FR3067410A1 - Hydrolienne a embase profilee et a rotor horizontal de type darrieus - Google Patents

Hydrolienne a embase profilee et a rotor horizontal de type darrieus Download PDF

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Abstract

L invention concerne une hydrolienne à rotor de type Darrieus à axe horizontal ayant la particularité d avoir une embase gravitaire profilée, et équipée de ballasts. L invention comporte un rotor horizontal de type Darrieus dont l arbre (10) se prolonge dans un caisson étanche (30) contenant une génératrice ou tout ensemble de récupération d énergie. L ensemble est fixé sur une embase gravitaire (40) dont le profil est spécialement déterminé pour optimiser l écoulement de l eau dans le rotor et gagner en puissance. Le poids élevé de l embase garantit la stabilité de l ensemble dans le courant. Des ballasts permettent d installer facilement l hydrolienne en la coulant, ou bien de la remonter pour des opérations de maintenance. L invention est particulièrement destinée à faire baisser les coûts de l électricité hydrolienne en augmentant le rendement, et en simplifiant les opérations d installation et de maintenance.

Description

HYDROLIENNE a EMBASE PROFILEE ET A ROTOR HORIZONTAL DE TYPE DARRIEUS.
FR 3 067 410 - A1 _ L'invention concerne une hydrolienne à rotor de type Darrieus à axe horizontal ayant la particularité d'avoir une embase gravitaire profilée, et équipée de ballasts.
L'invention comporte un rotor horizontal de type Darrieus dont l'arbre (10) se prolonge dans un caisson étanche (30) contenant une génératrice ou tout ensemble de récupération d'énergie. L'ensemble est fixé sur une embase gravitaire (40) dont le profil est spécialement déterminé pour optimiser l'écoulement de l'eau dans le rotor et gagner en puissance. Le poids élevé de l'embase garantit la stabilité de l'ensemble dans le courant. Des ballasts permettent d'installer facilement l'hydrolienne en la coulant, ou bien de la remonter pour des opérations de maintenance.
L'invention est particulièrement destinée à faire baisser les coûts de l'électricité hydrolienne en augmentant le rendement, et en simplifiant les opérations d'installation et de maintenance.
Domaine de l’invention
La présente invention concerne une hydrolienne à rotor de type Darrieus, c’est à dire une machine dont les pales tournent autour d’un axe transversal au flux liquide. Plus particulièrement, cette invention concerne une hydroliennes de type Darrieus à axe horizontal, pour laquelle des solutions spécifiques ont été apportées pour en améliorer le rendement, pour en assurer la stabilité malgré le courant, et pour faciliter les opérations d’installation et de relevage pour maintenance.
État de la technique
L’hydrolienne moderne est une machine comportant une ou plusieurs turbines immergées permettant de transformer l’énergie cinétique d’un courant d’eau en énergie mécanique puis généralement en énergie électrique. Il existe des hydroliennes munie d’une ou plusieurs hélices tournant face au courant. C’est le cas du brevet EP2620635B1. Il existe aussi des machines fonctionnant avec un rotor de type Darrieus, c’est à dire avec des pales tournant autour d’un axe perpendiculaire au flux. Ce type de pale a été breveté dès 1926 (FR604390) par l’inventeur qui leur a donné son nom. Cette géométrie a d’abord été appliquée aux éoliennes, avant d’être ensuite utilisée pour les hydroliennes. Certaines hydrolienne de type Darrieus sont à axe vertical (brevet EP2635801B1) et d’autres à axe horizontal (brevets US 707857 et EP 2010782A). L’axe vertical à l’avantage de pouvoir s’affranchir de la direction du courant, et de garder la génératrice électrique en dehors de l’eau. Cependant, la longueur de l’axe est limitée par la profondeur ce qui limite la puissance. En revanche, les machines à axe horizontal peuvent comporter plusieurs groupes de pales le long d’un même arbre (comme illustré sur le brevet WO 2008051455) ce qui permet d’augmenter la puissance indépendamment des limites de profondeur. Par contre, les opérations d’inspection et de maintenance sont plus délicates sur la génératrice qui est sous l’eau. Des projets pilote d’hydrolienne Darrieus à axe horizontal ont été réalisé au Canada et en Alaska.
Les hydroliennes peuvent être soit flottantes, soit disposées sur le fond. Les machines flottantes sont plus simples à installer et bénéficient d’un flux de courant plus important (la vitesse du courant diminue à l’approche du fond), et sont moins sujettes aux turbulences engendrées par le relief et les aspérités sous-marines. Leur mobilité permet de les orienter exactement dans le courant. Cependant, leur positionnement en surface les rend plus sensibles à la fatigue engendrée par les mouvements de houle. De plus, ce sont des obstacles à la navigation ce qui augmente le risque de collision avec des navires. Les machines fonctionnant au fond ne présentent pas ces risques, mais leur installation est plus complexe. Elles nécessitent généralement des coûteux moyens de levage. Dans le cas d’une machine fonctionnant dans des courants de marée, la fenêtre d’installation correspond à la durée de l’étale. Il y a un risque critique si cette installation est retardée et doit se terminer quand le courant devient fort.
Pour éviter les levages, un système est proposé pour faire de l’installation en flottaison (brevet FR 2 973 842).
Les hydroliennes qui fonctionnent sur le fond peuvent être posées, à condition que leur poids soit suffisant pour garantir leur stabilité malgré la pression exercée par le courant. Le poids impose une grue de grande capacité. L’autre possibilité est d’ancrer l’hydrolienne. Dans ce cas, la mise en place des pieux d’ancrage est aussi une opération délicate du fait du courant.
Pour améliorer le rendement, certaines hydroliennes sont proposées avec des déflecteurs (voir brevet EP2635801B1) qui permettent de canaliser le flux vers les pales de la turbine. Cependant, ce sont des pièces rajoutées, donc pesantes et coûteuses.
Cette étude de la technologie antérieure montre qu’il n’y aucune machine qui présente simultanément les caractéristiques suivantes :
Un rotor Darrieus horizontal pour ne pas être limité en puissance,
Un flux canalisé sans rajouter de déflecteurs,
Une installation rapide (moins de 30min) sans moyens de levage.
L’objet de la présente invention est de proposer une hydrolienne à rotor Darrieus horizontal, qui ne présente pas les inconvénients de l’art antérieur, qui puisse être installée rapidement sans moyen de levage, et qui puisse orienter le flux d’eau vers le rotor pour améliorer la puissance sans utiliser de coûteux déflecteurs.
Présentation de l’invention
L’objectif de l’invention est de cumuler les avantages des systèmes précédents tout en s’affranchissant des principaux inconvénients.
Pour ce faire, l’invention comprend les éléments suivants :
Un arbre tournant autour d’un axe horizontal,
Des pales montées autour de cet arbre horizontal pour former un rotor de type Darrieus,
Un caisson contenant l’équipement destiné à transformer l’énergie récupérée sur l’arbre en énergie mécanique ou électrique,
Une embase gravitaire contenant des ballasts. En remplissant ces derniers d’eau, ou en chassant l’eau avec de l’air sous pression, il est possible d’installer facilement l’hydrolienne sur le fond, ou bien de la remonter. De plus, le profil de cette embase est spécialement étudié pour accélérer le flux d’eau et optimiser sa déviation dans les pales, afin d’augmenter la puissance. Cette embase qui a une triple fonction (stabilité, augmentation de puissance, organe d’installation) est le principal point innovant de l’invention.
Certaines caractéristiques optionnelles et non limitatives de l’hydrolienne sont les suivantes :
Avantageusement, l’azimut des pales est modifié en cours de rotation afin de donner une incidence de pale optimale en fonction de la position angulaire. Avantageusement l’embase est équipée d’un volant d’inertie pour une utilisation de l’invention dans un courant de marées. Ce volant est accéléré lorsque le courant est rapide, puis restitue l’énergie pendant l’étale. Ceci permet de réguler la production d’électricité.
Avantageusement, le caisson contenant la génératrice est équipée d’un sas de service permettant l’accès même lorsque l’hydrolienne est sous l’eau.
Les caractéristiques de l’invention mentionnées ci dessus, ainsi que d’autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante et des figures associées.
Présentation des figures
La figure 1 est une vue générale de face d’un exemple d’hydrolienne conforme à l’invention.
- La figure 2 est une vue générale de profil d’un exemple d’hydrolienne conforme à l’invention.
Les figures 3 à 5 détaillent l’immersion d’une hydrolienne conforme à l’invention.
Description détaillée.
La description s’appuie sur les références des figures 1 et 2.
L’invention est constituée d’un arbre (10) tournant autour d’un axe horizontal, et sur lequel sont fixés des groupes de pales (20) montés selon le principe d’un rotor de type Darrieus. La figure 1 permet de voir ces pales de profil, et la figure 2 montre 3 groupes de ces pales vues de face. Ce n’est qu’un exemple, et l’invention couvre aussi une configuration ayant un nombre différent de groupes de pales, et un nombre quelconque de pales par groupe.
Un caisson étanche (30) se trouve dans le prolongement de l’arbre (10) et contient un système de récupération de l’énergie. Il peut s’agir d’une génératrice électrique et de son équipement associé (réducteur, armoires électriques, système de refroidissement, frein, etc . ), mais aussi d’un moyen mécanique permettant de faire tourner un volant d’inertie. Pour des machines de forte puissance, ou si la configuration l’exige, Il pourra y avoir un caisson étanche de chaque coté de l’arbre (10).
L’arbre (10) et le caisson (30) sont portés par des poutres fixées sur une embase (40) qui comporte les particularités suivantes :
- Elle est profilée de façon à accélérer et dévier judicieusement le flux d’eau vers les pales (20) afin d’augmenter la puissance de l’hydrolienne. Ce flux dévié est matérialisé par des flèches sur la figure 1.
- L’embase est munie de ballasts (50) qui permettent, lorsqu’ils sont remplis d’eau, d’immerger l’hydrolienne sur son lieu de production.
- L’embase est gravitaire, ce qui signifie que son poids est tel qu’il permet la stabilité de l’hydrolienne dans le courant.
Pour remonter l’hydrolienne à la surface pour des opérations de maintenance, l’eau contenue dans les ballasts (50) est chassée. Cette opération peut se faire par pompage, ou par de l’air comprimé qui vient des tubes (55). Les opérations de dépose ou de remontée sont donc faites de façon autonome, sure et rapide en agissant sur des vannes. Aucune grue ou moyen de levage n’est nécessaire.
Les éléments suivants sont donnés à titre d’options.
L’embase peut être fabriquée en béton, en acier, ou encore en utilisant un mixte des deux matériaux.
L’azimut des pales (10) est orienté en cours de rotation, afin de donner une incidence de pale optimale en fonction de la position angulaire.
L’accès à l’intérieur du caisson (30) s’effectue par un sas de service (35), muni d’une porte étanche (36). Ceci permet de faire des visites sous l’eau à l’intérieur du caisson (30).
L’invention est équipée d’un câble électrique permettant d’exporter le courant.
Des élingues fixées sur l’hydrolienne permettent de l’immobiliser pendant les phases d’installation ou de remontée.
Les figures 3, 4 et 5 permettent de mieux comprendre l’installation de l’hydrolienne. La figure 3 montre l’immobilisation de l’hydrolienne par des élingues (70) qui peuvent être reliées à des remorqueurs ou bien à des ancres.
Une fois l’ensemble immobilisé au dessus de la zone de pose, les ballasts d’un coté de l’embase sont remplis, ce qui permet à ce coté de toucher le fond (figure 4). Puis les autres ballasts sont remplis (figure 5) afin de poser l’autre coté de l’hydrolienne. L’ensemble est donc immergé sans moyen de levage, uniquement en manipulant des vannes.
Cette hydrolienne se destine à faire baisser le coût de production de l’énergie produite à partir des courants de marée ou celui des rivières, du fait de l’amélioration du rendement, et de la simplification des opérations d’installation et de maintenance.

Claims (7)

  1. Revendications.
    1) Hydrolienne comprenant :
    un arbre (10) tournant autour d’un axe horizontal,
    - un ou plusieurs ensembles de pales (20) fixés sur l’arbre (10), le tout formant un rotor de type Darrieus,
    - un caisson étanche (30) dans le prolongement de l’arbre (10), et contenant un équipement de récupération de l’énergie. Il peut s’agir d’une génératrice électrique et de l’équipement associé (réducteur, armoires électriques, système de refroidissement, frein, etc . ), ou aussi d’un moyen mécanique permettant de faire tourner un volant d’inertie.
    Une embase (40) recevant les supports de l’arbre et du caisson, et :
    o qui est profilée de façon à dévier judicieusement le flux d’eau vers les pales (20) et ainsi d’augmenter rendement et puissance, o qui est munie de ballasts (50) qui permettent, lorsqu’ils sont remplis ou vidés, d’immerger ou de remonter l’hydrolienne o qui a une fonction gravitaire, c’est à dire une masse suffisante pour assurer la stabilité de l’invention dans le courant sans qu’il soit nécessaire d’avoir des ancrages.
  2. 2) Hydrolienne selon la revendication (1) caractérisée en ce que l’embase est en béton et/ou en acier.
  3. 3) Hydrolienne selon la revendication (1) ou (2) caractérisée en ce que les ballasts sont vidés à l’aide d’air comprimé contenu dans des tubes sous pression (55).
  4. 4) Hydrolienne selon l’une ou plusieurs des revendications précédentes caractérisée en ce que l’azimut des pales (10) est modifié au cours de la rotation afin de donner une incidence de pale optimale en fonction de la position angulaire.
  5. 5) Hydrolienne selon l’une ou plusieurs des revendications précédentes caractérisée en ce que l’embase (40) contient un volant d’inertie (60) emmagasinant de l’énergie lorsque le courant de l’eau est puissant, et qui la restitue lorsque le courant est insuffisant (par exemple à l’étale).
    5
  6. 6) Hydrolienne selon l’une ou plusieurs des revendications précédentes ayant un deuxième caisson étanche à l’autre extrémité de l’axe (10)
  7. 7) Hydrolienne selon la revendication 6 caractérisée en ce que le ou les caissons étanches (30) sont chacun accessible sous l’eau par un sas de service (35) muni d’une porte étanche (36).
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