FR2795140A1 - Dispositif, ensemble et installation pour la production d'energie hydroelectrique - Google Patents

Abstract

L'invention concerne notamment un dispositif (1) pour la production d'énergie hydroélectrique.Ce dispositif se caractérise essentiellement par le fait qu'il consiste en un anneau à l'intérieur duquel est intégrée une hélice à au moins deux pales radiales, cette hélice étant rendue solidaire de l'anneau par l'extrémité de ses pales et par le fait que la surface extérieure de l'anneau porte des moyens (30) ou est adaptée pour recevoir des moyens aptes à transmettre son propre mouvement de rotation sur lui-même, directement ou indirectement, à des moyens de production d'électricité.Application à la production d'énergie d'énergie hydroélectrique par récupération de l'énergie cinétique d'un cours d'eau.

Description

La présente invention concerne un dispositif, un ensemble, ainsi qu'une installation pour la production d'énergie hydroélectrique.

Cette production d'énergie se fait par récupération de l'énergie cinétique d'un cours d'eau.

L'installation peut être aussi bien mise en place au sein d'un cours d'eau tel qu'une rivière ou un fleuve, qu'au sein d'un bras de mer sujet à la marée. Actuellement, la production d'énergie hydroélectrique est réalisée par des usines dans lesquelles sont installés des dispositifs tels que turbine ou hélice. Le principe mis en oeuvre est la récupération d'une partie de l'énergie potentielle de l'eau d'un barrage en amont de la turbine ou de l'hélice.

D'autres installations permettent de récupérer l'énergie cinétique des cours d'eau. C'est le cas des roues à aubes (verticales ou horizontales), dont une partie plonge dans le courant d'eau. Celui-ci entraîne la roue en forçant sur ses pales qui sont perpendiculaires au sens du courant. Les pales sont positionnées sur le pourtour d'une couronne.

Les turbines "Pelton" ou "Francis" sont des systèmes associés à la technique des "hautes et moyennes chutes". Un barrage de retenue d'eau est situé en amont de la turbine. La chute de l'eau dans la turbine provoque sa rotation et son axe entraîne un alternateur. Cette technique suppose qu'il y ait une forte dénivellation entre le barrage et la turbine. Le plus souvent, l'eau est véhiculée entre ces deux installations à l'aide d'une conduite forcée.

Bien que parfaitement connue, cette technique implique un choix judicieux de sites, et nécessite des investissements très importants. Malheureusement, de telles installations peuvent avoir des conséquences néfastes sur les écosystèmes.

La technique de l'hélice "Kaplan" (ou groupe bulbe) est associée à celle des "basses chutes". Dans le courant d'eau, on place une hélice qui est mise en rotation par action de l'eau sur ses pales, et son axe, comme dans le cas des turbines, entraîne directement un alternateur.

Ce système est installé dans des barrages où l'énergie électrique est produite par le passage de gros débits d'eau dans la surface d'une hélice, la dénivellation entre l'amont et l'aval du barrage n'étant généralement pas supérieure à30 m.

En général, pour cette dernière technique, le générateur est installé dans un compartiment étanche qui a la forme d'lin "bulbe", plongé dans le flux. Comme les précédentes, ces installations ont un impact important sur les écosystèmes et sont à l'origine de gêne pour la migration animale, ainsi que pour les activités maritime et fluviale.

La présente invention se rapporte donc au domaine de l'énergie hydroélectrique.

Elle vise à fournir un dispositif, un ensemble et une installation de production d'énergie hydroélectrique de conception simple, qui puissent être installés dans n'importe quel cours d'eau, navigable ou non, sans nécessiter la mise en place d'équipements importants pour bloquer ou dériver le lit du cours d'eau.

Elle vise aussi à fournir un dispositif, un ensemble et une installation qui, en cas de besoin, permettent de gérer les crues du cours d'eau dans lequel ils sont intégrés.

Elle vise également à proposer un dispositif, un ensemble et une installation respectueux de l'environnement, autant sur le plan de l'écosystème que de la pollution visuelle.

Ainsi, selon un premier aspect, l'invention concerne un dispositif pour la production d'énergie hydroélectrique.

Il se caractérise essentiellement par le fait qu'il consiste en un anneau à l'intérieur duquel est intégrée une hélice à au moins deux pales radiales, cette hélice étant rendue solidaire de l'anneau par l'extrémité de ses pales, et par le fait que la surface extérieure de l'anneau porte des moyens ou est adapté pour recevoir des moyens aptes à transmettre son propre mouvement de rotation sur lui- même, directement ou indirectement, à des moyens de production d'électricité.

C'est donc par la périphérie de l'anneau que se fait la transmission du mouvement de rotation à des moyens de production de l'électricité. Ces derniers moyens peuvent être disposés préférentiellement hors de l'eau, de sorte que les équipements immergés sont peu nombreux et ne perturbent pas ou pratiquement pas l'écosystème.

Selon d'autres caractéristiques de ce dispositif - le nombre de pales est compris entre deux et huit ; - la surface projetée de l'hélice est inférieure ou égale à la moitié de la surface délimitée par l'anneau ; - la zone centrale de l'hélice par laquelle passe son axe de rotation présente une forme ogivale ou conique ; - les moyens aptes à transmettre le mouvement de rotation de l'hélice à des moyens de production d'électricité consistent en des dents, de sorte que l'anneau affecte la forme d'un pignon ; - ladite surface extérieure est configurée pour recevoir une transmission par chaîne, par courroie ou par arbre .

Dans un deuxième aspect de l'invention, celle-ci concerne un ensemble pour la production d'énergie hydroélectrique.

Cet ensemble se caractérise par le fait qu'il comprend plusieurs dispositifs tels que présentés ci-dessus, les anneaux de ces dispositifs étant prévus parallèles entre eux et leur axe de rotation étant unique et commun.

Enfin, l'invention concerne une installation pour la production d'énergie hydroélectrique.

Celle-ci se caractérise essentiellement par le fait qu'elle comporte - au moins un dispositif ou ensemble tel que présenté plus haut, immergé dans un cours d'eau, le plan de l'anneau ou des anneaux étant généralement perpendiculaire à la direction du courant d'eau ; - des moyens de production d'électricité reliés audit dispositif ou ensemble, qui coopèrent, directement ou indirectement, avec la surface extérieure de l'anneau du dispositif ou d'au moins un anneau de l'ensemble.

Selon d'autres caractéristiques de cette installation - elle comporte plusieurs dispositifs tels que décrits plus haut, disposés dans un même plan et engrenant, directement ou indirectement, deux à deux, l'un de ces dispositifs coopérant avec lesdits moyens de production d'électricité ; - elle comporte un pignon intermédiaire entre deux dispositifs voisins, ce pignon assurant au besoin, la transmission de mouvement entre desdits dispositifs ; - elle comporte des moyens de guidage dudit dispositif ou ensemble en rotation ; - les dits moyens de guidage consiste en des roulements à bille répartis tout autour de couronnes qui encadrent ledit anneau ; - ledit dispositif ou ensemble est immergé dans le cours d'eau, à une profondeur plus basse que le niveau d'étiage et suffisante pour que l'installation ne contrarie pas la navigation de bateaux. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre de certains modes de réalisation préférentiels.

Cette description sera faite en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est un schéma de principe, montrant selon un plan de coupe vertical et longitudinal, une installation de production d'énergie hydroélectrique, faisant usage d'un dispositif conforme à l'invention ; - la figure 2 est une vue de face partielle de l'installation de la figure 1, montrant plus particulièrement le dispositif et un équipement de transmission du mouvement de rotation ; - la figure 3 est un schéma de principe, montrant selon un plan de coupe longitudinal et vertical, une installation à deux dispositifs ; - la figure 4 est également un schéma de principe, montrant selon un plan de coupe longitudinal et vertical, un ensemble formé de trois dispositifs à axe de rotation unique ; - la figure S est un schéma de principe montrant, de face, une installation comportant plusieurs dispositifs montés dans un même plan.

Le dispositif pour la production d'énergie hydroélectrique représenté aux figures 1 et 2 est intégré au sein d'une installation immergée dans un cours d'eau C.

Comme précisé plus haut, ce dispositif 1 consiste en un anneau 3 à l'intérieur duquel est intégrée une hélice 2. Dans le cas représenté ici, elle présente trois pales radiales 21 distantes angulairement de 120 . La forme de ces pales est analogue à celles qui se rencontrent dans le domaine aéronautique, à savoir qu'elles présentent une surface qui n'est pas parfaitement plane de façon à prêter leur flan au déplacement du fluide sur le trajet duquel elles sont placées.

De préférence, la surface totale projetée occupée par les pales 21 ne dépasse pas la moitié de la surface délimitée par l'anneau 3, ceci afin de ne pas perturber le flux d'eau dans lequel elles sont destinées à plonger.

Bien que trois pales aient été représentées sur les figures, il est possible de prévoir des dispositifs en comportant seulement deux ou, au contraire, un nombre plus élevé, par exemple, six ou huit.

De préférence, le matériau de construction de l'anneau et de l'hélice est le métal, bien que des matériaux composites modernes puissent être également utilisés. Comme le montre particulièrement la figure 1, la partie centrale 20 de l'hélice par laquelle passe son propre axe de rotation, présente une forme en saillie. Dans le jargon du métier, on parle d'une forme ogivale. Elle peut être également strictement conique. En tout état de cause, cette forme doit être adaptée pour favoriser l'écoulement d'eau.

Conformément à l'invention, l'hélice 2 est rendue solidaire de l'anneau 3 par l'extrémité de ses pales 21. Le centre de cet anneau est donc confondu avec celui de l'hélice et est matérialisé sur les figures par l'axe XX'.

A titre indicatif, le diamètre d'un tel dispositif peut être de quelques dizaines de centimètres à quelques mètres.

Toujours conformément à l'invention, la surface extérieure de l'anneau 3 porte des moyens, ou est adaptée pour recevoir des moyens aptes à transmettre son propre mouvement de rotation sur lui-même, c'est-à-dire autour de son axe XX', directement ou indirectement, à des moyens de production d'électricité.

Dans le cas représenté ici, ces moyens consistent en des dents 30, de sorte que l'anneau affecte ici la forme d'un pignon.

Bien entendu, dans une forme de réalisation non représentée, les moyens pourraient consister en un système de courroie ou de chaîne adapté pour coopérer avec la surface extérieure de l'anneau. Dans ce cas, le profil de cette surface est adapté pour coopérer avec la courroie ou la chaîne.

Dans une autre forme de réalisation, il pourrait s'agir d'une transmission par arbre.

Comme précisé plus haut, ce dispositif est représenté aux figures 1 et 2, intégré au sein d'une installation 1 de production d'électricité.

A cette fin, le dispositif 1 est immergé au sein d'un cours d'eau C.

Le fond de ce cours d'eau est bétonné, l'épaisseur de béton portant la référence numérique 6.

Le dispositif est disposé transversalement, c'est-à-dire perpendiculairement au flux du cours d'eau, dont le sens d'écoulement est représenté par les flèches f.

II est encadré par deux couronnes ou armatures 60 constituant en quelque sorte une "cage" pour le dispositif, apte à être immobilisées verticalement par rapport au fond du cours.

Ces armatures portent des roulements à bille 61 aptes à coopérer avec des surfaces opposées extérieures de l'anneau 3. Ces surfaces sont réparties de part et d'autre de celle qui porte les dents 30. Ces roulements à bille constituent des moyens de guidage pour le dispositif.

Le diamètre interne des armatures est choisi au maximum égal au diamètre interne de l'anneau 3, de manière à ne pas masquer, même partiellement, la surface de l'hélice. Ceci permet de ne pas contrarier le passage de l'eau.

L'une des armatures 60 est représentée en traits mixtes à la figure 2. Elle entoure simplement partiellement le dispositif 1.

Dans une forme de réalisation non représentée, cette armature pourrait être discontinue, c'est-à-dire assurant le guidage du dispositif seulement dans certaines zones. Dans une autre forme de réalisation non représentée, les armatures 60 pourraient être remplacées par des bras coopérant avec le centre de l'hélice 2, à la manière des fourches sur lesquelles est monté l'axe de rotation de la roue avant d'une bicyclette. Leur nombre peut être supérieur à deux.

On s'arrange pour que le niveau du dispositif 1 soit tel que ce dernier soit toujours immergé. Pour cela, on monte le dispositif en dessous du niveau d'étiage E du cours d'eau, c'est-à-dire son niveau le plus bas.

Dans sa partie supérieure, le dispositif est couplé à un pignon 51 disposé dans une installation 4 faisant office d'armature. Ce pignon présente un axe de rotation parallèle à celui du dispositif et son arbre est référencé 50. Cet arbre et ce pignon forment partie intégrante de moyens 5 qui vont permettre de transmettre le mouvement de rotation de l'anneau 3 à des moyens de production d'électricité, du type dynamo ou alternateur, non représentés.

On comprend donc qu'à l'aide du dispositif selon l'invention, seule la roue formée par l'hélice et l'anneau a besoin d'être immergée. Les équipements annexes qui vont permettre de produire l'électricité ne sont donc plus dans le prolongement de l'axe de rotation de l'hélice, mais sont décalés par rapport à celle- ci et de préférence hors d'eau.

On a référencé hl en amont de l'installation 4, la hauteur d'eau représentant le nouvel étiage. En effet, lorsque le système est générateur d'électricité, une partie de l'énergie de l'eau est absorbée, de sorte que le respect du débit en aval de l'installation implique une augmentation de la hauteur d'eau en amont de celle-ci.

La hauteur h2 est représentée arbitrairement et désigne la hauteur d'eau maximum pour une utilisation à cent pour cent du flux du cours d'eau. Si le débit de ce cours augmente une partie de l'eau passera au-dessus de l'installation, Cette hauteur est calculée par les utilisateurs, en fonction de la puissance de l'installation en fonction du débit maximum avec lequel on veut produire l'électricité.

Enfin, la hauteur h3 est la hauteur du niveau d'eau en aval de l'installation, correspondant au débit d'eau maximum pour une utilisation à cent pour cent du système de production d'énergie. Cette hauteur h3 est directement liée à h2.

Dans l'installation représentée à la figure 3, deux dispositifs 1 sont prévus en série et sont disposés inclinés à 60 de part et d'autre d'un plan vertical. Ces dispositifs entraînent un arbre perpendiculaire 7 au cours d'eau à axe de rotation 70 et à pignon 71. Dans le cas représenté ici, cet arbre est vertical. Bien entendu, les deux dispositifs tournent en sens inverse.

L'orientation de l'arbre est en fait fonction de celles des dispositifs 1. Enfin, l'arbre 7 peut entraîner directement ou indirectement des moyens de production d'électricité non représentés.

L'installation de la figure 4 fait usage d'un ensemble qui comprend plusieurs dispositifs tels que décrits plus haut. Plus précisément, cet ensemble l' comporte un seul et même axe commun, trois hélices 21 et trois anneaux 3 parallèles entre eux. Les anneaux de cet ensemble l' engrènent avec les pignons d'un même arbre 5 de transmission du mouvement à des moyens de production d'électricité non représentés.

Dans l'installation de la figure 5 sont prévus trois dispositifs 1 disposés dans un même plan, transversalement par rapport au flux du courant d'eau. Il s'agit en premier lieu de deux dispositifs de même diamètre et avec un même nombre de pales dont les dents périphériques engrènent entre elles. Le deuxième dispositif engrène également avec un troisième de plus petit diamètre et le mouvement de rotation de ce dernier est transmis à un système courroie 80 et poulie 8 par un dernier pignon denté non représenté. On a désigné par la référence 9 le système de production d'électricité qui se trouve hors d'eau.

En traits mixtes sont représentés des pignons intermédiaires 8' qui, dans une deuxième forme de réalisation, peuvent être utilisés avec les dispositifs 1. Dans ce cas, ces dispositifs sont distants les uns des autres et ne coopèrent que par l'intermédiaire de ces pignons additionnels 8'. Pour déconnecter un des dispositifs 1, il suffit de faire coulisser le pignon 8' correspondant dans une direction perpendiculaire au plan des dispositifs.

Comme précédemment, les dispositifs I sont placés en dessous du niveau d'étiage E du cours d'eau. Eventuellement en vue de maintenir une activité maritime, l'installation peut être placée en dessous de la hauteur maximale T de tirant d'eau des bâtiments qui naviguent sur le cours d'eau. Le niveau H désigne la hauteur d'eau maximale que le cours d'eau peut atteindre en cas de crue ou de grande marée.

Du fait de leur simplicité, les dispositif, ensemble et installation conformes à la présente invention peuvent être installés dans tous les cours d'eau navigables ou non. Ils permettent éventuellement la récupération de l'énergie des marées.

Leur simplicité permet également de pouvoir décentraliser la production d'énergie sur la totalité d'un territoire, par l'installation de micro- centrales . La mise en place de ces installations nécessite peu d'investissements et leur entretien est faible au regard de leur durée de vie qui peut être estimée à au moins cinquante ans.

Ce système de production d'énergie écologique ne génère aucun déchet. Il est peu perturbant pour l'écoulement de l'eau. Il ne génère pas de gêne pour le passage des animaux aquatiques dans la mesure où la vitesse de rotation des dispositifs est faible et n'entrave donc pas leur passage.

De plus, la hauteur des armatures peut être définie de façon à ce qu'une partie de l'eau passe au-dessus de l'ouvrage de sorte que cela ne génère pas de gêne visuelle pour un observateur, bien entendu au détriment d'une perte de puissance.

Il est à noter que l'installation conforme à l'invention peut être utilisée comme système de régulateur de débit de cours d'eau. En effet, lors de crues importantes, l'installation peut être alimentée par du courant électrique de sorte que le générateur est utilisé comme moteur. En actionnant positivement les dispositifs, cela va augmenter la vitesse d'écoulement de l'eau au sein du cours d'eau ce qui permettra une meilleure gestion de ce cours et des berges inondables.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Dispositif pour la production d'énergie hydroélectrique, caractérisé par le fait qu'il consiste en un anneau (3) à l'intérieur duquel est intégrée une hélice (2) à au moins deux pales radiales (21), cette hélice (2) étant rendue solidaire de l'anneau (3) par l'extrémité de ses pales (21), et par le fait que la surface extérieure de l'anneau porte des moyens (30) ou est adaptée pour recevoir des moyens aptes à transmettre son propre mouvement de rotation sur lui-même, directement ou indirectement, à des moyens de production d'électricité (9).

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le nombre de pales (21) est compris entre deux et huit.

3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2,caractérisé par le fait que la surface projetée de l'hélice (2) est inférieure ou égale à la moitié de la surface délimitée par l'anneau (3).

4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la zone centrale (20) de l'hélice (2) par laquelle passe son axe de rotation présente une forme ogivale ou conique.

5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les moyens aptes à transmettre le mouvement de rotation de l'anneau à des moyens de production d'électricité consistent en des dents (30), de sorte que l'anneau (3) affecte la forme d'un pignon.

6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que ladite surface extérieure est configurée pour recevoir une transmission par chaîne, par courroie ou par arbre.

7. Ensemble pour la production d'énergie hydroélectrique, caractérisé par le fait qu'il comprend plusieurs dispositifs (1) conformes à l'une des revendications 1 à 6, les anneaux (3) de ces dispositifs étant prévus parallèles entre eux et leur axe de rotation étant unique et commun.

8. Installation pour la production d'énergie hydroélectrique, caractérisée par le fait qu'elle comporte -au moins un dispositif (1) ou ensemble (V) selon l'une des revendications 1 à 7, immergé dans un cours d'eau (C), le plan de l'anneau ou des anneaux (3) étant généralement perpendiculaire à la direction du courant d'eau ; - des moyens de production d'électricité (9) reliés audit dispositif (1) ou ensemble (l'), qui coopèrent, directement ou indirectement, avec la surface extérieure de l'anneau (3) du dispositif (1) ou d'au moins un anneau (3) de l'ensemble (l').

9. Installation selon la revendication 8, caractérisée par le fait qu'elle comporte plusieurs dispositifs (1) conformes à la revendication 5 disposés dans un même plan et engrenant, directement ou indirectement, deux à deux, l'un de ces dispositifs (1) coopérant avec lesdits moyens de production d'électricité (9). <B>10.</B> Installation selon la revendication 9, caractérisée par le fait qu'elle comporte un pignon intermédiaire (8') entre deux dispositifs voisins (1), ce pignon assurant au besoin la transmission de mouvement entre lesdits dispositifs. 11. Installation selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisée par le fait qu'elle comporte des moyens de guidage (60) dudit dispositif (1) ou ensemble (l') en rotation. 12. Installation selon la revendication 11, caractérisée par le fait que les dits moyens de guidage consiste en des roulements à bille (61) répartis tout autour de couronnes (60) qui encadrent ledit anneau (3). 13. Installation selon l'une des revendications 8 à 12, caractérisée par le fait que ledit dispositif (1) ou ensemble (l') est immergé dans le cours d'eau (C), à une profondeur plus basse que le niveau d'étiage et suffisante pour que cette installation ne contrarie pas la navigation de bateaux.