Brevet FR2334840A1 — publié le 19770708

La présente inrefltion concerne un dispositif pour capter 1!énergie des vagies e la transformer en énergie électrique. De nombreuses recherches ont été effectues pour utiliser 1' énergie des phénomènes marins et on a proposé de nombreux dispo sitifs utilisent soit les marées, soit L'énergie des vagues. L' énergie aaréectrice utilisait des phénomènes lents de grande amplitude mais donnant wle hauteur de chute néanmoins réduite, nécessite pour son exploitation des barrages et des usines d'une Importance telle que la rentabilité n'est assurée-que pour 1' amenagement de sites privilégiés permettant d'isoler, en des lieux où la hauteur des marées est importante et dépasse en pratique plus de dix mètres, une grande superficie avec une longueur de barrage reduite ce qui n'est possible qu'en de très rares endroits du globe. L'utilisation de l'énergie des vagues peut etre envisagée sur des superficies marines beaucoup plus étendues où son énergie potentielle est supérieure à celle des marees, en raison de la fréquence élevée du mouvement vertical d'amplitude re -tnvement faible La captation de l'énergie pctentielle des vagues présente toutefois divers problèmes.Les nombreux dispositifs proposés utilisent en général des flotteurs qui reçoivent un mouvement relatif par rapport au fond marin, ces flotteurs entrainant des pompes à air ou a eau qui refoulent le fluide sous pression vers de turbides entrainant des générateurs électriques.Mais, étant donné le caractère rinusoldal de la houle qui fait que les déplacements verticaux s'équilibrent sur la longueur d'onde de la houle et les variations possibles de direction de celle-ci, il est necessaire d'utiliser des flotteurs de dimensions réduites ayant un diamètre inférieur à une petite -.raction de la longueur d'onde de la boule afin que la section de flottaispn du flotteur ait un diamètre très inférieur à la longueurd'onde de la houle, valeur diamètre très inférieur à la longueur d'onde de la houle, valeur pour laquelle le flotteur conserverait une hauteur constante, ce Qai entraine la nécessité; pour obtenir une puissance utilisable, de mettre en oeuvre un nombre important de flotteurs relativement -pvtits. En outre, il faut éviter le phénomène-du brise lame et laisser la houle se propager dans la couche superficielle et enfin le dispositif doLt adapter aux amplitudes des marees en son point d'implantation. Enfin la hauteur et l'amplitude de la houle, donc le débit des pompes entrainées par des flotteurs soumis à 1' action de la houle, étant essentiellement variables, il peut être utile de concevoir un tel dispositif pour qu'il s'adapte à ces variations. Pour répondre à ces différentes considérations, le dispositif doit de toutes façons etre implanté à une certaine distance du rivage et il en résulte la nécessité d'implanter les pompes et les génératrices sous la mer à un niveau suffisant en dessous de la surface pour qu'elles ne se trouvent pas dans la couche soumise à la houle ou dans la hauteur des marées, ce qui nécessite des constructions étanches sans commune mesure avec la puissance installée ou implique, dans le cas où elles sont simplement immergées, des problèmes d'étanchéité, de résistance à la corrosion et d'entretien notamment pour les génératrices électriques.L'installation à terre des installations électrioues n' est pas envisageable, sauf dans des cas spéciaux, en raison de la distance de transport du fluide sous pression produit au lieu d'implantation des flotteurs. La présente invention a, en conséquence, pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un dispositif permettant d'utiliser l'énergie des vagues pour produire de l'énergie électrique à une échelle industrielle et à bon marché. Le principe du dispositif, objet de la présente invention, est de reproduire, sous la mer, les mêmes conditions que celles qui permettent la chute de l'eau contenue dans un dépôt élevé, à l'air: libre, cette chute d'eau étant utilisée pour actionner une génératrice et produire, ainsi, de l'énergie électrique. La mise en oeuvre pratique de ce principe peut avoir lieu en plaçant en dessous du niveau des plus basses eaux un réservoir présentant dans sa partie supérieure une ouverture pour l'entrée de l'eau et en sa partie inférieure une ouverture avec connexion a une col:ar verticale pour la sortie de l'eau. n alimenant de l'air à la meme pression à 1 t exrémité supérieure et à e X UrS mité inférieure de la colonne verticale, on obtient une chute d' eau dont la force est utilisée pour mettre en oeuvre une génératrice. in consquence, le dispositif pour capter l'énergie des vagues et la transformer en énergie électrique conforme à l'innen- tion est caractérise en ce qu'il comporte un réservoir supérieur situé en dessous du niveau des plus basses eaux, alimentant au moins un groupe turbine-génératrice situé beaucoup plus bas au fond de la mer, le réservoir étant relié à la turbine par une colonne verticale partant d'un point bas du réservoir, avec une alimentation en air sous une pression de la partie haute et de la Tartie basse du réservoir au moins égale à la pression hydrostatique au niveau de la turbine ; une ou plusieurs pompes actionnées par au moins un flotteur soumis à l'action des vagues pour injecter de l'eau dans le réservoir sous une pression égale à ladite pression hydrostatique et une ou plusieurs pompes actionnées par au moins un flotteur soumis à l'action des vagues pour injecter dans le réservoir l'air sous ladite pression hydrostatique, le tout formant une structure fixe ancrée au fond de la mer, Si l'on étudie le fonctionnement d'un tel dispositif, on constate que si H est la hauteur en mètres entre le niveau de l'eau dans le réservoir et la turbine et si Q est le débit par seconde des pompes à eau, la puissance théorique en chevaux est égale à 1000 QH/75. En un point où la hauteur de la vague est h et sa fréquence n par minute, le débit théorique d'une pompe à double action c'est-à-dire d'une pompe de section s entraînée tant à la montée qutà la descente par un flotteur de section S est égal à S x f x (h - 2f) x n.x 2 q H x 60 Dans cotte formule f est la variation de flottabilité d'un flotteur.En effet, pour refouler dans une pompe de section s de l'eau sous une pression correspondant à une hauteur d'eau H, la poussée exercée par le flotteur doit être égale à S x f Lorsque le flotteur travailie à la pousse e vers 1e haut etH à la traction vers le bas sous l'effet de son propre poids pour une mtme contrepression agissant sur le piston de la pompe, l'amplitude de son déplacement est égale à (h - 2f) et le débit de la pompe est théoriquement égal au double de sa section multipliée par cette amplitude (h - 2f) et par le nombre de vagues par minute:; lorsque le flotteur travaille uniquement en simple effet, l'amplitude de son déplacement est égale à h - f et lue débit de la pompe est égal à sa section multipliée par cette amplitude (h - f) et par le nombre n de vagues par minute. On constate tout d'abord qu'avec un flotteur actionnant une pompe double effet le débit est proportionnel à (fh - 2f2) de dérivée h - 4 f, le maximum du débit est donc obtenu pour h 5 4f. De cette équation on tire une caractéristique de l'invention savoir qu'il est intéressant de faire varier f en fonction de la hauteur h de la vague mais f étant égal à H r 8, ceci si ceci si- gnifie que H et S étant fixes il faut faire varier s, section de la pompe entraînée par le flotteur. Ceci est également vrai avec une pompe àsimple effet. En pratique et selon une caractéristique de l'invention, on associe mécaniquement plusieurs pompes avec plusieurs flotteurs et entrain à chaque instant un nombre de pompes sensiblement prpportionnel à la hauteur de la vague. Si, à titre d'exemple, on admet un flotteur de 2 mètres de diamètre dont la partie sur laquelle varie la ligne de flottaison est cylindrique S = 3,14 m2, avec H = 40 m, h (hauteur de la vague) = 2 m, une fréquence de la vague de 12 secondes correspondant à n = 5 et f égal à la valeur optimale = H = 0^5 m; on obtient un débit par minute pour chaque flotteur 4 de 3,14 x 0,5 x (2 - 2 x 0.5? X 5 x 2 =-0,0065 m3/sec et la puissance 40 60 1000 x 0.0065 x 40 théorique par flotteur sera de 1000 x 5 x 75 = 3,466 CV. Si les flotteurs sont écartés d'axe- en axe de 2,50 m, on obtient une puissance théorique par m2 de 0,544 CY, soit pour un hectare ou 10.000 m2 équipés, une puissance de 5.500 CV pour des vagues de 2 m ayant une fréquence de 12 secondes. La puissance croit en fonction directe de la hauteur et inversement proportionnellement à la fréquence. On fait fonctionner l'installation avec l'eau de mer, lestpompes à eau aspirant directement dans la mer et les biches des turbines débouchant également directement dans la mer. Pour remédier aux effets de la corrosion par l'eau de mer qui constitue un des facteurs essentiels grèvant l'exploi- tation des usines ~marémotrices, il est toutefois possible, selon une variante de la présente invention, d'utiliser un même volume d'eau douce ou dessalée fonctionnant en circuit fermé. Dans le cas où le dispositif comporte un circuit fermé celu--ci est constitué d'un réservoir de stockage immergé maintenu à la pression atmosphérique alimentant les pompes à eau, de conduites de retour conduisant de la sortie des turbines audit réservoir de stockage et des injecteurs pour injecter, dans ladite canalisaticn de: retour le débit d'air des pompes à air. Pour régler la pression d'air régnant dans le re-: servoir haute-pression, la canalisation d'injection d'air dans la conduite de retour comporte une prise d'air dans la partie supérieure du réservoir haute pression, un injecteur situé dans la canalisation de retour à un niveau supérieur à celui des turbines, un siphon ou coude à branches dirigées vers le haut, situé sur cette conduite à un niveau inférieur au niveau des turbines et une prise en communication avec l'eau de mer ambiante aboutissant au point bas de ce siphon. Avec cette disposition l'air ne peut s'échapper du réservoir haute-pression que lorsque sa pression dépasse la pression hydrostatique au niveau de la turbine, ce qui permet de faire fonctionner la turbine sous une hauteur d'eau pratiquement constante quel que soit le niveau de la marée Pour tenir compte de la vitesse de rotation relativement faible et variable qu'il est possible d'obtenir à partir des déplacements verticaux des -flotteurs, les pompes à air peuvent etre des pompes double-effet à piston, entraînées par un plateau manivelle muni d'un dispositif lui assurant un mouvement de rotation unidirectionnel, lui-même accouplé, de préférence par un dispositif de débrayage, avec un dispositif du type à crémaillère et pignons, transformant les mouvements verticaux du flotteur en un mouvement de rotation unidirectionnel. Pour assurer un fonctionnement automatique avec des débits variables des pompes, les conduites d'alimentation des turbines débouchent de-préférence dans le réservoir haute pression a des nivaux variables et sont contrlées par des clapets à flotteur de manière à éviter la fuite-, par une turbine hors de service, de l'air du réservoir haute-pression. Les caractéristiques de la présente invention seront mieux comprises à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation faite ci-après avec référence aux dessins ciannexés dans lesquels : Fig. 1 est une vue en élévation et coupe verticale schématique du mode de réalisation préférentiel du dispositif conforme à l'invention; Fig. 2 estune vue de détail des pompes à air double-effet. Fig. 3 est une vue en élévation du dispositif avec circuit de recirculation. Le dispositif comporte une plate-forme à deux planchers I et 2 portée au-dessus du niveau de la mer par des piliers 3. Au centre de cette plate-forme est prévu un puits ou colonne centrale 4 qui descend Jusqutà une chambre 5 reposant sur un radier 6 réalisé sur le fond de la mer 7. Dans le mode de réalisation représenté, la chambre 5 comporte un plancher 8 qui la subdivise en une chambre des machines 9 et une chambre inférieure 10 qui forme une boche de réception de l'eau des turbines. La chambre 9 peut être à la pression atmosphérique ou être pressurisée. En dessous du niveau des plus basses eaux on réalise un réservoir Il qui est traversé par la colonne 4 et supporté également par les piliers 3. Ce réservoir Il est alimenté en eau par des pompes 14 actionnées par des flotteurs 15. Dans le mode de réalisation représenté chaque flotteur 15 est muni de deux tiges 16 qui portent un piston 17. La longueur du corps de pompe, c'est-à-dire la course du piston est de préférence telle qu'elle corresponde à la distance entre le sommet (Les plus hautes vagues pour la marée la plus haute et le creux des plus hautes vagues pour la marée la plus basse. La course du piston correspond ainsi toujours à l'amplitlde des vagues quel que soit niveau moyen de celles-ci.La pompe représentée est à simple effet, Liteau étant admise librement par l'orifice 18 situé au niveau bas de la pompe, passant à travers un orifice 19 muni d'un clapet anti-retour prévu dans le piston 17 lorsque le flotteur et le piston descendent et étant refoulée par une canalisation 2Q, munie dt clapet anti-retour 21j dans le r- se/oir 11 lorsque le flotteur remonte avec la vague en ntr- nant le piston 17. Dans le mode de réalisation représenté le piston 17 est supporté par une tige descendant vers le bas qui est suspendue par un étrier comportant deux tiges latérales, passant le long de deux génératrices opposées de la pompe, au flotteur 15 qui est guidé le long d'une colonne le traversant axialement. Ce mode de réalisation nécessite des colonnes- de guidage verticales émergeant. Enfin la pompe décrite peut étre transformée en pompe double-effet en prévoyant pour chacune des deux chambres séparées par un piston étanche un orifice d'admission 18 muni d'un clapet anti-retour et un orifice de refoulement muni d'un clapet 21. Pour les pompes à air celles-ci sont conçues spécialement pour tenir compte du caractère compressible de l'air. La pompe 23 comporte, comme illustré plus en détail à la figure 2, un cylindre 24 dans laquelle se déplace un piston 25 solidaire d'une tige de piston 26. Pour assurer un refoulement maximum de l'air comprimé les deux extrémités sont conformées de manière à remplir les chapelles supérieure et inférieure dans lesquelles sont montées des soupapes d'admission tarées 27 contrôlant la mise en communication de la chambre du cylindre avec l'air ambiant et des soupapes de refoulement 28 contralant le refoulement de l'air sous pression vers une canalisation 29.La tige 26 du piston est entraenée par une manivelle 30 entraSnée par un plateau 31 associé à un dispositif 32 assurant sa rotation unidirectionnelle. Ce plateau est par exemple calé sur un arbre 33 lequel peut être commun à plusieurs pompes avec de préférence dans ce cas un dispositif de débrayage pour permettre, pour les raisons exposées ci-dessus, de ne mettre en service que quelques unes des pompes. L'arbre 33 est entraîné par des roues dentées 34 elles-mêmesentratnées chacune par l'intermédiaire d'un dispositif unidirectionnel 35 par des pignons 36 engrenant avec des crémaillères 37 taillées selon des génératrices- opposées d'une tige 38 solidaire d'un flotteur 39. Les deux roues dentées 34 sont en engrènement par un pignon intermédiaire 40.De cefait le déplacement vers le haut ou vers le bas de la tige 38, c'est-à-dire du flotteur 39 se traduit par une rotation du plateau 31 d'un angle proportionnel à l'amplitude du déplacement, donc par le refoulement d'air sous pression dans la canalisation 29. Bou la protéger contre la corrosion par lteau de mer et les embruns, la tige à crémaillère 38 est enfermée entre le flotteur 39 et la plate-forme 2 dans un soufflet 50 et sa partie située au-dessus de la plate-forme 1 coulisse et est guidée dans un cylindre 51. La canalisation 29 débouche dans la partie haute du réservoir 11. Ibur obtenir un fonctionnement régulier de l'installation, il est préféreble que la pression de l'air dans le réservoir 11-soit toujours égale à la pression hydrostatique au niveau de la bache des turbines. Ceci peut etre obtenu en mettant en communication la partie-haute du réservoir 11, c'est-à-dire la canalisation 29 et la chambre 9 et en rendant le plancher 8 non étanche. Le volume d'air refoulé par les pompes 23 qui tendrait à élever la pression au-dessus de celle requise passerait dans la bache des turbines et serait refoulé dans la mer.Cette solution présente toutefois divers inconvénients notamment celui que la chambre 9 se trouve sous pression, ce qui oblige à des opérations de dépressurisation délicates lors de la sortie du personnel appelé à descendre par le puits 4 dans cette chambre pour les opérations de vérification et- d'entretien. D'autre part en cas de panne ou d'arrêt, par suite d'un calme plat, dès pompes 23, 11 eau de mer est susceptible d'envahir, par suite des fuites d'air difficiles à contrôleur, la chambre 9 et d'endommager les génératrices et les installations électriques. Il peut donc titre préférable de maintenir la chambre 9 à la pression atmosphérique et de prévoir un circuit de fuite indépendant pour l'excès d'air envoyé dans le réservoir 11. Du fait de la constitution ci-dessus décrite on obtient dans le réservoir 17 une masse d'eau alimentée en continu par les pompes 14, masse d'eau sur la surface supérieure de laquelle s'exerce une pression d'air égale à la pression hydrostatique au niveau de la bâche 10. Dans la partie inférieure du réservoir Il débouchent des canalisations 46 qui descendent, de préférence à l'intérieur du puits 4, jusqu'à la chambre 9 dans laquelle elles sont raccordées par des systèmes de vannes non représentés à des turbines 47 sur l'axe desquelles sont calées les génératrices 48. Les bâches des turbines débitent dans la chambre 10.Pour assurer l'automaticité de la mise en service d'un nombre de turbines 47 correspondant au débit des pompes 14, on utilise la variation du niveau de l'eau dans le réservoir 11. Pour ce faire les entrées des canalisations 46 des différentes turbines sont étagées et elles sont munies d'un obturateur automatique par exemple un flotteur sphérique 49 guidé par une crépine 50. La description qui; précède s'applique au cas de l'installation dutype en circuit ouvert fonctionnant à liteau de mer. On décrira maintenant avec référence à la figure 3, le cas d'un dispositif du type à circuit fermé fonctionnant à l'eau douce ou dessalée. Dans cette figure, les parties semblables à celles de la figure 1 portent les amomes références et ne seront pas décrits Dans le cas du dispositif fonctionnant en circuit fermé le réservoir Il est double et comporte à sa partie inférieure un réservoir de charge 12 qui joue le même rible que le réservoir Il de la figure 1 et un réservoir supérieur 13 qui est un réservoir de stockage pour l'eau douce ou dessalée. Le réservoir 13 est rempli avec un volume d'eau suffisant pour absorber les variations du volume d'eau dans le réservoir 12.La canalisation 45 d'évacuation de la boche 10 qui peut être logée dans un ou plusieurs piliers 3 débouche en 52 à la partie haute du réservoir 13 et les orifices d'admission 18 des pompes 14 sont reliés par des canalisations 53 aux points bas 54 du réservoir 13. Une canalisation 55 partant du sommet du réservoir 13, débouche à l'air libre par exemple au niveau de la plate-forme 2 pour évacuer l'air qui, injecté au point 44, a coopéré à la remontée de l'eau dans la canalisation 45 jusqu'au réservoir 13. Dans ce dispositif , les pompes à air 23 sont semblables à celles décrites avec référence à la figure 2 , tandis que chaque pompe à eau 14, dans ce mode de réalisationS est constituée par un flotteur 15 muni d'une tige de piston 16 qui traverse axialement le corps de la pompe et qui porte un piston 17. Cette pompe est à simple effet, l'eau étant admise librement par l'orifice 18 situé au niveau bas de la pompe; passant à travers un orifice 19 muni d'un clapet anti-retour prévu dans le piston 17 lorsque le flotteur et le piston descendent et étant refoulée par une canalisation 20, munie d'un clapet anti-retour 21, dans le réservoir 12 lorsque le flotteur remonte avec la vague en entraînant le piston 17. Dans ce mode de réalisation la tige de piston 16 est également guidée dans le fond de la pompe en 22. ta tige 16 peut ce même être au-dessus et an dessous et en dessous de la pompe soufflets ou dispositifs étanches analogues, semblables à ceux décrits pour les pompés à air, pour protéger les' guidages de la tige 16 contre la corrosion et le dévelopzement d'organismes marins. Dans le mode de réalisation de la figure 3, la chambre 9 est maintenue à la pression atmosphérique et l'on a prévu un circuit de fuite indépendant pour l'excès d'air envoyé dans le réservoir 12. Ceci est obtenu, dans le mode de réalisation illustré par un tube 41, qui débouche dans la partie haute du réservoir 12 et qui descend pour former un coude en U 42 jusqu'au niveau des bâches des turbines, ce tube comportant en son point bas un raccord 43 pour l'entrée de l'eau de la mer. Tant que la pression de l'air est inférieure à la pression hydrostatique au droit du raccord 43, l'eau envahit le coude 42 et s'oppose à la sortie de l'air.Le courant d'air de fuite peut être avantageusement utilisé pour être injecté en 44 dans une canalisation verticale 45 en communication avec la bâche 10 des turbines afin de réduire la contre-pression dans la bache et d'accrortre le rendement. Cette disposition est utilisable dans le dispositif fonctionnant aussi bien en circuit fermé comme représenté, qu'en circuit ouvert, l'efficacité étant toutefois, dans ce dernier cas, plus faible en raison de la diffusion de l'air se produisant au dela de l'extrémité de la canalisation verticale 45 au-dessus du point d'injection 14. La référence 56 désigne des entretoises qui, ensemble avec les canalisations 20 et 53,assurent le maintien en position des files et rangées de pompes 14, files et rangées dont le nombre varie suivant la puissance installée. Des sas 57 prévus sur la hauteur du puits 4 et accessibles par des échelles 58 ou des ascenseurs permettent la visite des chambres et réservoirs sous pression. Le mode de réalisation.décrit schématiquement ci-dessus sous forme d'exemple avec référence aux dessins dans lesquels certaines parties ont été représentées à plus grande échelle pour en faciliter la représentation, est susceptible de recevoir de nombreuses modifications sans sortir du cadre de la présente invention. REVEND I CATI ON S 1.- Un dispositif pour capter l'énergie des vagues et la transformer en énergie électrique caractérisé en ce qutil comporte un réservoir supérieur, situé en dessous du niveau des plus basses eaux, alimentant au moins un groupe turbinegénératrice situé beaucoup plus bas au fond de la mer, ledit réservoir étant relié à la turbine par une colonne verticale partant d'un point bas du réservoir, avec une alimentation en xz sws une pression de la parte haut et de la partie base du resesow au moins égale à la pression hydrostatique au niveau de la turbine; au moins une pompe actionnée par au moins un flotteur soumis à l'action des vagues pour injecter de l'eau danse réservoir sous une pression égale à ladite pression hydrostatique et au moins une pompe actionnée par au moins un flotteur soumis à l'action des vagues pour injecter dans le réservoir l'air sous ladite pression hydrostatique, le tout formant une structure fixe ancrée au fond de la mer. 2.- Un dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la variation de flottabilité d'un flotteur varie en fonction de la hauteur de la vague. 3.- Un dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce quton a,socie mécaniquement plusieurs pompes avec plusieurs flotteurs et entrasse à chaque instant un nombre de pompes sensiblement proportionnel-à la hauteur de la vague. 4.- Un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les pompes sont des pompes doubleeffet à piston, entratnées par un plateau manivelle muni d'un dispositif lui assurant un mouvement de rotation -unidirectionnel, luit une aczollplé, par un disposiS de débrayage, avec un dispositif du type à crémaillère et pignons. 5.- Un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les conduites d'alimentation des turbines débouchent dans le réservoir supérieur hallte-pression à des niveaux variables et sont contrôlées par des clapets à flotteur. 5.- Un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il comporte un circuit fermé constitué d'un réservoir de stockage immergé maintenu à la pression atmosphérique alimentant les pompes à eau, des conduites de retour conduisant de la sortie des turbines audit réservoir immergé et des injecteurs pour injecter, dans lesdites canalisations de retour, le débit d'air des pompes à air. 7. Un dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que la canalisation d'injection d'air dans la conduite de retour comporte une prise d'air dans la partie supérieure du réservoir haute pression, un injecteur situé dans la canalisation de retour à un niveau supérieur à celui des turbines, un siphon ou coude à branches dirigées vers le haut; situé sur cette conduite à un niveau inférieur au niveau des turbines et une prise en communication avec l'eau de mer ambiante aboutissant au point bas de ce siphon.