FR3033003A1 - Systeme de generation de vagues dans un bassin - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un système de génération de vagues dans un bassin, ledit système comporte, au niveau d'au moins une paroi dudit bassin, au moins une bouche d'arrivée d'eau reliée à une source d'approvisionnement par un réseau de conduites, ledit réseau de conduites comportant au moins une pompe apte à échanger de l'eau alternativement de la source d'approvisionnement vers le bassin et inversement, ladite pompe étant pilotée de manière à générer au niveau de la bouche d'arrivée d'eau un débit oscillant orienté alternativement vers le bassin puis vers la source d'approvisionnement.

Description

1 L'invention concerne un système de génération de vagues dans un bassin. L'invention concerne également un système de récupération de l'énergie des vagues. La génération de vagues dans un bassin se fait habituellement l'aide de dispositifs mécaniques oscillants, tels que des flotteurs ou des batteurs à volets verticaux. Ces dispositifs oscillent verticalement ou horizontalement en déplaçant un volume d'eau, ce qui permet de générer des vagues.

Une génération de courant est également possible à l'aide de pompes usuellement placées sur les bords ou au fond du bassin. Dans ce cas, un fonctionnement en boucle fermée est possible grâce à une conduite de recirculation placée sous le bassin.

De tels systèmes de génération de vagues présentent généralement des problèmes liés à leur complexité mécanique. Cette complexité est due notamment à la présence de nombreuses pièces mobiles, et, dans le cas de batteurs à volets verticaux de type « dry-back », à la nécessité de compenser la poussée hydrostatique s'appliquant du côté mouillé du batteur. Un autre problème de tels systèmes de génération de vagues est qu'ils nécessitent de prévoir des butées de fin de courses limitant les amplitudes maximales des mouvements. Cette limitation de l'amplitude du mouvement limite également l'amplitude des vagues générées. Un autre problème de tels systèmes est que la génération combinée de vagues et de courant nécessite de mettre en oeuvre deux types de dispositifs : des flotteurs, 3033003 2 par exemple, pour la génération de vagues et des pompes pour la génération de courant. Ceci est source de complexité supplémentaire. Concernant la récupération d'énergie des vagues, 5 appelée aussi énergie houlomotrice, des systèmes de récupération d'énergie mettant en oeuvre des turbines existent, néanmoins ces systèmes sont : - Soit simples et peu coûteux, mais également peu efficaces tels que les systèmes à déferlement ou à 10 colonnes d'eau oscillante ; - Soit performants, mais complexes et coûteux tels que les systèmes oscillants avec un contrôle actif. Il en résulte que dans les deux cas le coût de l'énergie est trop élevé par rapport au marché.

15 Un objectif de l'invention est de résoudre les problèmes des systèmes de génération de vagues dans un bassin connus de l'état de la technique. L'invention vise notamment à proposer un système de génération de vagues dans un bassin qui soit simple et efficace, et ne soit pas 20 limité mécaniquement pour l'amplitude des vagues générées. L'invention vise également à proposer un système de génération simultanée de vagues et de courant qui soit simple et facile à mettre en oeuvre. Un autre objectif de l'invention est de proposer un 25 système de récupération d'énergie des vagues qui soit à la fois simple, peu couteux et performant. L'invention concerne un système de génération de vagues dans un bassin, caractérisé en ce qu'il comporte, au niveau d'au moins une paroi dudit bassin, au moins une 3033003 3 bouche d'arrivée d'eau reliée à une source d'approvisionnement par un réseau de conduites, ledit réseau de conduites comportant au moins une pompe apte à échanger de l'eau alternativement de la source 5 d'approvisionnement vers ledit bassin et inversement, ladite pompe étant pilotée de manière à générer au niveau de la bouche d'arrivée d'eau un débit oscillant orienté alternativement vers le bassin puis vers la source d'approvisionnement.

10 Ainsi, le système selon l'invention utilise des pompes pour la génération de vagues. Celles-ci génèrent un débit oscillant qui crée localement une variation verticale de l'élévation de surface de l'eau, cette variation se propage et génère ainsi efficacement des 15 vagues. En termes plus techniques, le débit oscillant crée une condition aux limites dans le fluide qui imite localement la cinématique des vagues. La propagation de cette condition aux limites génère ainsi des vagues.

20 De plus, l'utilisation de pompes permet de s'affranchir des butées de fin de course qui limitent les amplitudes maximales des mouvements. Ainsi, l'amplitude des vagues générées n'est également pas limitée par ces butées.

25 Par débit oscillant, on entend un écoulement dont la quantité d'eau par seconde oscille entre une valeur minimale et une valeur maximale. La pompe utilisée dans ce système peut être tout type de pompe apte à pomper l'eau du réservoir vers le bassin 3033003 4 et inversement. On peut, par exemple, utiliser tout type de motopompe, en particulier, une pompe à hélice. Selon une réalisation de l'invention, le débit oscillant généré a une moyenne non nulle. Le fait d'imposer 5 un écoulement oscillant à débit moyen non nul, permet de générer un courant en plus de vagues. Ainsi, le même dispositif servant à générer des vagues sert également générer un courant. De cette façon, on peut générer simultanément des vagues et du courant sans aucun besoin 10 d'ajouter des dispositifs supplémentaires. Selon une autre réalisation de l'invention, le système comporte aussi un convergent ayant des parois inclinées, placé en sortie de la bouche d'arrivée d'eau. Un tel convergent permet de diffuser le jet généré par la 15 pompe pour éviter qu'il soit concentré en zone réduite. Ceci permet d'optimiser le profil de l'écoulement créé de telle sorte à s'approcher au mieux d'un profil classique d'une vague. Ainsi, on améliore encore plus les performances du dispositif.

20 Avantageusement, la sortie de la bouche d'arrivée d'eau est pourvue d'une structure en forme d'un nid d'abeille. Une telle structure en forme de nid d'abeille permet de casser d'éventuelles structures tourbillonnaires qui seraient générées par la pompe.

25 Selon un mode de réalisation, l'approvisionnement de la pompe en eau se fait à partir d'un réservoir situé en amont de la bouche d'arrivée d'eau. Selon une variante, l'approvisionnement de la pompe en eau se fait directement dans le bassin, le réseau de 3033003 5 conduites reliant la bouche d'arrivée d'eau à au moins une ouverture au fond du bassin. De préférence le réseau de conduites relie la bouche d'arrivée d'eau à plusieurs ouvertures au fond du bassin. Un tel approvisionnement 5 directement au fond du bassin a l'avantage de ne pas nécessiter de réservoir supplémentaire. Avantageusement, la ou les ouverture(s) au fond du bassin est (sont) située(s) à une extrémité opposée celle comportant la conduite de génération de vagues. Ceci 10 permet de ne pas perturber la génération de vagues. Avantageusement, l'ouverture au fond du bassin a une forme évasée. Une telle forme, permet également de limiter les perturbations à la génération de vagues. Selon un autre mode de réalisation, la bouche 15 d'arrivée d'eau est intégrée à une structure maintenue flottante par coulissement le long d'une colonne de guidage verticale. Le fait que la bouche d'arrivée d'eau soit intégrée à une structure flottante permet d'optimiser la génération de vagues. En effet, dans ce cas 20 l'écoulement oscillant est généré près de la surface de l'eau tout en évitant la prise d'air lorsque la pompe fonctionne en aspiration. Avantageusement, la pompe est placée en amont de la bouche d'arrivée d'eau sur un support se trouvant au 25 dessus du niveau de l'eau. Cette configuration permet notamment de faciliter l'accès à la pompe pour la maintenance. Selon une variante, le système de génération de vagues comporte plusieurs bouches d'arrivée d'eau placées 3033003 6 les unes au dessus des autres. L'invention concerne également un système de récupération d'énergie des vagues en mer, caractérisé en ce qu'il comporte une structure de support étanche 5 comportant au moins une bouche d'arrivée d'eau reliée à un réseau de conduites d'évacuation d'eau, ledit réseau de conduites d'évacuation d'eau comportant, - au moins une pompe pilotée de sorte à générer une perte de charge proportionnelle à l'accélération de 10 l'écoulement d'eau dans le but de réduire les effets d'inertie liée à la masse d'eau contenue dans le réseau de conduites, et - au moins une turbine actionnée par l'écoulement d'eau pour produire une énergie électrique.

15 Ainsi, le système de récupération d'énergie proposé par l'invention est simple et peu couteux puisqu'il repose sur l'utilisation de pompes pour la génération d'un écoulement et de turbines pour la production d'énergie électrique. De plus, le pilotage de l'écoulement permet de 20 réduire l'inertie apparente du système. De ce fait, le rendement de la turbine lors des cycles de récupération d'énergie est amélioré. Ainsi, le rendement global du système est également amélioré. Par réduction de l'inertie apparente, on entend le 25 fait que, sans pilotage, le système se comporte comme un ensemble masse-amortisseur soumis à une force d'excitation. Pour maximiser le rendement global, la vitesse de l'écoulement doit être en phase avec la force d'excitation. Sans pilotage, le terme de masse est 3033003 7 dominant. La vitesse de l'écoulement est alors déphasée de 90° par rapport à la force d'excitation. Le rendement global est faible. Avec le pilotage de l'écoulement par la pompe, on réduit la masse apparente de telle sorte que le 5 terme d'amortissement soit dominant. La vitesse de l'écoulement est alors en phase avec la force d'excitation et le rendement global est considérablement amélioré. Il est à noter que le réseau d'évacuation d'eau sert aussi de réseau d'alimentation de la pompe en eau lorsque 10 celle-ci est en mode refoulement. La pompe utilisée dans ce système de récupération d'énergie peut également être tout type de pompe apte à pomper l'eau du réservoir vers le bassin et inversement. On peut, par exemple, utiliser tout type de motopompe, en 15 particulier une pompe à hélice. Selon une variante, la pompe et la turbine sont couplées. Par couplée, on entend le fait que la pompe et la turbine appartiennent au même dispositif ou forment le même dispositif. Par exemple, la turbine peut être 20 remplacée par les hélices d'une pompe à hélices. Selon une application, la vitesse de l'écoulement est mesurée par un capteur positionné dans le réseau de conduite. Un tel capteur est par exemple un débitmètre. Selon une réalisation de l'invention, la structure de 25 support étanche est un mur d'une digue. Ainsi, on peut installer ce système en faible profondeur d'eau sur le mur d'une digue, par exemple. De cette façon on mutualise la protection du trait de côte et la production d'énergie.

3033003 8 Selon un autre mode de réalisation, la bouche d'arrivée d'eau est montée flottante sur un flotteur maintenu en position par des lignes d'ancrage. Cette structure permet l'installation du système en grande 5 profondeur. Selon une réalisation de l'invention, l'évacuation d'eau se fait directement dans la mer, une conduite verticale étant émergée à une profondeur déterminée. Dans le cas où le système est positionné en grande profondeur, 10 la conduite est émergée directement dans l'eau à une profondeur déterminée considérée comme suffisante. Une telle profondeur doit être au moins égale à la demi-longueur d'onde de la vague dominante sur site. Une telle conduite peut être maintenue en position par une structure 15 solide. D'autre part, dans le cas d'un système positionné à faible profondeur, il est préférable que la conduite traverse le mur de la digue et débouche au large. On entend par vague dominante sur site, la vague qui se reproduit le plus souvent dans une zone.

20 Selon une autre réalisation de l'invention, la sortie de la bouche d'arrivée d'eau est pourvue d'un convergent à parois inclinées. Ces parois inclinées présentent l'avantage de concentrer l'écoulement d'eau à l'entrée de cette bouche d'arrivée d'eau.

25 D'autres caractéristiques et avantages apparaitront plus clairement à la lecture de la description suivante, de modes de réalisation préférés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en relation avec les dessins annexés où : - la figure 1 représente un système de 3033003 9 génération de vagues dans un bassin selon l'invention sans lequel l'approvisionnement de la pompe en eau se fait par un réservoir situé en amont de la bouche d'arrivée d'eau ; 5 la figure 2 représente une variante du système de la figure 1 dans laquelle l'approvisionnement de la pompe en eau se fait directement dans le bassin ; - la figure 3 représente une variante du 10 système de la figure 2 dans laquelle la bouche d'arrivée d'eau est flottante ; les figures 4 et 5 représentent deux variantes d'un système de récupération d'énergie des vagues utilisable en basse profondeur ; 15 la figure 6 représente un système de récupération d'énergie des vagues utilisable en grande profondeur. Génération de vagues 20 Un exemple de système de génération de vagues dans un bassin 1 est représenté par la figure 1. Ce système comporte une bouche d'arrivée d'eau 2 comprenant une conduite 3 à travers laquelle le bassin 1 communique avec un réservoir 4. Une pompe 5 positionnée dans la conduite 3 25 est pilotée de manière à générer un écoulement d'eau ayant un débit oscillant orienté alternativement vers le bassin 1 puis vers le réservoir 4. L'écoulement à débit oscillant ainsi créé permet de générer des vagues 6 dans le bassin 1.

30 Dans l'exemple de la figure 1, la bouche d'arrivée d'eau 2 comporte un convergent ayant des parois inclinées 3033003 10 7. Ce convergent permet de diffuser l'écoulement généré par la pompe pour éviter qu'il soit concentré dans une zone réduite. Le fait de diffuser l'écoulement généré permet d'avoir des vagues avec un meilleur profil, c'est- 5 à-dire s'approchant du profil des vagues en mer. La bouche d'arrivée d'eau 2 est également équipée à sa sortie d'une structure en forme d'un nid d'abeille 7. Cette structure 8 permet de casser d'éventuelles structures tourbillonnaires qui seraient générées par la 10 pompe. Le système de génération de vagues de la figure 1 permet également de générer un courant sans besoin d'ajouter d'autres dispositifs. Pour cela, on impose un débit moyen non nul à l'écoulement oscillant généré à la 15 sortie de la bouche d'arrivée d'eau. On désigne par débit positif le débit généré par la pompe lorsque celle-ci est orientée dans un sens préféré, par exemple vers le bassin. Lorsque la pompe est orientée en sens inverse du sens préféré, le débit est considéré 20 négatif. Par débit moyen non nul on désigne le fait que l'écoulement oscillant généré par la pompe est orientée plus dans un sens que dans l'autre. Ainsi, pour générer un courant dans le bassin, la pompe est plus orientée dans le sens du bassin que dans le sens inverse.

25 Un deuxième exemple de réalisation d'un système de génération de vagues selon l'invention est représenté par la figure 2. Ce système est identique au système précèdent sauf en ce qui concerne la source d'approvisionnement de la pompe. Au lieu d'avoir un réservoir, 3033003 11 l'approvisionnement de la pompe 15 se fait directement dans le bassin 10. Cet approvisionnement se fait par une conduite 19 via une ouverture 11 qui se trouve au fond du bassin. Pour ne pas perturber la génération de vagues dans 5 le bassin, il est préférable que cette ouverture soit le plus loin possible de la bouche d'arrivée d'eau 12. Il est également préférable que cette ouverture ait une forme évasée. Cette ouverture 11 peut aussi être remplacée par plusieurs petites ouvertures au fond du bassin 10 reliées 10 à la conduite 19. La figure 3 représente une variante du mode de réalisation de la figure 2. Dans ce cas la bouche d'arrivée d'eau 22 est montée flottante par coulissement le long d'une colonne de guidage verticale 31. Cet 15 agencement permet de générer un écoulement oscillant proche de la surface de l'eau. Cet agencement permet également d'éviter la prise d'air lorsque la pompe fonctionne en aspiration puisque la bouche d'arrivée d'eau 22 suit la baisse et la montée du niveau d'au de la vague, 20 c'est-à-dire le passage d'une crête à un creux. Pour améliorer encore plus le système de génération de vagues, la pompe 25 est montée en amont de la bouche d'arrivée d'eau sur un support 32 se trouvant au dessus du niveau de l'eau. La pompe 25 est reliée à la bouche d'arrivée d'eau 25 22 par une conduite souple 30. Les autres éléments de ce système de génération de vagues sont inchangés par rapport au système de la figure 2. Le fonctionnement de la pompe reste également identique aux deux exemples précédents. Récupération d'énergie des vagues 30 Un exemple de système de récupération d'énergie des 3033003 12 vagues 100 en mer est représenté par la figure 4. Ce système comporte une bouche d'arrivée d'eau 101 comprenant une conduite 102 à reliée à un réservoir 103. Cette conduite 102 comporte un couple pompe/turbine 104 piloté 5 de manière à générer efficacement une énergie électrique à partir de l'énergie cinétique des vagues. La bouche d'arrivée d'eau est positionnée dans une structure étanche 105, par exemple le mur d'une digue. Un convergent 106 ayant des parois inclinées est positionné sur cette 10 structure étanche 105 à l'entrée de la bouche d'arrivée d'eau de manière à converger le flux d'eau vers l'entrée de cette bouche d'arrivée d'eau, ce qui a pour effet d'accélérer l'écoulement. Pour optimiser le rendement de la turbine, la pompe 15 est pilotée de manière à produire une perte de charge proportionnelle à l'accélération afin de réduire l'inertie apparente de l'eau contenue dans le réseau de conduites. Pour ce faire, un capteur 107 positionné dans la conduite mesure la vitesse de l'écoulement de façon continue.

20 La figure 5 représente un deuxième mode de réalisation d'un système de récupération d'énergie des vagues selon l'invention. Ce système est identique au système de la figure 4, sauf en ce qui concerne l'évacuation d'eau et l'approvisionnement de la pompe. Au 25 lieu d'avoir un réservoir, l'évacuation d'eau lorsque la pompe est aspirante et l'approvisionnement de la pompe lorsqu'elle est en mode refoulement, ce font par une conduite 108 via une ouverture 109 dans la structure étanche 105. Il préférable que cette ouverture 109 soit le 30 plus profond possible pour éviter de perturber les mesure du capteur 107. Il est également préférable de faire 3033003 13 déboucher cette conduite plus au large, c'est-à-dire, le plus loin possible du capteur. La figure 6 représente un système de récupération d'énergie des vagues selon l'invention utilisable en 5 grande profondeur. Dans ce système, la bouche d'arrivée d'eau 200 est montée sur un flotteur 201 maintenu en position par des lignes d'ancrage 202. La bouche d'arrivée d'eau 200 est liée à une conduite 203 émergée dans l'eau à une profondeur suffisante, par 10 exemple de 50m au dessous du niveau de l'eau. Celle-ci se termine par une ouverture en forme de convergent 204. Une structure solide 205, solidaire de la structure 201, sert au maintient de la conduite 203. De la même manière que pour les modes de réalisations décrits en référence aux 15 figures 4 et 5, le couple pompe/turbine 206 coopère avec un capteur 207 positionné en amont de la bouche d'arrivée d'eau 200. Le pilotage de ce système reste également identique aux systèmes des figures 4 et 5. Optionnellement ce système comporte aussi un 20 convergent positionné à l'entrée de la bouche d'arrivée d'eau pour concentrer l'écoulement d'eau à l'entrée de cette bouche d'arrivée d'eau 200.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Système de génération de vagues dans un bassin, caractérisé en ce qu'il comporte, au niveau d'au moins une 5 paroi dudit bassin, au moins une bouche d'arrivée d'eau reliée à une source d'approvisionnement par un réseau de conduites, ledit réseau de conduites comportant au moins une pompe apte à échanger de l'eau alternativement de la source d'approvisionnement vers le bassin et inversement, 10 ladite pompe étant pilotée de manière à générer au niveau de la bouche d'arrivée d'eau un débit oscillant orienté alternativement vers le bassin puis vers la source d'approvisionnement.
2. 2. Système de génération de vagues selon la 15 revendication 1, caractérisé en ce que ladite pompe est une motopompe.
3. 3. Système de génération de vagues selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite pompe est une pompe à hélice. 20
4. 4. Système de génération de vagues selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit débit oscillant a une moyenne non nulle.
5. 5. système selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte aussi un convergent ayant 25 des parois inclinées, placé en sortie de la bouche d'arrivée d'eau.
6. 6. Système de génération de vagues selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sortie de la bouche d'arrivée d'eau est pourvue d'une 3033003 15 structure en forme d'un nid d'abeille.
7. 7. Système de génération de vagues selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'approvisionnement de la pompe en eau se fait à partir d'un réservoir situé en amont de ladite bouche d'arrivée d'eau.
8. 8. Système de génération de vagues selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'approvisionnement de la pompe en eau se fait directement dans le bassin, le réseau de conduites reliant la bouche d'arrivée d'eau à au moins une ouverture au fond du bassin.
9. 9. Système de génération de vagues selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite ouverture au 15 fond du bassin a une forme évasée.
10. 10. Système de génération de vagues selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la bouche d'arrivée d'eau est intégrée à une structure 20 maintenue flottante par coulissement le long d'une colonne de guidage verticale.
11. 11. Système de génération de vagues selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il 25 comporte plusieurs bouches d'arrivée d'eau placées les unes au dessus des autres.