FR2977642A1

FR2977642A1 - Dispositif houlomoteur de conversion d'energie de la houle en energie electrique

Info

Publication number: FR2977642A1
Application number: FR1156249A
Authority: FR
Inventors: Francois Crolet
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-07-08
Filing date: 2011-07-08
Publication date: 2013-01-11
Anticipated expiration: 2031-07-08
Also published as: WO2013007520A1; FR2977642B1

Abstract

Dispositif houlomoteur de conversion d'énergie, comprenant un stator (3) pourvu de moyens de son ancrage (9) à au moins un point fixe, et deux rotors (1, 2) comportant chacun au moins un flotteur globalement indéformable pour former une hélice et ayant des longueurs et des diamètres similaires mais des pas d'hélice de sens opposés, les rotors étant montés sur le stator pour pivoter et étant mécaniquement reliés à un générateur (6) tournant de manière à transformer une énergie de déplacement des vagues en énergie électrique. Selon l'invention, les moyens d'ancrage sont reliés au stator à une proue du dispositif et en ce que le dispositif comporte des moyens de stabilisation du dispositif au défilement des vagues.

Description

La présente invention concerne les dispositifs houlomoteurs permettant de convertir l'énergie de la houle en énergie électrique. Les dispositifs flottants connus utilisent le mouvement de va-et-vient vertical de la houle pour entraîner un flotteur articulé ou faire os-ciller une colonne d'eau dans un cylindre. Dans ces dispositifs connus, l'énergie potentielle et cinétique alternative contenue dans la houle est captée par l'intermédiaire de structures flottantes articulées conçues pour résister dans des conditions de mer extrêmes. De plus, ces dispositifs doivent pouvoir capter les vagues les plus énergétiques et présentent donc une bande passante adaptée à la capture des vagues de grandes longueurs d'onde entraînant des dimensions de plus de cent mètres. Tous ces dispositifs nécessitent des moyens d'ancrage surdimensionnés tandis que l'énergie mécanique récupérée dans ces systèmes sous forme alternative nécessite l'usage de mécanismes de conversion d'une efficience relative et parfois peu adaptés à un séjour prolongé en milieu marin. Enfin, ces structures mécaniques de grandes tailles articulées, doivent durer dans des conditions d'environnement particulièrement agressives. A ce jour, celles qui ont survécu ont pu bénéficier d'importants coefficients de sécurité pour leur dimen- sionnement. Des exemples de tels dispositifs figurent notamment dans les documents FR2457989, FR2505937, EP222352, US3818703. Ces raisons conduisent encore aujourd'hui à des projets de structures expérimentales dont la durée de vie reste incertaine et le coût difficilement rentabilisable. Ces tentatives sont illustrées dans les documents FR2805864, WO2004/065785 et WO2009/093909. Dans ces dispositifs houlomoteurs à flotteur en hélice, l'efficacité de la conversion d'énergie dépend des conditions de mer liant la longueur du pas des hélices à la longueur d'onde des vagues et le rayon des hélices au creux des vagues. Les flotteurs hélicoïdaux sont alors soumis à un couple tendant à les faire tourner au- tour de leur axe avec le défilement des vagues. Ceci per-met de transformer le mouvement alternatif des vagues en mouvement de rotation unidirectionnel exploitable directement par un générateur électrique tournant conventionnel.

OBJET DE L'INVENTION Un but de l'invention est de fournir un dispositif houlomoteur présentant des performances améliorées. RESUME DE L'INVENTION A cet effet, on prévoit, selon l'invention, un dispositif houlomoteur de conversion d'énergie, comprenant un stator pourvu de moyens de son ancrage à un point fixe, et deux rotors comportant chacun au moins un flotteur globalement indéformable pour former une hélice et ayant des longueurs et des diamètres similaires mais des pas d'hélice de sens opposés, les rotors étant montés sur le stator pour pivoter et étant mécaniquement reliés à un générateur tournant de manière à transformer une énergie de déplacement des vagues en énergie électrique, caractérisé en ce que les moyens d'ancrage sont reliés au stator à une proue du dispositif et en ce que le dispositif comporte des moyens pour favoriser la pénétration de la proue du dispositif dans les vagues. Ainsi, les moyens de stabilisation permettent de contrôler le tangage du dispositif de manière à éviter que le dispositif de n'efface au passage des vagues. En effet, si le dispositif se soulève à chaque vague, la rotation du rotor induite par le défilement des vagues est limitée de même que l'énergie produite. Les moyens de stabilisation favorisent une pénétration de la proue du dispositif dans les vagues.

De préférence, les moyens de stabilisation sont solidaires du stator. Selon un premier mode de réalisation des moyens de stabilisation, les moyens de stabilisation comprennent une répartition de masse le long du stator favorisant une pénétration de la proue du dispositif dans les vagues. Selon un deuxième mode de réalisation des moyens de stabilisation, les moyens de stabilisation sont solidaires d'un volume du stator s'étendant à la proue et/ou d'un volume du stator s'étendant à la poupe du disposi- tif. Selon différentes possibilités : - le volume a une forme extérieure favorisant sa pénétration dans les vagues ; - le volume est pourvu d'ailerons extérieurs ayant une incidence favorisant sa pénétration das les vagues ; - le volume a une masse favorisant sa plongée et, de préférence, le volume contient le générateur.

Selon un troisième mode de réalisation des moyens de stabilisation, les moyens de stabilisation sont des moyens dynamiques mus par au moins un moteur. Selon différentes possibilités : - le moteur est piloté via au moins un capteur inertiel ; - le moteur est piloté via au moins un récepteur de géolocalisation ; - le moteur est associé à un module de pilotage à distance ; - le moteur entraîne en rotation au moins un aileron monté sur le stator pour pivoter autour d'un axe sensiblement horizontal ; - le moteur entraîne en rotation au moins un organe de propulsion monté sur le stator pour pivoter.

Avantageusement, le dispositif comprend des moyens de ballastage agencés pour régler une flottaison du dispositif. De préférence alors, les moyens de ballastage sont agencés pour émerger au moins une partie du stator et / ou les moyens de ballastage sont agencés pour per-mettre une immersion totale du dispositif. Selon une caractéristique intéressante, les ro-tors ont une longueur comprise entre 0,5 et 2 fois le pas d'hélice environ. Selon une autre caractéristique intéressante, les rotors définissent entre eux un angle compris entre 0° et 30° environ. Selon encore une autre caractéristique intéres- saute, les moyens d'ancrage comprennent un câble relié au stator en aval de la proue du dispositif et en amont des flotteurs hélicoïdaux par rapport au sens de défilement des vagues. Avantageusement, le dispositif comporte au moins un safran relié à un moteur piloté pour maintenir le dis-positif selon un axe de propagation des vagues en contrant une dérive du dispositif. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers non limita-tifs de l'invention. Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective du dispositif conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue analogue à la figure 1 mais sous un autre angle de vue, - la figure 3 est une vue en perspective du dispositif en utilisation, - la figure 4 est une vue en perspective, avec éclaté, du dispositif de l'invention - la figure 5 est une vue en perspective d'une première variante de réalisation, - la figure 6 est une vue en perspective d'une deuxième variante de réalisation, - la figure 7 est une vue en perspective de détail de cette deuxième variante de réalisation. - la figure 8 est une vue analogue à celle de la fi- gure 1 d'une variante du dispositif de la figure 1. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence aux figures, le dispositif houlomoteur de conversion d'énergie conforme à l'invention comprend un stator 3 pourvu de moyens de son ancrage à un point fixe, et deux rotors hélicoïdaux 1 et 2. Chaque rotor hélicoïdal 1, 2 comporte un unique flotteur 4 conformé pour s'étendre selon une hélice au-tour d'un arbre 5 dont il est solidaire en rotation. Le flotteur comporte une enveloppe externe 4.1, rigide et tubulaire, pourvue à intervalle régulier de cloisons transversales internes 4.2 assurant la liaison de l'enveloppe externe 4.1 à l'arbre 5 et la rigidification de l'enveloppe externe 4.1. L'enveloppe externe 4.1 est par exemple réalisée en un métal inoxydable, en un maté- riau composite ou en matériau thermoplastique. Il est ainsi formé un flotteur globalement indéformable dans les conditions de son utilisation. Les rotors hélicoïdaux 1 et 2 sont ici parallèles l'un à l'autre et ont des longueurs et des diamètres similaires mais des pas d'hélice de sens opposés. Les rotors hélicoïdaux ont ici une longueur comprise entre 0,5 et 2 fois le pas d'hélice environ. Les rotors hélicoïdaux 1, 2 sont montés sur le stator 3 pour pivoter et sont mécaniquement reliés chacun à un générateur tournant 6 reçu dans un volume de proue 7 du stator 3. La liaison mécanique entre les arbres 5 et les générateurs 6 comprend ici un ensemble de réduction. Les générateurs 6 sont reliés à un réseau électrique terrestre par un câble électrique.

Le volume de proue 7 du stator 3 reçoit également une unité de commande 8 du dispositif houlomoteur assurant une surveillance du bon fonctionnement du dispositif et permettant une commande à distance du dispositif par voie hertzienne ou via un câble électrique courant jus- qu'à terre avec le câble électrique relié aux générateurs. Le volume de proue 7 comprend sur sa partie supérieure une trappe d'accès permettant d'accéder à l'intérieur du volume de proue 7 pour des opérations de maintenance. Le stator 3 comprend des moyens de son ancrage au fond de la mer. Les moyens d'ancrage sont reliés au stator 3 à la proue et ici à la poupe du dispositif. Les moyens d'ancrage comprennent ici un câble ou une chaîne 9 fixée au stator 3 entre le volume de proue 7 et les ro-tors hélicoïdaux 1, 2. Le ou les points d'accroche de ce câble 9 sur le stator 3 sont ainsi situés en aval du volume de proue 7 et en amont des flotteurs hélicoïdaux 1 et 2, par rapport au sens de défilement des vagues. Les moyens d'ancrage peuvent également comprendre, comme c'est représenté sur les figures un câble ou une chaîne fixée au stator 3 à la poupe du dispositif. Il va de soi que la longueur des chaînes est calculée pour laisser au dispositif une latitude de mouvement suffisante de sorte que les chaînes n'entravent pas la stabilisation du dis-positif au défilement des vagues. En référence plus particulièrement aux figures 1 à 3, le dispositif comporte des moyens pour stabiliser le dispositif au défilement des vagues et favoriser la péné- tration de la proue du dispositif dans les vagues. Les moyens de stabilisation sont ici solidaires du stator 3. Les moyens de stabilisation comprennent ici une répartition de masse le long du stator 3 favorisant une plongée du volume de proue 7 s'étendant à la proue du dispositif. Le volume de proue 7 a notamment une masse favorisant sa plongée, masse à laquelle contribuent les générateurs 6 et les moyens de liaison mécanique des générateurs 6 aux arbres 5.

Les moyens de stabilisation peuvent également comprendre d'autres moyens. En particulier, le volume de proue 7 est avantageusement configuré selon une forme extérieure favorisant sa plongée. Par ailleurs, comme illustré à la figure 8, le volume de proue 7 est avantageusement pourvu d'ailerons extérieurs 100 ayant une incidence favorisant la plongée. De tels ailerons 100 peuvent être également disposés à la poupe. Ces moyens de stabilisation sont des moyens statiques.

Le dispositif comprend également des moyens de stabilisation dynamiques mus par un ou des moteurs 101. Le moteur est alors piloté par l'unité de commande selon différentes manières alternatives ou cumulatives : - le pilotage peut être réalisé automatiquement à partir des signaux provenant d'au moins un capteur inertiel solidaire du dispositif de manière à maintenir le dispositif dans l'orientation souhaitée dans le plan verticale, c'est-à-dire selon une orientation sensiblement horizontale ; - le moteur peut être piloté automatiquement à partir des informations provenant d'au moins un récepteur de géolocalisation, par exemple de type GPS ; - le moteur peut être associé à un module de pilotage à distance permettant à un opérateur de position- ner correctement le dispositif par exemple en fonction d'informations météorologiques. Il est possible de prévoir alternativement ou cumulativement . - un moteur entraînant en rotation au moins un aileron, et de préférence deux ailerons, montés sur le stator pour pivoter autour d'un axe sensiblement horizontal ; - un moteur entraînant au moins un organe de pro- pulsion (hélice ou turbine d'éjection d'eau) monté sur le stator pour éventuellement être orientable et relié à l'unité de commande pour être piloté. Le dispositif des figures 1 à 3 est équipé à sa proue et à sa poupe de moteurs entraînant une hélice agencés, orientés et pilotés pour maintenir le dispositif sensiblement horizontal malgré le défilement des vagues. Le dispositif peut en outre comporter au moins un safran relié à un moteur piloté par l'unité de commande pour maintenir le dispositif selon un axe de propagation des vagues en contrant une dérive du dispositif par exem- ple dû au vent. Le dispositif comprend des moyens de ballastage agencés pour régler une flottaison du dispositif. Les moyens de ballastage comprennent au moins un comparti- ment, ici plusieurs compartiments qui sont ménagés le long du stator 3 et qui sont pourvu chacun d'une vanne d'introduction d'eau dans le compartiment et d'une vanne d'évacuation de l'eau du compartiment. Les vannes sont pilotées par l'unité de commande pour : - émerger au moins une partie du stator, et plus particulièrement le volume de proue pour les opérations de maintenance et les opérations d'acheminement du dispositif sur le site de production des vagues ; - immerger totalement le dispositif par exemple en cas de tempête, soit automatiquement ou sur commande à distance en fonction de données météorologiques ou d'efforts / contraintes détectés sur le dispositif. - immerger partiellement le dispositif afin de faire coïncider l'axe des rotors avec le plan moyen des vagues en fonctionnement normal par exemple. Le volume des compartiments doit donc être suffisant pour permettre cette immersion. La répartition des compartiments le long du stator permet en outre de régler l'assiette du dispositif et par un pilotage adéquat des vanne constituer un des moyens de stabilisation. En fonctionnement, le défilement des vagues provoque un pivotement des flotteurs qui entraînent les arbres 5 et les générateurs 6 de manière à transformer l'énergie de déplacement des vagues en énergie électri- que. La combinaison des deux rotors hélicoïdaux 1, 2 de pas d'hélice contraires permet d'apporter la stabilité de la paire qu'ils constituent par l'intermédiaire du stator 3 au sein du dispositif.

Les masses des générateurs 6 contribuent à assurer l'horizontalité des axes des volumes hélicoïdaux 1 et 2 grâce à un effet de masse pendulaire avec le défilement des vagues. Le dispositif est maintenu en position sur un champ de vagues par l'intermédiaire des chaînes d'ancrage qui sont agencée pour résister aux composantes horizon-tale, longitudinale et transversale des efforts induits par les vagues sur le dispositif. Cette caractéristique permet de maintenir la position géographique du disposi- tif sur le champ de vagues auquel il est adapté tout en lui laissant l'aptitude de s'orienter naturellement à me-sure que la direction des vagues change. Le positionnement du point d'accroche de la chaîne 9 sur le stator 3 situé en aval du volume de proue 7 et en amont des flotteurs hélicoïdaux 1 et 2 par rap- port au sens de défilement des vagues permet de bénéficier de l'effet dynamique pendulaire avant exercée par la masse du volume de proue et des générateurs 6 d'une part et les efforts dynamiques induits par le défilement des vagues sur les rotors hélicoïdaux 1 et 2 d'autre part. La chaîne disposée à la poupe du dispositif ne doit pas contrarier cet effet. Lorsque le dispositif comprend des safrans, les axes des rotors hélicoïdaux 1 et 2 sont maintenus sensi- blement parallèles à l'axe de propagation des vagues pour notamment réduire l'effet de dérive occasionné par un vent de direction différente de l'axe de propagation des vagues. Les axes parallèles des rotors hélicoïdaux 1 et 2 sont maintenus dans le plan moyen de la surface de la mer grâce au dispositif de ballastage sur la longueur du stator 3. Ceci permet de maintenir les rotors hélicoïdaux 1 et 2 partiellement immergés à la surface de la mer avec le défilement des vagues. Ce dispositif de ballastage permet également d'ajuster le niveau d'immersion du dis-positif, le rendant ainsi submersible. Cette caractéristique permet d'immerger intégralement et temporairement le dispositif afin de le soustraire aux effets des tempêtes qui affectent principalement la surface libre de la mer. Les moyens de stabilisation empêchent le dispositif de s'effacer au passage de la vague et lui permettent de disposer de l'appui nécessaire pour faire travailler les efforts exercés par la vague sur la partie immergée des flotteurs des rotors hélicoïdaux 1 et 2. Le rassemblement de plusieurs dispositifs selon l'invention de taille conséquente à la surface d'un champ de houle à proximité des côtes constitue un véritable parc de production d'électricité.

L'installation d'une ou plusieurs machines de dimensions réduites permet de produire ponctuellement de l'électricité en appoint ou en secours sur des sites côtiers notamment isolés.

La transformation de l'énergie de la houle en énergie électrique permet accessoirement d'atténuer la violence de cette houle en aval du dispositif. Il est ainsi permis d'envisager des applications intéressant la protection des ouvrages en mer, des côtes contre l'agres- Sion de la houle, ou encore des activités humaines d'aquaculture. Le rassemblement de plusieurs dispositifs dans une même zone permet de constituer un barrage flot-tant atténuateur de houle en aval duquel les activités humaines, animales ou végétales pourront d'autant plus facilement s'exercer qu'elles disposeront d'une source d'énergie locale. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, les rotors peuvent comprendre plusieurs flotteurs identiques décalés angulairement les uns par rapport aux autres pour former une hélice. Les surfaces externes des flotteurs peuvent alors être agen- cées pour s'étendre dans le prolongement les unes des autres, ou pas. Ainsi, selon un premier mode de réalisation des flotteurs, représenté à la figure 5, destiné à la production d'énergie électrique de masse à partir d'un parc de machines implantées dans un champ de vagues orientées à proximité des côtes, les rotors hélicoïdaux 1 et 2 de grande longueur de chaque machine sont composés par l'association de plusieurs modules flotteurs identiques de forme principalement tubulaire disposés solidairement en faisceau le long de l'arbre 5. La structure et l'architecture du stator 3 apportent une rigidité axiale pour la liaison avec les rotors hélicoïdaux 1 et 2, notamment par l'ajout d'entretoises, solidaires du stator 3, régulièrement disposées le long des axes des volumes hélicoïdaux 1 et 2 et munies d'une liaison pivot à chaque extrémité permettant de réduire les contraintes induites dans les arbres 5 avec le défilement des vagues. Le dis-positif de ballastage peut notamment ici prendre la forme de compartiments ballastables intégrés dans la structure axiale immergée du stator 3. Selon un autre mode de réalisation plus léger de l'invention, représenté aux figures 6 et 7, destiné à la production locale ponctuelle d'énergie électrique, les rotors hélicoïdaux 1 et 2 sont réalisés grâce à des pou- tres tridimensionnelles tétraèdrées dont le choix particulier des caractéristiques permet de former un maillage volumique de forme globalement hélicoïdale sur un axe continu. Ces poutres tétraèdrées, réalisées à partir de poutrelles standardisées, dont les longueurs sont chai- sies de manière à ce qu'une des arêtes soit toujours sur l'axe du volume hélicoïdal ; tandis que deux autres arêtes définissent la continuité de la forme hélicoïdale. Des flotteurs identiques de forme grossièrement sphérique, pouvant être gonflables, sont intégrés de façon ré- gulière à l'intérieur de la structure en prenant appui sur les 6 poutrelles constituant chaque tétraèdre élémentaire de base. Grâce à cette structure tétraédrée rigide sur sa longueur, le stator 3 ne nécessite pas de liaison pivot intermédiaire. Le dispositif de ballastage 5 se ré- sume à 2 volumes et respectivement placés à l'avant et à l'arrière du dispositif. Par ailleurs, les rotors peuvent définir entre eux un angle compris entre 0° et 30° environ. Les moyens de stabilisation peuvent être répartis le long du stator ou être solidaires du rotor.

Bien que dans le mode de réalisation décrit, le dispositif soit équipé de plusieurs moyens de stabilisation de différents types, le dispositif peut ne comprendre qu'un moyen de stabilisation ou plusieurs moyens de stabilisation d'un seul type.

Claims

REVENDICATIONS1. Dispositif houlomoteur de conversion d'énergie, comprenant un stator (3) pourvu de moyens de son ancrage (9) à au moins un point fixe, et deux rotors (1,
2) comportant chacun au moins un flotteur globalement indéformable pour former une hélice et ayant des longueurs et des diamètres similaires mais des pas d'hélice de sens opposés, les rotors étant montés sur le stator pour pivoter et étant mécaniquement reliés à un générateur (6)tournant de manière à transformer une énergie de déplacement des vagues en énergie électrique, caractérisé en ce que les moyens d'ancrage sont reliés au stator à une proue du dispositif et en ce que le dispositif corn- porte des moyens de stabilisation du dispositif au défi- lement des vagues. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans le-quel les moyens de stabilisation sont solidaires du stator.
3. Dispositif selon la revendication 2, dans le-quel les moyens de stabilisation comprennent une répartition de masse le long du stator favorisant une plongée de la proue du dispositif.
4. Dispositif selon la revendication 2, dans le- quel les moyens de stabilisation sont solidaires d'un vo- lume du stator s'étendant à la proue du dispositif.
5. Dispositif selon la revendication 4, dans le-quel le volume a une forme extérieure favorisant sa plongée.
6. Dispositif selon la revendication 5, dans le-quel le volume est pourvu d'ailerons extérieurs ayant une incidence favorisant la plongée.
7. Dispositif selon la revendication 4, dans le-quel le volume a une masse favorisant sa plongée.
8. Dispositif selon la revendication 7, dans le-quel le volume contient le générateur.
9. Dispositif selon la revendication 2, dans le-quel les moyens de stabilisation sont des moyens dynami- ques mus par au moins un moteur.
10. Dispositif selon la revendication 9, dans le-quel le moteur est piloté via au moins un capteur inertiel.
11. Dispositif selon la revendication 9, dans le- quel le moteur est piloté via au moins un récepteur de géolocalisation.
12. Dispositif selon la revendication 9, dans le-quel le moteur est associé à un module de pilotage à dis-tance.
13. Dispositif selon la revendication 9, dans le-quel le moteur entraîne en rotation au moins un aileron monté sur le stator pour pivoter autour d'un axe sensiblement horizontal.
14. Dispositif selon la revendication 9, dans le- quel le moteur entraîne en rotation au moins un organe de propulsion monté sur le stator pour pivoter.
15. Dispositif selon la revendication 1, dans le-quel au moins une partie des moyens de stabilisation est montée à une poupe du dispositif.
16. Dispositif selon la revendication 1, comprenant des moyens de ballastage agencés pour régler une flottaison du dispositif.
17. Dispositif selon la revendication 16, dans lequel les moyens de ballastage sont agencés pour émerger au moins une partie du stator.
18. Dispositif selon la revendication 16, dans lequel les moyens de ballastage sont agencés pour permettre une immersion totale du dispositif.
19. Dispositif selon la revendication 1, dans le-quel les rotors ont une longueur comprise entre 0,5 et 2 fois le pas d'hélice environ.
20. Dispositif selon la revendication 1, dans le- quel les rotors définissent entre eux un angle compris entre 0° et 30° environ.
21. Dispositif selon la revendication 1, dans le-quel les moyens d'ancrage (4) comprennent un câble (10) relié au stator (3) en aval de la proue du dispositif et en amont des flotteurs hélicoïdaux (1) par rapport au sens de défilement des vagues.
22. Dispositif selon revendication 1, comportant au moins un safran relié à un moteur piloté pour maintenir le dispositif selon un axe de propagation des vagues en contrant une dérive du dispositif.