou partiellement, selon l'état de la technique, comme par exemple dans les documents CA-A-2 532 734 et CA-A-2 547 748, l'axe de la machine se trouve toujours dans l'eau. Dans ce cas, lorsqu'un déchet flottant tel qu'un tronc d'arbre entre dans la machine, le risque que l'axe se brise est très grand, le tronc produisant un couple de blocage entre l'axe et un aubage .

De plus, la demande CA-A-2 532 734 propose, selon une forme d'exécution alternative, des aubages retenus par des disques sans axe. Dans ce cas, il y aura beaucoup de difficulté à transmettre le couple moteur. Il s'agit dès lors d'un montage précaire et peu fiable. [0030] La solution préconisée par la présente invention sous forme d'une machine dont l'axe n'est pas immergé diminue de beaucoup le risque de prendre des déchets tels que des troncs d'arbre entre un aubage et l'axe de la machine. Cela assure donc une sécurité de fonctionnement importante.

Claims

REVENDICATIONS

1. Machine hydroélectrique comprenant au moins un rotor (1) muni d'un axe (2) et d'une pluralité d' aubages (3) ayant un profil d'aile d'avion ou aérodynamique, c'est-à-dire un rotor (1) de type Darrieus, couplé à un multiplicateur (7) et relié à un alternateur (8) pour transformer l'énergie mécanique d'un flux d'eau en énergie électrique, caractérisée en ce que l'axe (2) du rotor (1) est horizontal et coopère avec des paliers (5) solidaires d'une structure flottante (4) apte à être amarrée en fonctionnement .

2. Machine hydroélectrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite machine est configurée pour que ledit axe (2) , positionné en fonctionnement perpendiculairement au flux d'eau, soit maintenu hors de l'eau.

3. Machine hydroélectrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que, en coupe longitudinale, les aubages (3) sont paraboliques, rectilignes ou à ligne trapézoïdale.

4. Machine hydroélectrique selon la revendication 3, caractérisée en ce que les aubages (3) sont essentiellement parallèles à l'axe (2) et disposés selon un cylindre virtuel de rayon donné et de préférence identique pour tous les aubages.

5. Machine hydroélectrique selon la revendication 4, caractérisée en ce que, les aubages (3) étant équidistants de l'axe (2), l'angle formé ([delta]) , dans un plan perpendiculaire à l'axe (2), par ce dernier avec les deux points d'intersection dudit cylindre virtuel avec la surface de l'eau (10) est compris entre 120[deg.] et 170[deg.].

6. Machine hydroélectrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les profils des aubages (3) sont biconvexes symétriques.

7. Machine hydroélectrique selon la revendication 3, caractérisée en ce que les profils des aubages (3) sont des profils selon la nomenclature NACA à 4 chiffres .

8. Machine hydroélectrique selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend entre 2 et 12 aubages (3) répartis régulièrement autour de l'axe (2) du rotor (1) .

9. Machine hydroélectrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la structure flottante (4) comprend au moins deux flotteurs reliés à un câble d'amarrage (6).

10. Machine hydroélectrique selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs rotors (1), disposés en ligne et d'axe (2) commun, les aubages (3) d'un rotor quelconque étant décalés d'un angle déterminé, éventuellement variable, par rapport aux aubages (3) du rotor précédent ou suivant.