Brevet FR2301705A1 — publié le 19760917

la présente invention concerne un dispositif de captation de l'é- nergie éolienne en mer et de stockage d'une partie de llénergie captée. L'accroissement de la consommation d'énergie conduit à considérer les répercussions à court et à long terme de ltemploi des sources d'énergie actuellement exploitées à grande échelle, telles que le charbon, le pétrole, le gaz naturel-, l'uranium, on se heurtera soit à l'appauvrissement prévu des gisements, soit à l'accumula tion des déchets et à i'accroissement des pollutions. Pour y remédier il est nécessaire a) d'utiliser une source d'énergie inépuisable, comme par exemple l'énergie éolienne, b) d'utiliser des formes intermédiaires non polluantes de l'éner gie, comme par exemple les produits de décomposition de l'eau et l'électricité, c) de pouvoir mettre en oeuvre des unités de production de puis sance unitaire très élevée permettant de couvrir une part cr oissante des besoins énergétiques globaux, d) de mettre en oeuvre ces unités de production dans des régions où elles ne constituent pas de nuisances, comme par exemple en mer dans des zones peu- fréquentées par la navigation, e) d'obtenir un coût de production apte à concurrencer les autres formes d'énergie, et un procédé de captation de 1'énergie aus si élémentaire que possible afin d'abréger la durée des études de développement et d'industrialisation du procédé. Jusqu'à présent, la captation de l'énergie éolienne n'a servi en mer que pour servir de propulsion, et son déclin- résulta de la lenteur du procédé et de ses aléas, ainsi que de la limitation des tonnages due à la faible résistance des matériaux constituant les mâts et les voilures de l'époque; la captation de l'énergie éolienne n'a jusqu'à présent servi sur terre qu'au moyen d'-éoli- ennes dont la puissance est limitée par la résistance des pales. La présente invention permet d'éviter les limitations créées par l'usage d'un mât, et elle a pour objet un dispositif tiré par Ire voilure assurant-sa propre sustentation sans l'emploi d'un mât, ce dispositif comprenant s - un bateau, - une voilure ascensionnelle reliée au dit bateau par des filins iWde manière à ce que le vent maintienne en sustentation cette voL lure ascensionnelle et que cette voilure entraîne ce bateau par traction de ces filins, - an moins un groupe turbogénérateur lié à ce bateau et comportant d'une part une turbine hydraulique mise en rotation lorsque le dispositif se déplace entraîné par la voilure, et d'autre part un générateur d'électricité entraîné par la turbine, - des meyens d'utilisation de l'énergie liés au bateau, antes à stocker l'énergie fournie par les générateurs. Il est possible actpellement d'employer pour le confection desdits filins et de ladite voilure d fibres de résistance mécanique élevée, ce qui permet la mise en oeuvre d'une voilure de très grandes dimensions, captant une énergie considérable. Selon une caractéristique particulière de la présente invention, la voilure comprend un ou plusieurs compartiments clos de cavités gonflées par un gaz plus léger nue l'air, ' volume de ces compartiments étant suffisamment grand pour conférer à la voilure une sustentatinn partielle ou complète en l'absence de vent, la forme acquise nar ladite voilure lorsqu'elle est gon- flée par le vent lui conférant des forces dont la résultante se décompose en uno force horizontale de poussée et une force verticale dirigée vers le haut, renforcent la sustentation de la. voilure en présence du vent. Le dispositif selon la présente invention est suscentible d'être mis successivement dans les deux états suivants - un état qui correspond à la captation de l'énergie éolienne, ladite voilure étant déployée et gonflée par le vent, - un état qui correspond au repli de ladite voilure lui nermettant d'être remorquée en restent en sustentation, lesdits con- nartiments restant gonflés oar un gaz nlus léger que l'air. A 1' aide des figures schématisues 1 et 2 ci-jointes, on va déorire ci-après titre non limitatif un mode de mise an oeuvre de l'invention. - Les éléments qui se correspondent sur ces figures y sont dési- gnés par les mes signes de référence. La figure 1 renrésente an persnective une vue schématique d'un disnositif de cantation de l'énergie selon l'invention dans l'é- tat qui correspond a la captation de l'énergie éolienne, ladite voilure étant déployée. La figure 2 représente une vue schématique du meme dispositif captation de l'énergie dans l'état qui correspond au remorquage de ladite voilure i l'état replié. La figure 1 représente en perspective une vue schématique d'un dispositif de captation de l'énergie selon l'invention cli comporte - un bateau 1 comportent en son centre la fixation de cables 2 et de filins 3 - un groupe turboalternateur immergé 4 remorqué e' moyen du groupe de câbles 2 - une voilure 5 ascensionnelle reliée au bateau 1 rar une somme de filins 3 La voilure ascensionnelle 5 a sensiblement la forme d'une portion de sphère lorsqu'elle est gonflee par le vent; elle comprend une somme de compartiments 6 gonflés par l'hydrogène ou par l'hélium, qui assurent la sustentation de la voilure même en ltabsence de vent la voilure à l'état déployé et gonflée par le vent a une forme voisine d'une portion de sphère limitée par un bord d'attaque 7 d'une part, et par un bord inférieur 8 d'autre part les extrémités hautes 9 des filins 3 sont fixées à la voilure de façon équidistante le long du bord d'attaque 7; les extrémités hautes' 9 sont disposées de façon équidistante 10 long d'un demicercle dans un plan incliné d'environ 10 des par rapport à la verticale Un filin de lisière 10 situé le long du bord d'attaque 7est fixé à intervalles réguliers aux mailles d'un réseau il de câbles de renforcement de la voilure. les câbles du réseau 11 sont rendus solidaires de la voilure sur toute leur longueur et permettent de limiter la nropagation d'une déchirure éventuelle restant localisée sur la voilure.Le filin de lisière 10 est également rendu solidaire de la voilure. les extrémités hautes 9 des filins @3 sont fixées au filin de lisière 10; entre deux points de fixation consécutifs des extrémités hautes 9, le filin de lisière 10 dd-crivant le bord d'attaque 7 prend la forme d1un arc de cercle sous l'action de la tension de la voilure. Un câble de lisière 12 situé le long du bord inférieur 8 de la voi- .lure est fixé à intervalles réguliers aux mailles du réseau 11 de cibles de renforcement de la voilure; le câble de lisière 1? est également rendu solidaire de la voilure. La voilure soumise d'une part a la poussée verticale créée par les compartiments 6 gonflés par un gaz plus léger qu l'air, et d1autre part à la composante verticale de la poussée résultant de l'action du vent reste à une altitude invariable gnâce à l'emploi de suspentes 13 d'égale longueur dont les extrémités supérieu res 14 sont fixées de façon équidistante au câble de lisière 12 le long du bond inféniaur 8, et dont les extrémités inférieures sont fixées à des flotteurs 15; ces flotteurs sont lestés afin que la voilure reste à une altitude constante indépenda@te de la vitesge d@ vent tant que celle-ci reste au-dessus du seuil de sustentation.Afin d'éviter que la résistance à l'écoulement que présentent les flotteurs n'entrave leur avancement, on réglere e fonction de la vitesse du vent la quantité d'eau contenue dans leurs ballasts afin qu'ils ne conservent qu'un faible tirant d'eau sous l'effet de la composante verticale de traction transmise de la voilure aux flotteurs par les suspentes 13. les extrémités supérieures 14 des sustentes sont disposées de fa- çon équidistonte le long d'un are de grand cerele d'onviron 2@e@ dans un plan horizontal situé au-dessus du niveau de la me@. Entre deux anorages 14 des suspentes sur le câble de lisière 12, le câble de lisière 12 décrivant le bord infériur 8 de la voilure prend la forme d'un arc de cercle dans un plan presque vertical sous l'effet de la tension de la voilure. Selon cet exemple de mise en oeuvre, la voilure ainsi due les filins et suspentes sont corstitués par 11 emploi de fibres de ven@e E. les caractéristiques du dispositif qui permettent de caoter une puissance de 1 gigawatt en présence d'une vitesse du vent égale à 110 km/h à la hauteur moyenne de la voilure et qui permettent à la voilure de supporter une vitesse du vent égale à 200 km/h avec un rapport entre la résistance à la runture en traction et les contraintes obtenues égal à 7 sont les suivantes: la voilure semi- sphérique a pour rayon 430 mètres; les filins t7 et 18 raccordés aux deux extrémités latérales de la voilure forment entre eux un angle de 60 degrés et le centre de- 1 voilure sphérique est vu da bateau sous un angle de 10 degrés au-dessus de l'horizon; la composante horizontale de traction du dispositif s'élevant dans les conditions limites d'emploi à 34 000 tonnes est transmise de la voilure au bateau par un ensemble de douze filins 3 de longueur 760 m, de masse totale 1730 tonnes, dont la section unitaire constituée par l'assemblage d'une somme de câbles est 0,098 m2; le filin de lisière 10 situe le long du bord d'attaque décrit onze arcs de cercle de t40 degrés, angle nermettant de minimiser la. masse du filin 10 à 200 tonnes, avec une section de 0,052 m2 dix suspentes 13 entre la voilure et les flotteurs, de longueur 60 m, de masse totale 220 tonnes ont pour section unitaire 0,i87m2; le câble de lisière 12 situé le long du bord inférieur décrit des arcs de cercle de 140 degrés de sorte que 11 altitude du bord inférieur au centre des arches ainsi constituées est 130 m ainsi que l'altitude des points d'ancrage des filins 17 et 18 raccordés aux extrémités latérales de la voilure; la masse du cible de lisière 12 est 510 tonnes, avec une section de 0,100 m2; les filins 3, les suspentes 13, le filin de lisière 10 et le câble de lisière 12 sont constitués par l'assemblage en nappe d'une somme de câbles adjacents rendus solidaires par des liens. La voilure susceptible d'être soumise à une force linéique proche de 40 tonnes par mètre est constituée d'une part par 11 fuseaux de toile 19 renforcés par le réseau 11 de câbles de renforcement, et d'autre nart par douze compartiments 6 gonflés à lthy- drogène ou à l'hélium, l'ensemble des fuseaux 19 et du réseau 11 ayant une masse de 1730 tonnes; ainsi, le dispositif aérien représente une masse de 4400 tonnes, et la poussée verticale créée par les compartiments 6 est rendue équivalente afin d'assurer la sustentation même en l'absence de vent. Les compartiments 6 dlinégale logue constituent une somme de réservoirs plats gonflés à l'hydrogène ou a l'hélium; ces compartiments comprennent d'une n art une partie 20 située le long d'une fraction de la longueur des filins 3 au niveau de leur partie supérieure en avant de la voilure, d'autre tart une partie 21 dans le prolongement de la partie 20 la long de la voilure; le raccordement entre un fuseau 19 et ltun des compartiments 6 qui le bordent latéralement s'effectue 7 voisinae du milieu de la hauteur des compartiments plats 6 disposés verticalement; la hauteur des compartiments 6 et la longueur de ces compartiments sont déterminées afin de permettre de disnoser la voile en position repliée avec les compartiments 6 devenant accolés, les fuseaux 19 de la voilure se trouvant inséres entre deux compartiments 6 consécutifs lorsque la voilure est en position repliée ne débordant ni vers le haut au-delà du bord supé- rieur de la partie 21 des compartiments 6, ni vers le bas au-delà du bord inférieur de ces compartiments, la hauteur des compartimentis 6 variant en fonction de la largeur de fuseaux 19 en restant au moins égale à le moitié de tette largeur. Le dispositif représenté daws la fiure 1 comnorte douze comnar- tirants gonflés 6 dont les parties 20 situées 'e lonr des filins 3 ont une longueur de 250 m, une hauteur de 60 mètres et une largeur de 10 mètres, et dont les parties 21 disposées le long de la voilure dans la prolongement de la partie 20 selon des arcs de grands cereles ont des longueurs inégales, une hauteur évolutive de 60 m -à 20 m et une largeur décroissant de 10 m à 6 m, ce nui permet de rénartir la poussée en fonction de la répartition de la masse du dispositif aérien. Le même dispositif représenté dans le figure 2 à l'état replié comporte une voilure repliée maintenue à altitude constante au moyen des suspentes 13 fixées aux flotteurs 15 et relie au teau par des filins 3 dont la longueur a été réduite lors du repli afin de rendre adjacents les compartiments gonflés 6. La dispositif replié admet une section en f forme de rectangle constituée par la juxtaposition des compartiments gonflés 6 se trouvant à una même altitude.La voilure de rayon 436 m atteint à l'état replié une lon- ur de 910 m t la longueur des parties 20 situées le long des filins 3 étant de 250 m, l'ensemble constitue une structure rectlign de 1160 m à altitude constante, de section rectenguAai- re dont la largeur décroît de 120 m à 20 m et dont la hauteur décroît de 60 m à 20 m. Lorsque le dispositif est à l'état déployé, la puissance captée qui es; égale au produit de 1 vitesse de navigatinn du dispositif par la composante horizontale de la force de traction des câbles 2 est maximale lorsque la vitesse de mavigation vaut le tiers de la vitesse du vent t le réglage permanent de la vitesse de naviga- tion s'effectue soit en faisant varier le courant inducteur dans les enroulements du rotor de l'alternaternateur, soi@ en faisant var;er limpédance du circuit d'utilisation. Le bateau comporte un dispositif permettant de régler séparémentle lon@ueun de @he@un des filins 3; lorsque les filins sont d'égale longueur, l@ dire@tion du vent et la direction de navigation sont confondues et situées dans le plan de symétrie de la voilure; lorsque les filins 3 sont d'inégale longueur et que le plan contenant le bord d'attaque 7 de la voilure n'est plus orthogonal 9 la droite nassant par le bateau et le centre de la voilure, le plan de symétrie de la voilure et la direction dans laquelle se déplace le dispositif forment alors un angle avec la a direction du vont, ce qui permet de piloter le dispositif. L'énergie électrique est tranemise de l'alternateur immergé 4 au bateau 1 au moyen d'un câble électrique solidaire du groupe de câbles de traction 2. Le bateau comporta des dispositifs permettant de redresser le courant, d'effectuer l'électrolyse de l'eau, de comprimer l'hydrogène résultant de cette électrolyse et de le stocker. Il est bien évident que dans la structure qui vient d'être décrite les moyens utilisés auraient pu être remplacés par des moyens équivalents, assurant les mêmes fonctions techniques, aue la forme de voilure proposée ne constitue qu'un exemple de mise en oeuvre d'une voilure ascensionnelle faisans nartie du dispo- sitif selon l'invention, et que les matériaux utilisés auraient pu être remplacés par des matériaux présentant un rapport analogue ou meilleur entre leur contrainte limite de rupture par traction et leur densité, sans sortir du cadre de l'invention. L'énergie électrique transmise eu bateau peut également être utilisée pour toute application autre que l'électrolysa de l'eau sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1/ Dispositif de contation de l'énergie éoli@n@e e@ mer @ar@@té- risé en ce qu'il @omporte : - un @ateau - une v@ilure assensi@n@elle @oliée au dit bateau par des filins, ce bateau étant entraîné au moyen de ce@@@ voilure par traction de ces filins, l'action du vent gonflant cette voilure et créant une @o@ssée présemtant une composante verticale @i@igée vers le baut, @roissant en fonetion de la vitesse relative du vent @@@ rap@ort à cette voilure, et contribuant ainsi à a@@urer la sustentation de cette voilure - au moins un groupe turbogénérateur lié à ce bateau et combartant d'une part une turbine hydraulique mise en rotation lorsque le dispositif se déplace entraîné par la voilure, et d'@utre part un générateur d'électricité entraîné par la turbine - des moyens d'utilisation de l'énérgie liés au bateau. a@tes à stocker l'énergie fournie par les générateurs. 2/ Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte des compartiments gonflés par un gaz plus léger que l'air assurant le maintien en sustentation partielle ou totale de ladite voilure en l'absence du vent. 3/ Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le bord inférieur de ladite voilure est muni de plusieurs sus@entes reliées elles-mêmes à des flatteurs de telle sorte que, l@rsque ladite voilure est soulevée par le vent, lesdites suspentes se tendent, lesdits flotteurs restant à la surface de l'eau. 4/ Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que ladite voilure a sensiblement la forme d'une portion de sphère limitée par deux plans formant entre eux un angle compris entre 100 et 130 , les deux bords de ladite voilure ayant la forme d'un are de ce@@le, lesdites suspentes ayant des longueurs voisi@es de telle sorte que ledit bord inférieur se place dans un plan approximativement horizontal, le bord d'attaque de la voilure se plaçant selon un demi cercle dans un plan formant avec la verticale un angle voisin de 10 degrés. 5/ Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le bateau comporte des moyens de réglage individuel de la longueur desdits filins de traction qui parmettent de piloter le dispositif dans une direction oblique par rapport à la direction du vent 6/ Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce què les dits moyens d'utilisation de l'énergie sont des moyens d'éleotrolyse de l'eau et de stockage d'au moins l'un des produits de cette électrolyse. 7/ Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce rue le vitesse d'avancement du dispositif est ré,lée en faisant varier la résistance à l'avancement du groupe turbogénérateur par un ré glage de l'excitation de ses enroulements inducteurs ou gaz un réglage des moyens d'utilisation de l'énergie, en vue les résultats suivants - une vitesse dlavancement égale au tiers de 1 e vitesse du vent lorsque la vitesse du vent est inférieure a la limite supérieure admise - une résistance à l'avancement s'abaissant lorsque lo vitesse du vent atteint ou dépasse la valeur limite supérieure admise, afin que la vitesse relative du vent par rapnort à 1 voilure reste inférieure ou égale à une valeur limite admise, déduite de la résistance de la voilure. 8/ Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que les dits compartiments sont gonflés par de l'hélium ou de l'hydrogène. 9/ Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce je les dits compartiments comportent une partie antérieure disposée le long de la partie supérieure desdits filins et une partie soli daire de la voilure 10/ Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits comp-artiments ont la forme de réservoirs plats disposés verticalement et solidaires de la voilure le long d'arcs de cer cle dans des plans contenant le bateau et le centre de la voilure 11/ Dispositif selon la revendication 10 caractérisé en ce que la voilure est repliable sous forme aérienne pour constituer un bloc rectiligne allongé de section rectangulaire décroissante formé par la disposition contigüe desdits compartiments de hauteur égale se trouvant à la même altitude, et enserrant les fuseaux repliés de la voilure. 12/ Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que le bord inférieur de ladite voilure est constitué par un cible do lisière avant la forme d'une succession d'arcs se raccordant les uns aux autres au niveau de la. fixation des suspentes su ce câble, --ce câble étant soumis à la tension de la voilure et a la force de traction des diverses suspentes 13/ Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le bord d'attaque de ladite voilure est constitué par un filin de lisière syant l@ forme d'une succeseion d'arcs se raccordant au piveau de la fixation des filins sur le filin de lisièrs, celuici étant soumis à la tension de la voilure et à la force de traction ds divers filins reliant l2 voilure audit bateau.