EP3058216A1 - Centrale hydroélectrique flottante compacte - Google Patents

Centrale hydroélectrique flottante compacte

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Publication number
EP3058216A1
EP3058216A1 EP14802092.8A EP14802092A EP3058216A1 EP 3058216 A1 EP3058216 A1 EP 3058216A1 EP 14802092 A EP14802092 A EP 14802092A EP 3058216 A1 EP3058216 A1 EP 3058216A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
floating
floating hydroelectric
plant according
floats
blade
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14802092.8A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Luc Achard
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.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP3058216A1 publication Critical patent/EP3058216A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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"
    • F03B17/062—Other machines or engines using liquid flow with predominantly kinetic energy conversion, e.g. of swinging-flap type, "run-of-river", "ultra-low head" with rotation axis substantially at right angle to flow direction
    • F03B17/063—Other machines or engines using liquid flow with predominantly kinetic energy conversion, e.g. of swinging-flap type, "run-of-river", "ultra-low head" with rotation axis substantially at right angle to flow direction the flow engaging parts having no movement relative to the rotor during its rotation
    • 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
    • F05B2220/00—Application
    • F05B2220/70—Application in combination with
    • F05B2220/706—Application in combination with an electrical generator
    • F05B2220/7064—Application in combination with an electrical generator of the alternating current (A.C.) type
    • F05B2220/70642—Application in combination with an electrical generator of the alternating current (A.C.) type of the synchronous type
    • 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
    • F05B2240/133—Stators to collect or cause flow towards or away from turbines with a convergent-divergent guiding structure, e.g. a Venturi conduit
    • 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
    • F05B2240/93—Mounting on supporting structures or systems on a structure floating on a liquid surface
    • 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
    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Definitions

  • the invention concerns a central hydro electric ⁇ .
  • Mini hydro plants are facilities that provide less than 2 MW of electrical power. This power is generally used to power isolated sites (some houses, a craftsman's workshop, a barn ...) or to produce electricity, sold on a smaller scale.
  • Such hydroelectric power plants are usually run-of-the-river reactors, also called run-of-river plants, requiring little civil engineering work and producing electricity that varies with the flow of the watercourse. They have the advantage of reducing the cost of manufacture and installation compared to a hydroelectric plant associated with a dam, and do not disturb the life of the watercourse. In particular, the integrity of fish populations is maintained, the downstream movement of migratory fish is possible and the hydro-biological continuity of the watercourse is preserved.
  • Floating hydropower plants which also perform mechanical conversion beyond water, reinforce the advantages of run-of-the-river plants in terms of manufacturing cost and respect for the environment.
  • Floating power plants have the additional advantage of quick installation and dismantling, which can be done by unskilled labor near the site of operation.
  • Their anchorage may, in addition, be similar to that used in shipping.
  • Floating hydroelectric plants with floating paddle wheels have been proposed.
  • the wheels can be arranged in pairs on both sides of a structure that corresponds to the hull of a ship carrying a system adapted to perform the mechanical-electrical conversion out of the water as described for example in the application US patent application 2010/0123316.
  • the wheels can be flanked on each side and symmetrically with respect to the mechano-electric conversion system by one or more pairs of floats as described, for example, in the patent application JP213340.
  • each wheel regardless of the floating structure that supports it, comprises an emerging portion whose height is significantly greater than the height of the submerged portion, the axis of rotation being out of the water.
  • the wheels are rather reserved at high water levels compared to their diameter: the immersion height of a wheel does not generally exceed half the available water height.
  • a central hydro ⁇ floating electrical connector comprising an axial turbine, as described in Patent Application WO2006123796 and a Pelton turbine, as described in the patent application FR2559179.
  • These turbines are maintained by floating structures whose dimensions exceed by several times the dimensions of the turbines. These floating structures have, at their upstream end, a drain for capturing a portion of the water flow and channeling the flow on the turbine before discharging it into the watercourse.
  • floating hydraulic power stations comprising vertical turbines of the Darrieus type with straight blades, held by a large surface platform provided with two floats parallel to the current and partially immersed, such as that described in the patent application WO2010006431. .
  • existing floating hydropower plants may be excessively bulky, either in height or width, which is undesirable.
  • a cumbersome emergent part in height can offer a significant wind gain, especially in some open sites, and therefore adversely affect the stability of the plant.
  • a cumbersome emergent portion can cause visual nuisance.
  • a cumbersome part in width, whether emerged or submerged, prevents the juxtaposition of a sufficient number of machines to set up farms on watercourses with a sufficient level of electrical production.
  • a height or width footprint results in a loss of maneuverability, essential quality for installation in difficult to access places. This may be the case for hydroelectric power systems for elec ⁇ tronic into difficult to access, such phones in shelters in the mountains or sensors measurement via rechargeable batteries in remote sites close to a watercourse.
  • An object of an embodiment is to overcome all or part of the disadvantages of the floating hydroelectric plants described above.
  • Another object of an embodiment is to reduce the lateral size of the hydroelectric plant.
  • Another object of an embodiment is to increase the energy taken per unit width of the stream.
  • Another object of an embodiment is to reduce the vertical bulk of the emerging portion of the hydroelectric plant.
  • Another object of an embodiment is that the docking system and the floatation means of the floating hydroelectric plant provide good stability in roll, pitch and yaw of the hydroelectric plant.
  • an embodiment provides a floating hydroelectric plant comprising a buoyancy member and at least one turbomachine, the buoyancy member comprising at least two floats elongate in the direction of the current, each float comprising a submerged portion and a fixed portion fixed to an upper armature, each float having a horizontal section in the form of a wing profile, the floats being symmetrical to one another with respect to a vertical plane and forming a diffuser, the flotation member comprising, in addition a submerged lower plate connecting the lower faces of the two floats, the turbomachine comprising an electromechanical transducer attached to the upper frame and a turbine adapted to drive the electro ⁇ mechanical converter, the turbine comprising drive blades located between the two floats and adapted to drive the turbine in rotation about an axis of rotation, vertical to 20 degrees and being located between the diffuser neck and a plane joining the trailing edges of the floats, each blade including a part immersed my oritairement having a horizontal sectional shape of the airf
  • the electromechanical converter is a direct-drive synchronous machine of disc shape, the synchronous machine comprising a rotor, the ratio between the height of the rotor, measured along said axis of rotation, and the rotor diameter varying from 0 , 1 to 0.2.
  • the electromechanical converter comprises windings and / or magnets attached directly to the connecting member.
  • each float has a horizontal section in the form of a laminar wing profile, the incidence angle of which is less than or equal to 5 ° whose length referred to the neck is greater than 3.5 and whose maximum curvature is placed downstream of the axis ⁇ located near the neck.
  • the plant comprises two twin counter-rotating turbines, located between the floats and separated by a median vertical wall fixed under
  • the lower armature of the floating hydroelectric power station corresponds to a plate in one piece, the trailing edge of said plate lying substantially in the plane containing the trailing edge of each float, the edge of attack lying substantially in the plane containing the leading edge of each float, or extending upstream of this plane.
  • the lower armature of the floating hydroelectric station corresponds to a plate having a vertical section, in a plane parallel to a plane of symmetry of the flotation member, in the form of a zero-lift or upwardly directed wing profile and participating in this member.
  • the lower ends of the blades are interconnected by a first ring.
  • the distance between the upper face of the lower reinforcement and the lower faces of the blades is between one and ten maximum blade thicknesses.
  • each blade is preloaded axially in tension by means of at least one tie rod housed in the blade.
  • each blade comprises at least one rod passing through the plane of flotation to ensure complete immersion of the part of the blade having a wing profile, and said rod advantageously accommodating the preloading tie rod as it passes through the flotation plan.
  • the plant further comprises a bow and, upstream of the turbine, parallel blades between the floats connected to the bow.
  • the center of gravity of the floating hydroelectric power station is positioned vertically from the hull center of the floating hydroelectric power station and below the hull center of the floating hydroelectric power station in the absence of power, by means of ballast floats.
  • the plant comprises a bow upstream of the turbine and comprising at least one mooring line connected to a stud emerging in the axis of the floating hydroelectric station or two mooring lines connected to two studs emerged on either side of the floating hydroelectric power station, the mooring line or lines being fixed at a point on the bow below the center of the hydrodynamic thrust of all components of the floating hydroelectric plant further comprising an additional float placed at the rear of the deck of a single turbine plant or connected to the center wall of a twin turbine plant.
  • the plant comprises at least one mooring line attached to one end at the bottom of the watercourse, and fixed at the opposite end at a point belonging to a plane of symmetry of the lower frame, the floating hydroelectric plant further comprising an additional float located at the rear of the deck of a single turbine plant or connected to the median vertical wall of a twin turbine plant.
  • each blade comprises an end fin at its free lower end oriented towards the axis of rotation.
  • the end of the fin is further connected to the other ends of fins by a ring whose thickness in a horizontal plane does not exceed the maximum thickness of the fin.
  • each fin is extended by an arm ensuring the continuity of the profile of the end of the fins, to an axis hub to which the arm is fixed, the hub being guided in rotation around a shaft secured to the lower frame and the shaft being housed in this lower frame.
  • the central comprises a second immersed ring, connecting the blades at which the stems are fixed on the portion of the blade having a wing profile.
  • the upper part of the float defined from the floating line at rest and on a height which extends to the upper face of the float, is characterized by a profile in a horizontal plane, which is modified with respect to the following wing profile points: (i) the leading edge becomes sharply tapered and then can remain so until the upper face of the float or have only a tapered area of reduced height, even punctual (ii) in its tapered area, this leading edge is shifted downstream and finally (iii) in its tapered zone its thickness is reduced over the entire chord of the profile, the zone of the modified part below the tapered portion becoming more or less immersed during operation from the power station and playing the role of a bow bulb limiting the appearance of the bow wave.
  • the floats are provided with vertical flaps each pivotable about a vertical axis and adapted to be turned (i) towards the inside of the floating hydroelectric station to reduce the master torque of the central unit. floating hydroelectric power, and therefore the drag exerted on the power plant during its movements in a watercourse (ii) towards the inside of the floating hydroelectric power station to increase the suction effect between the floats and consequently the efficiency of the turbomachine.
  • the plant comprises a motor fixed to the upper frame and adapted to propel the floating hydroelectric plant to the surface of the water.
  • the turbomachine is connected to the upper armature by an unlocking / locking system with respect to the upper armature so that a crane can move the turbomachine relative to the upper armature, once floating hydroelectric power station docked for maintenance.
  • Figures 1, 2 and 3 are respectively a front view, a top view and a bottom view of a mode of realization of a floating hydroelectric plant adapted, as regards the dimensions and the position of the floats with respect to the turbomachine, at low power;
  • Figures 4 and 5 are sectional views of two embodiments of the mechano-electric converter of the turbo ⁇ machine of Figure 1;
  • Figure 6 is a perspective view of an embodiment of a blade of the turbine engine of Figure 1;
  • Figure 7 is a perspective view of an embodiment of a float of the hydroelectric plant
  • Figures 8, 9 and 10 are perspective views of other embodiments of a floating hydroelectric plant adapted, with respect to the dimensions and the position of the floats relative to the turbomachine at low power;
  • Figures 11 and 12 are views similar respectively to Figures 1 and 2 of another embodiment of a floating hydroelectric plant
  • FIG. 13 is a sectional, partial and schematic view of another embodiment of a suitable floating hydroelectric plant, with regard to the dimensions and the position of the floats relative to the turbomachine, at medium and high powers. ;
  • Figures 14 and 15 are perspective views of the blades of a floating hydroelectric plant according to two other embodiments.
  • Figure 16 is a partial sectional schematic view of Figure 15 in a vertical plane.
  • Figure 17 is a perspective view of the blades of a floating hydroelectric plant according to another embodiment.
  • the terms “substantially”, “about” and “approximately” mean “within 10%”.
  • the adjectives “lower” and “upper” are used with respect to a reference direction which corresponds to the axis of rotation of the turbine of the hydroelectric plant and which is the vertical direction in the following description. However, the reference direction may be inclined plus or minus 20 degrees from the vertical direction.
  • Figures 1, 2 and 3 are respectively a front view, a top view and a bottom view of an embodiment of a floating hydroelectric plant 5 adapted, with respect to the dimensions and position of the floats by compared to the turbomachine, to provide the low electric power in the range 100 W to 100 kW.
  • the central unit 5 comprises a flotation device 6 and a turbomachine 8.
  • the turbomachine 8 comprises an electromechanical converter 10 driven by a turbine 14.
  • the flotation device 6 comprises two floats 16 disposed on either side of the turbine 14.
  • the turbine 14 comprises N driving blades 18, where N is an integer which varies, for example, from 2 to 7.
  • N is an integer which varies, for example, from 2 to 7.
  • three driving blades 18 are shown in FIGS. 1 and 3.
  • each blade motor 18 is a straight blade, for example vertically oriented.
  • Each blade 18 comprises a lower portion 19 immersed in water and an upper portion 20 emerged.
  • each driving blade 18 is fixed to a connecting member 22 in the form of a disc, preferably horizontal, possibly perforated.
  • the disk 22 is fixed to a drive shaft 24 of axis ⁇ of a mechano-electric conversion system 10.
  • the blades 18 are adapted to drive the disk 22 and the shaft in rotation. 24 around the axis ⁇ when immersed in a moving liquid.
  • the blades 18 are distributed equidistant from the axis of rotation ⁇ .
  • the lower end of each blade 18 is preferably free, ie it is not attached to another mechanical part and is surrounded by liquid.
  • the outside diameter of the turbine 14, that is to say the diameter of the cylinder axis ⁇ containing the blades 18, is between 50 cm and 5 m.
  • each driving blade 18, the connecting member 22, the drive shaft 24 and the electromechanical converter system are situated above the water line 30, shown schematically in the figures by a double line in phantom, and which corresponds to the intersection of the free surface of the water and the external surface of the floats 16 and the blades 18.
  • the connecting member 22 and the drive shaft 24 are only advantageously subjected to aerodynamic drag. If these parts were immersed, they would be subjected to hydrodynamic drag which is clearly superior to aerodynamic drag.
  • the blades 18 are normally immersed below the waterline 30.
  • the height H ] _ of the submerged portion 19 of the blades 18 is less than the height 3 ⁇ 4 of the immersed part of the floats 16. This makes it possible to protect the blades 18 against objects on the bottom of the watercourse and can possibly operate the hydroelectric plant 5 by depositing it directly on the bed of a shallow stream or allowing the plant to land on the bottom in case of low water.
  • the minimum distance between each float 16 and the blades 18 is greater than or equal to the maximum thickness of the blade 18, preferably between 1 and 10 times the maximum thickness of the blade 18.
  • the flotation member 6 further comprises an upper armature 32 emerging, acting as a bridge, comprising a perforated plate which connects the upper face of the two floats 16.
  • the flotation member 6 may further comprise a submerged lower reinforcement 34 which connects the lower faces of the two floats 16.
  • FIG. lower frame 34 by a cross member which connects the lower faces of the floats at the front edges of the floats.
  • the lower frame 34 further comprises at least one cross member, not shown, connecting the middle portions of the lower faces of the floats 16, the two cross members may be integral.
  • the mechanical-electrical conversion system 10 comprises a casing 36 containing the generator, not visible in FIGS. 1 to 3.
  • the casing 36 is fixed to the bridge 32.
  • the casing 36 may have a dome shape.
  • Each float 16 has an elongated shape in the direction of the current.
  • Each float 16 comprises a submerged portion 37 and an emergent portion 38.
  • Each float 16 may correspond to a one-piece element or to distinct elements fixed to each other, and arranged, for example, one above the other .
  • Each float 16 may have a horizontal section in the form of a wing profile, including, for example, a rounded or tapered leading edge and a tapered trailing edge.
  • the relative thickness of the profile is less than or equal to 0.15.
  • the floats 16 are symmetrical to one another with respect to a median vertical plane P.
  • the two floats 16 constitute a vertical axis diffuser which freely directs the plant 5 to the incident current and increases its efficiency by suctioning the flow incident between the floats.
  • the floats 16 help to limit the roll.
  • the axis of rotation ⁇ of the turbine 14 is placed at the neck of the diffuser formed by the floats 16 but may be placed downstream thereof.
  • the bridge 32 is substantially horizontal in the absence of current or, in other words, the attitude of the central unit 5 is zero in the absence of current.
  • This configuration ration can be obtained through a suitable ballast, not shown, within the floats 16 leading to position the center of gravity G and the center of keel Cg of the central 5 on the same vertical line, G being below Cg.
  • the blades 18 are arranged to have a rotation symmetry of order N about the axis ⁇ .
  • the perforated disk 22 also has a rotation symmetry of order N around the axis ⁇ . It comprises an outer annular portion 40 to which are fixed the blades 18, an inner annular portion 42 fixed to the drive shaft 24 and arms 44 connecting the outer annular portion 40 to the inner annular portion 42.
  • each blade 18 to the disk 22 may be advantageously under stress: a tie rod, not shown, housed in the hollow of the blade 18 may be preloaded axially in tension, the blade 18 is then compressed.
  • a tie rod not shown, housed in the hollow of the blade 18 may be preloaded axially in tension, the blade 18 is then compressed.
  • the blades 18 have an arrow which can vary between -45 ° and + 45 °. By way of example, as shown in FIGS. 1 and 3, the arrow may be zero. The mechanical conversion efficiency of the turbine is then maximal. An arrow helps the blade 18 to get rid of debris that could catch on it because of the secondary flow that develops along the blade.
  • FIG. 4 shows an embodiment of the mechano-electric conversion system 10 comprising a generator 50.
  • the generator 50 is, for example, with a vertical axis at 20 °. It is, for example, a synchronous generator with direct drive and radial flow.
  • the generator 50 is, for example, with a vertical axis at 20 °. It is, for example, a synchronous generator with direct drive and radial flow.
  • a cylindrical stator 52 comprising a bottom wall 54 and an upper wall 56 connected at their outer periphery by an outer side wall 58, for example by screws 60.
  • the lower walls 54 and 56 upper correspond to perforated axis discs ⁇ .
  • Wall lateral 58 may be a cylindrical wall of circular section. Windings 62 are arranged on the internal face of the side wall 58.
  • the bottom wall 54 comprises an opening 63 for the passage of the drive shaft 24.
  • the bottom wall 54 is furthermore fixed to the casing 36.
  • a rotor 64 is provided between the lower walls 54 and upper 56.
  • the rotor 64 is integral with the drive shaft 24.
  • the rotor 64 comprises a central portion 66 in the form of a disk of axis ⁇ attached to the shaft of drive 24 and extending at its outer periphery by a cylindrical portion 68 of axis ⁇ circular section.
  • Generator 50 is called discoid because of the structure of the rotor.
  • the power provided by the mechanical-electrical conversion system 10 preferably varies between 100 W and 100 kW, the dimensions of the generator 50 are adapted according to the desired maximum power.
  • Permanent magnets are attached to the outer surface of the cylindrical portion 68.
  • the permanent magnets may be attached to the inner surface of the side wall 58 and the windings may be attached to the outer surface of the the cylindrical portion 68.
  • the windings 62 are arranged vis-à-vis the permanent magnets.
  • the sealing of the generator 50 against the packets of water is obtained by radial lip seals 70 placed on the periphery of the drive shaft 24 between the drive disk 22 and the bottom wall 54.
  • the generator 50 comprises a hub carrier 72 to which is fixed the upper wall 56 of the stator 52, for example by screws 74.
  • the drive shaft 24 is rotatably mounted about the axis ⁇ relative to the carrier. hub 72 via bearings 76.
  • a cover 77 provided at the top of the housing 36, provides access to the generator 50.
  • the use of a discoidal generator reduces the height of the mechano-electric conversion system 10, the height of the rotor 64, measured along the axis ⁇ , relative to its diameter is preferably maintained between 0.1 and 0.2.
  • the embodiment described with reference to FIG. 4 has the advantage of ensuring a high degree of tightness with reduced friction, because of the small diameter of the seals 70. This is favorable for starting the plant 5 with an incident current at low speed, for example from 1 m / s.
  • FIG. 5 shows another embodiment of the electro-mechanical conversion system 10.
  • the drive disk 22 serves as a rotor 64 and the cylindrical portion 68 is fixed directly to the upper face of the disk. 22.
  • the lower wall 54 of the stator 52 is then not present.
  • the tightness of the generator 50 against the water packets is obtained by V-ring type axial joints 78 placed between the outer side wall 58 of the stator 52 and the upper face of the drive disc 22.
  • the number of parts and the overall weight of the turbomachine of the embodiment described with reference to FIG. 5 are advantageously reduced compared to the embodiment shown in FIG. 4.
  • the transmissible mechanical power can then be higher.
  • This solution is suitable for floating hydropower plants equipped with large diameter turbines, for example greater than one meter.
  • the drive disk 22 for these large-diameter turbines can be subjected to deformations that affect the proper functioning of the generator.
  • radial ribs can be arranged on the upper face of the drive disc 22 inside the cylindrical portion 68 and outside the axial seals 78.
  • the generator 50 is a synchronous machine with direct drive and radial flow
  • the generator 50 can be an electric machine axial flow.
  • the generator 50 may be a double-gap electric machine.
  • FIG. 6 represents, partially and schematically, an embodiment of a major part of the immersed height 19 of blade 18.
  • the blade 18 has a section, in a plane perpendicular to the axis of rotation ⁇ , having the shape of a wing profile 80 characterized by a rounded leading edge 82 and a tapered trailing edge 84.
  • the blade 18 is subjected to a lift force, which is at the origin of the movement of the blade 18, and to a drag force, called regular drag force, which opposes the movement of the blade. pale 18.
  • Blade tip drag strength and wave drag strength add to the regular drag force.
  • the blade tip drag force is exerted at the lower free end of the blade 18.
  • the wave drag force is exerted at the water line, at the boundary between the submerged and emerged parts of the blade. pale 18.
  • an end wing 86 oriented towards the axis of rotation ⁇ , can be attached to the end of each driving blade 18.
  • the end fin 86 may have a section, in a plane parallel to the axis of rotation ⁇ , having the shape of a wing profile 88.
  • the wing profile of the blade is modified in the vicinity of the waterline according to an embodiment shown in Figures 14, 15 and 17.
  • FIG. 7 represents an embodiment of the float 16.
  • the float 16 has, over most of the immersed height 37 of the float, a section, in a horizontal plane, having the shape of a wing profile 96. such profiles are characterized by a rounded leading edge 97 and a trailing edge 98 tapered.
  • the float 16 even more if its leading edge is not thin, is subjected to a wave drag and causes a wave of bow, the part of which develops between the two floats 16 has a harmful effect 14.
  • the upper portion 38 of the float 16 defined from the waterline 30 at rest and on a height which extends to the upper face of the float, is characterized by a profile in a horizontal plane, which is modified with respect to the wing profile 96.
  • the modification relates to three characteristics: i) the leading edge becomes rather sharply tapered and then can remain it up to the upper face of the float or have only a tapered area of reduced height, or even punctual (ii) in its tapered area, this edge d attack is advantageously shifted downstream and finally (iii) da ns its tapered area its thickness is reduced over the entire chord of the profile.
  • the zone of the modified portion 38 below the tapered portion becomes more or less submerged during the operation of the plant and acts as a bow bulb whose known function is to limit the appearance of the wave of bow.
  • the example represents a variant in which the modified profile has a tapered leading edge 102 and shifted only to the plane 100 close to the water line 30 at rest (represented schematically by a double line ) and then resumes a wing profile advancing to the upper face of the float. Since the tapered zone 102 of the leading edge is offset downstream relative to the remainder of the float profile, the leading edge of the upper portion 38 has a kind of notch just above the water line 30. Over the entire height, the trailing edge of the modified portion 38 remains tapered, like that of a conventional wing profile. In operation, the nose of the modified portion 38 below the plane 100 becomes more or less immersed and plays the role of a bow bulb whose known function is to limit the appearance of the bow wave.
  • FIG. 8 shows another embodiment of a hydroelectric power station 110.
  • the hydroelectric power station 110 comprises all the elements of the hydroelectric power station 5 shown in FIG. 1 and further comprises an anti-debris system 112.
  • the anti-debris system 112 is placed upstream of the turbine 14. It may consist of a succession of parallel blades 114, shaped "V", for example substantially horizontal, possibly profiled to reduce drag.
  • the blades 114 can be supported on a central bow 116 inclined upstream and on uprights 118 located in the upstream zone of the floats 16.
  • the outer general envelope of these blades 114 is a surface substantially similar to the hull before a flat-bottomed ship.
  • the half angle at the top on the bow 116 formed by these blades 114 is advantageously less than 30 °.
  • These blades 114 block the entry of debris between the floats 16 and also participate in the regulation of the incident current by breaking large turbulent structures.
  • This anti-debris system 112 can be made removable by hinges 120 fixed on the front of the bridge 32.
  • removable plates can be temporarily attached to the blades 114 of the anti-debris system 112 so as to materialize the forward hull of a ship, for example when moving the central 110. This reduces the drag exerted on the central unit 110 when it is moved.
  • FIG. 9 represents another embodiment of a hydroelectric power station 130.
  • the turbine has not been shown in Figure 9, for the sake of relief.
  • the hydroelectric plant 130 comprises all the elements of the hydroelectric power station 110 shown in FIG. 8 and furthermore comprises a docking system 132.
  • the docking system 132 comprises two docking lines. 134, 136 which are connected to two studs 138, 140 on either side of the central unit 130.
  • the mooring lines 134, 136 may consist of cable, chain, rope, etc.
  • the studs 138, 140 may be piles stuck in the bed of the stream or be fixed on the banks or on the walls of the sluices.
  • each stud 138, 140 comprises an emergent portion and one end of each mooring line 134, 136 is fixed to the emerging portion of one of the studs 138, 140.
  • the other end of each mooring line 134, 136 is fixed at the same point C m of the bow 116 of the anti-debris system 112.
  • a single mooring line attached to a single pile and also connected to the point C m can also be used.
  • the mooring line or mooring lines must meet two constraints. First, they must have sufficient tensile strength F m to balance at any time the resultant F // hydrodynamic forces of drag parallel to the direction of the current, so as to keep the machine in place.
  • the resultant F // is the sum of the trajectories of all types (regular, wave) related to the extraction of energy by the turbine which is exerted on all the components of the hydroelectric power station.
  • the resultant F // is exerted at an application point Cp, called the hydrodynamic thrust center, situated at the intersection of a vertical plane of symmetry of the central unit 130 and of a horizontal plane situated at the level of the part immersed from the central 130, the point Cp moving when the position of the unit 130 deviates from the zero attitude position.
  • the position of the point C m may advantageously be determined so that the equilibrium position of the central unit 130 along its pitch axis is close to the attitude position. nothing.
  • this float is made integral with a single turbine power plant by at least one connecting arm 144 coming from the bridge 32.
  • the float (not shown) at the separating wall 152.
  • the lever arm of the moment of buoyancy on the float 142 can be increased by moving the float 142 away from the plant.
  • the moment associated with the pair (F m , F // ) participates in the righting torque for pitching forward.
  • the moment associated with the buoyancy on the float 142 which increases with its depression, participates in the righting torque for rearward pitching.
  • the mooring lines 134, 136 may be replaced by at least one mooring line comprising an end attached to the bottom of the stream and the opposite end attached to the lower frame 34 of the hydroelectric plant.
  • the mooring line is fixed at a point of the lower frame 34. If 3 ⁇ 4it is t the horizontal component of the tensile strength of the mooring line, the moment associated with the pair (F m t / F // ) participates in the rectification torque for pitching forward, while the additional float 142 which increases with its depression, participates in the rectifying torque for pitching backwards.
  • FIG. 10 represents another embodiment of a hydroelectric power station 150, called a twin-turbine hydroelectric power station.
  • the hydroelectric power station 150 comprises all the elements of the hydroelectric power station 5 shown in FIG. 1 and furthermore comprises an additional turbomachine 8 'fixed to the bridge 32.
  • the turbomachines 8 and 8' may have a similar structure.
  • the turbines 14, 14 ' are juxtaposed symmetrically with respect to the plane of symmetry P of the flotation member 6.
  • the blades 18, 18' of the turbines 14, 14 ' rotate in opposite directions of rotation and are separated by a median vertical wall 152 attached to the bridge 32 which is of limited length in Figure 10, but which can be extended downstream to produce a rectification torque for the yaw.
  • FIGS. 11 and 12 are respectively a front view and a top view of another embodiment of a floating hydroelectric power station 155.
  • the central hydroelectric power station 155 comprises all the elements of the hydroelectric power station 5 shown in FIGS. Figures 1 to 3.
  • the lower frame 34 of the floating hydroelectric plant 155 corresponds to a plate in one piece.
  • the trailing edge of the plate is substantially in the plane containing the trailing edge of each float 16.
  • the leading edge is substantially in the plane containing the leading edge of each float 16, or extends in upstream of this plane, having for example a portion 156 in the form of a half ellipse.
  • the end of each mooring line 134, 136 can be fixed at a new point C m defined on the upstream end of this portion.
  • a not shown variant of this plate 156 corresponds to a plate, having a vertical section, in a plane parallel to a plane of symmetry of the flotation member 6, in the form of a wing profile and participating in this flotation member.
  • the profile of this plate section may further be defined to produce a lift force upwards thus making it possible to increase the flow in a vertical plane impacting the turbine and to increase its efficiency.
  • the distance between the upper face of the lower reinforcement 34 and the lower faces of the blades 18 may be between one and ten maximum blade thicknesses.
  • the floats 16 of the hydroelectric power station 155 extend further upstream of the turbine than the floats 16 of the hydroelectric power station 5.
  • FIG. 13 is a partial schematic cross-sectional view of another embodiment of a floating hydroelectric power station 160, adapted as regards the dimensions and the position of the floats with respect to the turbo-machine, medium and high powers.
  • the turbine 14 is schematically represented by a circle and wherein each float 16 has a laminar profile.
  • the choice of the type of laminar profile in this figure is particularly suitable for this part of the range. Indeed, a moving profile in a fluid has, from the leading edge to the trailing edge, a laminar flow zone followed by a turbulent flow zone. For a laminar profile, the laminarity can extend up to 50 to 70% of the rope.
  • laminar profiles are the 6-digit NACA families, Eppler glider profiles, FX (Wortmann), etc.
  • a laminar profile accelerates the flow very gradually, the distribution of low pressures being more spread out and more regular than on a conventional profile which has a peak of depression near the leading edge.
  • the regularity of these distributions result of several geometric charac ⁇ this profile family teristics: board late attack, retreat downstream of the maximum thickness to 35 to 50% of the rope instead of 30%, investment the area with the minimum radius of curvature as far back as possible, etc.
  • each float 16 as represented in FIG. 13 is of the Wortmann FX3 type.
  • the maximum thickness is 50% of the rope, the maximum curvature is 75%, the maximum thickness is 10.5%. It is placed with a moderate incidence of 5 °. Its relative length to the neck is 4.
  • FIG. 14 represents another embodiment of a part of the turbine 14, in which the emergent part of each blade 18 and at least one immersed part of each blade 18 are formed by at least one rod, two rods 162 being represented. in Figure 14.
  • the rods 162 thus cut the waterplane and the portion of the blade having a wing profile has its upper face at least one rope away from this plane.
  • the rods 162 can be immersed halfway into the water. The drag forces on the blades 18 at the level of the floating plane are advantageously reduced.
  • Tie rods can be housed in rods 162 so as to tension the blade 18.
  • the connection between the rods 162 and the connecting member 22 may be reinforced by gussets 163.
  • Figure 15 shows another embodiment of a portion of the turbine 14 in which the lower surfaces of the blades 18 are connected to a lower ring 164 which has two roles. It advantageously allows to smooth the bending work that can be important when each blade 18 is facing the flow.
  • the ring 164 advantageously plays the same role as the end fin 86 shown in FIG.
  • the ring 164 can also reserve this second role to the end fin 86 while keeping its first role: the very end of the fin is then connected to the other ends of fins by a minimalist ring whose thickness in a horizontal plane does not exceed the maximum thickness of the fin.
  • each fin is advantageously extended by an arm ensuring the continuity of the profile 88 of the end of the fins, to a hub axis ⁇ to which the arm is fixed, the hub being guided in rotation around a shaft secured to the lower frame and the shaft being housed therein.
  • Figure 16 is a schematic section of the ring 164 and the blade 18 in a vertical plane containing the axis of the turbine 14.
  • the ring 164 can be flattened in a horizontal plane. Its width may be at least twice its height.
  • the ring 164 may be substantially symmetrical on either side of the rope of each blade 18. Alternatively, the inner portion of the ring 164 may be larger.
  • the ring 164 may have a biconvex section outside the zone of connection with the blades, the upper part joining the lower part following two tapered edges forming horizontal circular lines internal and external to the blades 18.
  • the upper portion In the zone of connection with the blades, the upper portion has a concavity facing the disk 22 so as to avoid a slope rupture with the upper and lower surfaces of the blades.
  • FIG. 15 shows another embodiment of a part of the turbine 14 in which the blades 18, at the level where the rods 162 are fixed on the part of the blade having a wing profile, are connected to an upper ring 166.
  • the upper ring 166 may have the same structure as the lower ring 164.
  • the upper ring 166 is completely immersed in operation.
  • the ring 166 plays, in addition, the same role as the end fin 86 shown in FIG.
  • each float 16 with a horizontal section in the form of a wing profile may comprise vertical flaps movable pivotally about a vertical axis and capable of being pointed (i) towards the inside of the floating hydroelectric power plant to reduce the torque of the floating hydroelectric power station, and thus the drag exerted on the power plant during its movements in a watercourse (ii) or out of the floating hydroelectric power station for increase the suction effect between the floats and therefore the efficiency of the turbomachine in operation.
  • the use of flaps amounts to transforming conventional profiles, with null or weak curvature, thin and thin leading edge, profiles close to laminar profiles with all the advantages outlined in the description of Figure 13. By controlling the opening of these flaps, the floats with such profiles can more s to adapt to the incident speed.
  • an engine is fixed downstream of the bridge 32, the engine being permanently or removably, and for propelling the hydroelectric plant 10 to the surface of the water.
  • this motor can be used to bring the hydroelectric plant to the desired position during its installation.
  • the casing 36 can be fixed to the bridge 32 by an unlocking / locking system enabling a crane to lift or set up the turbomachine, once the central docked at the dock for maintenance.
  • the hydroelectric plant 10 may further comprise at least one photovoltaic panel fixed on the upper face of the housing 36.

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Abstract

L'invention concerne une centrale hydroélectrique flottante (5) comprenant un organe de flottaison (6) et au moins une turbomachine (8), l'organe de flottaison comprenant au moins deux flotteurs (16) comprenant une portion immergée (37) et une portion émergée (38) fixée à une armature supérieure (32), chaque flotteur (16) ayant une section horizontale en forme de profil d'aile (96), la turbomachine comprenant un convertisseur électromécanique (10) fixé à l'armature supérieure et une turbine (14) adaptée à entraîner le convertisseur électromécanique, la turbine comprenant des pales (18) motrices situées entre les deux flotteurs et adaptées à entraîner la turbine en rotation, chaque pale comprenant une partie immergée (19) ayant une section horizontale en forme de profil d'aile et une partie émergée (20) fixée à un organe de liaison (22) émergé, de préférence un disque ajouré, relié au convertisseur électromécanique

Description

CENTRALE HYDROELECTRIQUE FLOTTANTE COMPACTE
La présente demande de brevet revendique la priorité de la demande de brevet français FR13/60103 qui sera considérée comme faisant partie intégrante de la présente description.
Domaine
La présente demande concerne une centrale hydro¬ électrique .
Exposé de l'art antérieur
Les mini-centrales hydroélectriques correspondent à des installations qui fournissent une puissance électrique inférieure à 2 MW. Cette puissance est utilisée généralement pour alimenter des sites isolés (quelques habitations, un atelier d'artisan, une grange...) ou pour produire de l'électricité, vendue à plus petite échelle. De telles centrales hydroélectriques sont ma oritairement des centrales réalisées au fil de l'eau, appelées également centrales au fil de l'eau, demandant peu de travaux de génie civil et produisant une électricité qui varie avec le débit du cours d'eau. Elles présentent l'avantage d'entraîner un coût de fabrication et d'installation réduit par rapport à une centrale hydroélectrique associée à un barrage, et ne perturbent pas la vie propre du cours d'eau. En particulier, l'intégrité des populations piscicoles est maintenue, la dévalaison des poissons migrateurs est possible et la continuité hydro-biologique du cours d'eau est préservée. Ces centrales hydroélectriques peuvent être placées en bas d'une chute d'eau, exploitant ainsi l'énergie potentielle de l'eau, ou dans le lit d'une rivière, voire d'un ruisseau, exploitant ainsi l'énergie cinétique de l'eau. Dans le premier cas, un minimum de fondations et de terrassement est toutefois nécessaire (notamment pour former les appuis de l'arbre de la turbine et la conduite d'entrée d'eau) . Dans le second cas, il est envisageable de ne pas réaliser de fondations en optant pour des centrales flottantes.
Les centrales hydroélectrique flottantes, qui réalisent, en outre, hors de l'eau la conversion mécano- électrique, renforcent les avantages des centrales au fil de l'eau en ce qui concerne le coût de fabrication et le respect de l'environnement. Les centrales flottantes ont comme avantage supplémentaire une rapidité d' installation et de démontage, ces opérations pouvant être réalisées par une main d'oeuvre non spécialisée à proximité du lieu d'exploitation. Leur ancrage peut, en outre, être similaire à celui utilisé en batellerie.
II a été proposé des centrales hydroélectriques flottantes comportant des roues flottantes à aubes. Les roues peuvent être disposées par paires sur les deux côtés d'une structure qui correspond à la coque d'un navire embarquant un système adapté à réaliser la conversion mécano-électrique hors de l'eau tel que cela est décrit par exemple dans la demande de brevet US 2010/0123316. Les roues peuvent être flanquées de chaque côté et symétriquement par rapport au système de conversion mécano-électrique par une ou plusieurs paires de flotteurs comme cela est décrit, par exemple, dans la demande de brevet JP213340. Dans tous les cas, chaque roue, indépendamment de la structure flottante qui la supporte, comprend une partie émergée dont la hauteur est nettement supérieure à la hauteur de la partie immergée, l'axe de rotation étant hors de l'eau. Pour favoriser l'augmentation de leur rendement, on réserve plutôt les roues à des hauteurs d'eau importantes par rapport à leur diamètre : la hauteur d'immersion d'une roue n'excède en général pas la moitié de la hauteur d'eau disponible.
Il a été également été proposé une centrale hydro¬ électrique flottante comportant une turbine axiale, comme cela est décrit dans la demande de brevet WO2006123796 et une turbine Pelton, comme cela est décrit dans la demande de brevet FR2559179. Ces turbines sont maintenues par des structures flottantes dont les dimensions excèdent de plusieurs fois les dimensions des turbines. Ces structures flottantes comportent, à leur extrémité amont, un avaloir destiné à capter une partie du flux d'eau et à canaliser ce flux sur la turbine avant de le rejeter dans le cours d'eau. Il a, en outre, été proposé des centrales hydrauliques flottantes comportant des turbines verticales de type Darrieus à pales droites, maintenues par une plateforme de surface importante munie de deux flotteurs parallèles au courant et partiellement immergés, comme celle décrite dans la demande de brevet WO2010006431.
Toutefois, pour certaines applications, les centrales hydroélectriques flottantes existantes peuvent avoir un encombrement excessif, que ce soit en hauteur ou en largeur, ce qui n'est pas souhaitable. En effet, une partie émergée encombrante en hauteur peut offrir une prise au vent importante, notamment dans certains sites ouverts, et donc nuire à la stabilité de la centrale. En outre, une partie émergée encombrante peut entraîner des nuisances visuelles. Une partie encombrante en largeur, qu'elle soit émergée ou immergée, empêche la juxtaposition d'un nombre suffisant de machines pour mettre en place des fermes sur les cours d' eau avec un niveau de production électrique suffisant. De plus, un encombrement en hauteur ou en largeur entraîne une perte de maniabilité, qualité indispensable pour une installation dans des lieux difficiles d' accès . Cela peut être le cas notamment pour des centrales hydroélectriques destinées à alimenter des systèmes élec¬ troniques dans des lieux difficiles d'accès, par exemple des téléphones dans les refuges en montagne ou des capteurs de mesure via des batteries rechargeables en sites isolés proches d'un cours d'eau.
Résumé
Un objet d'un mode de réalisation est de pallier tout ou partie des inconvénients des centrales hydroélectriques flottantes décrits précédemment.
Un autre objet d'un mode de réalisation est de réduire l'encombrement latéral de la centrale hydroélectrique.
Un autre objet d'un mode de réalisation est d'aug- menter l'énergie prélevée par unité de largeur du cours d'eau.
Un autre objet d'un mode de réalisation est de réduire l'encombrement vertical de la partie émergée de la centrale hydroélectrique .
Un autre objet d'un mode de réalisation est que le système d'amarrage et les moyens de flottaison de la centrale hydroélectrique flottante assurent une bonne stabilité en roulis, en tangage et en lacet de la centrale hydroélectrique.
Ainsi, un mode de réalisation prévoit une centrale hydroélectrique flottante comprenant un organe de flottaison et au moins une turbomachine, l'organe de flottaison comprenant au moins deux flotteurs allongés selon le sens du courant, chaque flotteur comprenant une portion immergée et une portion émergée fixée à une armature supérieure, chaque flotteur ayant une section horizontale en forme de profil d'aile, les flotteurs étant symétriques l'un de l'autre par rapport à un plan vertical et formant un diffuseur, l'organe de flottaison comprenant, en outre, une armature inférieure immergée reliant les faces inférieures des deux flotteurs, la turbomachine comprenant un convertisseur électromécanique fixé à l'armature supérieure et une turbine adaptée à entraîner le convertisseur électro¬ mécanique, la turbine comprenant des pales motrices situées entre les deux flotteurs et adaptées à entraîner la turbine en rotation autour d'un axe de rotation, vertical à 20 degrés près et étant situé entre le col du diffuseur et un plan joignant les bords de fuite des flotteurs, chaque pale comprenant une partie immergée ayant ma oritairement une section horizontale en forme de profil d'aile et une partie émergée fixée à un organe de liaison émergé, de préférence un disque ajouré, relié au conver¬ tisseur électromécanique, les pales ayant leur extrémité inférieure libre ou reliée entre elles par un anneau, ou encore reliés par des bras profilés à un moyeu tournant autour d'un arbre fixé à une armature inférieure, la distance minimale entre chaque pale et les flotteurs étant comprise entre une et dix épaisseurs maximales de pale.
Selon un mode de réalisation, le convertisseur électromécanique est une machine synchrone à entraînement direct de forme discoïde, la machine synchrone comprenant un rotor, le rapport entre la hauteur du rotor, mesurée selon ledit axe de rotation, et le diamètre du rotor variant de 0,1 à 0,2.
Selon un mode de réalisation, le convertisseur électromécanique comprend des enroulements et/ou des aimants fixés directement à l'organe de liaison.
Selon un mode de réalisation, chaque flotteur a une section horizontale en forme de profil d'aile laminaire, dont l'angle d'incidence est inférieur ou égal à 5° dont la longueur rapportée au col est supérieure à 3,5 et dont le maximum de courbure est placé en aval de l'axe Δ situé au voisinage du col.
Selon un mode de réalisation, la centrale comprend deux turbines contrarotatives jumelles, situées entre les flotteurs et séparées par une paroi verticale médiane fixée sous
1 ' armature supérieure .
Selon un mode de réalisation, l'armature inférieure de la centrale hydroélectrique flottante correspond à une plaque d'un seul tenant, le bord de fuite de ladite plaque se situant sensiblement dans le plan contenant le bord de fuite de chaque flotteur, le bord d'attaque se situant sensiblement dans le plan contenant le bord d'attaque de chaque flotteur, ou s' étendant en amont de ce plan.
Selon un mode de réalisation, l'armature inférieure de la centrale hydroélectrique flottante correspond à une plaque ayant une section verticale, dans un plan parallèle à un plan de symétrie de l'organe de flottaison, en forme de profil d'aile à portance nulle ou dirigée vers le haut et participant à cet organe .
Selon un mode de réalisation, les extrémités inférieures des pales sont reliées entre elles par un premier anneau.
Selon un mode de réalisation, la distance entre la face supérieure de l'armature inférieure et les faces infé- rieures des pales est comprise entre une et dix épaisseurs maximales de pale.
Selon un mode de réalisation, chaque pale est préchargée axialement en tension au moyen au moins d'un tirant logé dans la pale.
Selon un mode de réalisation, chaque pale comprend au moins une tige traversant le plan de flottaison pour assurer une immersion complète de la partie de la pale possédant un profil d'aile, et ladite tige logeant avantageusement le tirant de précontrainte lors de sa traversée du plan de flottaison.
Selon un mode de réalisation, la centrale comprend en outre une étrave et, en amont de la turbine, des lames parallèles entre les flotteurs se raccordant sur l' étrave.
Selon un mode de réalisation, le centre de gravité de la centrale hydroélectrique flottante est positionné à la verticale du centre de carène de la centrale hydroélectrique flottante et en dessous du centre de carène de la centrale hydroélectrique flottante en l'absence de courant, au moyen d'un ballastage des flotteurs.
Selon un mode de réalisation, la centrale comprend une étrave à l'amont de la turbine et comprenant au moins une ligne d'amarrage reliée à un plot émergé dans l'axe de la centrale hydroélectrique flottante ou deux lignes d'amarrage reliées à deux plots émergés de part et d' autre de la centrale hydroélectrique flottante, la ou les lignes d'amarrage étant fixées en un point de l' étrave situé en dessous du centre de poussée hydrodynamique de tous les composants de la centrale hydroélectrique flottante comprenant, en outre, un flotteur supplémentaire placé à l'arrière du pont d'une centrale à turbine unique ou relié à la paroi médiane d'une centrale à turbines jumelles.
Selon un mode de réalisation, la centrale comprend au moins une ligne d'amarrage fixée à une extrémité au fond du cours d'eau, et fixée à l'extrémité opposée en un point appartenant à un plan de symétrie de l'armature inférieure, la centrale hydroélectrique flottante comprenant, en outre, un flotteur supplémentaire placé à l'arrière du pont d'une centrale à turbine unique ou relié à la paroi verticale médiane d'une centrale à turbines jumelles.
Selon un mode de réalisation, chaque pale comprend une ailette d'extrémité à son extrémité inférieure libre orientée vers l'axe de rotation.
Selon un mode de réalisation, l'extrémité de l'ailette est de plus reliée aux autres extrémités d'ailettes par un anneau dont l'épaisseur dans un plan horizontal n'excède pas l'épaisseur maximale de l'ailette.
Selon un mode de réalisation, l'extrémité de chaque ailette est prolongée par un bras assurant la continuité du profil de l'extrémité des ailettes, jusqu'à un moyeu d'axe auquel le bras est fixé, le moyeu étant guidé en rotation autour d'un arbre solidaire de l'armature inférieure et l'arbre étant logé dans cette armature inférieure.
Selon un mode de réalisation, la centrale comprend un deuxième anneau immergé, reliant les pales au niveau ou sont fixées les tiges sur la partie de la pale possédant un profil d'aile.
Selon un mode de réalisation, la partie supérieure du flotteur, définie à partir de la ligne de flottaison au repos et sur une hauteur qui s'étend jusqu'à la face supérieure du flotteur, est caractérisé par un profil dans un plan horizontal, qui est modifié par rapport au profil d'aile suivant trois points : (i) le bord d'attaque devient brusquement effilé et ensuite peut le rester jusqu'à la face supérieure du flotteur ou n'avoir qu'une zone effilée de hauteur réduite, voire ponctuelle (ii) dans sa zone effilée, ce bord d'attaque est décalé vers l'aval et enfin (iii) dans sa zone effilée son épaisseur est réduite sur toute la corde du profil, la zone de la partie modifiée en dessous de la partie effilée devenant plus ou moins immergé lors du fonctionnement de la centrale et jouant le rôle d'un bulbe d' étrave limitant l'apparition de la vague d'étrave.
Selon un mode de réalisation, les flotteurs sont munis de volets verticaux mobiles chacun en pivotement autour d'un axe vertical et adaptés à être braqués (i) soit vers l'intérieur de la centrale hydroélectrique flottante pour réduire le maître- couple de la centrale hydroélectrique flottante, et donc la traînée s' exerçant sur la centrale lors de ses déplacements dans un cours d'eau (ii) soit vers l'intérieur de la centrale hydroélectrique flottante pour accroître l'effet d'aspiration entre les flotteurs et par conséquent le rendement de la turbomachine .
Selon un mode de réalisation, la centrale comprend un moteur fixé à l'armature supérieure et adapté à propulser la centrale hydroélectrique flottante à la surface de l'eau.
Selon un mode de réalisation, la turbomachine est reliée à l'armature supérieure par un système de déblocage/blocage vis à vis de l'armature supérieure de sorte qu'une grue puisse déplacer la turbomachine par rapport à l'armature supérieure, une fois la centrale hydroélectrique flottante arrimée à quai pour une opération de maintenance.
Brève description des dessins
Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
les figures 1, 2 et 3 sont respectivement une vue de face, une vue de dessus et une vue de dessous d'un mode de réalisation d'une centrale hydroélectrique flottante adaptée, en ce qui concerne les dimensions et la position des flotteurs par rapport à la turbomachine, aux faibles puissances ;
les figures 4 et 5 sont des coupes de deux modes de réalisation du convertisseur mécano-électrique de la turbo¬ machine de la figure 1 ;
la figure 6 est une vue en perspective d'un mode de réalisation d'une pale de la de la turbomachine de la figure 1 ;
la figure 7 est une vue en perspective d'un mode de réalisation d'un flotteur de la centrale hydroélectrique ;
les figures 8, 9 et 10 sont des vues en perspective d'autres modes de réalisation d'une centrale hydroélectrique flottante adaptée, en ce qui concerne les dimensions et la position des flotteurs par rapport à la turbomachine, aux faibles puissances ;
les figures 11 et 12 sont des vues analogues respectivement aux figures 1 et 2 d'un autre mode de réalisation d'une centrale hydroélectrique flottante ;
la figure 13 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un autre mode de réalisation d'une centrale hydroélectrique flottante adaptée, en ce qui concerne les dimensions et la position des flotteurs par rapport à la turbomachine, aux puissances moyennes et élevées ;
les figures 14 et 15 sont des vues en perspective des pales d'une centrale hydroélectrique flottante selon deux autres modes de réalisation ;
la figure 16 est une vue en coupe, partielle et schématique, de la figure 15 selon un plan vertical ; et
la figure 17 est une vue en perspective des pales d'une centrale hydroélectrique flottante selon un autre mode de réalisation.
Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par des mêmes références aux différentes figures. Description détaillée
Dans la suite de la description, les expressions "sensiblement", "environ" et "approximativement" signifient "à 10 % près". En outre, les adjectifs "inférieur" et "supérieur" sont utilisés par rapport à une direction de référence gui correspond à 1 ' axe de rotation de la turbine de la centrale hydroélectrique et qui est la direction verticale dans la suite de la description. Toutefois, la direction de référence peut être inclinée de plus ou moins 20 degrés par rapport à la direction verticale. De plus, seuls les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention seront décrits et représentés sur les figures.
Les figures 1, 2 et 3 sont respectivement une vue de face, une vue de dessus et une vue de dessous d'un mode de réalisation d'une centrale hydroélectrique flottante 5 adaptée, en ce qui concerne les dimensions et la position des flotteurs par rapport à la turbomachine, à fournir les faibles puissances électrique dans la gamme 100 W à 100 kW.
La centrale 5 comprend un organe de flottaison 6 et une turbomachine 8. La turbomachine 8 comprend un convertisseur électromécanique 10 entraîné par une turbine 14. L'organe de flottaison 6 comprend deux flotteurs 16 disposés de part et d'autre de la turbine 14. La turbine 14 comprend N pales motrices 18, où N est un nombre entier qui varie, par exemple, de 2 à 7. A titre d'exemple, trois pales motrices 18 sont représentées sur les figures 1 et 3. De préférence, chaque pale motrice 18 est une pale droite, par exemple orientée verticalement. Chaque pale 18 comprend une partie inférieure 19 immergée dans l'eau et une partie supérieure 20 émergée.
L'extrémité supérieure de la partie supérieure 20 de chaque pale motrice 18 est fixée à un organe de liaison 22 ayant la forme d'un disque, de préférence horizontal, éventuellement ajouré. Le disque 22 est fixé à un arbre d'entraînement 24 d'axe Δ d'un système de conversion mécano-électrique 10. Les pales 18 sont adaptées en entraîner en rotation le disque 22 et l'arbre 24 autour de l'axe Δ lorsqu'elles sont plongées dans un liquide en mouvement. Les pales 18 sont réparties à équidistance de l'axe de rotation Δ. L'extrémité inférieure de chaque pale 18 est, de préférence, libre, c'est à dire qu'elle n'est pas fixée à une autre pièce mécanique et est entourée de liquide. Le diamètre extérieur de la turbine 14, c'est-à-dire le diamètre du cylindre d'axe Δ contenant les pales 18, est compris entre 50 cm et 5 m.
La partie supérieure 20 de chaque pale motrice 18, l'organe de liaison 22, l'arbre d'entraînement 24 et le système de convertisseur électromécanique sont situés au-dessus de la ligne de flottaison 30, représentée de façon schématique sur les figures par une ligne double en traits mixtes, et qui correspond à l'intersection de la surface libre de l'eau et de la surface externe des flotteurs 16 et des pales 18.
L'organe de liaison 22 et l'arbre d'entraînement 24 sont seulement soumis, de façon avantageuse, à la traînée aérodynamique. Si ces pièces étaient immergées, elles seraient soumises à la traînée hydrodynamique qui est nettement supérieure à la traînée aérodynamique.
Les pales 18 sont ma oritairement immergées en dessous de la ligne de flottaison 30. De préférence, la hauteur H]_ de la partie immergée 19 des pales 18 est inférieure à la hauteur ¾ de la partie immergée des flotteurs 16. Cela permet de protéger les pales 18 contre des objets présents sur le fond du cours d'eau et permet éventuellement de faire fonctionner la centrale hydroélectrique 5 en la déposant directement sur le lit d'un cours d' eau peu profond ou en autorisant la centrale à se poser sur le fond en cas de basses eaux.
La distance minimale entre chaque flotteur 16 et les pales 18 est supérieure ou égale à l'épaisseur maximale de la pale 18, de préférence comprise entre 1 et 10 fois l'épaisseur maximale de la pale 18.
L'organe de flottaison 6 comprend, en outre, une armature supérieure 32 émergée, jouant le rôle de pont, comprenant une plaque ajourée qui relie la face supérieure des deux flotteurs 16. L'organe de flottaison 6 peut comprendre, en outre, une armature inférieure 34 immergée qui relie les faces inférieures des deux flotteurs 16. En figure 3, on a représenté l'armature inférieure 34 par une traverse qui relie les faces inférieures des flotteurs au niveau des bords avant des flotteurs. L'armature inférieure 34 comprend, en outre, au moins une traverse, non représentée, reliant les parties médianes des faces inférieures des flotteurs 16, les deux traverses pouvant être d'un seul tenant.
Le système de conversion mécano-électrique 10 comprend un carter 36 contenant la génératrice, non visible sur les figures 1 à 3. Le carter 36 est fixé au pont 32. Le carter 36 peut avoir une forme de dôme.
Chaque flotteur 16 a une forme allongée selon le sens du courant. Chaque flotteur 16 comprend une portion immergée 37 et une portion émergée 38. Chaque flotteur 16 peut correspondre à un élément monobloc ou à des éléments distincts fixés les uns aux autres, et disposés, par exemple, l'un au-dessus de l'autre. Chaque flotteur 16 peut avoir une section horizontale en forme de profil d'aile, comprenant, par exemple, un bord d'attaque arrondi ou effilé et un bord de fuite effilé. De préférence, l'épaisseur relative du profil est inférieure ou égale à 0,15.
Les flotteurs 16 sont symétriques l'un de l'autre par rapport à un plan vertical médian P. Les deux flotteurs 16 constituent un diffuseur d'axe vertical qui oriente librement la centrale 5 face au courant incident et augmente son rendement par aspiration du flux incident entre les flotteurs. En outre, les flotteurs 16 contribuent à limiter le roulis. Selon un mode de réalisation, l'axe de rotation Δ de la turbine 14 est placé au col du diffuseur formé par les flotteurs 16 mais peut être placé en aval de celui-ci.
De préférence, le pont 32 est sensiblement horizontal en l'absence de courant ou, autrement dit, l'assiette de la centrale 5 est nulle en l'absence de courant. Cette configu- ration peut être obtenue grâce à un ballastage approprié, non représenté, au sein des flotteurs 16 conduisant à positionner le centre de gravité G et le centre de carène Cg de la centrale 5 sur la même droite verticale, G étant en dessous de Cg.
De préférence, les pales 18 sont disposées de façon à présenter une symétrie de rotation d'ordre N autour de l'axe Δ. Dans le présent mode de réalisation, le disque ajouré 22 a également une symétrie de rotation d'ordre N autour de l'axe Δ. Il comprend une portion annulaire externe 40 à laquelle sont fixées les pales 18, une portion annulaire interne 42 fixée à l'arbre d'entraînement 24 et des bras 44 reliant la portion annulaire externe 40 à la portion annulaire interne 42.
Selon un mode de réalisation, la fixation de chaque pale 18 sur le disque 22 peut se faire avantageusement sous contrainte : un tirant, non représenté, logé au creux de la pale 18 peut être préchargé axialement en tension, la pale 18 étant alors compressée. Un tel montage rigide permet de mieux résister aux sollicitations extérieures, notamment de flexion.
Les pales 18 ont une flèche qui peut varier entre -45° et +45°. A titre d'exemple, comme cela est représenté sur les figures 1 et 3, la flèche peut être nulle. Le rendement de conversion mécanique de la turbine est alors maximal. Une flèche aide la pale 18 à se débarrasser des débris qui pourraient s'y accrocher à cause de l'écoulement secondaire qui se développe le long de la pale.
La figure 4 représente un mode de réalisation du système de conversion mécano-électrique 10 comprenant une génératrice 50. La génératrice 50 est, par exemple, à axe vertical à 20° près. Il s'agit, par exemple, d'une génératrice synchrone à entraînement direct et à flux radial. La génératrice
50 comprend un stator cylindrique 52 comportant une paroi inférieure 54 et une paroi supérieure 56 reliées à leur périphérie externe par une paroi latérale externe 58, par exemple par des vis 60. Les parois inférieure 54 et supérieure 56 correspondent à des disques ajourés d'axe Δ. La paroi latérale 58 peut être une paroi cylindrique de section circulaire. Des enroulements 62 sont disposés sur la face interne de la paroi latérale 58. La paroi inférieure 54 comprend une ouverture 63 pour le passage de l'arbre d'entraînement 24. La paroi inférieure 54 est, en outre, fixée au carter 36.
Un rotor 64 est prévu entre les parois inférieure 54 et supérieure 56. Le rotor 64 est solidaire de l'arbre d'entraînement 24. Le rotor 64 comprend une portion centrale 66 en forme de disque d'axe Δ fixée à l'arbre d'entraînement 24 et se prolongeant à sa périphérie extérieure par une portion cylindrique 68 d'axe Δ à section circulaire. La génératrice 50 est dite discoïde en raison de la structure du rotor.
La puissance fournie par le système de conversion mécano-électrique 10 variant de préférence entre 100 W et 100 kW, les dimensions de la génératrice 50 sont adaptées en fonction de la puissance maximale souhaitée. Des aimants permanents, non représentés, sont fixés à la surface extérieure de la portion cylindrique 68. A titre de variante, les aimants permanents peuvent être fixés à la surface interne de la paroi latérale 58 et les enroulements peuvent être fixés à la surface extérieure de la portion cylindrique 68. Les enroulements 62 sont disposés en vis-à-vis des aimants permanents. L' étanchéité de la génératrice 50 contre les paquets d' eau est obtenue par des joints à lèvres radiaux 70 placés sur le pourtour de l'arbre moteur 24 entre le disque d'entraînement 22 et la paroi inférieure 54.
La génératrice 50 comprend un porte-moyeu 72 auquel est fixée la paroi supérieure 56 du stator 52, par exemple par des vis 74. L'arbre d'entraînement 24 est monté libre en rotation autour de l'axe Δ par rapport au porte-moyeu 72 par l'intermédiaire de roulements 76. Un couvercle 77, prévu au sommet du carter 36, permet d'accéder à la génératrice 50.
L'utilisation d'une génératrice discoïde permet de réduire la hauteur du système de conversion mécano-électrique 10, la hauteur du rotor 64, mesurée selon l'axe Δ, rapportée à son diamètre étant maintenue de préférence entre 0,1 et 0,2.
Le mode de réalisation décrit en relation avec la figure 4 a l'avantage d'assurer une étanchéité élevée avec des frottements réduits, en raison du petit diamètre des joints 70. Cela est favorable pour le démarrage de la centrale 5 avec un courant incident à faible vitesse, par exemple dès 1 m/s.
La figure 5 représente un autre mode de réalisation du système de conversion mécano-électrique 10. Dans ce mode de réalisation, le disque d'entraînement 22 sert de rotor 64 et la portion cylindrique 68 est fixée directement à la face supérieure du disque d'entraînement 22. La paroi inférieure 54 du stator 52 n'est alors pas présente. L' étanchéité de la génératrice 50 contre les paquets d'eau est obtenue par des joints axiaux 78 de type V-ring placés entre la paroi latérale externe 58 du stator 52 et la face supérieure du disque d'entraînement 22.
Le nombre de pièces et le poids global de la turbomachine du mode de réalisation décrit en relation avec la figure 5 sont avantageusement réduits par rapport au mode de réalisation représenté en figure 4. La puissance mécanique transmissible peut alors être plus élevée. Cette solution est adaptée aux centrales hydroélectriques flottantes munies de turbines de grand diamètre, par exemple supérieur au mètre. Cependant, le disque d'entraînement 22 pour ces turbines de grand diamètre peut être soumis à des déformations nuisant au bon fonctionnement de la génératrice. Pour limiter ces déformations et assurer un raidissement du rotor, des nervures radiales, non représentées, peuvent être aménagées sur la face supérieure du disque d'entraînement 22 à l'intérieur de la portion cylindrique 68 et à l'extérieur des joints axiaux 78.
Même si, dans les modes de réalisation décrits précédemment en relation avec les figures 4 et 5, la génératrice 50 est une machine synchrone à entraînement direct et à flux radial, la génératrice 50 peut être une machine électrique à flux axial. En outre, même si, dans les modes de réalisation décrits précédemment en relation avec les figures 4 et 5, la génératrice 50 est une machine synchrone à simple entrefer, la génératrice 50 peut être une machine électrique à double entrefer.
La figure 6 représente, de façon partielle et schématique, un mode de réalisation d'une majeure partie de la hauteur immergée 19 de pale 18. Sur cette partie 19, la pale 18 possède une section, dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation Δ, ayant la forme d'un profil d'aile 80 caractérisé par un bord d'attaque 82 arrondi et un bord de fuite 84 effilé. Sur cette partie 19, la pale 18 est soumise à une force de portance, qui est à l'origine du mouvement de la pale 18, et à une force de traînée, appelée force de traînée régulière, qui s'oppose au mouvement de la pale 18.
La force de traînée de bout de pale et la force de traînée de vague s'ajoutent à la force de traînée régulière. La force de traînée de bout de pale s'exerce à l'extrémité libre inférieure de la pale 18. La force de traînée de vague s'exerce au niveau de la ligne de flottaison, à la frontière entre les parties immergée et émergée de la pale 18.
Pour réduire la force de traînée de bout de pale, une ailette d'extrémité 86 (en anglais winglets) , orientée vers l'axe de rotation Δ, peut être fixée au bout de chaque pale motrice 18. L'ailette d'extrémité 86 peut avoir une section, dans un plan parallèle à l'axe de rotation Δ, ayant la forme d'un profil d'aile 88. Pour réduire la force de traînée de vague, le profil d'aile de la pale est modifié au voisinage de la ligne de flottaison suivant un mode de réalisation représenté dans les figures 14, 15 et 17.
La figure 7 représente un mode de réalisation du flotteur 16. Le flotteur 16 possède, sur la majeure partie de la hauteur immergée 37 du flotteur, une section, dans un plan horizontal, ayant la forme d'un profil d'aile 96. De tels profils sont caractérisés par un bord d'attaque 97 arrondi et un bord de fuite 98 effilé.
Le flotteur 16, d'autant plus si son bord d'attaque n'est pas fin, est soumis à une traînée de vague et provoque une vague d'étrave, dont la partie qui se développe entre les deux flotteurs 16 exerce un effet nocif sur les performances de la turbine 14. Pour réduire l'intensité de la force de traînée de vague du flotteur 16 et l'ampleur de la vague d'étrave, la partie supérieure 38 du flotteur 16, définie à partir de la ligne de flottaison 30 au repos et sur une hauteur qui s'étend jusqu'à la face supérieure du flotteur, est caractérisée par un profil dans un plan horizontal, qui est modifié par rapport au profil d'aile 96. La modification porte sur trois caractéristiques : (i) le bord d'attaque devient assez brusquement effilé et ensuite peut le rester jusqu'à la face supérieure du flotteur ou n'avoir qu'une zone effilée de hauteur réduite, voire ponctuelle (ii) dans sa zone effilée, ce bord d'attaque est avantageusement décalé vers l'aval et enfin (iii) dans sa zone effilée son épaisseur est réduite sur toute la corde du profil. La zone de la partie modifiée 38 en dessous de la partie effilée devient plus ou moins immergée lors du fonctionnement de la centrale et joue le rôle d'un bulbe d'étrave dont la fonction connue est de limiter l'apparition de la vague d'étrave.
Ces caractéristiques propres à l'étrave d'un bateau peuvent être maintenues jusqu'à la face supérieure du flotteur. En revanche sur la figure 7, l'exemple représente une variante dans laquelle le profil modifié ne possède un bord d'attaque effilé 102 et décalé que sur le plan 100 voisin de la ligne de flottaison 30 au repos (représentée schématiquement par une ligne double) et ensuite reprend un profil d'aile avançant jusqu'à la face supérieure du flotteur. Comme la zone effilée 102 du bord d'attaque est décalée vers l'aval par rapport au reste du profil du flotteur, le bord d'attaque de la partie supérieure 38 présente une sorte d'encoche juste au-dessus de la ligne de flottaison 30. Sur toute la hauteur, le bord de fuite de la partie modifiée 38 reste effilé, comme celui d'un profil d'aile classique. En fonctionnement, le nez de la partie modifiée 38 en dessous du plan 100 devient plus ou moins immergé et joue le rôle d'un bulbe d' étrave dont la fonction connue est de limiter l'apparition de la vague d' étrave.
La figure 8 représente un autre mode de réalisation d'une centrale hydroélectrique 110. La centrale hydroélectrique 110 comprend l'ensemble des éléments de la centrale hydroélectrique 5 représentée en figure 1 et comprend, en outre, un système anti-débris 112.
Le système anti-débris 112 est placé en amont de la turbine 14. Il peut être composé d'une succession de lames parallèles 114, en forme de "V", par exemple sensiblement horizontales, éventuellement profilées pour réduire la traînée. Les lames 114 peuvent s'appuyer sur une étrave centrale 116 inclinée vers l'amont et sur des montants 118 situés dans la zone amont des flotteurs 16. A titre d'exemple, l'enveloppe générale externe de ces lames 114 est une surface sensiblement analogue à la carène avant d'un navire à fond plat. Le demi- angle au sommet sur l' étrave 116 que forment ces lames 114 est avantageusement inférieur à 30°. Ces lames 114 bloquent l'irruption de débris entre les flotteurs 16 et participent également à la régularisation du courant incident en brisant les grosses structures turbulentes. Ce système anti-débris 112 peut être rendu amovible par des charnières 120 fixées sur l'avant du pont 32.
De plus, des plaques amovibles, non représentées, peuvent être fixées temporairement aux lames 114 du système anti-débris 112 de façon à matérialiser la carène avant d'un navire, par exemple lors du déplacement de la centrale 110. Ceci permet de réduire la traînée s' exerçant sur la centrale 110 lorsqu'elle est déplacée.
La figure 9 représente un autre mode de réalisation d'une centrale hydroélectrique 130. La turbine n'a pas été représentée dans la figure 9, par souci d'allégement. La centrale hydroélectrique 130 comprend l'ensemble des éléments de la centrale hydroélectrique 110 représentée en figure 8 et comprend, en outre, un système d'amarrage 132. A titre d'exemple, le système d'amarrage 132 comprend deux lignes d'amarrage 134, 136 qui sont reliées à deux plots 138, 140 de part et d'autre de la centrale 130. Les lignes d'amarrage 134, 136 peuvent être constituées de câble, chaîne, corde, etc. Les plots 138, 140 peuvent être des pieux fichés dans le lit du cours d'eau ou être fixés sur les rives ou encore sur les parois des pertuis. De préférence, chaque plot 138, 140 comprend une portion émergée et une extrémité de chaque ligne d'amarrage 134, 136 est fixée à la portion émergée de l'un des plots 138, 140. L'autre extrémité de chaque ligne d'amarrage 134, 136 est fixée au même point Cm de l'étrave 116 du système anti-débris 112. Une seule ligne d' amarrage fixée à un unique pieu et se raccordant aussi sur le point Cm, peut aussi être utilisée.
La ligne d'amarrage ou les lignes d'amarrage doivent satisfaire deux contraintes. Tout d'abord, elles doivent avoir une résistance en traction suffisante Fm pour équilibrer à tout moment la résultante F// des efforts hydrodynamiques de traînée parallèle à la direction du courant, de façon à maintenir la machine en place. La résultante F// est la somme des traînées de tous types (régulières, de vague) liées à l'extraction d'énergie par la turbine qui s'exerce sur tous les composants de la centrale hydroélectrique. La résultante F// s'exerce en un point d'application Cp, appelé centre de poussée hydrodynamique, situé à l'intersection d'un plan vertical de symétrie de la centrale 130 et d'un plan horizontal situé au niveau de la partie immergée de la centrale 130, le point Cp se déplaçant lorsque la position de la centrale 130 s'écarte de la position d'assiette nulle .
La position du point Cm peut avantageusement être déterminée pour que la position d'équilibre de la centrale 130 suivant son axe de tangage soit proche de la position d'assiette nulle. Pour cela deux mesures peuvent être prises : placer Cm en dessous de Cp et introduire, en aval de la centrale, un flotteur supplémentaire symétrique 142, effilé en largeur et dont le plan de symétrie coïncide avec celui de la centrale 130. Comme cela est représenté sur la figure 9, ce flotteur est rendu solidaire d'une centrale à turbine unique par au moins un bras de liaison 144 issu du pont 32. Pour une centrale à turbines jumelles représentée dans la figure 10, il conviendrait de solidariser de manière analogue le flotteur (non représenté) à la paroi séparatrice 152. De plus, le bras de levier du moment de la poussée d'Archimède sur le flotteur 142 peut être augmenté en éloignant le flotteur 142 de la centrale.
Par la première mesure, le moment associé au couple (Fm, F//) participe au couple de redressement pour le tangage vers l'avant. Par la seconde mesure, le moment associé à la poussée d'Archimède sur le flotteur 142, qui croît avec son enfoncement, participe au couple de redressement pour le tangage vers l'arrière. A cet effet de stabilisation, il faut ajouter le moment de redressement pour les tangages avant et arrière associé au couple (force de gravité, force d'Archimède) par suite de la position du centre de gravité G de la centrale sous et à la verticale du centre de carène Cg de la centrale.
Selon un autre mode de réalisation non représenté, les lignes d'amarrage 134, 136 peuvent être remplacées par au moins une ligne d'amarrage comprenant une extrémité fixée au fond du cours d'eau et l'extrémité opposée fixée à l'armature inférieure 34 de la centrale hydroélectrique. Dans ce cas, la ligne d'amarrage est fixée en un point de l'armature inférieure 34. Si ¾it est la composante horizontale de la résistance en traction de la ligne d'amarrage, le moment associé au couple (Fmt/ F//) participe au couple de redressement pour le tangage vers l'avant, tandis que le flotteur supplémentaire 142 qui croît avec son enfoncement, participe au couple de redressement pour le tangage vers l'arrière. La figure 10 représente un autre mode de réalisation d'une centrale hydroélectrique 150, appelée centrale hydroélectrique à turbines jumelles. La centrale hydroélectrique 150 comprend l'ensemble des éléments de la centrale hydroélectrique 5 représentée en figure 1 et comprend, en outre, une turbomachine supplémentaire 8 ' fixée au pont 32. Les turbomachines 8 et 8 ' peuvent avoir une structure analogue . Les turbines 14, 14' sont juxtaposées de manière symétrique par rapport au plan de symétrie P de l'organe de flottaison 6. Les pales 18, 18' des turbines 14, 14' tournent dans des sens de rotation opposés et sont séparées par une paroi verticale médiane 152 fixée au pont 32 qui est de longueur limitée sur la figure 10, mais qui peut être prolongée vers l'aval pour produire un couple de redressement pour le lacet.
Les figures 11 et 12 sont respectivement une vue de face et une vue de dessus d'un autre mode de réalisation d'une centrale hydroélectrique flottante 155. La centrale hydroélectrique centrale 155 comprend l'ensemble des éléments de la centrale hydroélectrique 5 représentée sur les figures 1 à 3. Toutefois, l'armature inférieure 34 de la centrale hydroélectrique flottante 155 correspond à une plaque d'un seul tenant. Le bord de fuite de la plaque se situe sensiblement dans le plan contenant le bord de fuite de chaque flotteur 16. Le bord d'attaque se situe sensiblement dans le plan contenant le bord d'attaque de chaque flotteur 16, ou s'étend en amont de ce plan, en ayant par exemple une portion 156 en forme d'une demi- ellipse. Au lieu d'utiliser l'étrave 116, l'extrémité de chaque ligne d'amarrage 134, 136 peut venir se fixer en un nouveau point Cm défini sur l'extrémité amont de cette portion.
Une variante non représentée de cette plaque 156 correspond à une plaque, ayant une section verticale, dans un plan parallèle à un plan de symétrie de l'organe de flottaison 6, en forme de profil d'aile et participant à cet organe de flottaison. Le profil de cette section de plaque peut en outre être défini pour produire une force de portance vers le haut permettant ainsi d'accroître le flux dans un plan vertical impactant la turbine et d'augmenter son rendement.
Comme cela apparaît en figure 12, la distance entre la face supérieure de l'armature inférieure 34 et les faces infé- rieures des pales 18 peut être comprise entre une et dix épaisseurs maximales de pale. Par ailleurs, les flotteurs 16 de la centrale hydroélectrique 155 s'étendent davantage en amont de la turbine que les flotteurs 16 de la centrale hydroélectrique 5.
La figure 13 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un autre mode de réalisation d'une centrale hydroélectrique flottante 160, adaptée, en ce qui concerne les dimensions et la position des flotteurs par rapport à la turbo- machine, aux puissances moyennes et élevées. Dans cette figure, la turbine 14 est représentée de façon schématique par un cercle et dans lequel chaque flotteur 16 a un profil laminaire. Outre les dimensions et la position des flotteurs précisées plus loin, le choix du type de profil laminaire dans cette figure est particulièrement adapté à cette partie de la gamme. En effet, un profil en mouvement dans un fluide présente, en allant du bord d'attaque au bord de fuite, une zone en écoulement laminaire suivie d'une zone en écoulement turbulent. Pour un profil laminaire, la laminarité peut s'étendre jusqu'à 50 à 70 % de la corde. Des exemples de profil laminaire sont les familles NACA à 6 chiffres, les profils pour planeurs Eppler, FX (Wortmann) , etc. Un profil laminaire accélère l'écoulement très progressivement, la répartition des basses pressions étant plus étalée et plus régulière que sur un profil classique qui présente un pic de dépression près du bord d'attaque. La régularité de ces répartitions résulte de plusieurs caracté¬ ristiques géométriques de cette famille de profils : bord d'attaque fin, recul vers l'aval de l'épaisseur maximale à 35 à 50 % de la corde au lieu de 30 %, placement de la zone à rayon de courbure minimal le plus en arrière possible, etc. Pour bénéficier pleinement des avantages des profils laminaires dans leur utilisation comme flotteur 16, il convient que (i) leur longueur rapportée au col soit suffisamment importante, avantageusement supérieure à 3,5, (ii) l'angle d'incidence soit modéré, peu supérieur à 5°, (iii) la turbine soit placée au voisinage du col. Avec ces conditions, il devient possible que la distance entre le bord d'attaque et la turbine soit suffisamment importante et que la largeur de l'écoulement entre les flotteurs évolue modérément et régulièrement sur cette distance. L'écoulement impactant la turbine 14 reste alors régulier voire laminaire, ce qui est favorable au bon fonctionnement de la turbine d'une part et empêche d'autre part le déclenchement intempestif d'une transition entre les régimes fluviaux et torrentiel lorsque le nombre de Froude à l'entrée Fr = V/ (gy)1/2 est voisin de un, V étant la vitesse moyenne incidente et y la profondeur du courant, valeurs prises à 1 ' entrée du canal .
A titre d'exemple, le profil de chaque flotteur 16 tel que représenté en figure 13 est du type Wortmann FX3. L'épaisseur maximale est à 50 % de la corde, la courbure maximale est à 75 %, l'épaisseur maximale est de 10,5 %. Il est placé avec une incidence modérée de 5°. Sa longueur relative au col est 4.
La figure 14 représente un autre mode de réalisation d'une partie de la turbine 14, dans lequel la partie émergée de chaque pale 18 et au moins une partie immergée de chaque pale 18 sont formées par au moins une tige, deux tiges 162 étant représentées en figure 14. Les tiges 162 coupent donc le plan de flottaison et la partie de la pale possédant un profil d'aile a sa face supérieure distante d'au moins une corde de ce plan. A titre d'exemple, les tiges 162 peuvent être plongées à mi- hauteur dans l'eau. Les efforts de traînée sur les pales 18 au niveau du plan de flottaison sont avantageusement réduits .
Des tirants, non visibles en figure 14, peuvent être logés dans les tiges 162 de façon à mettre en tension la pale 18. La liaison entre les tiges 162 et l'organe de liaison 22 peut être renforcée par des goussets 163.
La figure 15 représente un autre mode de réalisation d'une partie de la turbine 14 dans lequel les surfaces inférieures des pales 18 sont reliées à un anneau inférieur 164 qui a deux rôles. Il permet de façon avantageuse de lisser le travail de flexion qui peut être important lorsque chaque pale 18 se trouve face à l'écoulement. L'anneau 164 joue, en outre, de façon avantageuse le même rôle que l'ailette d'extrémité 86 représentée en figure 6.
L'anneau 164 peut également réserver ce deuxième rôle à l'ailette d'extrémité 86 tout en gardant son premier rôle : l'extrémité même de l'ailette est alors reliée aux autres extrémités d'ailettes par un anneau minimaliste dont l'épaisseur dans un plan horizontal n'excède pas l'épaisseur maximale de 1' ailette .
Dans le cas où la taille de la turbine augmente pour produire des puissances importantes, les efforts de flexion sur les pales croissent. Il peut alors être nécessaire de trouver un appui sur l'armature inférieure 34. Un mode de réalisation particulier non représenté offre une solution en ce sens. L'extrémité de chaque ailette est en effet avantageusement prolongée par un bras assurant la continuité du profil 88 de l'extrémité des ailettes, jusqu'à un moyeu d'axe Δ auquel le bras est fixé, le moyeu étant guidé en rotation autour d'un arbre solidaire de l'armature inférieure et l'arbre étant logé dans celle-ci. Cette solution, qui pourrait être rapprochée des types de maintien de pales habituellement utilisées dans les turbines Darrieus en H, s'en distingue en fait car elle n'induit ni la traînée qui s'exerce sur l'arbre, logé ici dans l'armature inférieure, ni surtout la traînée d'interférence liée aux structures tourbillonnaires qui se développent de part et d'autre du raccord bras pale, la forme de l'ailette étant conçue pour limiter le développement des structures tourbillonnaires. La figure 16 est une section schématique de l'anneau 164 et de la pale 18 dans un plan vertical contenant l'axe de la turbine 14. L'anneau 164 peut être aplati suivant un plan horizontal. Sa largeur peut être égale à au moins deux fois sa hauteur. L'anneau 164 peut être sensiblement symétrique de part et d'autre de la corde de chaque pale 18. A titre de variante, la partie interne de l'anneau 164 peut être plus grande. L'anneau 164 peut avoir une section biconvexe en dehors de la zone de raccord avec les pales, la partie supérieure rejoignant la partie inférieure suivant deux bords effilés formant des lignes circulaires horizontales internes et externes aux pales 18. Dans la zone de raccord avec les pales, la partie supérieure a une concavité tournée vers le disque 22 de façon à éviter une rupture de pente avec l'extrados et l'intrados des pales.
La figure 15 représente un autre mode de réalisation d'une partie de la turbine 14 dans lequel les pales 18, au niveau où les tiges 162 sont fixées sur la partie de la pale possédant un profil d'aile, sont reliées à un anneau supérieur 166. L'anneau supérieur 166 peut avoir la même structure que l'anneau inférieur 164. L'anneau supérieur 166 est complètement immergé en fonctionnement. L'anneau 166 joue, en outre, le même rôle que l'ailette d'extrémité 86 représentée en figure 6.
Selon un mode de réalisation, chaque flotteur 16 avec une section horizontale en forme de profil d'aile peut comprendre des volets verticaux mobiles en pivotement autour d'un axe vertical et susceptibles d'être braqués (i) soit vers l'intérieur de la centrale hydroélectrique flottante pour réduire le maître-couple de la centrale hydroélectrique flottante, et donc la traînée s' exerçant sur la centrale, lors de ses déplacements dans un cours d'eau (ii) soit vers l'extérieur de la centrale hydroélectrique flottante pour accroître l'effet d'aspiration entre les flotteurs et par conséquent le rendement de la turbomachine en fonctionnement. Pour cette deuxième fonction, l'utilisation de volets revient à transformer des profils classiques, à courbure nulle ou faible, à faible épaisseur et à bord d'attaque fin, en profils proches de profils laminaires avec tous les avantages énoncés lors de la description de la figure 13. En commandant l'ouverture de ces volets, les flotteurs dotés de tels profils peuvent de plus s'adapter à la vitesse incidente.
Selon un mode de réalisation, un moteur est fixé à l'aval du pont 32, ce moteur étant à demeure ou amovible, et permettant de propulser la centrale hydroélectrique 10 à la surface de l'eau. A titre d'exemple, ce moteur peut être utilisé pour amener la centrale hydroélectrique à la position souhaitée lors de son installation.
Le carter 36 peut être fixé au pont 32 par un système de déblocage/blocage permettant à une grue de soulever ou de mettre en place la turbomachine, une fois la centrale arrimée à quai pour une maintenance .
La centrale hydroélectrique 10 peut comprendre, en outre, au moins un panneau photovoltaïque fixé sur la face supérieure du carter 36.
Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art.

Claims

REVENDICATIONS
1. Centrale hydroélectrique flottante (5) comprenant un organe de flottaison (6) et au moins une turbomachine (8), l'organe de flottaison comprenant au moins deux flotteurs (16) allongés selon le sens du courant, chaque flotteur comprenant une portion immergée (37) et une portion émergée (38) fixée à une armature supérieure (32) , chaque flotteur (16) ayant une section horizontale en forme de profil d'aile (96), les flotteurs étant symétriques l'un de l'autre par rapport à un plan vertical et formant un diffuseur, l'organe de flottaison comprenant, en outre, une armature inférieure (34) immergée reliant les faces inférieures des deux flotteurs, la turbomachine comprenant un convertisseur électromécanique (10) fixé à l'armature supérieure et une turbine (14) adaptée à entraîner le convertisseur électromécanique, la turbine comprenant des pales (18) motrices situées entre les deux flotteurs et adaptées à entraîner la turbine en rotation autour d'un axe de rotation (Δ) , vertical à 20 degrés près et étant situé entre le col du diffuseur et un plan joignant les bords de fuite des flotteurs, chaque pale comprenant une partie immergée (19) ayant ma oritairement une section horizontale en forme de profil d'aile et une partie émergée (20) fixée à un organe de liaison (22) émergé, de préférence un disque ajouré, relié au convertisseur électromécanique, les pales ayant leur extrémité inférieure libre ou reliée entre elles par un anneau, ou encore reliés par des bras profilés à un moyeu tournant autour d'un arbre fixé à une armature inférieure (34), la distance minimale entre chaque pale (18) et les flotteurs étant comprise entre une et dix épaisseurs maximales de pale.
2. Centrale hydroélectrique flottante selon la revendication 1, dans laquelle le convertisseur électromécanique
(10) est une machine synchrone à entraînement direct de forme discoïde, la machine synchrone comprenant un rotor (64), le rapport entre la hauteur du rotor, mesurée selon ledit axe de rotation (Δ) , et le diamètre du rotor variant de 0,1 à 0,2.
3. Centrale hydroélectrique flottante selon la revendication 2, dans laquelle le convertisseur électromécanique (10) comprend des enroulements et/ou des aimants fixés directement à l'organe de liaison (22) .
4. Centrale hydroélectrique flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle chaque flotteur (16) a une section horizontale en forme de profil d'aile laminaire, dont l'angle d'incidence est inférieur ou égal à 5° dont la longueur rapportée au col est supérieure à 3,5 et dont le maximum de courbure est placé en aval de l'axe Δ situé au voisinage du col.
5. Centrale hydroélectrique flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant deux turbines contrarotatives (14, 14') jumelles, situées entre les flotteurs (16) et séparées par une paroi verticale médiane (152) fixée sous l'armature supérieure (32).
6. Centrale hydroélectrique flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle l'armature inférieure (34) de la centrale hydroélectrique flottante (155) correspond à une plaque d'un seul tenant, le bord de fuite de ladite plaque se situant sensiblement dans le plan contenant le bord de fuite de chaque flotteur (16), le bord d'attaque se situant sensiblement dans le plan contenant le bord d' attaque de chaque flotteur (16), ou s'étendant en amont de ce plan (56).
7. Centrale hydroélectrique flottante selon la revendication 6, dans laquelle l'armature inférieure (34) de la centrale hydroélectrique flottante (155) correspond à une plaque ayant une section verticale, dans un plan parallèle à un plan de symétrie de l'organe de flottaison (6), en forme de profil d'aile à portance nulle ou dirigée vers le haut et participant à cet organe .
8. Centrale hydroélectrique flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle les extrémités inférieures des pales (18) sont reliées entre elles par un premier anneau (164) .
9. Centrale hydroélectrique flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle la distance entre la face supérieure de l'armature inférieure (34) et les faces inférieures des pales (18) est comprise entre une et dix épaisseurs maximales de pale.
10. Centrale hydroélectrique flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle chaque pale (18) est préchargée axialement en tension au moyen au moins d'un tirant logé dans la pale (18) .
11. Centrale hydroélectrique flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans laquelle chaque pale (18) comprend au moins une tige (162) traversant le plan de flottaison pour assurer une immersion complète de la partie de la pale possédant un profil d'aile, et ladite tige logeant avantageusement le tirant de précontrainte lors de sa traversée du plan de flottaison.
12. Centrale hydroélectrique flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, comprenant, en outre, une étrave (116) et comprenant, en amont de la turbine (14), des lames (114) parallèles entre les flotteurs (16) se raccordant sur 1 ' étrave .
13. Centrale hydroélectrique flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans laquelle le centre de gravité de la centrale hydroélectrique flottante est positionné à la verticale du centre de carène de la centrale hydroélectrique flottante et en dessous du centre de carène de la centrale hydroélectrique flottante en l'absence de courant, au moyen d'un ballastage des flotteurs.
14. Centrale hydroélectrique flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, comprenant une étrave
(116) à l'amont de la turbine (14) et comprenant au moins une ligne d'amarrage reliée à un plot émergé dans l'axe de la centrale hydroélectrique flottante ou deux lignes d'amarrage (134, 136) reliées à deux plots émergés (138, 140) de part et d'autre de la centrale hydroélectrique flottante, la ou les lignes d'amarrage étant fixées en un point de l'étrave situé en dessous du centre de poussée hydrodynamique de tous les composants de la centrale hydroélectrique flottante comprenant, en outre, un flotteur supplémentaire (142) placé à l'arrière du pont (32) d'une centrale à turbine unique ou relié à la paroi médiane (152) d'une centrale à turbines jumelles.
15. Centrale hydroélectrique flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, comprenant au moins une ligne d'amarrage fixée à une extrémité au fond du cours d'eau, et fixée à l'extrémité opposée en un point appartenant à un plan de symétrie de l'armature inférieure (34), la centrale hydroélectrique flottante comprenant, en outre, un flotteur supplémentaire (142) placé à l'arrière du pont (32) d'une centrale à turbine unique ou relié à la paroi verticale médiane (152) d'une centrale à turbines jumelles.
16. Centrale hydroélectrique flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, dans laquelle chaque pale (18) comprend une ailette d'extrémité (86) à son extrémité inférieure libre orientée vers l'axe de rotation (Δ) .
17. Centrale hydroélectrique flottante selon la revendication 16, dans laquelle l'extrémité de l'ailette est de plus reliée aux autres extrémités d'ailettes par un anneau (164) dont l'épaisseur dans un plan horizontal n'excède pas l'épaisseur maximale de l'ailette.
18. Centrale hydroélectrique flottante selon la revendication 16, dans laquelle l'extrémité de chaque ailette est prolongée par un bras assurant la continuité du profil (88) de l'extrémité des ailettes, jusqu'à un moyeu d'axe (Δ) auquel le bras est fixé, le moyeu étant guidé en rotation autour d'un arbre solidaire de l'armature inférieure et l'arbre étant logé dans cette armature inférieure.
19. Centrale hydroélectrique flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, comprenant un deuxième anneau (166) immergé, reliant les pales (18) au niveau ou sont fixées les tiges (162) sur la partie de la pale possédant un profil d'aile.
20. Centrale hydroélectrique flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 19, dans laquelle la partie supérieure (38) du flotteur (16), définie à partir de la ligne de flottaison (30) au repos et sur une hauteur qui s'étend jusqu'à la face supérieure du flotteur, est caractérisé par un profil dans un plan horizontal, qui est modifié par rapport au profil d'aile (96) suivant trois points : (i) le bord d'attaque devient brusquement effilé et ensuite peut le rester jusqu'à la face supérieure du flotteur ou n'avoir qu'une zone effilée de hauteur réduite, voire ponctuelle (ii) dans sa zone effilée, ce bord d'attaque est décalé vers l'aval et enfin (iii) dans sa zone effilée son épaisseur est réduite sur toute la corde du profil, la zone de la partie modifiée (38) en dessous de la partie effilée devenant plus ou moins immergé lors du fonctionnement de la centrale et jouant le rôle d'un bulbe d' étrave limitant l'apparition de la vague d'étrave.
21. Centrale hydroélectrique flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 20, dans laquelle les flotteurs sont munis de volets verticaux mobiles chacun en pivotement autour d'un axe vertical et adaptés à être braqués (i) soit vers l'intérieur de la centrale hydroélectrique flottante pour réduire le maître-couple de la centrale hydro- électrique flottante, et donc la traînée s' exerçant sur la centrale lors de ses déplacements dans un cours d'eau (ii) soit vers l'intérieur de la centrale hydroélectrique flottante pour accroître l'effet d'aspiration entre les flotteurs et par conséquent le rendement de la turbomachine .
22. Centrale hydroélectrique flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 21, comprenant un moteur fixé à l'armature supérieure (32) et adapté à propulser la centrale hydroélectrique flottante à la surface de l'eau.
23. Centrale hydroélectrique flottante selon l'une des revendications 1 à 22, dans laquelle la turbomachine (6) est reliée à l'armature supérieure (32) par un système de déblocage/blocage vis à vis de l'armature supérieure de sorte qu'une grue puisse déplacer la turbomachine par rapport à l'armature supérieure, une fois la centrale hydroélectrique flottante arrimée à quai pour une opération de maintenance.
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