FR3132329A1 - Dispositif hybride marémoteur, houlomoteur, générateur d'énergie électrique - Google Patents

Dispositif hybride marémoteur, houlomoteur, générateur d'énergie électrique Download PDF

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Abstract

L’invention concerne un dispositif hybride marémoteur, houlomoteur, générateur d'énergie électrique, nommé « SCHEMER » (pour Système de Captage Hybride de l’Energie de le Mer), réunissant dans une même structure : une digue ou un barrage (2), un système houlomoteur et un système marémoteur, leur permettant de fonctionner simultanément, indépendamment ou en complémentarité pour un captage plus efficace de l'énergie marine.

Description

Dispositif hybride marémoteur, houlomoteur, générateur d'énergie électrique
L’invention concerne un dispositif hybride marémoteur, houlomoteur, générateur d’énergie électrique. L'invention trouve ses applications dans le domaine industriel de la production d'électricité.
Contexte de l’invention
Il existe un vaste inventaire de solutions houlomotrices, certaines d’entre elles étant immergées, d’autres installées en surface, sur le rivage ou au large. Les systèmes de capture d’énergie varient d’un prototype à un autre. De tels systèmes peuvent procéder par une capture d’énergie mécanique en surface (ondulations) ou sous l'eau (translations ou mouvements orbitaux). Ils peuvent procéder par une capture des variations de pression au passage des vagues (variations de hauteur d'eau). Ils peuvent aussi procéder par capture physique d'une masse d'eau (via une retenue). Les procédés existants ou à l’étude peuvent être classifiés selon six systèmes principaux suivants.
La chaîne flottante articulée aligne de nombreux flotteurs perpendiculairement aux vagues, ces flotteurs permettant d’activer une turbine du fait de leur oscillation.
La colonne à oscillation verticale est une structure flottante qui se sert de l’oscillation des vagues pour activer une pompe. Celle-ci crée une pression qui permet alors d’entrainer une turbine en rotation.
Le capteur de pression en immersion est un capteur plongé dans les fonds marins qui, grâce aux mouvements des vagues, comprime un fluide hydraulique, faisant tourner une turbine, pouvant être, le cas échéant, installée à terre.
La colonne d’eau est une structure flottante, dont la base est ouverte, et le haut fermé. Le mouvement des vagues fait rentrer puis sortir de l’eau de la structure, comprimant de l’air contenu dans la structure flottante, ce par quoi une turbine est entrainée en rotation.
La plage à déferlement est un système consistant à créer une plage artificielle submergée par le déferlement des vagues. Le déferlement des vagues permet de remplir un bassin en eau dont le niveau est supérieur au niveau moyen de la mer. Ce bassin est ensuite vidangé et l’eau de vidange est orientée dans une turbine de manière à récupérer l'énergie pour produire l'électricité. Ce système peut être installé sur la côte, comme dans le cas des projets « Tapchan » («Tapered Channel») et « SSG » («Sea Slot Generator»). Le procédé mis en œuvre dans le projet « Tapchan » consiste à collecter la vague et la guider par un canal progressivement rétréci jusqu’à un bassin situé au-dessus du niveau moyen de la mer. La vidange de ce bassin permet de récupérer l'énergie potentielle stockée. Ce projet est abandonné depuis 1991. Le système « SSG » utilise plusieurs rampes et réservoirs situés à des hauteurs différentes pour s'adapter aux variations du niveau de la mer. Ces systèmes fonctionnent sur le même principe mais présentent les mêmes inconvénients.
Concernant les projets de pleine mer ou « offshore » comme le système «Wave Dragon», les inconvénients sont différents. Ce sont d'abord les conditions météorologiques qui sont l'obstacle principal. Les vents et les tempêtes rendent la construction, l'accès et l'entretien de ces infrastructures très compliqués. La robustesse et l'ancrage des installations ainsi que le raccordement au réseau électrique continental sont au centre de cet obstacle et constituent un véritable défi d'ingénierie. Ensuite, les systèmes proposés ont des rendements relativement faibles.
Pour obtenir une puissance significative, de telles installations doivent être surdimensionnées. À titre d’exemple, le système « Wawe Dragon » présente des dimensions gigantesques (260 m d'envergure, 150 m de largeur, 17 m de hauteur, pour une masse de 33000 tonnes). Les investissements financiers dans ce projet sont énormes et la rentabilité repose sur un pari osé. Plusieurs pays, notamment le Royaume-Uni, l’Allemagne, l’Irlande et le Danemark ont collaboré dans ce projet financé par l'Union Européenne. Finalement, tous les dispositifs « offshore », implantés dans un environnement hostile, sont confrontés aux mêmes difficultés d'implantation et d'opération. De ce fait, aucun de ces systèmes n'a atteint un stade de maturité suffisant pour être développé à grande échelle et à un stade commercial.
L’invention vise à pallier l’ensemble de ces inconvénients
Description de l’invention
L’invention vise donc à proposer un dispositif hybride marémoteur, houlomoteur, générateur d'énergie électrique, réunissant dans une même structure :
  • une digue ou un barrage,
  • un système houlomoteur, et
  • un système marémoteur, leur permettant de fonctionner simultanément, indépendamment ou en complémentarité pour un captage plus efficace de l'énergie marine.
L’invention concerne donc un dispositif hybride, marémoteur houlomoteur, générateur d’électricité, le dispositif comportant au moins un système houlomoteur et caractérisé en ce qu’il comporte -notamment en ce qu’il se compose de-:
  • un barrage bâti en front de mer et formant une digue, constitué de deux murailles parallèles, chaque muraille présentant une hauteur comprise entre 12 m et 15 m, les murailles étant distantes de 6 m à 8 m l’une de l’autre et créant entre elles un espace couvert par une dalle bétonnée ;
  • un dispositif de captage comprenant un insert formant un conduit maçonné, disposé au pied du barrage et perpendiculairement à l’une des murailles, l’insert présentant une entrée rectangulaire largement ouverte face à la mer et adaptée pour recevoir et recueillir la houle et une deuxième ouverture, dite ouverture de sortie, de forme sensiblement circulaire et présentant une aire d’ouverture réduite par rapport à l’aire d’ouverture de l’entrée rectangulaire, ladite ouverture de sortie étant installée en face opposée de l’insert par rapport à l’entrée rectangulaire ;
l’insert présentant intérieurement un foyer progressivement rétréci de l’entrée rectangulaire jusqu’à ladite ouverture de sortie, le foyer étant limité par une base étant légèrement inclinée vers le bas en direction de la mer, par une face supérieure horizontale et par des parois latérales non parallèles et convergentes ;
  • un circuit hydraulique comprenant l’insert et un conduit cylindrique s’emboîtant dans ladite ouverture de sortie du foyer de l’insert, traversant la digue et montant vers le sommet du barrage et comportant :
    • dans sa partie basse -notamment installés dans un local- une vanne, un instrument de mesure, et un clapet anti retour, et ;
    • dans sa partie haute, le conduit présentant une pluralité de dérivations -notamment de trois à cinq dérivations- disposées par niveaux correspondants, chaque dérivation débouchant dans un réservoir ;
la dérivation la plus haute comportant deux prises d’air -notamment s’étendant au-dessus d’une dalle couvrant le barrage-, l’une des deux prises d’air étant installée au point culminant du conduit et l’autre étant installée à l’aplomb des réservoirs;
le circuit hydraulique se prolongeant par un conduit d’écoulement, s’étendant à partir de la base du réservoir le plus élevé, descendant jusqu’à la mer, recevant l’écoulement de toutes les dérivations et comportant sur son parcours une vanne et une turbine.
Le dispositif hybride selon l’invention est composé d’un insert maçonné destiné à capter la vague, adossé à une digue bâtie en front de mer. La vague, traversant l’insert, fortement accéléré à la sortie, est emmenée dans le circuit hydraulique, créant l’élévation d’une colonne d’eau, stabilisée en partie par la fermeture automatique du conduit grâce à un clapet anti-retour. Des dérivations déplacent la colonne d’eau, permettant aux vagues suivantes d’occuper l’espace libéré, de relancer et de perpétuer le fonctionnement, emmenant l’eau déplacée dans des réservoirs, d’où elle s’écoule vers la mer, entraînant lors de la descente une turbine et un générateur produisant de l’électricité. Le système marémoteur est composé de bassins de retenue situés entre la digue et le continent, communicant avec la mer par bouches traversant le barrage. L’eau transitant par ces conduits lors du remplissage et de la vidange, est turbinée à chaque passage pour produire de l’électricité. Le système selon l’invention est propre, robuste, puissant, fiable et rentable.
Selon certains modes de réalisation, le système houlomoteur comprend des moyens de contrôle adaptés pour pouvoir ;
un flux de houle entrant et traversant l’insert du fait du captage, le flux de houle augmentant dans ladite ouverture de sortie, entrant dans le conduit cylindrique et ouvrant le clapet anti retour et permettant, durant une phase ascendante de la houle, une élévation d’une colonne d’eau dans le conduit cylindrique, permettre ;
  • une fermeture automatique du conduit cylindrique par le clapet anti retour durant une phase descendante de la houle succédant à la phase ascendante, entraînant un blocage de la colonne d’eau et du système;
  • une ouverture de l’une des dérivations choisie par un organe de programmation de l’organe de mesure, levant le blocage de la colonne d’eau, en réduisant le volume, la masse, la hauteur de la colonne d’eau initiale et en empêchant sa reformation, et en créant un nouvel itinéraire permettant aux vagues suivantes, apportant la même quantité d’eau et d’énergie, selon le même processus et le même timing, une relance et une reproduction régulière de ce fonctionnement;
  • le parcours de l’eau dans le circuit hydraulique se poursuivant, du fait de cette ouverture, dans le conduit d’écoulement, collectant un écoulement des réservoirs, conduisant cet écoulement jusqu’à une turbine couplée à un générateur puis jusqu’à la mer, cet écoulement étant stabilisé par une vanne, sous contrôle d’un régulateur entraînant la rotation de la turbine et du générateur en mode continu, et une production régulière d’électricité.
Selon certains modes de réalisation, l’organe de mesure comporte un conduit parallèle, de plus faible diamètre que le diamètre du conduit cylindrique et une pluralité de capteurs -notamment de 4 ou 5 capteurs-, le conduit parallèle communiquant par sa base avec le conduit cylindrique -notamment dans le local technique- au-dessous du clapet anti-retour, montant verticalement, traversant la dalle bétonnée couvrant le barrage, débouchant à l’extérieur au-dessus de celle-ci ;
chaque capteur de la pluralité de capteurs étant équidistant de la dérivation située au-dessous du capteur et de la dérivation située au-dessus du capteur considéré ;
la hauteur de la colonne d’eau dans le conduit parallèle de l’organe de mesure, évaluée au moyen des capteurs -activés ou désactivés suivant les circonstances-, permettant au programmateur de sélectionner la dérivation et l’itinéraire le plus favorable pour la circulation de l’eau dans le circuit hydraulique.
Selon certains modes de réalisation, le système houlomoteur comprend des moyens de contrôle de l’ouverture/fermeture d’une pluralité de vannes, chaque vanne étant disposée sur la dérivation correspondante, les moyens de contrôle étant adaptés pour pouvoir ;
  • fermer chaque vanne de la pluralité de vannes selon un ordre prédéterminé -notamment selon un ordre d’altitude croissante- lors d’une phase de marée montante, à partir des informations transmises par les capteurs à l’organe de programmation, et ;
  • ouvrir chaque vanne de la pluralité de vannes selon un ordre prédéterminé -notamment selon un ordre d’altitude décroissante- lors d’une phase de marée descendante, à partir des informations transmises par les capteurs (H2,H3,H4,...Hn) à l’organe de programmation ;
aboutissant en fin de cycle à une configuration du circuit hydraulique identique à celle du départ, bouclant ainsi un processus ordonné et reproductible d’un cycle sur l’autre.
Selon certains modes de réalisation, le dispositif selon l’invention comprend un système marémoteur comprenant :
  • une pluralité de bassins de retenue installés entre la digue et le rivage ;
  • une pluralité de bouches marémotrices traversant le barrage et permettant une communication avec la mer, ces bouches marémotrices présentant une forme évasée côté mer et bassin, un rétrécissement dans la partie centrale dans laquelle une turbine est installée ;
  • une pluralité de vannes placées de part et d’autre de la turbine contrôlant les flux entrants ou sortants.
Selon certains modes de réalisation, le dispositif selon l’invention se compose du barrage, du système houlomoteur et d’un système marémoteur, et ;
le barrage est bâti en front de mer et est constitué de deux murailles parallèles séparées entre elles d’une dizaine de mètres, créant un local couvert par une dalle, et ;
en ce que le barrage constitue l’ossature commune du système houlomoteur, du système marémoteur et de l’organe de mesure.
L'invention concerne également un dispositif hybride, marémoteur et houlomoteur, générateur d’électricité, caractérisé en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après. Quelle que soit la présentation formelle qui en est donnée, sauf indication contraire explicite, les différentes caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après ne doivent pas être considérées comme étroitement ou inextricablement liées entre elles, l’invention pouvant concerner l’une seulement de ces caractéristiques structurelles ou fonctionnelles, ou une partie seulement de ces caractéristiques structurelles ou fonctionnelles, ou une partie seulement de l’une de ces caractéristiques structurelles ou fonctionnelles, ou encore tout groupement, combinaison ou juxtaposition de tout ou partie de ces caractéristiques structurelles ou fonctionnelles.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante qui se réfère aux figures annexées données à titre uniquement de description non limitative de certains modes de réalisation de l’invention et, dans lesquelles :
la est une représentation en coupe transversale d’un dispositif hybride, marémoteur et houlomoteur, générateur d’électricité conforme à l’invention ;
la est une représentation d’un détail du dispositif selon l’invention et comprenant l’insert, la digue et le local technique ;
la est une vue de face de l’ouverture de l’insert d’un dispositif selon l’invention, et ;
la est une représentation schématique d’un système houlomoteur selon un mode particulier de réalisation conforme à l’invention.
L’invention tire son fonctionnement de l’énergie de la houle et de la marée qui, dans le domaine des énergies renouvelables, constituent des source puissantes, abondantes, quasiment ininterrompues, donc plus productives et plus fiables que le vent ou la lumière. Mais, les vagues et les marées ont aussi des inconvénients et des avantages qui leur sont propres. L’énergie des vagues par exemple est une énergie diffuse, dispersée sur des surfaces immenses nécessitant pour sa capture des moyens d’une grande envergure, installés dans un milieu plus ou moins hostile, en mer ou sur la côte. Les principales difficultés auxquelles se sont heurtés tous les systèmes houlomoteurs proviennent des conditions environnementales rendant difficiles leur installation, leur fonctionnement et l’entretien des équipements qui résistent mal aux agressions de la mer.
La présente invention est caractérisée par sa robustesse et sa simplicité ; l’ouvrage maçonné est réalisé avec des matériaux résistants : pierre et béton, et il n’est pas installé en pleine mer, mais sur la côte. Le barrage constituant une véritable carapace protectrice de l’ensemble des équipements et accessoires installés à l’intérieur. Exception faite du bâti, le dispositif selon l’invention n’offre pas de prise à l’assaut du vent et des vagues.
Le système houlomoteur doit s’adapter en permanence à l’état de la mer. Pour cette raison il est entièrement automatisé, et les équipements dont il est constitué, sont d’une conception très simple pour faciliter la maintenance. Quant au système marémoteur, c’est un outil rudimentaire, puissant et robuste. Si le système marémoteur présente un handicap du fait de la durée courte de son fonctionnement (4h30 /12h sur le cycle de marée) et en raison de la taille modeste des bassins de retenue qui ne pallient pas l’absence du lit d’un cours d’eau, néanmoins, cette configuration lui procure des avantages.
Son implantation est moins contraignante. De ce fait, les sites d’accueil sont plus nombreux et le problème de l’envasement généré par le cours d’eau ne se pose plus. Finalement, les caractéristiques de l’invention ne produisent pas d’inconvénient rédhibitoire et les nombreux avantages laissent entrevoir des perspectives industrielles et commerciales intéressantes et une bonne rentabilité. Par ailleurs, le système ne génère pas de pollution, ne perturbe ni l’écosystème ni le voisinage et il n’a qu’un faible impact visuel sur le paysage.
La taille des bassins de retenue d’eau selon l’invention est considérée comme modeste par rapport à la taille d’une retenue d’eau aménagée dans l’estuaire d’un fleuve. Cependant, un tel bassin installé le long d’une digue de 400 m, sur une bande côtière large de 150 m présente une surface de 6 ha. Pour un marnage de 8 m, le volume du bassin est de l’ordre de 480 000 m³. Rempli ou vidé 4 fois par jour, il représente un volume de près de 2 millions de mètres cubes (m³) d’eau, turbiné quotidiennement. Les barrages sont la charpente de tous les systèmes marémoteurs.
L’invention est un dispositif hybride marémoteur et houlomoteur, générateur d'énergie électrique, réunissant dans une même structure une digue ou un barrage, un système houlomoteur et un système marémoteur, leur permettant de fonctionner simultanément, indépendamment ou en complémentarité pour un captage plus efficace de l'énergie marine.
Le dispositif hybride selon l’invention comprend un barrage 2 soutenant et clef de voûte du dispositif. Le barrage 2 dresse un rempart d'une hauteur de 12 m à 15 m, dans une crique, une petite baie ou une lagune, barrant l'entrée de la mer à l'intérieur des terres. Le barrage 2 est bâti sur un sol rocheux. La base du barrage 2 est en partie immergée et le barrage 2 est ancré au rivage par ses extrémités, séparant de la mer, une surface de quelques hectares habituellement submergée ou découverte par les marées. Le barrage 2 est constitué par deux murailles 2a,2b parallèles, l’une des deux murailles 2a s’étendant côté mer, l’autre s’étendant 2b côté littoral. Les deux murailles s’étendent à une distance l’une de l’autre de l’ordre de 7 à 8 mètres, créant un espace 6, couvert par une dalle 2c bétonnée, inclinée vers le bas en direction de la côte. Le rivage est aménagé de façon à présenter une pente progressive jusqu'au pied de la construction.
Le dispositif hybride selon l’invention comprend un système marémoteur dont un détail est représenté et . Le système marémoteur s'organise autour du barrage 2 qui constitue l’ossature du système. Outre le barrage, il se compose d’un ou de plusieurs bassins de retenue, placés derrière la digue, côté littoral. Les bassins sont des espaces naturels aménagés dans l'enfoncement de la côte. Ils sont installés sur l'estran, bande côtière inutilisée pour les activités humaines recouverte ponctuellement par la marée. Les bassins communiquent avec la mer par des bouches 15 marémotrices traversant la digue perpendiculairement et utilisées uniquement pour les opérations de remplissage ou de vidange. Elles présentent des ouvertures évasées côté mer et bassin et un rétrécissement dans la partie centrale où une turbine est installée. L'eau empruntant ces conduits dans l'un ou l'autre sens, est accélérée et turbinée à chaque passage pour produire de l’électricité. Le transit de l’eau dans le système marémoteur est dirigé par un programmateur 13 installé dans un local technique 6 avec le concours des vannes installées de part et d'autre de la turbine. Ces vannes permettent d’ouvrir ou fermer les bouches 15 marémotrices et régularisent le débit des flux. Les bouches 15 marémotrices, espacées de plusieurs dizaines de mètres, sont positionnées à intervalle régulier sur toute la longueur du barrage. Le fonctionnement du système marémoteur comporte 2 phases. Une première phase de remplissage des bassins et une phase de vidange des bassins. Le remplissage et la vidange fonctionnent selon le principe des vases communicants. C'est la marée qui réalise naturellement ces opérations sans autre intervention après l’ouverture ou la fermeture des bouches 15 marémotrices. Le système marémoteur est doté d’un fonctionnement intermittent, tributaire des variations du niveau de la mer. Pour optimiser la puissance du système, il est essentiel respecter un minutage précis concernant le moment et la durée des opérations de remplissage et de vidange. Le remplissage des bassins se déroule, en général sur une durée de l’ordre de 2h30, commence sur le flot, 3h30 après le début du cycle de marée, le niveau de la mer atteignant alors les 15/24 de la hauteur du marnage, et se poursuivra sur une durée de l’ordre de 2h30, le niveau de la mer atteignant alors la hauteur maximale. Les vannes marémotrices sont alors fermées. La vidange dure de l’ordre de 2h et s’effectue sur le reflux. Elle débute débutera de l’ordre de 2h avant la fin du cycle, utilisant les bouches 15 marémotrices et, le cas échéant, des bouches 12 houlomotrices, et se poursuit jusqu’à la fin du cycle de marée et la vacuité des bassins. Le système marémoteur retrouve son état initial avant d’aborder le cycle de marée suivant.
Le dispositif hybride selon l’invention comprend un système houlomoteur dont un détail est représenté , , et . Le principe de ce système marémoteur repose sur le captage de l’eau emmenée par la vague et l’utilisation de son énergie cinétique dans le fonctionnement d’un circuit hydraulique entraînant une production d’électricité. Le système houlomoteur se compose du barrage 2, d’un dispositif de captage aussi nommé insert 1, d’un circuit hydraulique composé de conduits C1 cylindrique et C2 d’écoulement et des réservoirs de transit R1, R2,...Rx dont le nombre varie de 3 à 5. L’insert 1 est un ouvrage maçonné, installé au pied du barrage 2a, destiné à capter les vagues. Il est semblable, dans sa conception, à l’insert d’une cheminée, avec un foyer comportant 2 ouvertures :
  • l’une formant une entrée rectangulaire d’une largeur de 6m à 8m, sur une hauteur de 2,5m à 3m, s’ouvrant face à la mer, et ;
  • l’autre, située sur la face opposée, plus petite, rectangulaire d’une largeur de 1 m environ, comportant en son centre un trou circulaire de (0,4 m à 0,8 m de diamètre), formant la sortie de l’insert.
Le foyer présente, entre ces deux ouvertures, distantes 3m à 4m, un rétrécissement très marqué par une base 1b inclinée vers la mer, une face supérieure 1a horizontale et par les deux parois latérales 1c non parallèles mais convergentes. Schématiquement, l’insert présente un profil en forme d’entonnoir. Un circuit hydraulique est greffé sur l’insert. Il est constitué, outre l’insert d’un conduit C1 cylindrique partant de la sortie de l’insert 1, traversant la digue 2a, entrant dans le local technique 6, montant verticalement le long de la paroi 2a vers le sommet du barrage, et comportant dans sa partie basse, s’étendant à l’intérieur du local 6, une vanne 3, un organe 5 de mesure, dit schémomètre 5, et un clapet 4 anti-retour. Le conduit C1 cylindrique se divise dans sa partie haute en une pluralité de dérivations, notamment 3, 4 ou 5 dérivations D1,D2,D3,D4,D5, distantes l’une de l’autre de 2m environ, chacune partant d’un niveau différent N1,N2,N3,N4,N5, chacune traversant le local technique et débouchant dans un réservoir R1,R2,R3,R4,R5. Les dérivations D1,D2,D3,D4,D5, au-dessous de la plus haute de celles-ci, sont ouvertes ou fermées par une électro vanne V1,V2,V3,V4). Les réservoirs R1,R2,R3,R4,R5 sont constitués de conduits cylindriques disposés horizontalement, fixés sur la muraille de la digue 2b. Une première prise d’air 11a est installée au point culminant du conduit C1 cylindrique et une deuxième prise d’air 11b est disposée au-dessus de l’un des réservoirs R4 ou R5.
Le circuit hydraulique comprend aussi un conduit C2 d’écoulement, cylindrique et partant de la base du réservoir le plus élevé, descendant jusqu’à la mer, communicant avec les réservoirs de niveau inférieur, contenant une vanne 16 et une turbine 8. L’organe 5 de mesure, dit schémomètre 5, est constitué d’un conduit cylindrique, de faible diamètre, contenant une jauge de détermination de la hauteur de la colonne d’eau, portant 4 ou 5 capteurs H1... H4, H5 se connectant par sa base sur le conduit C1 cylindrique dans le local technique, montant verticalement et parallèlement à C1 cylindrique jusqu’à la dalle, débouchant à l’extérieur au-dessus de celle-ci. La fonction de l’organe de mesure est de pouvoir évaluer, par l’intermédiaire des capteurs, la hauteur de la colonne d’eau dans l’organe de mesure (ou la hauteur virtuelle de la colonne d’eau dans le conduit C1 cylindrique), de communiquer l’information à un programmateur 13 qui sélectionnera, en fonction de ce paramètre, le circuit hydraulique qu’il convient d’activer.
Dans le système houlomoteur en fonctionnement, une vague entrant dans l’insert 1 amène un volume d’eau, de plusieurs m³, doté d’une énergie cinétique importante, poussant le flux entrant vers la sortie. Le rétrécissement progressif du passage à l’intérieur de l’insert, entraîne, suivant les lois de la mécanique des fluides, une augmentation de la vitesse d’écoulement tout en maintenant un débit égal à l’entrée et à la sortie et une conservation de l’énergie entre ces 2 points. Par conséquent, l’eau sortant de l’insert, fortement accélérée, monte dans le conduit C1 cylindrique. Cette élévation peut atteindre des hauteurs plus ou moins importantes suivant la taille de l’insert et l’état de la mer. Sa hauteur est inversement proportionnelle au diamètre du conduit et peut être modulée. L’objectif est d’obtenir, à partir d’une houle faible à modérée, une colonne d’eau de 6,5m à 7,5m, le diamètre du conduit C1 cylindrique ne pouvant être déterminé que d’une manière empirique. L’élévation a cependant une durée très brève, notamment de l’ordre de 4 secondes à 6 secondes, temps moyen correspondant à la demi-période de la vague. Passé ce court délai, l’eau redescend. Pour éviter cet inconvénient, le clapet 4 anti-retour ferme automatiquement le conduit C1 cylindrique, stabilisant la colonne d’eau à sa hauteur maximale (h) pendant 4s à 6s, durée de la phase descendante. La colonne d’eau ayant atteint son point culminant est bloquée dans le conduit C1 cylindrique. L’énergie cinétique de la vague est captée et transférée à la colonne d’eau sous la forme d’une énergie potentielle de pesanteur. Les vagues suivantes apportant la même quantité d’eau et d’énergie ne peuvent que maintenir cet équilibre mais le système reste bloqué. Le seul moyen pour dépasser cette difficulté, c’est de déplacer la colonne d’eau. La solution proposée par l’invention réside dans l’utilisation de dérivations. Avant tout, il est nécessaire de repérer le seuil de blocage H, c’est à dire la hauteur maximale (h) atteinte par la colonne d’eau : ce point n’est pas fixe, sa hauteur varie continuellement en fonction de la force de la houle et de la hauteur de la marée. C’est le rôle de l’organe 5 de mesure qui est muni de 4 ou 5 capteurs H1,H2,H3,H4,H5, constituant un balisage permettant d’évaluer la position du point H par rapport à ces repères. À titre d’exemple, lorsque H2 < H < H3, l’information est captée et est relayée à l’organe 5 de mesure et à un programmateur 13 qui sélectionne la dérivation la plus favorable (D2 dans ce cas), conduisant l’écoulement de la colonne d’eau dans le réservoir R2 correspondant à cette dérivation. À partir de l’information transmise par le capteur H, le programmateur 13 commande, selon le sens de la marée, montante ou descendante, la fermeture ou l’ouverture de la dérivation Dn située au-dessous. Dès lors, l’eau au-dessus de la dérivation ouverte va descendre dans le réservoir. La colonne d’eau va se réduire en volume et en masse, se stabilisant à la fin de la séquence au niveau N de la dérivation ouverte. Le fonctionnement peut alors reprendre : la nouvelle vague alimentant le système, possède maintenant la capacité de reconstituer la colonne d’eau initiale, de la ramener à la hauteur théorique maximale (h), suivant le processus et le minutage précédemment décrit. Le choix de la dérivation ou de l’itinéraire est calé pour l’ensemble de la centrale, il sera modifié à plusieurs reprises sur le cycle de marée. Ensuite, l’eau des réservoirs R entame la descente, chaque réservoir étant relié au conduit C2, celui-ci amène l’eau jusqu’à une turbine 8 couplée à un générateur 7, puis jusqu’à la mer. Cet écoulement doit se dérouler de manière harmonieuse, avec un débit régulier et ininterrompu afin de stabiliser la vitesse de rotation de la turbine et la production électrique. Ici, un petit inconvénient apparaît, il est dû à l’alimentation intermittente du circuit hydraulique. La solution de ce problème passe par un régulateur 14, placé dans le local technique 6, et prenant en compte le débit entrant et la durée de la période de la vague, il ajuste le débit sortant pour obtenir un écoulement régulier et continu. Cette opération, dirigée par le régulateur 14 est effectuée par une électro vanne 16 installée sur le conduit C2 d’écoulement au-dessus de la turbine.
Un exemple de fonctionnement du circuit hydraulique est donné ci-après. Le cycle débute à marée montante. Le niveau de la mer est à un niveau, dit niveau zéro. Toutes les vannes V1,V2,V3,V4 sont ouvertes ainsi que toutes les dérivations H, tous les capteurs sont désactivés. Un capteur est dit activé lorsque le niveau de l’eau est situé au-dessus du capteur et il est dit désactivé lorsque le niveau d’eau est au-dessous du capteur. Lorsque le capteur H1 est activé, aucune modification du circuit n’est apportée. Lorsque le capteur H 2 est activé, la fermeture de la dérivation D1 est demandée et D1 est fermé. Lorsque le capteur H3 est activé, la fermeture de la dérivation D2 est demandée et D2 est fermé. Lorsque le capteur H4 activé, la fermeture de la dérivation D3 est demandée et D3 est fermé. Lorsque le capteur H5 activé, la fermeture de la dérivation D4 est demandée et D4 est fermé. En milieu de cycle, la marée devient descendante et le niveau de la mer est maximal. Toutes les vannes V4,V3,V2,V1 et toutes les dérivations sont fermées et tous les capteurs sont activés. Du fait de la marée descendante, le capteur H5 passe à l’état désactivé et l’ouverture de la dérivation D4 est demandée et D4 est ouverte. Lorsque le capteur H4 passe à l’état désactivé, l’ouverture de la dérivation D3 est demandée et D3 est ouverte. Lorsque le capteur H3 passe à l’état désactivé, l’ouverture de la dérivation D2 est demandée et D2 est ouverte. Lorsque le capteur H2 passe à l’état désactivé, l’ouverture de la dérivation D1 est demandée et D1 est ouverte. C’est la configuration du circuit hydraulique en fin de cycle de marée, elle est identique à la configuration de départ et sera reproduite invariablement d’un cycle sur l’autre. Le procédé permettant une entière automatisation du fonctionnement.
EXEMPLE 1 - Estimation de la production électrique annuelle d’un dispositif hybride selon l’invention
Un dispositif hybride selon l’invention comprenant une digue d’une longueur de 400 mètres, un bassin de retenue présentant une surface de 6 ha (400 x 150 m) et un marnage de 8 m est exposé à une houle faible à modérée formant des vagues périodiques d’une hauteur moyenne de 1,5 m et de période de l’ordre de 10 sec. Le captage est de 1 mètre cube par mètre linéaire. Le dispositif hybride comprend un système houlomoteur présentant un captage de 400 mètres cube, avec un débit de 40 m3/sec et une hauteur de chute de 6 mètres. La puissance développée est de 2000 kW et la production journalière est de 48000 kWh. La production annuelle d’énergie est de 17500000 kWh.
Le dispositif hybride comprend un système marémoteur dont la durée de remplissage est de l’ordre de 2 heures 30 min avec un débit de 53 m3/sec et une hauteur de chute de 2,75 mètres. La puissance développée est de 1143 kW et la production journalière est de 5715 kWh. La production annuelle d’énergie est de 2086000 kWh. La durée de vidange du système marémoteur est de 2 heures, avec un débit de 66 m3/sec et une hauteur de chute de 5,5 mètres. La puissance développée est de 2848 kW et la production journalière est de 11392 kWh. La production annuelle d’énergie est de 4159000 kWh. La production totale d’un tel dispositif hybride selon l’invention comprenant le système marémoteur (remplissage et vidange) et le système houlomoteur est de l’ordre de 24000000 kWh, soit la consommation de 5 500 foyers.
EXEMPLE 2 - Estimation de la production électrique annuelle d’un autre dispositif hybride selon l’invention
Un deuxième dispositif hybride selon l’invention comprenant une digue d’une longueur de 600 mètres, un bassin de retenue présentant une surface de 12 ha (600 x 200 m) et un marnage de 8 m est exposé à une houle faible à modérée formant des vagues périodiques d’une hauteur moyenne de 1,5 m et de période de l’ordre de 10 sec. Le captage est de 1 mètre cube par mètre linéaire. Le dispositif hybride comprend un système houlomoteur présentant un captage de 600 mètres cube, avec un débit de 60 m3/sec et une hauteur de chute de 6,5 mètres. La puissance développée est de 3100 kW et la production journalière est de 74400 kWh. La production annuelle d’énergie est de 27156000 kWh.
Le dispositif hybride comprend un système marémoteur dont la durée de remplissage (960 000 m3) est de l’ordre de 2 heures 30 min avec un débit de 106 m3/sec et une hauteur de chute de 2,75 mètres. La puissance développée est de 2287 kW et la production journalière est de 11435 kWh. La production annuelle d’énergie est de 4173775 kWh. La durée de vidange (960 000 m3) du système marémoteur est de 2 heures, avec un débit de 133 m3/sec et une hauteur de chute de 5,5 mètres. La puissance développée est de 5740 kW et la production journalière est de 22960 kWh. La production annuelle d’énergie est de 8380040 kWh. La production totale d’un tel dispositif hybride selon l’invention comprenant le système marémoteur (remplissage et vidange) et le système houlomoteur est de l’ordre de 39710000 kWh, soit la consommation de 9 000 foyers.
L’invention peut faire l’objet de nombreuses variantes et applications autres que celles décrites ci-dessus. En effet, l’invention trouve aussi d’autres applications dans l’aquaculture, grande consommatrice d’eau de mer. L’invention permettant de capter, d’élever de grandes quantités d’eau au-dessus de la mer, celles-ci peuvent être facilement déplacées vers des installations piscicoles, conchylicoles, ostréicoles situées loin du rivage, facilitant leur accès et leur usage tout en les protégeant des tempêtes. En particulier, il va de soi que sauf indication contraire les différentes caractéristiques structurelles et fonctionnelles de chacun des modes de réalisation décrits ci-dessus ne doivent pas être considérées comme combinées et/ou étroitement et/ou inextricablement liées les unes aux autres, mais au contraire comme de simples juxtapositions. En outre, les caractéristiques structurelles et/ou fonctionnelles des différents modes de réalisation décrits ci-dessus peuvent faire l’objet en tout ou partie de toute juxtaposition différente ou de toute combinaison différente.

Claims (6)

  1. Dispositif hybride, marémoteur et houlomoteur, générateur d’électricité et comportant au moins un système houlomoteur, caractérisé en ce qu’il comporte :
    • un barrage (2a,2b,2c) bâti en front de mer et formant une digue, constitué de deux murailles (2a,2b) parallèles, chaque muraille (2a,2b) présentant une hauteur comprise entre 12 m et 15 m, les murailles étant distantes de 6 m à 8 m l’une de l’autre et créant entre elles un espace (6) couvert par une dalle (2c) bétonnée ;
    • un dispositif de captage comprenant un insert (1) formant un conduit maçonné, disposé au pied du barrage et perpendiculairement à l’une des murailles (2a), l’insert (1) présentant une entrée rectangulaire largement ouverte face à la mer et adaptée pour recevoir et recueillir la houle et une deuxième ouverture, dite ouverture de sortie, de forme sensiblement circulaire et présentant une aire d’ouverture réduite par rapport à l’aire d’ouverture de l’entrée rectangulaire, ladite ouverture de sortie étant installée en face opposée de l’insert (1) par rapport à l’entrée rectangulaire;
    l’insert (1) présentant intérieurement un foyer progressivement rétréci de l’entrée rectangulaire jusqu’à ladite ouverture de sortie, le foyer étant limité par une base (1b) légèrement inclinée vers le bas en direction de la mer, par une face (1a) supérieure horizontale et par des parois (1c) latérales non parallèles et convergentes ;
    • un circuit hydraulique comprenant l’insert (1) et un conduit (C1) cylindrique s’emboîtant dans ladite ouverture de sortie du foyer de l’insert (1), traversant la digue et montant vers le sommet du barrage et comportant :
      • dans sa partie basse une vanne (3), un organe (5) de mesure, et un clapet (4) anti retour, et ;
      • dans sa partie haute, le conduit présentant une pluralité de dérivations (D1,D2,D3,..Dn) disposées par niveaux (N1, N2, N3,…Nn) correspondants, chaque dérivation (D1,D2,D3,..Dn) débouchant dans un réservoir (R1,R2,R3,…Rn) ;
    la dérivation la plus haute comportant deux prises (11a,11b) d’air, l’une des deux prises d’air (11a) étant installée au point culminant du conduit (C1) cylindrique et l’autre des deux prises d’air (11b) étant installée à l’aplomb des réservoirs (R1,R2,R3,…Rn) ;
    le circuit hydraulique se prolongeant par un conduit (C2) d’écoulement, s’étendant à partir de la base du réservoir (Rn) le plus élevé, descendant jusqu’à la mer, recevant l’écoulement de toutes les dérivations (D1,D2,D3,..Dn) et comportant sur son parcours une vanne (16) et une turbine (8).
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système houlomoteur comprend des moyens de contrôle adaptés pour pouvoir ;
    un flux de houle entrant et traversant l’insert (1) du fait du captage, le flux de houle augmentant dans ladite ouverture de sortie, entrant dans le conduit (C1) cylindrique et ouvrant le clapet (4) anti retour et permettant, durant une phase ascendante de la houle, une élévation d’une colonne d’eau dans le conduit (C1) cylindrique, permettre ;
    • une fermeture automatique du conduit (C1) cylindrique par le clapet (4) anti retour durant une phase descendante de la houle succédant à la phase ascendante, entraînant un blocage de la colonne d’eau et du système;
    • une ouverture de l’une des dérivations (D1,D2,D3,..Dn) choisie par un organe (13) de programmation de l’organe (5) de mesure, levant le blocage de la colonne d’eau, en réduisant le volume, la masse, la hauteur de la colonne d’eau initiale et en empêchant sa reformation, et en créant un nouvel itinéraire permettant aux vagues suivantes, apportant la même quantité d’eau et d’énergie, selon le même processus et le même timing, une relance et une reproduction régulière de ce fonctionnement;
    • le parcours de l’eau dans le circuit hydraulique se poursuivant, du fait de cette ouverture, dans le conduit (C2) d’écoulement, collectant un écoulement des réservoirs (R1,R2,R3,…Rn), conduisant cet écoulement jusqu’à une turbine (8) couplée à un générateur (7) puis jusqu’à la mer, cet écoulement étant stabilisé par une vanne (16), sous contrôle d’un régulateur (14) entraînant la rotation de la turbine (8) et du générateur (7) en mode continu, et une production régulière d’électricité.
  3. Dispositif selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l’organe (5) de mesure comporte un conduit parallèle, de plus faible diamètre que le diamètre du conduit (C1) cylindrique et une pluralité de capteurs (H1,H2,H3,...Hn), le conduit parallèle communiquant par sa base avec le conduit (C1) cylindrique au-dessous du clapet (4) anti-retour, montant verticalement, traversant la dalle (2c) bétonnée couvrant le barrage, débouchant à l’extérieur au-dessus de celle-ci ;
    chaque capteur de la pluralité de capteurs (H1,H2,H3,...Hn) étant équidistant de la dérivation située au-dessous du capteur et de la dérivation située au-dessus du capteur (H1,H2,H3,...Hn) considéré ;
    la hauteur de la colonne d’eau dans le conduit parallèle de l’organe (5) de mesure, évaluée au moyen des capteurs (H1,H2,H3,...Hn), permettant au programmateur (13) de sélectionner la dérivation (D1,D2,D3,..Dn) et l’itinéraire le plus favorable pour la circulation de l’eau dans le circuit hydraulique.
  4. Dispositif selon l’une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le système houlomoteur comprend des moyens de contrôle de l’ouverture/fermeture d’une pluralité de vannes (V1,V2,V3,…Vn), chaque vanne (V1,V2,V3,…Vn) étant disposée sur la dérivation (D1,D2,D3,..Dn) correspondante, les moyens de contrôle étant adaptés pour pouvoir ;
    • fermer chaque vanne de la pluralité de vannes (V1,V2,V3,…Vn) selon un ordre prédéterminé lors d’une phase de marée montante, à partir des informations transmises par les capteurs (H1,H2,H3,H4,...Hn) à l’organe (13) de programmation, et ;
    • ouvrir chaque vanne de la pluralité de vannes (V1,V2,V3,…Vn) selon un ordre prédéterminé lors d’une phase de marée descendante, à partir des informations transmises par les capteurs (H2,H3,H4,...Hn) à l’organe (13) de programmation ;
    aboutissant en fin de cycle à une configuration du circuit hydraulique identique à celle du départ, bouclant ainsi un processus ordonné et reproductible d’un cycle sur l’autre.
  5. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu’il comprend un système marémoteur comprenant :
    • une pluralité de bassins de retenue installés entre la digue et le rivage ;
    • une pluralité de bouches (15) marémotrices traversant le barrage (2a,2b,2c) et permettant une communication avec la mer, ces bouches (15) marémotrices présentant une forme évasée côté mer et bassin, un rétrécissement dans la partie centrale dans laquelle une turbine est installée ;
    • une pluralité de vannes placées de part et d’autre de la turbine contrôlant les flux entrants ou sortants.
  6. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’il se compose du barrage (2a,2b,2c), du système houlomoteur et d’un système marémoteur ;
    en ce que le barrage (2a,2b,2c) est bâti en front de mer et est constitué de deux murailles (2a,2b) parallèles séparées entre elles d’une dizaine de mètres, créant un local (6) couvert par une dalle (2c), et ;
    en ce que le barrage (2a,2b,2c) constitue l’ossature commune du système houlomoteur, du système marémoteur et de l’organe (5) de mesure.
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