FR2980245A1 - Dispositif de recuperation d'energie a partir des courants marins ou des cours d'eau - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif 10 pour la production d'énergie à partir de courants marins ou de cours d'eau, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur 16 électrique adapté à transformer l'énergie mécanique en énergie électrique, le générateur 16 étant disposé au dessus de la surface de l'eau, et en ce qu'il comporte une ligne 14 de torsion reliée au générateur 16 électrique d'une part et d'autre part adaptée à être entraînée en torsion par l'intermédiaire d'au moins deux rotors 12 fixés coaxialement sur la ligne 14, et s'étendant dans un plan vertical et adaptés à être entraînés en rotation par les courants d'eau.

Description

Dispositif de récupération d'énergie à partir des courants marins ou des cours d'eau.

La présente invention se rapporte aux dispositifs pour la production d'énergie à partir de courants marins ou de cours d'eau, unidirectionnels tels que les courants océaniques et les courants fluviaux ou bidirectionnels tels les courants estuariens. Plus particulièrement elle concerne un dispositif de production d'énergie permettant la transformation de l'énergie hydraulique en énergie mécanique, qui est ensuite transformée en énergie électrique par un alternateur. Il est connu de l'état de la technique de tels dispositifs de récupération d'énergie constitués par une hydrolienne comprenant une turbine partiellement ou totalement immergée qui utilise l'énergie cinétique des courants d'eau. Le document EP 2216543 décrit un générateur d'énergie électrique à partir de l'écoulement de l'eau. Le générateur comprend un corps rotatif immergé et configuré pour tourner autour d'un axe lui-même relié à une unité de transmission de puissance. Il est aussi connu des documents US 2501696 et W02006054084 des turbines totalement ou partiellement immergées et amarrées au fond de l'eau en vue d'extraire l'énergie cinétique d'un courant de marée ou d'un courant océanique quelle que soit sa direction.

Toutefois ces systèmes présentent un rotor isolé qui ne fournit pas assez de puissance due à la limitation du diamètre de ce dernier par rapport à la profondeur de l'eau ou bien due à la faible vitesse de courant de l'eau. Le but de la présente invention est de pallier ces inconvénients et de proposer un dispositif de récupération d'énergie permettant de fournir plus de 30 puissance que les dispositifs de l'art antérieur, tout en minimisant l'investissement financier. A cet effet le dispositif pour la production d'énergie tel que décrit précédemment est caractérisé en ce qu'il comporte un générateur électrique adapté à transformer l'énergie mécanique en énergie électrique, le générateur 35 étant disposé au dessus de la surface de l'eau, une ligne de torsion reliée au générateur électrique d'une part et d'autre part adaptée à être entraînée en torsion par l'intermédiaire d'au moins deux rotors fixés coaxialement sur la ligne et s'étendant dans un plan sensiblement vertical, et adaptés à être entraînés en rotation par les courants d'eau. Grâce à ces dispositions il est possible de disposer plusieurs rotors sans répercussion sur le coût de la structure de support. Le coût de la ligne est faible. Selon d'autres caractéristiques : la ligne est un élément flexible résistant à la corrosion ; la ligne est constituée de plusieurs éléments rigides consécutifs reliés entre eux par des articulations adaptées à être déformées en torsion de sorte à transmettre le mouvement jusqu'au générateur; deux rotors consécutifs sont espacés d'une distance comprise entre cinq et dix fois le diamètre desdits rotors; la ligne est disposée sensiblement tangente à l'axe de l'arbre du générateur à une première extrémité, et est disposée sensiblement horizontalement au point d'amarrage avec le premier rotor ; le dispositif comporte un multiplicateur de vitesse disposé entre la première extrémité de la ligne et le générateur ; le rotor comporte un réservoir situé au centre du rotor et adapté à stabiliser le rotor à une flottaison déterminée, par remplissage dudit réservoir ; le réservoir est divisé en plusieurs compartiments étanches ; les rotors comportent des pales présentant une face inclinée d'un angle de dévers par rapport au plan perpendiculaire à la ligne et d'un angle de dièdre cx par rapport à un plan longitudinal contenant la ligne l'angle de devers R est compris entre 0° et 60°, de préférence entre 20° et 40° et l'angle de dièdre a est compris entre 20° et 60°, de préférence entre 30° et 50°; le dispositif est réalisé avec un matériau de densité voisine de l'eau environnante ; chaque pale comporte à son extrémité distale un flotteur permettant de simplifier le réglage de la flottabilité ; la ligne est attachée au rotor par des moyens d'attache articulés ; les pales sont montées basculantes sur le rotor.

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit réalisée sur la base des dessins annexés dans lesquels : la figure 1 représente un dispositif de récupération d'énergie selon l'invention, la figure 2 représente une vue en coupe d'un rotor du dispositif selon l'invention, la figure 3 représente une vue de face du rotor illustré à al figure 2, les figures 4a et 4b illustrent respectivement les positions haute et basse du rotor par rapport à la surface de l'eau, et une courbe schématique du mouvement du rotor.

La figure 5 illustre la position du rotor dans l'eau après un choc avec un objet dérivant, Les figures 6a et 6b illustrent le dispositif de récupération d'énergie selon un deuxième mode de réalisation, respectivement dans une première et dans une deuxième position, La figure 7 illustre une vue en coupe d'un rotor selon le deuxième mode de réalisation, La figure 8 illustre une vue en coupe schématique selon un plan perpendiculaire à l'axe du rotor du rotor selon le deuxième mode de réalisation.

Dans la description qui suit, les termes haut, bas, vertical, horizontal seront utilisés selon leurs sens habituels dans le référentiel terrestre. Les hydroliennes permettent d'exploiter l'énergie cinétique causée par le mouvement des masses d'eau, dus notamment aux courants des océans ou des marées. Toutefois, il est nécessaire que les vitesses des courants soient suffisantes pour envisager une exploitation économique de cette forme d'énergie. Les courants sont particulièrement puissants là où la configuration de la côte provoque un renforcement local de vitesse du courant 20. Les sites favorables sont donc toujours localisés à proximité d'un rivage dans des profondeurs d'eau limitées, et par conséquent les dimensions de l'hydrolienne sont limitées par la profondeur de l'endroit où elle est disposée. Il est déjà connu des installations comportant un grand nombre d'hydroliennes implantées les unes à côté des autres, dont l'énergie est exportée à terre par des câbles électriques sous-marins, pour une exploitation à grande échelle. Toutefois, ces dispositions nécessitent une maintenance importante et couteuse, du fait du milieu agressif et difficilement accessible dans lequel elles se trouvent.

La présente invention propose un dispositif 10 de récupération d'énergie à partir des courants marins, fluviaux ou estuariens, permettant d'améliorer le rendement de la puissance récupérée grâce à la mise en place d'une pluralité de rotors 12 d'hydrolienne, tout en minimisant les investissements. Plus particulièrement le dispositif 10 de récupération d'énergie selon l'invention comporte une pluralité de rotors 12 immergés et disposés co-axialement sur une même ligne 14 de support comme cela est visible à la figure 1. La ligne 14 est reliée à une première extrémité à un générateur 16 électrique, lui-même disposé sur une barque 18 ancrée au fond au à la berge. Lorsque le sens du courant 20 est unidirectionnel, par exemple pour les courants océaniques, ou les courants fluviaux, la ligne 14 d'eau est disposée en aval par rapport à la barque 18. La ligne 14 est montée sensiblement tangente à l'axe de l'arbre 22 du générateur 16 de sorte d'éviter toute perte par une pièce intermédiaire et disposée sensiblement horizontale et confondue avec l'axe longitudinal du rotor au point d'amarrage avec le premier rotor. La forme de la ligne 14 peut être ajustée grâce à quelques poids et flotteurs 32 répartis sur sa longueur, notamment pour éviter des courbures importantes, lorsque le courant 20 est très faible et la ligne 14 détendue.

La ligne 14 supporte plusieurs rotors 12 qui sont entraînés chacun par des pales 24 auxquels ils sont attachés. Les rotors 12 sont espacés les uns des autres selon des intervalles réguliers, de préférence d'une distance comprise entre 5 à 10 fois le diamètre du cercle dessiné par les pales 24 en rotation, selon la turbulence locale du site qui dissipe plus ou moins vite le sillage. Les rotors 12 sont montés coaxialement sur la ligne 14. Lorsque le dispositif 10 est installé au travers d'un courant 20 d'eau, les pales 24 sont entrainées en rotation, et la ligne 14, sur laquelle sont fixés les rotors 12, subit un effort de torsion. L'effort de torsion est transmis au générateur 16 capable de transformer l'énergie mécanique en énergie électrique. Selon une première variante de réalisation, la ligne 14 d'eau est un élément flexible résistant à la corrosion. Toutefois, si le couple de torsion est trop élevé et peut entrainer une détérioration irréversible de ce dernier, la ligne 14 peut être composée d'une suite d'éléments rigides reliées entre elles par des articulations en caoutchouc qui assurent la même souplesse tout en permettant la transmission du couple jusqu'au générateur 16. Par exemple, les articulations peuvent être des liaisons de type rotule ou cardan. De manière préférentielle un multiplicateur de vitesse est disposé entre la ligne 14 et le générateur 16 afin de réduire la masse et le coût de ce dernier. Afin de stabiliser les rotors 12, la flottabilité de ces derniers est réglée de sorte que les pales 24 affleurent juste sous la surface de l'eau. A cet effet le rotor comprend un réservoir 26, ou ballast, rempli partiellement d'eau qui permet d'assurer la stabilité du rotor à un niveau immergé déterminé. Lorsque le courant 20 est faible, la rotation du rotor est lente. L'air est toujours en haut dans le réservoir 26. Le centre de gravité 28 du rotor est alors en-dessous du centre de flottabilité 30 qui est quasiment sur l'axe. Ceci permet au rotor de se tenir spontanément vertical dans l'eau, même en l'absence des efforts horizontaux de la ligne 14. De manière préférentielle, les réservoirs 26 sont idéalement remplis d'eau à moitié. Pour cette valeur de remplissage, le couple de stabilisation apporté par l'eau est maximal. Selon une variante de réalisation, le réservoir 26 est divisé en plusieurs compartiments étanches les uns par rapport aux autres, comme cela est visible sur la figure 2. Le cloisonnement est effectué dans des plans perpendiculaires à l'axe de rotation du rotor de manière à limiter le déplacement des liquides. Grâce à ces dispositions, il est possible d'obtenir un volume de réservoir 26 important assurant une meilleure stabilité, sans risquer qu'un phénomène de carène liquide ne se produise. Le réglage de la flottabilité peut être simplifié en ajoutant à l'extrémité de chaque pale un flotteur comme cela est visible à la figure 3.

De préférence, la flottabilité est réglée à zéro, de sorte à minimiser les parties insubmersibles. En effet le déplacement vertical du rotor autour de sa position moyenne au cours d'une rotation augmente avec la réserve de flottabilité. Plus celle-ci est important, plus la pale sort de l'eau et fait replonger le rotor à chaque passage de pale. Ce phénomène provoque une perte d'énergie, puisque le chemin parcouru dans l'air par la pale est plus important lors de la montée hors de l'eau que lors de la redescente. Il est donc nécessaire de rechercher le minimum de flottabilité pour annuler tous ces problèmes. A cet effet le poids de la pale émergée doit être contrebalancé par le poids du réservoir 26 d'eau, en tenant compte des bras de levier respectifs.

Lorsque le dispositif 10 pour la production d'énergie selon l'invention est mis au travers d'un courant 20 d'eau, le générateur 16 étant situé en amont et la ligne 14 en aval, les multiples rotors 12 sont entraînés en rotation, et la ligne 14 est soumise à un effort de torsion qui est transmis au générateur 16. Il est ainsi possible de disposer plusieurs rotors 12 sans répercussion sur le coût du dispositif 10.

Selon une variante de réalisation, les pales 24 associées à chaque rotor présentent, dans le plan vertical contenant l'axe de rotation, un premier angle d'inclinaison, dit angle de dièdre a , par rapport à l'axe de rotation, et présente, dans le plan vertical perpendiculaire à l'axe de rotation, un deuxième angle p d'inclinaison, par rapport à un axe verticale, de sorte à ce que les pales 24 soient en dévers. Cette configuration permet d'éviter le risque d'accrochage de débris flottants sur les pales 24. Les débris peuvent aisément glisser vers l'arrière et s'échapper. De plus l'angle de dièdre a favorise le maintien spontané de l'axe de rotation dans le cours d'eau et améliore ainsi la stabilisation des rotors 12.

Toutefois, en cas de choc important avec un objet flottant volumineux, la ligne 14 est réalisée déformable, comme visible sur la figure 5, de sorte que le rotor soit dévié pour limiter l'effort d'encaissement du choc. De plus, pour résister aux chocs avec les objets flottants tels que des troncs d'arbre, le dispositif est réalisé avec un matériau de densité voisine de l'eau environnante 1. Par exemple, les pales 24 sont réalisées en matériau hybride métal-composite, en bois lamellé-collé ou en contreplaqué marine. Ainsi en cas de choc, comme cela est visible sur al figure 5, le rotor plonge sous l'objet. Les articulations au niveau des points d'attache de la ligne 14 permettent le basculement du rotor, ce qui limite l'effort sur la pale qui subit le choc. De même l'angle de dièdre a atténue l'effet du choc. Le premier mode de réalisation décrit précédemment concerne un dispositif 10 de récupération d'énergie mis en place au travers d'un courant 20 d'eau unidirectionnel. L'invention porte aussi sur un tel dispositif 10 adapté à fonctionner pour un courant 20 d'eau bi-directionnel, tel que les courants des marées et les courants d'eau des estuaires, et qui sera décrit dans un deuxième mode de réalisation. Le dispositif 10 de récupération d'énergie selon le deuxième mode de réalisation est visible sur les figures 6a, 6b et 7 annexées. Le dispositif 10 est adapté à fonctionner pour un premier sens de courant 20 et pour un deuxième sens inversé. Dans ce mode de réalisation, la ligne 14 est fixée à une barque 18a amont sur laquelle se trouver le générateur 16 et une barque 18b aval qui porte un simple palier-butée. La distance entre les barques est telle que l'attelage est suffisamment tendu. Les rotors 12 sont prévus pour fonctionner dans les deux sens de courant 20, et les pales 24 des rotors 12 sont dessinées symétriques. Pour éviter l'accumulation de débris sur les rotors 12, un dévers n'est pas indispensable, puisque la rotation change fréquemment de sens, si bien qu'un débris accroché se dégage au plus quelques heures après sa capture. En revanche, un fort angle de dièdre a est utile pour stabiliser la position des rotors 12 et limiter les efforts sur les pales 24 en cas de choc avec un objet dérivant. Lorsque le courant 20 change, les pales 24 basculent autour d'un axe d'articulation sensiblement horizontal de sorte que l'angle de dièdre a soit symétrique par rapport à l'axe vertical. De manière préférentielle, l'angle de dièdre a est compris entre 30° et 45°. D'autre part le profil des pales 24 est symétrique par rapport à l'axe central de la pale. Lorsque la pale se renverse, elle tourne d'un angle important, de l'ordre de 60° à 90°. Afin de ne pas freiner le mouvement de basculement, la pale et le corps du rotor sont espacés l'un de l'autre au niveau des articulations, de sorte à limiter les frottements entre ces deux éléments. Les pales 24 présentent à leur extrémité intérieure situées dans le corps du rotor, une patte d'appui qui est en contact, selon leur position basculée, avec une des parois délimitant l'un ou l'autre des compartiments du réservoir 26, comme visible sur la figure 7. Dans cette configuration, la partie centrale entre les compartiments est ouverte sur le milieu ambiant, de façon que la boue ne reste pas emprisonnée. Les pattes peuvent avantageusement être munies de ressorts, ou s'appuyer sur des ressorts montés dans la partie centrale. En cas de choc avec un objet dérivant, la pale peut alors basculer d'un angle supérieur au dièdre a normal, ce qui limite l'effet de choc et favorise le dégagement de l'objet.

De préférence, le poids des pales 24 est ajusté de sorte que le basculement n'introduise que des forces parasites limitées et ne perturbe pas la stabilité dans le plan vertical du rotor.

Claims (13)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif pour la production d'énergie à partir de courants marins ou de cours d'eau, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur (16) électrique adapté à transformer l'énergie mécanique en énergie électrique, le générateur (16) étant disposé au dessus de la surface de l'eau, et en ce qu'il comporte une ligne (14) de torsion reliée au générateur (16) électrique d'une part et d'autre part adaptée à être entraînée en torsion par l'intermédiaire d'au moins deux rotors (12) fixés coaxialement sur la ligne (14), et s'étendant dans un plan vertical et adaptés à être entraînés en rotation par les courants d'eau.
2. 2. Dispositif pour la production d'énergie selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ligne (14) est un élément flexible résistant à la corrosion.
3. 3. Dispositif pour la production d'énergie selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ligne (14) est constituée de plusieurs éléments rigides consécutifs reliés entre eux par des articulations adaptées à être déformées en torsion de sorte à transmettre le mouvement jusqu'au générateur (16).
4. 4. Dispositif pour la production d'énergie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que deux rotors (12) consécutifs sont espacés d'une distance comprise entre cinq et dix fois le diamètre desdits rotors (12).
5. 5. Dispositif pour la production d'énergie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ligne (14) est disposée sensiblement tangente à l'axe de l'arbre (22) du générateur (16) à une première extrémité, et est disposée sensiblement horizontalement au point d'amarrage avec le premier rotor.
6. 6. Dispositif pour la production d'énergie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un multiplicateur de vitesse est disposé entre la première extrémité de la ligne (14) et le générateur(16).
7. 7. Dispositif pour la production d'énergie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rotor comporte un réservoir (26) situé au centre du rotor et adapté à stabiliser le rotor à une flottaison déterminée, par remplissage dudit réservoir (26).
8. 8. Dispositif pour la production d'énergie selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le réservoir (26) est divisé en plusieurs compartiments étanches.
9. 9. Dispositif pour la production d'énergie selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les rotors (12) comportent des pales (24) présentant une face inclinée d'un angle de dévers 13 par rapport au plan perpendiculaire à la ligne (14) et d'un angle de dièdre a par rapport à un plan longitudinal contenant la ligne (14), l'angle de devers est compris entre 0° et 60°, de préférence entre 20° et 40° et l'angle de dièdre a est compris entre 20° et 60°, de préférence entre 30° et 50°.
10. 10. Dispositif pour la production d'énergie selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit dispositif est réalisé avec un matériau de densité voisine de l'eau environnante.
11. 11. Dispositif pour la production d'énergie selon la revendication précédente, caractérisé en ce que chaque pale (24) comporte à son extrémité distale un flotteur (32) permettant de simplifier le réglage de la flottabilité.
12. 12. Dispositif pour la production d'énergie selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la ligne (14) est attachée au rotor par des moyens d'attache articulés.
13. 13. Dispositif pour la production d'énergie selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les pales (24) sont montées basculantes sur le rotor.