EP3030780A1 - Hydrolienne de riviere - Google Patents

Hydrolienne de riviere

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Publication number
EP3030780A1
EP3030780A1 EP14749815.8A EP14749815A EP3030780A1 EP 3030780 A1 EP3030780 A1 EP 3030780A1 EP 14749815 A EP14749815 A EP 14749815A EP 3030780 A1 EP3030780 A1 EP 3030780A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
water
turbine
river
turbine wheel
stream
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14749815.8A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Louis KUENY
Sébastien ALLIGNE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Optydro Concept Sarl
Original Assignee
Optydro Concept Sarl
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Filing date
Publication date
Application filed by Optydro Concept Sarl filed Critical Optydro Concept Sarl
Publication of EP3030780A1 publication Critical patent/EP3030780A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B13/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • F03B13/10—Submerged units incorporating electric generators or motors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B13/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • F03B13/10—Submerged units incorporating electric generators or motors
    • F03B13/105—Bulb groups
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B17/00—Other machines or engines
    • F03B17/06—Other machines or engines using liquid flow with predominantly kinetic energy conversion, e.g. of swinging-flap type, "run-of-river", "ultra-low head"
    • 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
    • F05B2240/10—Stators
    • F05B2240/13—Stators to collect or cause flow towards or away from turbines
    • 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
    • F05B2240/90—Mounting on supporting structures or systems
    • F05B2240/97—Mounting on supporting structures or systems on a submerged structure
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Definitions

  • the present invention relates to a river turbine to convert the kinetic energy of a river into electricity.
  • US3986787, US6013955 and US2007063520 describe submersible turbines capable of producing electricity from a stream of water, for example a river.
  • US3986787 and US6013955 disclose turbines including a turbined water passage in the center, and a shroud or other auxiliary elements around this water passage.
  • the outer shape of these fairings is optimized to create a suction effect of the water flow in the region immediately downstream of the turbine.
  • Document US2007063520 discloses a device equipping a water flow channel suitable for hydroelectric production. The dimensions of the channel and its shape are modified to create an acceleration zone of the water flow in which a turbine is located. This solution is particularly suitable for vertical axis turbines.
  • Document US2009087301 discloses a submersible turbine for generating hydroelectric power.
  • the rear part of the turbine wheel can be equipped with vanes for the creation of a pressure drop of the water flow in the region posterior to the rotor.
  • the duct and the vanes are adjustable.
  • Anchoring tidal turbines at the bottom of a river is the subject of US2005285407 and GB2445284 documents.
  • the disclosed anchoring devices comprise either cables or telescopic pillars.
  • An object of the present invention is to propose a river turbine with an increased suction effect compared to known river turbines.
  • Another object of the invention is the realization of a river turbine capable of operating in a river with variable water flows between modest flows and larger flows.
  • Another object of the invention is the realization of a river turbine capable of being anchored effectively on any type of ground of a river and positioned in height in the water flow to exploit the most profitable water flow. According to the invention, these goals are achieved in particular by means of a river turbine comprising:
  • a generator driven by a first turbine wheel to generate an electric current when a first water flow turns the first turbine wheel
  • a second turbine wheel arranged to exert a pumping action on the second stream of water.
  • the tidal turbine further comprises a water flow separator so as to separate the incoming water flow into a first stream of water and a second stream of water.
  • the generator is magnetically connected to the first turbine wheel.
  • the generator is mechanically connected to the first turbine wheel.
  • the first turbine wheel comprises at least one turbine blade and the second turbine wheel comprising at least one pumping blade.
  • the first turbine wheel and the second turbine wheel are coaxial and are mounted one inside the other.
  • the first turbine wheel mechanically drives the second turbine wheel.
  • the tidal turbine further comprises a reduction and / or multiplication of the rotational ratios capable of rotating the pump blades at a different speed than that of the turbine blades.
  • a first portion of the separator is positioned at the entrance of the fairing, a second portion of the separator is positioned between the first turbine wheel and the second turbine wheel.
  • the tidal turbine further comprises a turbine diffuser in which is positioned a portion of the
  • the fairing further comprises a water flow convergent capable of increasing the flow rate of water of the first and / or second water flow.
  • the tidal turbine further comprises at least one water flow distributor capable of imposing a direction on the flow of water of the first stream of water and / or the second stream of water. water so as to reduce vortex formation at the outlet of the turbine.
  • at least one water flow distributor is capable of separately imposing a fixed direction on the first stream of water and / or on the second stream of water.
  • at least one water flow distributor is able to impose a direction variable to the first stream of water and / or the second stream of water.
  • the dispenser can be orientable.
  • the tidal turbine further comprises an anchoring device which comprises a plurality of adjustable tension cables and a plurality of height-adjustable piles, each pile comprising an anchor point. and a base of distribution of the pressure exerted on a bottom of a river.
  • an anchoring device which comprises a plurality of adjustable tension cables and a plurality of height-adjustable piles, each pile comprising an anchor point. and a base of distribution of the pressure exerted on a bottom of a river.
  • the anchoring device further comprises a device for automatically controlling the vertical positioning of the turbine relative to the bottom of the river.
  • the tidal turbine further comprises a hub having a support function to at least one water flow distributor, to the first turbine wheel, to the second turbine wheel, to a protection device and / or the anchoring device.
  • the generator is housed in the hub.
  • the generator is housed in the fairing.
  • the fairing has an outer parallelepiped shape for a modular stack of several turbines without water passages between the tidal turbines.
  • Figure 1 illustrates a side sectional view of a river turbine according to the invention.
  • Figures 2 and 3 respectively show a side sectional view and a front view of a hydroelectric generating system comprising a plurality of river turbines of the invention.
  • FIG. 4 illustrates the upper part of a riverine turbine according to the invention.
  • Figures 5 and 6 illustrate an embodiment of a first turbine wheel comprising turbine blades encircling a second turbine wheel comprising pumping blades, according to the invention.
  • Figure 5 is a front view of Figure 4, according to section C.
  • the present invention relates to a river turbine to convert the kinetic energy of a stream of water of a river into electricity, which has the particular advantage to have a degree
  • FIG. 1 illustrates a river stream turbine according to the invention.
  • the tidal turbine 1 comprises a turbine 2, a fairing 3 around the turbine and an anchoring device 18, 19, 20 for anchoring the turbine and the fairing to a ground 21 at the bottom of the river.
  • the internal structure of the fairing 3 comprises a convergent portion 12 upstream.
  • the convergent portion has for example a frustoconical, funnel-shaped shape, in order to increase the speed of flow through the turbine and thus increase the power which is
  • the input section of the convergent portion 12 may be circular, square or rectangular.
  • a central zone of the internal structure has a shape
  • the central zone of the fairing 3 houses the turbine 2 comprising the stator and the rotor.
  • the stator comprises distributors 13 (or guiding) water flow, while the rotor comprises a first turbine wheel 5, and a second turbine wheel 7.
  • the turbine comprises a hub 14 preferably disposed in the center of the turbine 2.
  • the hub can serve as a support for the various components of the tidal turbine 1, in particular the distributors 13 of water flow. It can accommodate a generator.
  • a downstream portion of the inner structure of the fairing forms a frustoconical diffuser 1 1, with a gradually increasing diameter.
  • the diffuser 1 makes it possible to recover the kinetic energy at the output of the rotor of the turbine and is preferably longer than the convergent 12.
  • the inlet of the diffuser 1 1 may comprise an axially symmetrical section while its outlet may comprise a square section. or rectangular.
  • the section of this downstream portion may also be circular.
  • the outer structure of the fairing 3 may be parallelepipedal as shown in the figures. This parallelepipedal shape makes it possible to stack several tidal turbines arranged in line or in matrix, as illustrated in FIGS. 2 and 3.
  • the outer structure of the fairing can also be optimized so as to intentionally create a difference in the level of sensitive water. between upstream and downstream of the tidal stream, creating resistance
  • the shape of the fairings and / or external elements may be adapted to the site and to each particular watercourse.
  • the difference in water level is preferably greater than 10 centimeters, for example greater than 20 centimeters.
  • the rotor of the tidal turbine 1 is radially divided into two parts.
  • a first turbine wheel 5 is positioned in the outer portion while a second turbine wheel 6 is positioned in the inner portion.
  • the first turbine wheel 5 comprises turbine blades 6 capable of converting the linear movement of the flow of water in the external part into a circular movement of the rotor ("turbine zone"), in order to produce electricity.
  • the second turbine wheel 7 comprises pumping vanes 8 capable of creating a suction effect in the flow of water in the center ("pumping zone"). It is also possible to invert the pumping zone and the turbine zone. This turbine wheel thus makes it possible to actively accelerate the flow of water through the tidal turbine.
  • FIG. 6 illustrates an exemplary profile of the pump blades 8 and the turbine blades 6, according to the sections A and B of FIG. 5.
  • FIG. 6 also illustrates, for information only, the speed triangles at the inlet and at the the output of the turbine wheels 5 and 7, where "C” represents the absolute speed, "U” represents the circumferential speed while “W” represents the speed relative to the wheel, whose direction is given by the angle of the blades.
  • the tidal stream 1 preferably comprises a water flow separator 4 for separating the incoming water flow into a first stream of water 9 and a second stream of water 10.
  • the first stream of water 9 actuates the first wheel 5 (turbine zone) while the second stream 10 is sucked by the pumping action of the second wheel 7 (pumping area).
  • This pumping action creates a Venturi effect, which increases the flow rate of the first flow 9.
  • the action of this second wheel 7 makes it possible to obtain a greater Venturi effect compared to that obtained by a turbine with a free passage of water in the periphery and / or center of the turbine.
  • the water flow separator 4 can be achieved by a curvilinear cone capable of separating the incoming flow.
  • the length of this cone and its shape may vary from one embodiment to another, in order to maximize the power of the tidal turbine according to the characteristics of the river concerned.
  • a flow curvilinear cone is also contemplated in the diffuser.
  • the separator 4 may comprise several parts: a part 40 may be placed upstream of the turbine wheels 5.7, a part 41 may be positioned between the two turbine wheels 5.7 and a part 42 may be positioned in the diffuser 1 1.
  • the downstream portion 42 in the diffuser is preferably longer than the front portion 40, to reduce downstream turbulence in the sensitive portion where the two flows meet again.
  • the shapes and the dimensions of the upstream 40 and downstream 42 parts are adapted to the characteristics of the river concerned, and can be made adjusted according to these characteristics.
  • the generator is coupled to the rotor of the turbine. This coupling can be either directly at the hub of the turbine if the
  • the Generator is coaxial with the hub, or at the fairing 3 if the generator is housed in the fairing.
  • the coupling between the hub and the generator, and thus the coupling between the two turbine wheels 5.7, may be of mechanical and / or magnetic type, in order to drive the pump 8 bladings by the turbine blades. 6.
  • the turbine 6 and pump 8 blades can rotate with the same rotational speed. However, it is also possible to provide a reduction in order to rotate the pump blades at a different speed, for example faster than the turbine blades.
  • the adaptation of the dimensions and the shape of the pumping vanes 8 to the flow conditions of the river makes it possible to obtain a total efficiency (ie the power of the turbine less the power of the pump) greater than the efficiency a turbine without the pumping device or that of a turbine with a single water passage.
  • the two turbine wheels 5.7 form a wheel comprising a turbine zone close to the fairing 3 comprising at least one turbine blade 6 on which a first flow of water 9 acts.
  • This wheel then comprises a pumping zone, which is positioned radially to the turbine zone and close to the hub 14, comprising at least one pumping blade 8 acting on a second water flow 10.
  • a separation of the two water streams 9 and 10 can be maintained between the vanes 6 and 8 of the two wheels 5 and 7 by a portion 41 of the water flow separator 4 which is housed between the two wheels 5, 7.
  • the movement of the wheel formed by the two wheels 5, 7 can be transmitted, mechanically and / or magnetically, to a generatrix 22 placed inside the volume formed by the fairing, for example in the fairing 3 (that is, ie outside the wheels 5, 7) or in the hub 14 (inside with respect to the wheels 5, 7, but always in the volume defined by the fairing).
  • the turbine zone can be placed inside the pumping zone.
  • the first wheel 5 is placed inside the second wheel 7. Due to the pumping effect of the flow of water passing through the zone near the fairing 3, the total flow of water that passes through the tidal stream, and In particular, the flow rate of the flow of water passing through the turbine zone located near the hub 14 is increased.
  • the hub 14 serves to support and guide the second pump wheel 7, while the first turbine wheel 5 can be supported and / or guided by an outer ring.
  • This ring can transmit its movement, mechanically and / or magnetically, to a generator placed in the fairing 3.
  • the hub 14 serves as a support and guide to the first turbine wheel 5.
  • the movement of the first turbine wheel 5 is directly transmitted to the generator.
  • the second pump wheel 7 can be supported and / or guided externally by an outer ring. It is also possible to have a pump wheel 7 without guiding on the outside, and therefore without an outer ring.
  • the distributors 13 (or direction) of water flow are arranged at the input of the rotor. The role of the distributors 13 is to direct the flow of water upstream of the turbine wheel 5, 7 so as to reduce the formation of vortex ("swirl") at the outlet of the turbine wheel 5, 7 and thus the losses. within the broadcaster 1 1.
  • an embodiment comprises a variable speed turbine wheel 5 with orientation of the distributors 13 fixed.
  • Another embodiment comprises a fixed speed turbine wheel with distributors 13 with variable orientations.
  • the distributors 13 may have different profiles between the turbine zone and the pumping zone, in order to best adapt to the specific characteristics of the turbine vane 6 and the pump vane 8.
  • the tidal turbine 1 may furthermore comprise a protective device capable of evacuating the sediments and / or debris carried by the incoming water flow and which may damage the turbine 2.
  • a protective grid 1 5 may be used for this purpose , whose mesh size and its positioning are adapted to cause the least speed loss of the incoming water flow.
  • the tidal turbine 1 can be anchored to the ground 21 at the bottom of a river by a series of piles 18 and by fixing or tensioning cables 17.
  • One end of the cables 17 for fixing is attached to an element anchored to the field 21, which may be for example a stake, an anchor or a dedicated platform, and which is placed upstream or downstream of the tidal turbine 1.
  • the other end may be connected either directly to the fairing 3, or to a support rod 16 integral with the fairing 3 or the hub 14.
  • a stream of water can thus pass under and over the tidal turbine, thus constituting also a passage for fish.
  • these piles 18 are advantageously equipped with an anchor point 20 which sinks into the ground and a plate 21 allowing distribute the anchoring pressure.
  • the anchoring can thus be completed by the adjustment of the tension of cables 17.
  • the positioning in height of the tidal turbine 1 with respect to the ground at the bottom of the river has the goal of being able to enjoy a maximum power of the tidal turbine 1.
  • the ideal height being a function of the free surface of the river and the flow of the river, the use of height-adjustable piles 18 and 17 tension cables facilitates the positioning of the river.
  • the tidal stream 1 in the stream of water of the river Definitive positioning can be achieved during the installation of the tidal turbine 1 in rivers with a little variable flow, while variable positioning can be obtained by equipping the tidal turbine 1 with an adjustment device automatic.
  • the outer structure of the fairing 3 can take a parallelepipedal shape to allow efficient modular assembly of several standard 1 turbines, as shown in Figures 2 and 3.
  • a system comprising several turbines 1 can be achieved by a stack of several tidal turbines 1 by fixing the fairings 3 next to each other. This type of arrangement of a plurality
  • tidal turbines 1 in height as well as crosswise with respect to the flow of water of a river, forms an effective obstacle to the flows of water of the river. The resulting fall allows to increase the unit power compared to a solitary tidal turbine.
  • the installation, anchoring, positioning as well as the protection of a system comprising a plurality of tidal turbines 1 may use the aforementioned protection and anchoring devices.
  • this system allows synergies between the various tidal turbines 1.
  • a protective grid 1 5. for example, can exploit reinforcing rods 16 fixed to some fairings 3 and / or some hubs 14 of these turbines 1.
  • the piles 18 of the anchoring device can hold the tidal turbines 1 placed in the lower line while the fixing cables 17 can hold the tidal turbines 1 placed in the upper lines.

Landscapes

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Abstract

L'invention concerne une Hydrolienne de rivière (1) qui comprend un carénage (3), une génératrice (22) entraînée par une première roue de turbine (5) et logée dans un volume formé par le carénage afin de générer un courant électrique lorsqu'un premier flux d'eau (9) met la première roue de turbine en rotation, un passage pour un deuxième flux d'eau (10) traversant le carénage (3) sans traverser la première roue de turbine ainsi qu'une deuxième roue de turbine (7) agencée pour exercer une action de pompage sur ce deuxième flux d'eau (10). Le passage du deuxième flux d'eau (10) est agencé pour provoquer une accélération de l'eau à travers la première roue de turbine.

Description

Hydrolienne de rivière
Domaine technique
[0001] La présente invention concerne une hydrolienne de rivière destinée à convertir l'énergie cinétique d'une rivière en électricité.
Etat de la technique
[0002] Les documents US3986787, US6013955 et US2007063520 décrivent des turbines submersibles aptes à la production d'électricité à partir d'un flux d'eau, par exemple d'une rivière. Les documents US3986787 et US6013955 décrivent des turbines comprenant un passage d'eau turbinée au centre, et un carénage ou d'autres éléments auxiliaires autour de ce passage d'eau. La forme externe de ces carénages est optimisée de manière à créer un effet d'aspiration du flux d'eau dans la région immédiatement en aval de la turbine.
[0003] Le document US2007063520 dévoile un dispositif équipant un canal d'écoulement d'eau apte à la production hydroélectrique. Les dimensions du canal ainsi que sa forme sont modifiées afin de créer une zone d'accélération du flux d'eau dans laquelle une turbine trouve place. Cette solution est particulièrement adaptée à des turbines à axe vertical.
[0004] Le document US2007284884 dévoile une turbine submersible pour la génération d'énergie électrique. L'accélération du flux d'eau traversant la turbine est provoquée par un passage d'eau au travers d'une partie centrale vide de la turbine ainsi qu'à la périphérie de la turbine.
[0005] Le document US2009087301 dévoile une turbine submersible pour la génération d'énergie hydroélectrique. La partie postérieure de la roue de la turbine peut être équipée d'aubages pour la création d'une chute de pression du flux d'eau dans la région postérieure au rotor. Le conduit ainsi que les aubages sont réglables.
[0006] Ces différentes solutions permettent certes d'accélérer la vitesse d'eau traversant l'hydrolienne et donc d'augmenter la production électrique pour un flux d'eau donné. L'augmentation reste cependant modeste. Elle dépend en outre de la vitesse initiale du flux d'eau, et donc du débit de la rivière qui peut être très variable.
[0007] Par ailleurs, le flux d'eau accéléré dans le passage qui ne traverse pas la turbine tend à perturber l'écoulement du flux d'eau à travers la turbine, ce qui créé des perturbations et un écoulement non laminaire qui affecte le rendement total de l'hydrolienne.
[0008] L'ancrage d'hydroliennes au fond d'une rivière fait l'objet des documents US2005285407 et GB2445284. Les dispositifs d'ancrage dévoilés comprennent soit des câblages, soit des piliers télescopiques.
Bref résumé de l'invention [0009] Un but de la présente invention est de proposer une hydrolienne de rivière ayant un effet d'aspiration accru par rapport aux hydroliennes pour rivière connues.
[0010] Un autre but de l'invention est la réalisation d'une hydrolienne de rivière apte à opérer dans une rivière avec des flux d'eau variables entre des flux modestes et des flux plus importants.
[0011] Un autre but de l'invention est la réalisation d'une hydrolienne de rivière apte à être ancrée de manière efficace sur tout type de nature de terrain de fond d'une rivière ainsi que positionnable en hauteur dans le flux d'eau afin d'exploiter le flux d'eau le plus profitable. [0012] Selon l'invention, ces buts sont atteints notamment au moyen d'une hydrolienne de rivière comprenant :
un carénage ;
une génératrice entraînée par une première roue de turbine afin de générer un courant électrique lorsqu'un premier flux d'eau met la première roue de turbine en rotation ;
un passage pour un deuxième flux d'eau traversant ledit carénage sans traverser la première roue de turbine, et agencé pour provoquer une accélération de l'eau à travers la première roue de turbine ; et
une deuxième roue de turbine agencée pour exercer une action de pompage sur le deuxième flux d'eau.
[0013] Cette solution présente notamment l'avantage par rapport à l'art antérieur d'offrir un degré d'efficience plus élevé grâce à un effet d'aspiration accru par rapport aux hydroliennes connues.
[0014] Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, l'hydrolienne comprend en outre un séparateur de flux d'eau de façon à séparer le flux d'eau entrant en un premier flux d'eau et en un deuxième flux d'eau. [0015] Selon un mode de réalisation, la génératrice est connectée magnétiquement à la première roue de turbine.
[0016] Selon un mode de réalisation, la génératrice est connectée mécaniquement à la première roue de turbine.
[0017] Selon un mode de réalisation, la première roue de turbine comprend au moins un aubage de turbine et la deuxième roue de turbine comprenant au moins un aubage de pompage. [0018] Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, la première roue de turbine et la deuxième roue de turbine sont coaxiales et sont montées l'une à l'intérieure de l'autre.
[0019] Selon un autre mode de réalisation particulièrement avantageux, la première roue de turbine entraîne mécaniquement la deuxième roue de turbine. Dans un mode de réalisation, l'hydrolienne comprend en outre une démultiplication et/ou une multiplication des rapports de rotation apte à faire tourner les aubages de pompage à une vitesse différente de celle des aubages de turbine. [0020] Selon un mode de réalisation, une première partie du séparateur est positionnée à l'entrée du carénage, une deuxième partie du séparateur est positionnée entre la première roue de turbine et la deuxième roue de turbine.
[0021] Selon un mode de réalisation, l'hydrolienne comprend en outre un diffuseur de turbine dans lequel est positionné une partie du
séparateur.
[0022] Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, le carénage comprend en outre un convergeant de flux d'eau apte à augmenter la vitesse d'écoulement d'eau du premier et/ou du deuxième flux d'eau.
[0023] Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, l'hydrolienne comprend en outre au moins un distributeur de flux d'eau apte à imposer une direction au flux d'eau du premier flux d'eau et/ou du deuxième flux d'eau de manière à réduire la formation de tourbillon en sortie de la turbine . Dans un mode de réalisation, au moins un distributeur de flux d'eau est apte à imposer séparément une direction fixe au premier flux d'eau et/ou au deuxième flux d'eau. Dans un mode de réalisation, au moins un distributeur de flux d'eau est apte à imposer une direction variable au premier flux d'eau et/ou au deuxième flux d'eau. Le distributeur peut être orientable.
[0024] Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, l'hydrolienne comprend en outre un dispositif d'ancrage qui comprend une pluralité de câbles de tension réglables ainsi qu'une pluralité de pieux réglables en hauteur, chaque pieu comprenant une pointe d'ancrage et une assiette de répartition de la pression exercée sur un fond d'une rivière.
[0025] Selon un mode de réalisation, le dispositif d'ancrage comprend en outre un dispositif de contrôle automatique du positionnement vertical de la turbine par rapport au fond de la rivière.
[0026] Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, l'hydrolienne comprend en outre un moyeu ayant fonction de support à au moins un distributeur de flux d'eau, à la première roue de turbine, à la deuxième roue de turbine, à un dispositif de protection et/ou au dispositif d'ancrage.
[0027] Selon un mode de réalisation, la génératrice est logée dans le moyeu.
[0028] Selon un autre mode de réalisation, la génératrice est logée dans le carénage. [0029] Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, le carénage a une forme extérieure de parallélépipède permettant un empilement modulaire de plusieurs hydroliennes sans passages d'eau entre les hydroliennes. Brève description des figures
[0030] Des exemples de mise en œuvre de l'invention sont indiqués dans la description illustrée par les figures annexées dans lesquelles :
La figure 1 illustre une vue en coupe latérale d'une hydrolienne de rivière selon l'invention. Les figures 2 et 3 illustrent respectivement une vue en coupe latérale et une vue de face d'un système de production hydroélectrique comportant une pluralité d'hydroliennes de rivière selon l'invention.
La figure 4 illustre la partie supérieure d'une hydrolienne de rivière selon l'invention. Les figures 5 et 6 illustrent une réalisation d'une première roue de turbine comprenant des aubages de turbine encerclant une deuxième roue de turbine comprenant des aubages de pompage, selon l'invention. La figure 5 est une vue de face de la figure 4, selon la coupe C.
Exemple(s) de mode de réalisation de l'invention [0031] La présente invention concerne une hydrolienne de rivière destinée à convertir l'énergie cinétique d'un flux d'eau d'une rivière en électricité, qui présente notamment l'avantage d'avoir un degré
d'efficience plus élevé grâce à un effet d'aspiration accru par rapport aux hydroliennes connues. [0032] La figure 1 illustre une hydrolienne de rivière selon l'invention. L'hydrolienne 1 comprend une turbine 2, un carénage 3 autour de la turbine ainsi qu'un dispositif d'ancrage 18,19,20 pour ancrer la turbine et le carénage à un terrain 21 en fond de rivière. [0033] La structure interne du carénage 3 comporte une portion convergente 12 en amont. La portion convergente a par exemple une forme tronconique, en entonnoir, afin d'augmenter la vitesse d'écoulement au travers de la turbine et ainsi augmenter la puissance qui est
proportionnelle au cube de cette vitesse. La section d'entrée de la portion convergente 12 peut être circulaire, carrée ou rectangulaire.
[0034] Une zone centrale de la structure interne a une forme
cylindrique, en tout cas une forme symétrique axialement. La zone centrale du carénage 3 loge la turbine 2 comprenant le stator et le rotor. Le stator comprend des distributeurs 13 (ou directrices) de flux d'eau, alors que le rotor comprend une première roue de turbine 5, et une deuxième roue de turbine 7.
[0035] La turbine comprend un moyeu 14 de préférence disposé au centre de la turbine 2. Le moyeu peut servir de support aux divers composants de l'hydrolienne 1, en particulier aux distributeurs 13 de flux d'eau. Il peut accueillir une génératrice.
[0036] Une portion avale de la structure interne du carénage forme un diffuseur 1 1 tronconique, avec un diamètre progressivement croissant. Le diffuseuri 1 permet de récupérer l'énergie cinétique en sortie du rotor de la turbine et est de préférence plus long que le convergent 12. L'entrée du diffuseur 1 1 peut comporter une section symétrique axialement tandis que sa sortie peut comporter une section carrée ou rectangulaire. La section de cette portion avale peut aussi être circulaire.
[0037] La structure externe du carénage 3 peut être parallélépipédique comme illustré sur les figures. Cette forme parallélépipédique permet d'empiler plusieurs hydroliennes disposées en ligne ou en matrice, comme illustré sur les figures 2 et 3.
[0038] La structure externe du carénage peut aussi être optimisée de manière à créer volontairement une différence de niveau d'eau sensible entre l'amont et l'aval de l'hydrolienne, en créant une résistance
hydraulique qui tend à former une accumulation d'eau en amont. Cette solution permet d'augmenter la pression d'eau en amont et sur les turbines, et donc d'augmenter l'efficience des hydroliennes. Il est aussi possible d'ajouter d'autres éléments de retenue, par exemple des portions de barrages, de manière à augmenter la différence de niveau. La forme des carénages et/ou des éléments externes peut être adaptée au site et à chaque court d'eau particulier. La différence de niveau d'eau est de préférence supérieure à 10 centimètres, par exemple supérieure à 20 centimètres.
[0039] Le rotor de l'hydrolienne 1 , comme illustré par les figures 4-6, est radialement divisé en deux parties. Une première roue de turbine 5 est positionnée dans la partie externe alors qu'une deuxième roue de turbine 6 est positionnée dans la partie interne. La première roue de turbine 5 comprend des aubages 6 de turbine aptes à convertir le mouvement linéaire du flux d'eau dans la partie externe en un mouvement circulaire du rotor (« zone turbine »), afin de produire de l'électricité.
[0040] La deuxième roue de turbine 7 comprend des aubages de pompage 8 apte à créer un effet d'aspiration dans le flux d'eau au centre (« zone pompage »). Il est aussi possible d'inverser la zone de pompage et la zone turbine. Cette roue de turbine permet donc d'accélérer de manière active le flux d'eau au travers de l'hydrolienne.
[0041] Le profil hydrodynamique des aubages de pompage 8 diffère du profil des aubages de turbine 6. Comme illustré sur la figure 6, les deux profils peuvent notamment se distinguer par la cambrure des aubages. La figure 6 illustre un exemple de profil des aubages de pompage 8 et de turbine 6, selon les coupes A et B de la figure 5. La figure 6 illustre en outre, à titre indicatif, les triangles de vitesse à l'entrée et à la sortie des roues de turbine 5 et 7, où « C » représente la vitesse absolue, « U » représente la vitesse circonférentielle alors que « W » représente la vitesse relative par rapport à la roue, dont la direction est donnée par l'angle des aubages.
[0042] L'hydrolienne 1 comprend de préférence un séparateur de flux d'eau 4 pour séparer le flux d'eau entrant en un premier flux d'eau 9 et en un deuxième flux d'eau 10. Le premier flux d'eau 9 actionne la première roue 5 (zone turbine) alors que le deuxième flux 10 est aspiré par l'action de pompage de la deuxième roue 7 (zone pompage). Cette action de pompage crée un effet Venturi, ce qui augmente le débit du premier flux 9. L'action de cette deuxième roue 7 permet d'obtenir un effet de Venturi plus important par rapport à celui obtenu par une turbine avec un passage libre d'eau en périphérie et/ou centre de la turbine.
[0043] Le séparateur de flux d'eau 4 peut se réaliser par un cône curviligne apte à séparer le flux entrant. La longueur de ce cône et sa forme peuvent varier d'une réalisation à l'autre, afin de pouvoir maximiser la puissance de l'hydrolienne selon les caractéristiques de la rivière concernée. Un cône curviligne séparateur de flux est aussi envisagé dans le diffuseur.
[0044] Avantageusement, le séparateur 4 peut comprendre plusieurs parties : une partie 40 peut être placé en amont des roues de turbine 5,7, une partie 41 peut être positionnée entre les deux roues de turbine 5,7 et une partie 42 peut être positionnées dans le diffuseur 1 1 . La partie aval 42 dans le diffuseur est de préférence plus longue que la partie avant 40, afin de réduire les turbulences en aval dans la partie sensible où les deux flux se rejoignent à nouveau. Les formes ainsi que les dimensions des parties amont 40 et avale 42 sont adaptées aux caractéristiques de la rivière concernée, et peuvent être réalisées ajustées en fonction de ces
caractéristiques.
[0045] La génératrice est couplée au rotor de la turbine. Ce couplage peut être soit directement au niveau du moyeu de la turbine si la
génératrice est coaxiale au moyeu, soit au niveau du carénage 3 si la génératrice est logée dans le carénage. [0046] Le couplage entre le moyeu et la génératrice, et donc le couplage entre les deux roues de turbine 5,7, peut être de type mécanique et/ou magnétique, afin d'entraîner les aubages de pompe 8 par les aubages de turbine 6. Les aubages de turbine 6 et de pompe 8 peuvent tourner avec la même vitesse de rotation. Il est cependant aussi possible de prévoir une démultiplication afin de faire tourner les aubages de pompage à une vitesse différente, par exemple plus rapidement que les aubages de turbine. L'adaptation des dimensions et de la forme des aubages de pompage 8 aux conditions de flux de la rivière permet d'obtenir un rendement total (c'est à dire la puissance de la turbine diminuée de la puissance de la pompe) supérieur au rendement d'une turbine sans le dispositif de pompage ou à celui d'une turbine avec simple passage d'eau.
[0047] Selon cette réalisation, les deux roues de turbine 5,7 forment une roue comprenant une zone de turbine proche du carénage 3 comprenant au moins un aubage de turbine 6 sur laquelle agisse un premier flux d'eau 9. Cette roue comprend ensuite une zone de pompage, qui est positionnée de manière radiale à la zone de turbine et à proximité du moyeu 14, comprenant au moins un aubage de pompage 8 agissant sur un deuxième flux d'eau 10. Une séparation des deux flux d'eau 9 et 10 peut être maintenue entre les aubages 6 et 8 des deux roues 5 et 7 par une partie 41 du séparateur 4 de flux d'eau qui est logé entre les deux roues 5,7. Le mouvement de la roue formée par les deux roues 5,7 peut être transmis, mécaniquement et/ou magnétiquement, à une génératrice 22 placée à l'intérieur du volume formé par le carénage, par exemple dans le carénage 3 (c'est-à-dire à l'extérieur des roues 5, 7) ou dans le moyeu 14 (à l'intérieur par rapport aux roues 5, 7, mais toujours dans le volume délimité par le carénage).
[0048] Dans des situations particulière de flux de rivière, la zone turbine peut être placé à l'intérieure de la zone de pompage. Dans cette
configuration, la première roue 5 est placée à l'intérieure de la deuxième roue 7. Grâce à l'effet de pompage du flux d'eau traversant la zone proche du carénage 3, le débit total d'eau qui passe à travers l'hydrolienne, et en particulier du débit du flux d'eau traversant la zone turbine située proche du moyeu 14, est augmenté.
[0049] Il est aussi possible de prévoir un moteur électrique pour entraîner la deuxième roue de pompage. Il est en outre possible de contrôler la vitesse de rotation de la deuxième roue de pompage, par exemple au moyen de ce moteur électrique.
[0050] Dans un mode de réalisation où la génératrice est montée dans le carénage, le moyeu 14 sert de support et de guidage à la deuxième roue 7 de pompage, alors que la première roue de turbine 5 peut être supportée et/ou guidée par un anneau externe. Cet anneau peut transmettre son mouvement, mécaniquement et/ou magnétiquement, à une génératrice placée dans le carénage 3.
[0051] Dans un autre mode de réalisation où la génératrice se trouve au centre, dans l'axe du moyeu, le moyeu 14 sert de support et de guidage à la premier roue de turbine 5. Le mouvement de la première roue de turbine 5 est directement transmis à la génératrice. La deuxième roue de pompage 7 peut être supportée et/ou guidée à l'extérieur par un anneau externe. Il est aussi possible d'avoir une roue de pompage 7 sans guidage sur l'extérieur, et donc sans anneau externe. [0052] Les distributeurs 13 (ou directrices) de flux d'eau sont disposées en entrée du rotor. Le rôle des distributeurs 13 est de diriger le flux d'eau en amont de la roue de turbine 5,7 de manière à réduire la formation de tourbillon (« swirl ») en sortie de la roue de turbine 5,7 et donc les pertes au sein du diffuseur 1 1 . [0053] Pour s'adapter aux variations de vitesse d'écoulement de la rivière, une mode réalisation comprend une roue de turbine 5 à vitesse variable avec orientation des distributeurs 13 fixe. Un autre mode de réalisation comprend une roue de turbine 5 à vitesse fixe avec des distributeurs 13 avec orientations variables. [0054] Les distributeurs 13 peuvent avoir des profils différents entre la zone turbine et la zone de pompage, afin de s'adapter au mieux aux caractéristiques propres à l'aubage de turbine 6 et à l'aubage de pompage 8. [0055] L'hydrolienne 1 peut comprendre en outre un dispositif de protection apte à évacuer les sédiments et/ou les débris portés par le flux d'eau entrant et qui peuvent endommager la turbine 2. Une grille de protection 1 5 peut être utilisée à cet effet, dont la taille de sa maille ainsi que son positionnement sont adaptés pour entraîner le moins de perte de vitesse du flux d'eau entrant.
[0056] L'hydrolienne 1 peut être ancrée au terrain 21 en fond d'une rivière par une série de pieux 18 et par des câbles de de fixation ou tension 17. Une extrémité des câbles 17 de fixation est fixée à un élément ancré au terrain 21 , élément qui peut être par exemple un pieu, une ancre ou une plateforme dédiée, et qui est placé à mont ou en aval de l'hydrolienne 1 . L'autre extrémité peut être connectée soit directement au carénage 3, soit à une tige 16 de support solidaire au carénage 3 ou au moyeu 14. Un flux d'eau peut ainsi passer par-dessous et par-dessus l'hydrolienne, constituant ainsi aussi un passage pour les poissons. [0057] Pour permettre un ancrage efficace quelle que soit la nature du terrain 21 en fond de rivière, ces pieux 18 sont avantageusement équipés d'une pointe d'ancrage 20 qui s'enfonce dans le terrain et d'une assiette 21 permettant de répartir la pression d'ancrage. L'ancrage peut être ainsi complété par le réglage de la tension de câbles 17. [0058] Le positionnement en hauteur de l'hydrolienne 1 par rapport au terrain en fond de la rivière a le but de pouvoir jouir d'une puissance maximale de l'hydrolienne 1 . La hauteur idéale étant fonction de la surface libre de la rivière et du débit de la rivière, l'usage de pieux 18 réglable en hauteur et des câbles 17 de tension facilite le positionnement de
l'hydrolienne 1 dans le flux d'eau de la rivière. [0059] Un positionnement définitif peut être réalise lors de l'installation de l'hydrolienne 1 dans des rivières avec un débit peu variable, alors qu'un positionnement variable peut être obtenu en équipant l'hydrolienne 1 d'un dispositif d'ajustement automatique. [0060] Comme mentionné, la structure externe du carénage 3 peut prendre une forme de parallélépipède afin de permettre un montage modulaire efficace de plusieurs hydroliennes 1 standard, comme illustré sur les figures 2 et 3. Un système comportant plusieurs hydroliennes 1 peut se réaliser par un empilage de plusieurs hydroliennes 1 en fixant les carénages 3 l'un à côté de l'autre. Ce type de disposition d'une pluralité
d'hydroliennes 1 , en hauteur ainsi qu'en travers par rapport au flux d'eau d'une rivière, forme un obstacle efficace aux flux d'eau de la rivière. La chute qui en découle permet d'augmenter la puissance unitaire par rapport à une hydrolienne solitaire. [0061] L'installation, l'ancrage, le positionnement ainsi que la protection d'un système comportant une pluralité d' hydroliennes 1 peuvent utiliser des dispositifs de protection et d'ancrage susmentionnés.
Avantageusement, ce système permet des synergies entre les diverses hydroliennes 1 . Le placement d'une grille de protection 1 5. par exemple, peut exploiter des tiges 16 de renfort fixées à certains carénages 3 et/ou à certains moyeux 14 de ces hydroliennes 1 . De manière similaire, les pieux 18 du dispositif d'ancrage peuvent retenir les hydroliennes 1 placées dans la ligne inférieure alors que les câbles 17 de fixation peuvent retenir les hydroliennes 1 placées dans des lignes supérieures.
Numéros de référence employés sur les figures hydrolienne
turbine
carénage
séparateur de flux d'eau
première roue de turbine
aubage de turbine
deuxième roue de turbine
aubage de pompage
premier flux d'eau
deuxième flux d'eau
diffuseur de la turbine
convergeant de flux d'eau
distributeur de flux d'eau
moyeu
grille de protection
tige de renfort
câble de fixation
pieu d'ancrage
assiette d'ancrage
pointe d'ancrage
terrain en fond d'une rivière
génératrice
Parties du séparateur de flux d'eau

Claims

Revendications
1 . Hydrolienne de rivière (1 ) comprenant :
un carénage (3) ;
une génératrice (22) entraînée par une première roue de turbine (5) afin de générer un courant électrique lorsqu'un premier flux d'eau (9) met la première roue de turbine en rotation ;
un passage pour un deuxième flux d'eau (10) traversant ledit carénage (3) sans traverser la première roue de turbine, et agencé pour provoquer une accélération de l'eau à travers la première roue de turbine ; caractérisé par
une deuxième roue de turbine (7) agencée pour exercer une action de pompage sur le deuxième flux d'eau (10).
2. Hydrolienne de rivière selon la revendication 1 , comportant un séparateur de flux d'eau (4,40,41,42) de façon à séparer le flux d'eau entrant en un premier flux d'eau (9) et en un deuxième flux d'eau (10).
3. Hydrolienne de rivière selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle la génératrice (22) est connectée magnétiquement à la première roue de turbine.
4. Hydrolienne de rivière selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle la première roue de turbine (5) comprend au moins un aubage de turbine (6) et dans lequel la deuxième roue de turbine (7) comprenant au moins un aubage de pompage (8).
5. Hydrolienne de rivière selon l'une des revendications 1 à 4, la première roue de turbine (5) et la deuxième roue de turbine (7) étant coaxiales et montées l'une à l'intérieure de l'autre.
6. Hydrolienne de rivière selon l'une des revendications 1 à 5, la première roue de turbine (5) entraînant mécaniquement ou
magnétiquement la deuxième roue de turbine (7).
7. Hydrolienne de rivière selon la revendication 6, comprenant en outre une démultiplication apte à faire tourner les aubages de pompage à une vitesse différente de celle des aubages de turbine.
8. Hydrolienne de rivière selon l'une des revendications 2 à 7, dans laquelle une première partie (40) dudit séparateur est positionnée à l'entrée du carénage, une deuxième partie (41 ) dudit séparateur est positionnée entre la première roue de turbine (5) et la deuxième roue de turbine (7).
9. Hydrolienne de rivière selon l'une des revendications 2 à 8, comprenant un diffuseur de turbine (1 1 ), et dans laquelle une partie dudit séparateur est positionnée dans le diffuseur (1 1 ) de turbine.
10. Hydrolienne de rivière selon l'une des revendications 1 à 9, dans laquelle ledit carénage (3) comprend en outre un convergeant de fl d'eau (12) apte à augmenter la vitesse d'écoulement d'eau du premier et/ou du deuxième flux d'eau.
1 1 . Hydrolienne de rivière selon l'une des revendications 1 à 10, comprenant en outre au moins un distributeur de flux d'eau (13) apte à diriger le flux d'eau du premier flux d'eau (9) et/ou du deuxième flux d'eau (10) de manière à réduire la formation de tourbillon en sortie de la turbine (2).
12. Hydrolienne de rivière selon la revendication 1 1 , dans laquelle le dit au moins un distributeur de flux d'eau (13) est apte à imposer séparément une direction fixe audit premier flux d'eau (9) et/ou audit deuxième flux d'eau (10).
13. Hydrolienne de rivière selon la revendication 1 1 , dans laquelle le dit au moins un distributeur de flux d'eau (13) est apte à imposer une direction variable audit premier flux d'eau (9) et/ou audit deuxième flux d'eau (10).
14. Hydrolienne de rivière selon l'une des revendications 1 1 à 13, ledit distributeur de flux d'eau étant réglable en orientation.
1 5. Hydrolienne de rivière selon l'une des revendications 1 à 14, comprenant en outre un dispositif d'ancrage comprenant une pluralité de câbles (17) de tension réglables ainsi qu'une pluralité de pieux (18) réglables en hauteur, chaque pieu comprenant une pointe d'ancrage (20) et une assiette (19) de répartition de la pression exercée sur un fond (21 ) d'une rivière.
16. Hydrolienne de rivière selon la revendication 1 5, ledit dispositif d'ancrage comprenant un dispositif de contrôle automatique du
positionnement vertical de ladite turbine (2) par rapport audit fond (21 ).
17. Hydrolienne de rivière selon l'une des revendications 1 à 16, comprenant en outre un moyeu (14) ayant fonction de support audit au moins un distributeur (13) de flux d'eau, à la première roue de turbine, à la deuxième roue de turbine, à un dispositif de protection (1 5) et/ou au dispositif d'ancrage.
18. Hydrolienne de rivière selon la revendication 17, ladite génératrice (22) étant logée dans le moyeu (14).
19. Hydrolienne de rivière selon l'une des revendications 1 à 17, ladite génératrice (22) étant logée dans le carénage (3).
20. Hydrolienne de rivière selon l'une des revendications 1 à 19, ledit carénage (3) ayant une forme extérieure de parallélépipède
permettant un empilement modulaire de plusieurs hydroliennes sans passages d'eau entre hydroliennes.
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