WO2014202847A2 - Installation autonome de traitement de l'eau et plateforme photovoltaïque flottante associee - Google Patents

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WO2014202847A2
WO2014202847A2 PCT/FR2014/000137 FR2014000137W WO2014202847A2 WO 2014202847 A2 WO2014202847 A2 WO 2014202847A2 FR 2014000137 W FR2014000137 W FR 2014000137W WO 2014202847 A2 WO2014202847 A2 WO 2014202847A2
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Thierry Garcia
Julien BUJOT
François MOISAN
Patrick Garcia
François BURON
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Definitions

  • the present invention relates to a floating photovoltaic platform and an autonomous water treatment installation associated with such a platform.
  • the invention applies very generally to the exploitation of available spaces on natural or artificial water bodies for the capture of solar energy through a surface of photovoltaic panels. It is a unit solar unit module for power requirements, including the needs of an autonomous water treatment facility.
  • This platform is intended to ensure the effective depollution of any natural or artificial water reservoir in the presence or absence of human activities, whether lakes, ponds, parks and gardens, water treatment lagoons. wastewater, water tanks, etc., to solve the problems of poor environmental status of the aquatic environment.
  • a particular form of pollution related to the presence in water of these nutrients is the eutrophication of certain ecosystems, that is to say the proliferation of algae and other invasive aquatic plants when they receive nutrients in large quantities. quantity.
  • the main nutrients that cause this phenomenon are phosphorus, in the form of phosphates, and nitrogen contained in ammonium salts, nitrates and nitrites. Stimulated by this substantial contribution, aquatic plants grow and multiply excessively, so that when they decompose, they induce an increase in the natural load of the ecosystem in biodegradable organic matter or biomass.
  • the invention seeks to meet the need to install solar collector surfaces in respect of land as well as the need to simultaneously restore the ecological status of water bodies to promote the biodiversity of the aquatic environment and the maintenance of economic activities in the uses of the water body (fishing, boating or swimming).
  • the aim is to avoid the eutrophication of water due to the excessive presence of phosphate and nitrate-type nutrients brought by human, industrial or agricultural activities artificially, particularly by nitrogen fertilizers used to promote growing crops that are transported by river or sub-surface water or stormwater runoff.
  • DE 102009008067, DE 102007029921 or WO20121751 disclose other embodiments of floating photovoltaic platforms whose essential characteristics are based on platform modules independent of the buoyancy elements. It is a flexible modularity. However, if the unit modules of these platforms have a rigid structure, the assemblies of the modules to each other have not been rigidly ensured and simultaneously in all directions of space to form a monobloc solidarity with the demands of the environment .
  • the buoyancy elements are all dissociated from the floor structure receiving the solar panels.
  • the floats are positioned underneath and fixed to the floor by connecting members that do not participate in any way in the rigidity of modular platforms and their assembly together.
  • the object of the invention is to provide a simplified and flexible elementary module whose structural reinforcement is provided by the floats as rigid connection nodes.
  • the assembly of the modules together is effected by reinforced links secured to the floats and in the four corners of a module.
  • the nodal structure is then built on recessed floats and simultaneously ensures a multidimensional rigidity of assemblies of the unit platforms between them in all directions of space.
  • the state of the art presents a system of ballast for a filling of water in the floats. This is the addition of an extra weight on the platform that causes the platform to sink, and not an additional buoyancy that compensates for overweight.
  • Another object of the invention is to maintain a constant main buoyancy volume to keep the platform at a fixed height determined in advance. This height must not be varied during overweight.
  • the platform can support a stand-alone water treatment installation placed, for example, in a box preferably at the back of the floor to prevent obstruction of the sun's illumination on the panels.
  • Batteries may also be on the platform when the treatment plant does not operate only in the sun in low-light areas requiring energy storage elements and thus create significant overweight. The risk is therefore great to generate a significant overhang that must be counterbalanced if we want to properly position the solar panels in the desired inclination for optimal exposure to sunlight.
  • an object of the invention is to provide a platform that would be equipped with means for replacing the floor of the platform in the vicinity of an initial horizontal position relative to the waterline. For this, no additional weight should reduce the buoyancy volume.
  • a floating photovoltaic platform comprising, at least, a plurality of panels of photovoltaic elements disposed on a floor of the platform, remarkable in that said platform comprises a plurality of floats of which the buoyancy is determined according to the distribution of the loads present on the platform, so as to maintain said floor horizontal on the water.
  • the invention makes it possible by adding a secondary buoyancy volume to compensate for the inclination of the platform caused by the loading of the control elements, power and energy storage. an autonomous water treatment facility carried by the platform.
  • the variability of the buoyancy of a float is determined by the dimensions of a recess formed in said master float.
  • the recess is, for example, cylindrical.
  • the height and its diameter are defined by application of Archimedes' law in order to obtain an additional buoyancy volume of a desired slave float at the location where the master float considered.
  • the known floating photovoltaic platforms are not designed to respect the biodiversity because of the arrangement of solar panels designed to completely cover the aquatic surface which prevents the passage of sunlight.
  • the absence of penetration of the sun's rays into the water helps to inhibit not only the development of algae in water bodies, but also all kinds of aquatic life without reducing the recurrent and endemic pollution of human and agricultural activities , source of eutrophication.
  • the oxygen deficit is aggravated by the imbalance caused by the presence of nutrients and eutrophication results from an activity too rich in food resources.
  • the invention provides a number of provisions favorable to the illumination of the surface of the water by solar radiation while providing a sufficient energy capture surface.
  • the solar platform of the invention therefore comprises rows of panels of photovoltaic elements separated by perforated spaces to leave the rays of the sun penetrate the water, promoting photosynthesis and the development of plants in the water.
  • buoyancy of the floats is determined so as to keep the platform floor at least 20 cm above the water level to allow certain animals to circulate on the water. This is a height ensuring biodiversity associated with the above-mentioned clear-path function, as well as the safety of people.
  • the platform provides landscaping all around the floor and especially the floats.
  • the acceptability of the platform in its environment by all users of the water body is a central element of the ecological balance. This is why plants are installed to accommodate both birds and to facilitate the integration of the platform in the landscape.
  • the panels of photovoltaic elements have an inclination of at least 30 °. This limits the effect of occultation of the sun's rays by the photovoltaic panels.
  • the structure and dimensioning of the floats therefore allow for an aerial installation of the platform and avoid a confinement of the body of water in the dark during the day.
  • the solar platforms must be optimally defined to ensure both the energy capture function and the water treatment function with a sufficient daily autonomy of at least four hours.
  • the architecture of the solar platforms is therefore planned to be modular in order to increase the solar energy capture surfaces on water bodies, either to add treatment facilities depending on the ecological status of the water, or to restore more electricity into the grid than the treatment plant consumes.
  • At least one float of said platform is adapted to be shared jointly with at least one other adjacent platform for overall rigidity.
  • the buoyancy capacity of the floats is sized to support the weight of all adjacent platforms.
  • An angle float of a platform can thus receive three other adjacent platforms and support a quarter of the weight of each platform.
  • the buoyancy of such a main float alone must therefore be able to support the total weight of a platform module so that it can receive up to four elementary modules.
  • the state of the art is known for water treatment installations based on the use of a biological purification principle.
  • This purification consists in using microorganisms present in the bodies of water or in the sewage effluents to carry out the metabolism of soluble organic pollution.
  • Biological purification is based on the ability of certain aerobic bacteria to degrade organic matter.
  • the water bodies to be treated can be of different typologies (size, depth, altitude, %) and have various pollution loads (wastewater, rainwater, river water, ).
  • Wastewater or natural waters do not require identical treatment levels, but the phenomenon of biological degradation needs to be monitored and promoted to proceed properly.
  • installations implement the mechanical stirring technique with stirring blades under the water level such as the FUCHS process described in patent EP0221354 or the SOLARBEE process (registered trademark) described in patent US2012067799.
  • This promotes creation a covering of circulation that will allow to convey the surface water loaded with oxygen at the bottom of the water reservoir, much lower in oxygen.
  • surface aerators operate by projecting surface water with water jet fountains.
  • the advantage of this process is to increase the contact area between water and atmospheric air by propelling it into the air.
  • the projection of water particles into the air causes an increase in the oxygen level in the surface water.
  • the water is supplied with oxygen mechanically by contact with the air or by supplying pressurized air into the aquatic environment. It is therefore a simple conventional air / liquid mixture in a ratio equal to the vicinity of the atmospheric pressure which allows a limited dissolution of the ambient air at a maximum of 4 mg / liter of oxygen, a figure referred to in FIG. general by the treatment plants to treat a liter of water containing 1 mg of nitrate or 5 mg / L defined by the regulation of water bodies aerated. Consequently, the treatment of water with these known installations requires very long durations or a very important and expensive level of energy to maintain a good ecological state.
  • the problem of biological depollution efficiency depends on a certain number of parameters among which the oxygen level or the oxidation-reduction potential for the main physicochemical parameters.
  • the efficiency of the oxygen transfer depends on the size of the air bubbles because it defines the parameters of displacement velocity and interfacial area of the bubbles.
  • venturi aero-injector is well known in the state of the art for using a suction effect of the air to the passage of a fluid in a section reduction.
  • the size of the bubbles does not significantly improve treatment speeds unless they increase their number or flow rates of water as shown in patent WO2004060811 .
  • the object of the invention is to propose a very significant reduction in energy consumption with the lowest electrical power of the pumping members possible.
  • Another object of the invention is to be able to limit the number of venturi device through a pressurized water that leads to create microbubbles with a lower water flow.
  • Another object of the invention is not to limit the oxygen content in water to reach maximum values of 12 mg / l.
  • the size of the bubbles must be much less than 0.1 millimeter to promote the dissolution of oxygen and its rapid diffusion throughout the entire extent of a large volume of water at the surface as well as at depth .
  • This ratio is directly related to the section reduction of the pipe.
  • the venturi effect results from a local expansion or narrowing of the pipe which causes an overpressure or a depression, respectively.
  • the contraction coefficient is equal to the ratio between the diameter of the narrowed pipe and the diameter of the inlet pipe.
  • This ratio must be greater than 4 so that the air flow Q2 is always greater than the water flow Q1 and the hydraulic pressure supplied by the pumping member is at least greater than 3 bar.
  • the use of the venturi aero-injector makes it possible, on the one hand, to implode bubbles in the venturi chamber at the level of the section reduction, and on the other hand to obtain microbubbles with a diameter of less than 0.1 millimeters thanks to high shear.
  • the effervescent water obtained is then capable of effecting a much higher molecular dissolution of air in the water and an atomization of the pollution contained in the water.
  • the state of the art has simple stirring aeration devices with floating solar platform structures just necessary for their autonomous operation.
  • photovoltaic platforms do not allow use for a solar farm tract on a body of water.
  • the invention proposes an autonomous water treatment installation arranged on the floor of a platform according to the invention, remarkable in that said installation is powered by power supply means comprising at least said panels. of photovoltaic elements, and in that it comprises treatment means able to suck up the water to be treated and to discharge the treated water, said treatment means comprising, on the one hand, suction means for the water to be treated and, secondly, a venturi aero-injector adapted to receive under sufficient hydraulic pressure the water to be treated from the suction means and to discharge the treated water under a given flow rate Q1, said venturi aero-injector being equipped with at least one air intake opening at a given flow rate Q2.
  • the hydraulic circulation loop thus constitutes allows a dissolved oxygen level in the water much higher than the device known in a very economical way.
  • the effective action of the autonomous treatment plant according to the invention is an acceleration of the natural mechanisms of destruction of biomass on the basis of the ecology of aerobic microorganisms.
  • the installation of the invention provides for real-time monitoring and to be able to adjust the treatment according to the monitoring of the state of the aquatic environment through indicators characteristic of the water to be treated, such as the temperature of the water.
  • indicators characteristic of the water to be treated such as the temperature of the water.
  • water turbidity (MES: Matter In Suspension)
  • MES Matter In Suspension
  • Rh morphological data of the body of water that are physicochemical parameters
  • Ph or Redox Redox
  • the installation has an intelligent electronic control comprising at least one measurement sensor of a magnitude constituting a physico-chemical parameter representative of the water to be treated.
  • said parameter is chosen from the following list: redox potential, pH, temperature or color of the chlorophyll.
  • the operating cycles can be automatically controlled by threshold values of the physicochemical parameters, but a permanent control of the state of the water pollution can be done for immediate corrections of the observed drifts.
  • a remote control interface software and an internet communication platform intelligently complement intelligent control for access to all types of technical or non-technical users.
  • said power supply means furthermore comprise batteries charged by said panels of photovoltaic elements and which can store a quantity of energy for operation in case of prolonged absence of sunlight.
  • Figure 1 is a perspective view of a floating photovoltaic platform according to the invention.
  • Figure 2 is a top view of the platform of Figure 1.
  • Figure 3 is a side view of the platform of Figure 1.
  • FIG. 4 is a perspective view of the main and secondary float of the platform of FIGS. 1, 2 and 3.
  • Figure 5 is a diagram of the hydraulic loop installed on a stand-alone water treatment system to be carried by a platform according to the invention.
  • Figure 6 is an electrical diagram of an autonomous water treatment plant in the case of electrical management.
  • Figure 7 is a hydraulic diagram of the installation of Figure 6.
  • Figure 8 is an example of an automatic operating cycle of an autonomous water treatment plant.
  • FIGS. 1, 2 and 3 show a floating photovoltaic platform 40 intended to provide solar energy capture surfaces with the aim of restoring the ecological state of the water bodies and developing the biodiversity of the aquatic environment.
  • the platform 40 includes floats 42 on which a floor 41 carrying a plurality of panels 21 of photovoltaic elements.
  • the floating solar platform 40 may comprise only panels 21, with the sole function of supplying electricity of solar origin, or, as illustrated in FIGS. 1, 2, 3 and 4, furthermore comprising a box 43 placed by example at the rear of the platform 40 and containing the various components of an autonomous water treatment plant 10 of the type of that which will be described in detail below in accordance with Figures 5, 6, 7 and 8.
  • the box 43 may also contain batteries 32 in the case where the standalone installation 20 does not operate only over the sun.
  • the platform 40 has a plurality, here four, of main floats 42 whose buoyancy is determined according to the distribution of loads present on the platform, so as to maintain the floor 41 horizontal on the water and at a sufficient height of the surface of the body of water.
  • the additional buoyancy of a main float 42 is determined by the dimensions of a recess 420 made in the main float 42.
  • the volume of the secondary float 421, able to fill the recess 420 with a float 42, is determined by applying the Archimedes law as a function of the buoyancy sought for this complementary float. If, for example, the loads are offset on one side of the floor 41, the floats 421 serve to compensate the overweight symmetrically on both sides concerned. In this case, only the recesses of the floats on the most heavily loaded side of the floor are filled by a secondary float 420 of a substantially equivalent volume as shown in FIG.
  • the main floats 42 may have a general shape of truncated cone of revolution, as in Figures 1, 2, 3 and 4, or a cylinder shape of revolution as the secondary floats 421.
  • the plurality of panels 21 of photovoltaic elements has a slatted structure. This particular arrangement has the advantage of respecting biodiversity by allowing the passage of sunlight and its penetration into the water, unlike known platforms.
  • the buoyancy of the main floats 42 is determined so as to maintain the floor 41 at least 30 cm from the water level, which prevents a covering surface installed close to the surface of the water maintains the body of water in the dark and prohibits the phenomenon of photosynthesis.
  • the panels 21 of photovoltaic elements have an inclination angle "a" of at least 30 °, this to obtain a less occultation of the sun's rays.
  • Telescopic support rods 46 may be provided on either side of the panels 21 to provide adjustment in several indexed positions depending on the path of the sun at different seasons with respect to the horizontal floor 41.
  • the ends of the base of the panel supports 21 are mounted on pivot hinges 47 to allow angular adjustment, for example an angle of 45 °.
  • the float 42 is able to receive up to four platforms each resting on a quarter of the float 42, in the same way that the platform 40 rests on the floats 42 in FIGS. and 3.
  • the main float 42 and the secondary float 421 must be dimensioned so that they support the total weight of a platform.
  • main float 42 has in its emergent part a fastening device secured to the floor 41 in the general shape of a cross. to accommodate all the elementary modules of platforms 40 adjacent to each other.
  • All the metal parts constituting the platform 40 are preferably made of stainless steel, type 304L for example. These will resist corrosion in the aquatic environment.
  • the floats 42 are chosen from plastic, high density polyethylene (HDPE) for example or in a material consisting of recyclable biological material with a filling of foam materials.
  • HDPE high density polyethylene
  • an autonomous water treatment installation 10 in particular intended to depollute and eliminate the eutrophication of aquatic environments with a very high level of performance in terms of quality and speed of processing as well as than in terms of cost.
  • the autonomous water treatment installation 10 comprises treatment means 11, 12 capable, on the one hand, of drawing the water to be treated through an upstream suction pipe 13 provided at its submerged end with a strainer 131 and a check valve 132, and, secondly, to evacuate the treated water through a pipe 14 downstream discharge.
  • the water treatment means 10 of the stand-alone installation 20 comprise suction means 11, such as a surface pump, for example, or immersed, capable of circulating water. water to be treated from the pipe 13.
  • the water treatment means 10 also comprise, downstream of the pumping system 11, a member 12, called a venturi aero-injector, which has a longitudinal water circulation duct 121 provided with at least one radial orifice 122 suction air, so as to allow the passage of air under a flow rate Q2 given by a venturi effect in the conduit 121 of the aerojector 12 during operation of the treatment facility.
  • the radial orifice 122 of suction opens, on the one hand, inside the conduit 121, and, on the other hand, in the open air outside the aero-injector venturi 12.
  • the flow water at the outlet of the aero-injector member 12 is designated Q1.
  • a nonreturn valve 15 is disposed between the pumping member 11 and the venturi aero-injector 12 in order not to defuse the pump following an air inlet of the aero-injector.
  • the hydraulic pressure P at the inlet of the aero-injector 12 is at least minus 3 bars. It is generally known that the dissolution of oxygen in water is a difficult and very expensive operation. However, thanks to the venturi aero-injector 12 used under the specific conditions required, it is possible to achieve a high level of oxygen, of the order of 12 mg / l at a lower cost and very quickly.
  • the standalone water treatment installation 10 of FIG. 5 also comprises autonomous power supply means for at least the suction means 11, these supply means being embedded in the treatment plant. .
  • the autonomous power supply means of the installation are renewable energy devices (ENR) such as photovoltaic panels panels 21 made of polycrystalline silicon, which have the best price / performance ratio.
  • renewable energy devices such as photovoltaic panels panels 21 made of polycrystalline silicon
  • Two modes for controlling the pressure P and the flow rate Q1 of water can be envisaged, namely a hydraulic control and an electric control.
  • the storage components of the potential energy such as an accumulator are too heavy and bulky to date for having retained our preference.
  • the autonomous power supply means of the treatment installation are constituted by the only panels 21 of photovoltaic elements operating over the sun or with batteries. 32 storage.
  • an electrical control must make it possible to obtain at the output fixed pressure parameters P and flow rate Q1 stabilized at precise values continuously.
  • a power supply over the sun is unstable and may not allow to feed the pump 11 with a constant voltage and, therefore, the performance thereof would be variable and directly depend on the sunshine rate. The risk would then be to operate the plant more in a conventional aeration zone than in the desired zone of overoxygenation which is the basis of the performance of the treatment recommended by the invention.
  • the current supplied by the photovoltaic panels 21 is directed, at a junction box 22, towards a DC converter 24 intended to supply a DC voltage of 5V to the circuits of a housing. 25 electronic control and to a member 23 for supplying the electric motor of the pump 11.
  • a sunshine sensor 33 may advantageously be installed to check the operation of the treatment plant at desired levels of performance depending on the duration and the daily climate.
  • the intelligent electronic control unit 25 is capable of managing the operation of the pump 11 according to the indications provided by various sensors, in particular sensors 26, 27, 28 or 29 respectively for measuring the redox potential (redox), the pH of the water, the temperature of the water or the color of the water, these quantities constituting physicochemical parameters representative of the water to be treated.
  • redox redox
  • the treatment of water polluted by superoxygenation according to the invention has the effect of increasing the redox potential of the water to be treated to positive values of more than 100 mV against negative values for water of poor quality.
  • the sensor 28 for measuring the temperature of the water may be a freeze indicator.
  • provisions must be made during winter periods so that frost does not damage the hydraulic system.
  • the water bodies having less oxygen deficiency in winter, the impact of the installation according to the invention would be lower. This is why the latter is not required to operate during winter phases, and more generally in climatic zones where the temperature drops below 5 ° C for example.
  • the electronic control unit 25 is connected to means 30 for transmitting the values measured by the sensors 26, 27, 28, 29 or 33, in particular the redox sensor 26, via a GSM type mobile telephone network. or GPRS, intended for a system for collecting real-time data and monitoring changes in biodiversity conditions.
  • the transmitted values of the redox potential make it possible, in case of non-compliance of these values with reference values, to trigger additional operating ranges and / or the intervention of a technician on the installation.
  • the batteries 32 are charged by the photovoltaic panels 21 and dimensioned to deliver a DC voltage given to the power supply member 23 of the electric motor of the pump 11 via a regulator 31 whose role is to control and control the charging process batteries 32.

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Abstract

Installation autonome (20) de traitement de l'eau (10) disposée sur le plancher d'une plateforme. Selon l'invention ladite installation de traitement est alimentée par des moyens d'alimentation électrique comprenant au moins des panneaux (21) d'éléments photovoltaïques, et en ce qu'elle comprend des moyens (11, 12) de traitement de l'eau (10) aptes à aspirer de l'eau à traiter et à évacuer l'eau traitée, lesdits moyens de traitement comportant, d'une part, des moyens (11) d'aspiration de l'eau à traiter et, d'autre part, un aéro-injecteur venturi (12) apte à recevoir sous une pression hydraulique (P) supérieure à 3 bars l'eau à traiter provenant des moyens d'aspiration et à évacuer l'eau traitée sous un débit (Q1) donné, ledit aéro-injecteur venturi (12) étant équipé d'au moins un orifice (122) d'aspiration d'air sous un débit (Q2) donné. Application à la dépollution et à l'élimination de l'eutrophisation du milieu aquatique.

Description

INSTALLATION AUTONOME DE TRAITEMENT DE L'EAU ET
PLATEFORME PHOTOVOLTAÏQUE FLOTTANTE ASSOCIEE
La présente invention concerne une plateforme photovoltaïque flottante et une installation autonome de traitement de l'eau associée à une telle plateforme.
L'invention s'applique de façon très générale à l'exploitation des espaces disponibles sur des plans d'eau naturels ou artificiels pour le captage de l'énergie solaire grâce à une surface de panneaux photovoltaïques. Il s'agit d'un module unitaire de centrale solaire destinée aux besoins d'alimentation électrique, notamment les besoins d'une installation autonome de traitement de l'eau associée. Cette plateforme est destinée à assurer la dépollution efficace de toute retenue d'eau naturelle ou artificielle en présence ou non d'activités humaines, qu'il s'agisse de lacs, d'étangs, de parcs et jardins, de lagunes de traitement des eaux usées, de réservoirs d'eau, etc., afin de résoudre les problèmes de mauvais état écologique du milieu aquatique.
La demande alimentaire de la population humaine et animale en croissance constante et la rareté des territoires agricoles impliquent d'éviter les conflits d'usage des terres entre la nécessité d'exploiter le maximum de surfaces cultivables pour la production alimentaire et l'installation de surfaces photovoltaïques suffisantes pour la production énergétique.
Par ailleurs, les activités humaines à proximité des zones aquatiques ou des bassins versants des rivières génèrent des pollutions du milieu, notamment de l'eau, du fait des rejets d'effluents domestiques, industriels et agricoles, riches en matières organiques non dégradées, en phosphates, en nitrates, en germes pathogènes, etc.
Une forme de pollution particulière liée à la présence dans l'eau de ces nutriments est l'eutrophisation de certains écosystèmes, c'est-à-dire la prolifération d'algues et autres plantes aquatiques invasives lorsqu'elles reçoivent des matières nutritives en grande quantité. Les principaux nutriments à l'origine de ce phénomène sont le phosphore, sous forme de phosphates, et l'azote contenu dans les sels d'ammonium, les nitrates et les nitrites. Stimulés par cet apport substantiel, les végétaux aquatiques croissent et se multiplient de manière excessive, de sorte que, lorsqu'ils se décomposent, ils induisent une augmentation de la charge naturelle de l'écosystème en matières organiques biodégradables ou biomasse.
Dans le fond du site aquatique, là où les végétaux morts viennent se déposer, les bactéries aérobies qui s'en nourrissent prolifèrent à des taux d'oxygène dissous insuffisants. En l'absence d'une circulation suffisante des eaux, les bactéries aérobies n'ont plus assez d'oxygène pour se développer normalement. De même, la prolifération des algues et des cyanobactéries liés à l'eutrophisation finissent par épuiser l'oxygène des couches d'eau profondes. Cet appauvrissement de l'oxygène dans l'eau provoque la mortalité des bactéries aérobies comme des phytoplanctons qui s'accumulent alors au fond du plan d'eau pour former une biomasse en décomposition nauséabonde en raison de la septicité de l'eau. Or, les processus biologiques des écosystèmes aquatiques sont gouvernés par la teneur en oxygène dissous dans l'eau. L'accumulation de la biomasse (matière organique biodégradable) dans les sédiments et la prolifération non maîtrisée des végétaux aquatiques en surface qui se nourrissent des polluants accentuent le manque d'oxygène et inhibent l'activité photosynthétique par le blocage du rayonnement solaire en profondeur. Les bactéries anaérobies se multiplient en absence d'oxygène et provoquent la fermentation de toute la matière organique accumulée ce qui génère la production de substances biotoxiques libérant ces fameux gaz nauséabonds tels que le méthane, l'hydrogène sulfuré ou l'ammoniac. Dans ce cas, les paramètres physico-chimiques de l'eau deviennent préoccupants avec par exemple des taux d'oxygène très inférieur à 4 mg/L et surtout un potentiel d'oxydo-réduction négatif caractérisant une eau de très mauvais état chimique selon la Directive Cadre Eau 2000 et engendrant les phénomènes de mauvais état écologique inexorable par la disparition des équilibres naturels de la faune et la flore.
D'une manière très générale, l'invention cherche à répondre au besoin d'installer des surfaces de captage solaire dans le respect des terres agricoles, ainsi que la nécessité de restaurer simultanément l'état écologique des plans d'eau pour favoriser la biodiversité du milieu aquatique et le maintien des activités économiques dans les usages du plan d'eau (pêche, nautisme ou baignade).
Plus particulièrement, il s'agit d'éviter le phénomène d'eutrophisation des eaux dû à la présence excessive de nutriments de types phosphates et nitrates apportés par les activités humaines, industrielles ou agricoles de façon artificielle notamment par les engrais azotés utilisés pour favoriser la croissance des plantes cultivées et qui sont transportés par les eaux de rivière ou sous-terraine ou le ruissellement des eaux pluviales.
L'état de la technique présente de nombreuses réalisations de plateformes photovoltaïques flottantes telles que les demandes de brevet FR2968386, CH701870, WO201006427 ou WO2012139998.
Toutefois, ces réalisations ne sont pas conçues pour favoriser la biodiversité des plans d'eau car les flotteurs recouvrent la surface aquatique bloquant le passage de la lumière et la photosynthèse nécessaire à vie aquatique de la faune et la flore et empêchant la circulation des espèces.
De même, les brevets DE 102009008067, DE 102007029921 ou WO20121751 présentent d'autres réalisations de plateformes photovoltaïques flottantes dont les caractéristiques essentielles reposent sur des modules de plateforme indépendants des éléments de flottabilité. Il s'agit d'une modularité flexible. Or, si les modules unitaires de ces plateformes ont une structure rigide, les assemblages des modules les uns aux autres se sont pas assurés de façon rigide et simultanément dans toutes les directions de l'espace pour former un monobloc solidaire aux sollicitations de l'environnement.
Le brevet WO2008015064 évoque des plateformes reliées entre elles par un pont central et les flotteurs ne constituent pas des organes de rigidité de structure.
Dans ces réalisations, les éléments de flottabilité sont tous dissociés de de la structure de plancher recevant les panneaux solaires. Les flotteurs sont positionnés très en dessous et fixés au plancher par des organes de liaison qui ne participent en aucune façon à la rigidité des plateformes modulaires et à leur assemblage ensemble.
Aussi, le but de l'invention est de proposer un module élémentaire simplifié et flexible dont le renforcement de la structure est assuré par les flotteurs comme des nœuds de liaison rigide. De plus, l'assemblage des modules entre eux est effectué par des liaisons renforcées solidaires des flotteurs et dans les quatre coins d'un module. La structure nodale est alors construite sur des flotteurs encastrés et permet d'assurer simultanément une rigidité multidimensionnelle des assemblages des plateformes unitaires entre- elles dans toutes les directions de l'espace.
Par ailleurs, pour compenser le basculement de la plateforme dû à une répartition non uniforme des charges disposées sur le plancher de la plateforme et corriger l'assiette de la plateforme au voisinage de l'horizontale, l'état de l'art présente un système de ballaste pour un remplissage d'eau dans les flotteurs. Il s'agit de l'ajout d'un poids supplémentaire sur la plateforme qui provoque l'enfoncement de la plateforme et non d'un volume de flottabilité additionnel qui compense le surpoids.
Un autre but de l'invention est de maintenir un volume de flottabilité principale constant pour garder la plateforme à une hauteur fixe déterminée à l'avance. Cette hauteur ne doit pas pouvoir variée lors d'un surpoids.
En particulier, outre les panneaux solaires, la plateforme peut supporter une installation autonome de traitement de l'eau placée, par exemple, dans un caisson de préférence à l'arrière du plancher pour éviter toute obstruction de l'éclairement du soleil sur les panneaux. Des batteries peuvent également se trouver sur la plateforme lorsque l'installation de traitement ne fonctionne pas uniquement au fil du soleil dans des zones à faible ensoleillement nécessitant des éléments de stockage de l'énergie et créer ainsi un surpoids important. Le risque est donc grand d'engendrer un porte-à-faux important qu'il faut absolument contrebalancer si l'on veut pouvoir positionner correctement les panneaux solaires dans l'inclinaison souhaitée pour une exposition optimale au rayonnement du soleil.
Aussi, un but de l'invention est de proposer une plateforme qui serait équipé de moyens permettant de replacer le plancher de la plateforme au voisinage d'une position horizontale initiale par rapport à la ligne de flottaison. Pour cela, aucun poids supplémentaire ne doit réduire le volume de flottabilité.
Ce but est atteint, conformément à l'invention, grâce à une plateforme photovoltaïque flottante comportant, au moins, une pluralité de panneaux d'éléments photovoltaïques disposée sur un plancher de la plateforme, remarquable en ce que ladite plateforme comporte une pluralité de flotteurs dont la flottabilité est déterminée en fonction de la répartition des charges présentes sur la plateforme, de manière à maintenir ledit plancher horizontal sur l'eau.
Ainsi, par un choix judicieux des paramètres de flottabilité des flotteurs principaux, l'invention permet en ajoutant un volume de flottabilité secondaire de compenser l'inclinaison de la plateforme provoquée par la charge des organes de commande, de puissance et de stockage d'énergie d'une installation autonome de traitement de l'eau portée par la plateforme.
Selon un mode de réalisation, la variabilité de la flottabilité d'un flotteur est déterminée par les dimensions d'un évidement pratiqué dans ledit flotteur maître. L'évidement est, par exemple, cylindrique. La hauteur et son diamètre sont définis par application de la loi d'Archimède afin d'obtenir un volume de flottabilité additionnel d'un flotteur esclave voulue à l'endroit où se trouve le flotteur maître considéré.
De préférence, dans le cas où les charges importantes sont placées le long d'un côté du plancher comme c'est le cas avec un caisson à l'arrière, seuls les flotteurs situés sur ce côté feront l'objet de l'ajout d'un flotteur secondaire cylindrique dans un évidement central prévu à cet effet dans le flotteur principal. D'autre part, les plateformes photovoltaïques flottantes connues ne sont pas conçues pour respecter la biodiversité en raison de l'agencement des panneaux solaires prévu pour couvrir totalement la surface aquatique ce qui empêche le passage de la lumière du soleil. L'absence de pénétration des rayons du soleil dans l'eau contribue à inhiber non seulement le développement des algues dans les plans d'eau, mais aussi toute sorte de vie aquatique sans pour autant réduire la pollution récurrente et endémique des activités humaines et agricoles, source d'eutrophisation.
En maintenant le plan d'eau dans l'obscurité avec une surface couvrante la plus proche du niveau de l'eau, le phénomène de photosynthèse de la lumière ne peut pas s'opérer, ce qui contribue à détruire les algues par manque d'oxygène, mais aussi la disparition de la faune et la flore aquatiques.
L'état écologique est aggravé par la mortalité des algues augmentant la quantité de matière organique au fond du plan d'eau que les bactéries aérobies ne peuvent plus dégrader en raison du manque d'oxygène.
Le déficit en oxygène est aggravé par le déséquilibre provoqué par une présence de matières nutritives et l'eutrophisation résulte d'une activité trop riche en ressources alimentaires.
La respiration de la faune (poissons) et de la flore (végétaux) est aussi un processus essentiel à l'équilibre écologique.
Les animaux comme les végétaux respirent en prélevant le dioxygène (O2) dans le milieu aquatique. Toutefois, les plantes sont les seules à produire du dioxygène grâce à la photosynthèse.
Il est évident que les solutions existantes ne conviennent pas aux plans d'eau dans lesquels le but est de maintenir un écosystème naturel pour lequel la lumière du soleil joue un rôle primordial.
C'est pourquoi l'invention prévoit un certain nombre de dispositions favorables à l'éclairement de la surface de l'eau par le rayonnement solaire tout en offrant une surface de captage d'énergie suffisante.
Une de ces dispositions consiste en ce que la pluralité de panneaux d'éléments photovoltaïques présente une structure à claire-voie. La plateforme solaire de l'invention comporte donc des rangées de panneaux d'éléments photovoltaïques séparés par des espaces ajourés pour laisser les rayons du soleil pénétrer dans l'eau, favorisant la photosynthèse et le développement des plantes dans l'eau.
De même, la flottabilité des flotteurs est déterminée de manière à maintenir le plancher de la plateforme à au moins 20 cm du niveau de l'eau pour permettre à certains animaux de circuler sur le plan d'eau. Il s'agit d'une hauteur assurant la biodiversité associée à la fonction claire-voie mentionnée ci-dessus, ainsi que la sécurité des personnes.
Par ailleurs, la plateforme prévoit des aménagements paysagers sur tout le pourtour du plancher et plus particulièrement sur les flotteurs. En effet, l'acceptabilité de la plateforme dans son environnement par l'ensemble des usagers du plan d'eau est un élément central de l'équilibre écologique. C'est pourquoi des végétaux sont installés pour accueillir aussi bien les oiseaux que pour faciliter l'intégration de la plateforme dans le paysage.
Selon un mode de réalisation avantageux, les panneaux d'éléments photovoltaïques ont une inclinaison d'au moins 30°. On limite ainsi l'effet d'occultation des rayons du soleil par les panneaux photovoltaïques.
La structure et le dimensionnement des flotteurs permettent donc une implantation aérienne de la plateforme et évitent un confinement du plan d'eau dans l'obscurité durant la journée.
Par ailleurs, les plateformes solaires doivent être définies de façon optimale pour assurer à la fois la fonction de captage d'énergie et la fonction de traitement de l'eau avec une autonomie journalière suffisante d'au moins quatre heures.
L'architecture des plateformes solaires est donc prévue modulaire pour pouvoir augmenter les surfaces de captage de l'énergie solaire sur les plans d'eau, soit pour pouvoir ajouter des installations de traitement en fonction de l'état écologique de l'eau, soit pour restituer dans le réseau plus d'électricité que l'installation de traitement n'en consomme.
Cet objectif de modularité est atteint, selon l'invention, du fait qu'au moins un flotteur de ladite plateforme est apte à être partagé solidairement avec au moins une autre plateforme adjacente pour une rigidité d'ensemble. La capacité de flottabilité des flotteurs est dimensionnée pour supporter le poids de toutes les plateformes adjacentes. Un flotteur d'angle d'une plateforme peut ainsi recevoir trois autres plateformes adjacentes et supporter le quart du poids de chacune des plateformes. La flottabilité d'un tel flotteur principal seul doit donc être en mesure de supporter le poids total d'un module de plateforme pour qu'il puisse recevoir jusqu'à quatre module élémentaire.
On connaît de l'état de la technique des installations de traitement de l'eau basées sur l'utilisation d'un principe d'épuratoire par voie biologique. Cette épuration consiste à utiliser des microorganismes présents dans les plans d'eau ou dans les effluents des eaux usées pour réaliser la métabolisation de la pollution organique soluble. L'épuration biologique repose sur la capacité de certaines bactéries aérobies à dégrader les matières organiques.
Or, les masses d'eau à traiter peuvent être de différentes typologies (taille, profondeur, altitude, ...) et avoir des charges de pollution variées (eaux usées, eau de pluie, eau de rivière, ...).
Les eaux résiduaires ou les eaux naturelles ne requièrent pas des niveaux de traitement identiques, mais le phénomène de dégradation biologique nécessite d'être suivi et favorisé pour se dérouler correctement.
En particulier, il est indispensable d'effectuer le brassage des eaux polluées pour une bonne répartition des bactéries aérobies dans la masse d'eau à traiter et de les aérer suffisamment pour alimenter les microorganismes en oxygène.
Les principes de circulation et d'aération de l'eau sont largement répandus et exploités à grande échelle afin de générer une oxygénation de l'eau en profondeur par une opération de déplacement des couches d'eau subaquatiques stagnantes.
Ainsi des installations mettent en œuvre la technique de brassage mécanique avec des pales d'agitation sous le niveau d'eau tel que le procédé FUCHS décrit dans le brevet EP0221354 ou le procédé SOLARBEE (marque déposée) décrit dans le brevet US2012067799. On favorise ainsi la création d'un couvrant de circulation qui va permettre de convoyer l'eau de surface chargée en oxygène au fond de la retenue d'eau, bien plus pauvre en oxygène.
Parmi ces installations, des aérateurs de surface fonctionnent par projection de l'eau en surface avec des fontaines de jet d'eau. L'intérêt de ce procédé est d'augmenter la surface de contact entre l'eau et l'air atmosphérique en propulsant celle-ci dans l'air. La projection des particules d'eau dans l'air entraine une augmentation du taux d'oxygène dans l'eau en surface.
D'autres installations de diffusion d'air par bullage permettent de créer de fines ou moyennes bulles au fond de l'eau qui vont oxygéner et réduire la stratification des couches d'eau plus froide emprisonnées au fond du milieu aquatique.
Ces agitateurs et aérateurs de surface ou de profondeur permettent de réaliser ces deux opérations indispensables au traitement biologique des eaux polluées qui représentent près de 60 à 80% de la consommation d'énergie. Or, l'inconvénient majeur de ces équipements réside dans les coûts énergétiques pour traiter des masses d'eau importantes. La réduction de la consommation en énergie à efficacité constante est actuellement le défi des unités de traitement des eaux polluées en station d'assainissement comme dans les espaces naturels.
L'eau est alimentée en oxygène de façon mécanique par contact avec l'air ou par apport d'air pressurisé dans le milieu aquatique. Il s'agit donc d'un simple mélange air/liquide classique dans un rapport égal au voisinage de la pression atmosphérique qui autorise une dissolution de l'air ambiant limitée à hauteur de 4 mg/litre d'oxygène au plus, chiffre visé en général par les stations d'épuration pour traiter un litre d'eau contenant 1 mg de nitrate ou au 5 mg/L défini par la réglementation des plans d'eau aéré. En conséquence, le traitement de l'eau avec ces installations connues demande des durées très longues ou un niveau d'énergie très important et coûteux pour maintenir un bon état écologique.
L'efficacité énergétique de ces installations n'est pas atteint pour assurer une dépollution de l'eau et encore plus si le flux de pollution entrant est important ou l'ampleur de la dégradation du milieu aquatique est élevée.
De même, certain procédé réalise un courant subaquatique grâce à une circulation d'eau chargée en air atmosphérique tels que les brevets WO2004060811 pour une station d'épuration ou une lagune d'assainissement ou JP2004033943 pour un plan d'eau.
Toutefois, il est rare de voir des bassins naturels ou artificiels d'une profondeur supérieure à 4 m car le brassage et l'oxygénation demanderait alors des équipements de pompage encore beaucoup plus énergivores qu'ils ne le sont déjà. De plus, le traitement biologique de grandes masses d'eau engendrent des débits d'air et de circulation d'eau très importants.
Or, il est connu de l'homme de l'art, que plus le débit Q1 d'une pompe est important alors la puissance électrique nécessaire est élevée.
Le cumul d'une hauteur importante d'aspiration et/ou de refoulement avec un débit d'eau Q1 élevé d'une pompe aggrave la contrainte d'obtenir une pression de l'eau supérieure à 3 bars à moins de systèmes plus coûteux à plusieurs étages de pompage.
En conséquence, il est nécessaire d'installer une multitude de dispositifs pour atteindre le niveau d'aération et de circulation d'eau souhaité.
Dans le cas contraire, Il est faut utiliser un dispositif énorme, comme le système VENTOXAL de la société Air Liquide qui consiste à injecter une quantité d'air selon le principe venturi dont l'avantage est de réaliser des volumes importants de mélange air/eau. Cependant, là encore, les dispositifs existants ne font que créer un mélange air/eau avec des coûts de traitement très importants qui limitent le taux de dissolution de l'oxygène.
La problématique de l'efficacité de dépollution biologique dépend d'un certain nombre de paramètres parmi lesquels le taux d'oxygène ou le potentiel d'oxydo-réduction pour les paramètres physico-chimiques principaux.
Dans les dispositifs de brassage et d'aération existants, le taux de transfert d'oxygène dans l'eau et le taux de recirculation de l'eau sont des données importantes pour favoriser la dégradation des composés organiques.
Mais, les systèmes d'aération classiques permettent d'assurer une insufflation d'air par des bulles d'air dont la taille est supérieure à 0,5 millimètres selon la bibliographie (Document technique FNDAE n°26 « insufflation d'air fines bulles » Cemagref).
Or, plus la taille des bulles est petite et plus le besoin en énergie est important.
Le rendement du transfert d'oxygène dépend de la taille des bulles d'air car elle définit les paramètres de vitesse de déplacement et d'aire interfaciale des bulles.
L'usage de l'aéro-injecteur venturi est bien connu de l'état de l'art pour utiliser un effet d'aspiration de l'air au passage d'un fluide dans une réduction de section. Mais, lorsqu'il est utilisé comme simple diffuseur d'air, la taille des bulles ne permet pas d'améliorer significativement les vitesses de traitement à moins d'augmenter leur nombre ou les débits de circulation d'eau comme le montre le brevet WO2004060811.
Le but de l'invention est de proposer une réduction très important de la consommation d'énergie avec une puissance électrique des organes de pompage la plus faible possible. Un autre but de l'invention est de pouvoir limiter le nombre de dispositif venturi grâce à une eau pressurisée qui conduise à créer des microbulles avec un débit d'eau le plus faible.
Un autre but de l'invention est de ne pas limiter le taux d'oxygène dans l'eau pour atteindre des valeurs maximales de 12 mg/L.
Pour cela, nous avons observé que la taille des bulles doit être très inférieure à 0,1 millimètre pour favoriser la dissolution de l'oxygène et sa diffusion rapide dans toute l'étendue d'un volume d'eau important en surface comme en profondeur.
Contrairement à ce qui est communément admis par l'état de l'art, ce n'est pas en réalisant des équipements de très forte capacité en débit avec des puissances de pompage élevés que l'on obtient forcément une bonne efficacité de l'oxygénation.
En réalité, l'injection d'air atmosphérique dans l'eau selon l'effet venturi permet d'obtenir des bulles plus ou moins fines en fonction du rapport entre un débit d'eau Q1 donné et un débit d'air Q2 d'aspiration.
Ce rapport est directement lié à la réduction de section de la conduite. L'effet venturi résulte d'un élargissement ou d'un rétrécissement local de la conduite qui provoque respectivement une surpression ou une dépression.
Le coefficient de contraction est égal au rapport entre le diamètre de la conduite rétrécie et le diamètre de la conduite d'entrée.
Ce rapport doit être supérieur à 4 pour que le débit d'air Q2 soit toujours supérieur au débit d'eau Q1 et que la pression hydraulique fournit par l'organe de pompage soit au moins supérieur à 3 bars.
Dans ces conditions spécifiques, l'utilisation de l'aéro-injecteur venturi permet, d'une part, de réaliser une implosion des bulles dans la chambre venturi au niveau de la réduction de section, et d'autre part, d'obtenir des microbulles d'un diamètre inférieur à 0,1 millimètre grâce à un cisaillement élevé. L'eau effervescente obtenue est alors capable d'effectuer une dissolution moléculaire de l'air bien supérieur dans l'eau et une atomisation de la pollution contenue dans l'eau. Par ailleurs, l'état de la technique présente de simples dispositifs d'aération par brassage avec des structures de plateforme solaire flottante juste nécessaire à leur fonctionnement autonome.
Toutefois, les plateformes photovoltaïques ne permettent pas un usage pour une étendue de ferme solaire sur un plan d'eau.
Ainsi, on comprend l'intérêt que présenterait une combinaison d'une plateforme photovoltaïque conforme à l'invention et d'une installation de traitement de l'eau qui permettrait une augmentation des performances des installations connues en termes de niveau et de vitesse de dépollution et d'élimination de l'eutrophisation du milieu aquatique sans porter préjudice à la biodiversité et d'un coût très faible par rapport au volume d'eau à traiter.
Dans ce but, l'invention propose une installation autonome de traitement de l'eau disposée sur le plancher d'une plateforme selon l'invention, remarquable en ce que ladite installation est alimentée par des moyens d'alimentation électrique comprenant au moins lesdits panneaux d'éléments photovoltaïques, et en ce qu'elle comprend des moyens de traitement aptes à aspirer de l'eau à traiter et à évacuer l'eau traitée, lesdits moyens de traitement comportant, d'une part, des moyens d'aspiration de l'eau à traiter et, d'autre part, un aéro-injecteur venturi apte à recevoir sous une pression hydraulique suffisante l'eau à traiter provenant des moyens d'aspiration et à évacuer l'eau traitée sous un débit donné Q1, ledit aéro-injecteur venturi étant équipé d'au moins un orifice d'aspiration d'air sous un débit donné Q2.
La boucle de circulation hydraulique ainsi constitue autorise un taux d'oxygène dissous dans l'eau bien supérieur au dispositif connu de façon très économique.
De cette manière, il est possible d'atteindre une solubilité de l'oxygène d'environ 12 mg/litre d'eau, sensiblement plus élevé que les 4 mg/litre fournis par les installations connues en quelques heures de fonctionnement et même de celle des phénomènes naturels dans l'eau douce ou l'océan tel que l'effet du vent, de la houle ou le ruissellement. L'avantage de notre procédé de suroxygénation est de permettre une augmentation du potentiel d'oxydo-réduction beaucoup plus rapide, ce qui facilite grandement la gestion de l'alimentation en énergie de l'installation selon l'invention, comme on le verra en détail plus loin.
Ainsi, l'action efficace de l'installation autonome de traitement conforme à l'invention est une accélération des mécanismes naturels de destruction de la biomasse sur la base de l'écologie des micro-organismes aérobie.
Avantageusement, l'installation de l'invention prévoit une surveillance en temps réel et de pouvoir ajuster le traitement en fonction du suivi de l'état du milieu aquatique au travers d'indicateurs caractéristiques de l'eau à traiter comme la température de l'eau, la turbidité (MES : Matière En Suspension), le niveau d'eutrophisation avec la présence de macrophytes et en particulier les données morphologiques du plan d'eau que sont les paramètres physicochimiques comme le Ph ou le Redox (Rh).
Ainsi, l'installation dispose d'une commande électronique intelligente comprenant au moins un capteur de mesure d'une grandeur constituant un paramètre physico-chimique représentatif de l'eau à traiter. En particulier, ledit paramètre est choisi dans la liste suivante : potentiel redox, pH, température ou couleur de la chlorophylle.
Il s'agit d'un station de surveillance et de contrôle apte à collecter toutes les données des paramètres physico-chimiques de l'eau instantanément pour les restituer sur des supports informatiques de consultation à distance et assurer simultanément le pilotage du dispositif de traitement in situ et in vivo.
Les cycles de fonctionnement peuvent être asservis automatiquement par des valeurs de seuil des paramètres physico-chimiques, mais un contrôle permanent de l'état de la pollution de l'eau peut être fait pour des corrections immédiates des dérives constatées.
Un logiciel d'interface de pilotage à distance et une plateforme de communication internet complètent judicieusement la commande intelligente pour un accès à tous les types d'usagers techniques ou non techniques.
Dans un mode de pilotage électrique de l'installation, lesdits moyens d'alimentation électrique comportent en outre des batteries chargées par lesdits panneaux d'éléments photovoltaïques et qui permettent de stocker une quantité d'énergie pour un fonctionnement en cas d'absence prolongée d'éclairement du soleil.
La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée.
La figure 1 est une vue en perspective d'une plateforme photovoltaïque flottante conforme à l'invention.
La figure 2 est une vue de dessus de la plateforme de la figure 1.
La figure 3 est une vue de côté de la plateforme de la figure 1.
La figure 4 est une vue en perspective du flotteur principal et secondaire de la plateforme des figures 1 , 2 et 3.
La figure 5 est un schéma de la boucle hydraulique installée sur une installation autonome de traitement de l'eau destinée à être portée par une plateforme selon l'invention.
La figure 6 est un schéma électrique d'une installation autonome de traitement de l'eau dans le cas d'une gestion électrique.
La figure 7 est un schéma hydraulique de l'installation de la figure 6.
La figure 8 est un exemple de cycle de fonctionnement automatique d'une installation autonome de traitement de l'eau.
Sur les figures 1 , 2 et 3 est représentée une plateforme photovoltaïque flottante 40 destinée à fournir des surfaces de captage de l'énergie solaire dans le but de rétablir l'état écologique des plans d'eau et de développer la biodiversité du milieu aquatique.
Dans son architecture générale, la plateforme 40 comprend des flotteurs 42 sur lesquels repose un plancher 41 portant une pluralité de panneaux 21 d'éléments photovoltaïques.
La plateforme solaire flottante 40 peut ne comporter que des panneaux 21, avec comme seule fonction la fourniture d'électricité d'origine solaire, ou, comme illustré aux figures 1 , 2, 3 et 4, comporter en outre un caisson 43, placé par exemple à l'arrière de la plateforme 40 et contenant les différents composants d'une installation autonome 20 de traitement de l'eau 10 du type de celle qui sera décrite en détail plus loin conformément au figures 5, 6, 7 et 8. Le caisson 43 peut également contenir des batteries 32 dans le cas où l'installation autonome 20 ne fonctionne pas uniquement au fil du soleil.
Il existe donc un risque, quelle que soit la configuration adoptée pour la plateforme 40, de provoquer un porte-à-faux due à une mauvaise répartition des masses sur le plancher 41, avec pour conséquence une inclinaison de la plateforme 40 par rapport à l'horizontale empêchant une exposition correcte des panneaux photovoltaïques aux rayons de soleil.
C'est pour pouvoir replacer le plancher 41 de la plateforme au voisinage de la position horizontale que l'invention prévoit que la plateforme 40 comporte une pluralité, ici quatre, de flotteurs principaux 42 dont la flottabilité est déterminée en fonction de la répartition des charges présentes sur la plateforme, de manière à maintenir le plancher 41 horizontal sur l'eau et à une hauteur suffisante de la surface du plan d'eau.
On comprend qu'en choisissant des paramètres de flottabilité appropriés l'inclinaison du plancher 41 de la plateforme puisse être contrebalancée, notamment en cas de déséquilibre lié aux charges déportées vers l'arrière du plancher des composants d'une installation autonome de traitement de l'eau contenues dans le caisson 43.
En particulier, ainsi qu'on peut le voir sur les figures 1, 2, 3 et 4, le complément de flottabilité d'un flotteur principal 42 est déterminée par les dimensions d'un évidement 420 pratiqué dans le flotteur principal 42.
Le volume du flotteur secondaire 421 , apte à remplir l'évidement 420 d'un flotteur 42, est déterminé par application de la loi d'Archimède en fonction de la flottabilité recherchée pour ce flotteur complémentaire. Si, par exemple, les charges sont déportées sur un côté du plancher 41 , les flotteurs 421 servent à compenser le surpoids de manière symétrique sur les deux côtés concernés. Dans ce cas, seuls les évidements des flotteurs du côté le plus chargé du plancher sont comblés par un flotteur secondaire 420 d'un volume sensiblement équivalent comme le montre la figure 3.
Les flotteurs principaux 42 peuvent avoir une forme générale de cône de révolution tronquée, comme sur les figures 1 , 2, 3 et 4, ou une forme de cylindre de révolution comme les flotteurs secondaires 421. Comme le montrent plus particulièrement les figures 1 , 2 et 3, la pluralité de panneaux 21 d'éléments photovoltaïques présente une structure en claire-voie. Cette disposition particulière présente l'avantage de respecter la biodiversité en permettant le passage de la lumière du soleil et sa pénétration dans l'eau, contrairement aux plateformes connues.
Dans le même ordre d'idée, la flottabilité des flotteurs principaux 42 est déterminée de manière à maintenir le plancher 41 à au moins 30 cm du niveau d'eau, ce qui évite qu'une surface couvrante installée proche de la surface de l'eau maintienne le plan d'eau dans l'obscurité et interdise le phénomène de photosynthèse.
De même, il est prévu dans l'invention que les panneaux 21 d'éléments photovoltaïques ont un angle d'inclinaison « a » d'au moins 30°, ceci pour obtenir une moindre occultation des rayons du soleil. On peut prévoir des tiges de maintien télescopiques 46 de part et d'autre des panneaux 21 pour assurer un réglage en plusieurs positions indexées en fonction de la course du soleil à différentes saisons par rapport au plancher 41 horizontal. Ainsi, les extrémités de la base des supports de panneaux 21 sont montées sur des charnières en pivot 47 pour permettre l'ajustement angulaire par exemple un angle de 45°.
On a déjà expliqué l'intérêt d'une architecture modulaire de la plateforme photovoltaïque 40 en termes de surface de captage de l'énergie solaire et l'association avec une installation autonome 20 de traitement de l'eau 10. D'un point de vue pratique, cette modularité est obtenue lorsqu'au moins un flotteur 42 de la plateforme 40 est apte à recevoir au moins une autre plateforme adjacente.
Dans l'exemple de réalisation de la figure 4, le flotteur 42 est apte à recevoir jusqu'à quatre plateformes reposant chacune sur un quart du flotteur 42, de la même manière que la plateforme 40 repose sur les flotteurs 42 aux figures 1 , 2 et 3. Dans ce cas, le flotteur principal 42 et le flotteur secondaire 421 doivent être dimensionnés pour que ces derniers supportent le poids total d'une plateforme.
De plus, le flotteur principal 42 intègre dans sa partie émergée un dispositif de fixation solidaire au plancher 41 en forme générale de croix 44 pour accueillir l'ensemble des modules élémentaires de plateformes 40 adjacentes les unes aux autres.
Toutes les pièces métalliques constituant la plateforme 40 sont, de préférence, en acier inoxydable, de type 304L par exemple. Celles-ci résisteront donc à la corrosion en milieu aquatique.
Les flotteurs 42 sont choisis en matière plastique, polyéthylène haute densité (PEHD) par exemple ou dans un matériau composé de matière biologique recyclable avec un remplissage de matériaux en mousse éventuel.
Sur le schéma de la figure 5 est représentée une installation autonome 20 de traitement de l'eau 10, notamment destinée à dépolluer et éliminer l'eutrophisation des milieux aquatiques avec un très haut niveau de performances en termes de qualité et de rapidité de traitement ainsi qu'en termes de coût.
Comme le montre la figure 5, l'installation autonome 20 de traitement de l'eau 10 comprend des moyens 11 , 12 de traitement aptes, d'une part, à aspirer l'eau à traiter à travers une conduite 13 d'aspiration amont munie à son extrémité immergée d'une crépine 131 et d'un clapet anti-retour 132, et, d'autre part, à évacuer l'eau traitée à travers une conduite 14 de refoulement aval.
Sur la figure 5, on peut voir que les moyens de traitement de l'eau 10 de l'installation autonome 20 comportent des moyens 11 d'aspiration, telle qu'une pompe de surface par exemple ou immergée, aptes à faire circuler de l'eau à traiter provenant de la conduite 13.
Les moyens de traitement de l'eau 10 comportent également, en aval du système de pompage 11 , un organe 12, appelé aéro-injecteur venturi, qui présente un conduit longitudinal 121 de circulation d'eau muni d'au moins un orifice radial 122 d'aspiration d'air, de manière à permettre le passage d'air sous un débit Q2 donné par un effet venturi dans le conduit 121 de l'aéro- injecteur 12 au cours du fonctionnement de l'installation de traitement. L'orifice radial 122 d'aspiration débouche, d'une part, à l'intérieur du conduit 121 , et, d'autre part, à l'air libre à l'extérieur de l'aéro-injecteur venturi 12. Le débit d'eau en sortie de l'organe aéro-injecteur 12 est désigné par Q1. Un clapet anti-retour 15 est disposé entre l'organe de pompage 11 et l'aéro-injecteur venturi 12 afin de ne pas désamorcer la pompe suite à une entrée d'air de l'aéro-injecteur.
Pour obtenir de l'eau pressurisée au refoulement de la conduite 14 sous contrainte avec un taux d'oxygène très élevé, il y a avantage à ce que la pression hydraulique P à l'entrée de l'aéro-injecteur 12 soit d'au moins 3 bars. On sait, d'une manière générale, que la dissolution de l'oxygène dans l'eau est une opération difficile à faire et très coûteuse. Or, grâce à l'organe aéro- injecteur venturi 12 utilisé dans les conditions spécifiques requises, il est possible d'atteindre un niveau d'oxygène important, de l'ordre de 12 mg/l à moindre coût et très rapidement.
L'installation autonome 20 de traitement de l'eau 10 de la figure 5 comporte par ailleurs des moyens d'alimentation électrique autonomes d'au moins les moyens 11 d'aspiration, ces moyens d'alimentation étant embarqués dans l'installation de traitement.
Avantageusement, les moyens d'alimentation électrique autonomes de l'installation sont des dispositifs d'énergie renouvelable (ENR) comme des panneaux 21 d'éléments photovoltaïques en silicium polycristallin, lesquels présentent le meilleur rapport rendement/prix.
Toutefois, ces moyens peuvent être aussi de type éolien.
Deux modes de pilotage de la pression P et du débit Q1 d'eau peuvent être envisagés, à savoir un pilotage hydraulique et un pilotage électrique.
Pour le mode de pilotage hydraulique, les composants de stockage de l'énergie potentiel tel qu'un accumulateur sont trop lourds et volumineux à ce jour pour avoir retenu notre préférence.
Dans le mode de réalisation que nous avons choisi, illustré aux figures 6 et 7, les moyens d'alimentation électrique autonomes de l'installation de traitement sont constitués par les seuls panneaux 21 d'éléments photovoltaïques fonctionnant au fil du soleil ou avec des batteries 32 de stockage. Dans ce cas, un pilotage électrique doit permettre d'obtenir en sortie des paramètres de pression P et de débit Q1 fixes, stabilisés à des valeurs précises en continu. Or, une alimentation électrique au fil du soleil est instable et pourrait ne pas permettre d'alimenter la pompe 11 avec une tension constante et, par conséquent, les performances de celle-ci seraient variables et dépendraient directement du taux d'ensoleillement. Le risque serait alors de faire fonctionner l'installation davantage dans une zone d'aération classique que dans la zone de suroxygénation souhaitée qui est à la base des performances du traitement préconisé par l'invention.
Comme l'indique la figure 6, le courant fourni par les panneaux photovoltaïques 21 est dirigé, au niveau d'un boîtier 22 de jonction, vers un convertisseur 24 de courant continu destiné à fournir une tension continue de 5V aux circuits d'un boîtier 25 de commande électronique et vers un organe 23 d'alimentation du moteur électrique de la pompe 11.
Un capteur d'ensoleillement 33 peut avantageusement être installé pour vérifier le fonctionnement de l'installation de traitement à des niveaux de performance souhaités en fonction de la durée et du climat journalier.
Le boîtier 25 de commande électronique intelligent est capable de gérer le fonctionnement de la pompe 11 en fonction des indications fournies par divers capteurs notamment de capteurs 26, 27, 28 ou 29, respectivement de mesure du potentiel d'oxydo-réduction (redox), du pH de l'eau, de la température de l'eau ou de la couleur de l'eau, ces grandeurs constituant des paramètres physico-chimiques représentatifs de l'eau à traiter. En particulier, le traitement de l'eau polluée par suroxygénation, conformément à l'invention, a pour effet d'augmenter le potentiel redox de l'eau à traiter jusqu'à des valeurs positives de plus de 100 mV contre des valeurs négatives pour de l'eau de médiocre qualité.
Le capteur 28 de mesure de la température de l'eau peut être un indicateur de gel. En effet, des dispositions doivent être prises durant les périodes hivernales afin que le gel ne détériore pas le circuit hydraulique. Les étendues d'eau ayant des carences en oxygène moins importantes en hiver, l'impact de l'installation selon l'invention serait plus faible. C'est pourquoi cette dernière n'est pas appelée à fonctionner pendant les phases hivernales, et plus généralement dans des zones climatiques ou la température descend en dessous de 5°C par exemple. On peut prévoir en outre que le boîtier 25 de commande électronique soit relié à des moyens 30 de transmission des valeurs mesurées par les capteurs 26, 27, 28, 29 ou 33 en particulier le capteur redox 26, via un réseau de téléphonie mobile type GSM ou GPRS, à destination d'un système de collecte des données en temps réel et de surveillance de l'évolution des conditions de biodiversité. Par exemple, les valeurs transmises du potentiel redox permettent, en cas de non-conformité de ces valeurs à des valeurs de référence, de déclencher des plages de fonctionnement supplémentaire et/ou l'intervention d'un technicien sur l'installation.
Si l'alimentation par les batteries 32 est préconisée, alors elle est plus stable. Les batteries 32 sont chargées par les panneaux photovoltaïques 21 et dimensionnées pour délivrer une tension continue donnée à l'organe 23 d'alimentation du moteur électrique de la pompe 11 via un régulateur 31 dont le rôle est de contrôler et de piloter le processus de charge des batteries 32.
Lorsque les batteries 32 ne sont plus en mesure de fournir la tension et le courant nécessaires pour alimenter la pompe 11 dans des conditions propres à assurer la suroxygénation de l'eau à traiter en sortie de l'aéro- injecteur 12, l'installation cesse de fonctionner jusqu'à ce que les panneaux photovoltaïques 21 aient rechargé les batteries 32. La figure 8 présente ces interruptions qui ne présentent pas d'inconvénients majeurs dans la mesure où elles n'affectent pas la durée de fonctionnement nominale de l'installation qui, comme on l'a vu plus haut, peut être limitée à quelques heures par jours du fait du très haut niveau de performances obtenu. Ainsi, à partir d'un taux de charge de 100% des batteries 32, l'installation autonome 10 alterne des phases de fonctionnement 51 où des phases de charge 52 sans que le seuil de décharge complète 53 des batteries 32 de l'installation de traitement soit atteint.
Pour des raisons d'optimisation du fonctionnement de l'installation autonome 20 de traitement de l'eau 10 avec une surface de panneaux solaires 21 réduite comme un nombre de batteries 32 limité, il est nécessaire de prévoir des cycles de fonctionnement programmés 51 , 52 en fonction du taux d'ensoleillement réel recueilli par une cellule d'éclairement 33. De ce fait, le capteur 33 est utile pour permettre un fonctionnement le plus juste possible en fonction des conditions climatiques réelles à l'endroit même où est installée la plateforme photovoltaïque 40, lesquelles peuvent varier de façon très importante d'un lieu à l'autre. Notamment en raison du dérèglement climatique, il devient de plus difficile de prévoir l'évolution du temps pour imposer un modèle standard et assurer un dimensionnement unique pour toutes les installations autonomes de traitement de l'eau.

Claims

REVENDICATIONS
1. Installation autonome (20) de traitement de l'eau (10) disposée sur le plancher d'une plateforme, comportant des moyens d'alimentation électrique comprenant des panneaux (21) d'éléments photovoltaïques et des moyens (11 , 12) de traitement de l'eau (10) aptes à aspirer de l'eau à traiter et à évacuer l'eau traitée,
ces moyens de traitement comportant :
- des moyens (11) d'aspiration de l'eau à traiter ; et
- un aéro-injecteur Venturi (12) apte à :
• recevoir sous pression l'eau à traiter provenant des moyens d'aspiration, et à
■ évacuer l'eau traitée sous un débit d'eau (Q1) donné,
l'aéro-injecteur Venturi (12) étant équipé d'au moins un orifice (122) d'aspiration d'air sous un débit d'air (Q2) donné,
installation caractérisée en ce que la pression hydraulique (P) sous laquelle l'aéro-injecteur Venturi reçoit l'eau à traiter est supérieure à 3 bars.
2. Installation de traitement selon la revendication 1, dans laquelle le débit d'air (Q2) est supérieur ou égal au débit d'eau (Q1).
3. Installation de traitement selon la revendication 1 , dans laquelle le ratio d'étranglement de l'aéro-injecteur Venturi (12) est supérieur à 4.
4. Installation de traitement selon la revendication 1 , dans laquelle l'aéro- injecteur Venturi (12) est apte à produire des microbulles d'air de dimension inférieure à 0,1 mm.
5. Installation de traitement selon la revendication 1, dans laquelle le taux d'oxygène dissous dans l'eau traitée en sortie de l'aéro-injecteur Venturi (12) est supérieur à 10 mg/litre.
6. Installation de traitement selon la revendication 1, dans laquelle un clapet antiretour (15) est disposé entre les moyens (11) d'aspiration et l'aéro-injecteur Venturi (12).
7. Installation de traitement selon la revendication 1 , comprenant au moins un capteur (26, 27, 28, 29) de mesure d'un paramètre physico-chimique représentatif de l'eau à traiter.
8. Installation de traitement selon la revendication 7, comprenant en outre des moyens aptes à contrôler les moyens (11) d'aspiration de l'eau à traiter en fonction des indications fournies par le(s) capteur(s) (26, 27, 28, 29).
9. Installation de traitement selon la revendication 7, dans laquelle ledit paramètre est choisi dans la liste suivante : potentiel redox, pH, température, oxygène, chlorophylle.
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